具有隔离can输出的两线变送器的制造方法
【专利摘要】一种过程变量变送器(100)，优选地包括提供双向HART和控制器局域网络收发机线路(LOOP+，LOOP-，CAN，GND)的变送器输出电路(400，300)。变送器输出电路还包括传感器电路接口触点(202)。隔离电路(201)连接到传感器电路接口触点。隔离电路包括传感过程变量的传感器电路。隔离电路还包括将传感器电路与HART和控制器局域网络收发机线路电流隔离的电流隔离屏蔽(204)。堆叠的电源(图9A-9B)提供功率管理。其它方面可以包括控制器局域网络电流限幅器诊断输出(934)，微控制器的启动和关闭的时序，本地操作员接口和功率管理。
【专利说明】具有隔离CAN输出的两线变送器
[0001]本申请是2006年9月28日提交的、申请号为200580010070.4、发明名称为“具有
隔离CAN输出的两线变送器”的专利申请的分案申请。
【背景技术】
[0002]过程变量变送器(transmitter)用于传感过程变量并提供表示过程变量大小的电气输出。由于过程变量变送器中的电子组件和传感器组件越来越小型化并且为变送器增加了更多的功能，变送器内部的电路变得密度很高，导致了变送器内部的新的电源管理、噪声和干扰问题。
[0003]出现了一个问题，即噪声影响了还包括控制器局域网络(CAN)收发机线路的两线HART变送器的低电平传感器电路。需要提供更好的保护，以避免包括CAN收发机线路的小型两线过程变量变送器中的传感器电路中噪声的影响。
[0004]还有一个问题，即从回路激励中满足CAN电路和其它变送器电路的激励需求，而回路激励与激励需求是失配的。
[0005]需要克服这些问题的变送器。本发明的实施例提供了这些和其它问题的解决方案，并提供了相对于现有技术的其它优点。
【发明内容】
[0006]公开了一种过程变量变送器，包括提供双向HART和控制器局域网络通信收发机线路的变送器输出电路。变送器输出电路还包括传感器电路接口触点。
[0007]隔离电路与传感器电路接口触点相连。隔离电路包括传感过程变量的传感器电路。隔离电路还包括电(galvanic)隔离屏蔽，将传感器电路与HART和控制器局域网络收发机线路进行电流隔离。
[0008]通过阅读下文的详细说明和查看附图，描述本发明实施例的其它特性和优点将会变得明显。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1示出了包括HART和CAN收发机线路的两线过程变量变送器中的电路板之间的电气连接。
[0010]图2示出了过程变量变送器中的传感器电路板的框图。
[0011]图3示出了过程变量变送器中的RFI电路板的示意图。
[0012]图4示出了过程变量变送器中的输出电路板上的控制器局域网络(CAN)电路的示意图。
[0013]图5A、5B示出了过程变量变送器中的CAN电路板上的CAN显性-隐性(dominant-recessive)驱动器电路。
[0014]图6示出了电流隔离串联双向通信电路。
[0015]图7示出了电流隔离电源。[0016]图8形象化地示出了过程变量变送器。
[0017]图9A-9B示出了具有堆叠式电源特性的过程变量变送器的简化图。
[0018]图10示出了用于CAN电路中隐性驱动的电流限幅器。
[0019]图11示出了用于存储CAN配置数据的电源电路。
[0020]图12示出了隔离峰值的电源电路。
[0021]图13示出了包括CAN电路的变送器的激励的简化时序图。
【具体实施方式】
[0022]在下文描述的实施例中，减轻了具有CAN收发机线路的过程变量变送器中的高密度电路的电源管理、噪声和干扰的问题。低电平传感电路引向过程地(process ground),并且在传感电路和HART和控制器局域网络(CAN)收发机线路之间设置了电流隔离屏蔽(galvanic isolation barrier)。HART和CAN收发机线路不能有效地将噪声稱合到低电平传感电路，并且变送器能够利用小型化的组件来制作紧凑的变送器。
[0023]堆叠式电源通过对电流的再利用，允许流过CAN电路和其它变送器负载的电流超过最小回路电流。
[0024]图1示出了工业过程变量变送器100的典型实施例的内部连接图。过程变量变送器100包括例如传感器电路板200、RFI电路板300、输出电路板400和CAN电路板500的印刷线路板，这些电路板电气相连以提供变送器的功能。变送器100与流体过程入口装置(inlet fitting) 102相连，并传感例如过程入口装置102中的过程流体的压力、温度、流量
等过程变量。
[0025]变送器100包括回路引线104、106，用于连接变送器100外部的工业过程控制回路(图3中所示)。变送器100可以包括接地引线108，用于将变送器100连接到过程地(图3中所示)。变送器包括通过接地引线108与过程地相连的外壳112。外壳112还可以通过过程入口 102连接到过程地。变送器100包括CAN收发机引线114，用于与变送器100外部的一个或多个CAN设备(图3中所不)相连。
[0026]回路引线104、106是双向HART通信收发机线路，用于和与HART通信兼容的外部设备通信。CAN引线114是控制器局域网络收发机线路，用于和与CAN通信兼容的外部设备通信。
[0027]在优选实施例中，引线104、106、108、114是飞线(flying lead),然而，也能够使用例如螺旋端子(screw terminal)、压缩端子(compression terminal)、多引脚连接器等的其它电气连接设备。
[0028]变送器100是两线变送器，即，它是使用两个功率线104、106进行信号传输的电子变送器。两线变送器100还包括接地引线108和CAN收发机引线114。
[0029]CAN电路板500包括触点J4A-1至J4A-8，它们通过连接器502与输出电路板400上相应标号的触点J4-1至J4-8相连。传感器电路板200包括触点J5-1至J5-8，它们通过连接器202与输出电路板400上相应标号的触点J2-1至J2-8相连。传感器电路板触点J5-1至J5-8包括传感器电路接口触点。传感器电路板200优选地包括电流屏蔽204，电流屏蔽204将与连接器202相连的传感器电路板电路与传感器电路板200上与过程地相连的隔离电路201相隔离。传感器电路板200包括与传感器电路接口触点相连的隔离电路。[0030]输出电路板400包括触点Jl-1至J1-8，他们通过连接器402与RFI电路板300上相应标号触点Jl-1至J1-8相连。连接器202、402、502可以包括柔软的带状电缆、直线式插针或其它已知的连接器，用于在印刷电路板之间建立连接。
[0031]下文结合图2-7、9_12来描述电路板200、300、40、500上的电路的例子。本领域的技术人员将会理解，图1中的布置仅仅是示例性的，且变送器中的电路板的数目和类型能够与所示的不同，取决于所传感的具体过程变量和具体应用的需要。
[0032]图2示出了传感器电路板200的典型实施例的框图。传感器电路板200上的隔离电路201与触点J5-1至J5-8电流隔离。过程压力传感器206与过程入口 102相连，用于传感过程压力。过程入口 102典型地包括与过程地103相连的线状金属装置。需要在过程入口 102和过程压力传感器206之间进行流体连接。如果传感器电路与CAN收发机线路具有欧姆连接而不提供电流隔离，那么在过程地线和传感器电路之间将出现噪声电势。第二压力传感器208优选地包括绝对压力传感器，并传感大气压力或第二过程压力。虽然示出的传感器206、208包括在传感器电路板200中，本领域的技术人员将会理解,传感器的位置和数目可以不同，取决于所传感的过程变量的类型，并且传感器可以如图所示放置在电路板上，或可选择地安装到变送器外壳112 (图1)。
[0033]传感器206、208连接到传感器电路210，传感器电路210为传感器206、208提供能量并在线路214、216上提供数据，以及通过包括线路SCL0CK、MIS0和MOSI的SPI串行通信总线将传感器的输出传送到微控制器220，如图2所示。传感器电路210优选地包括多通道Σ-Δ模数转换器电路。微控制器220优选地包括National Semiconductor C0P8SGE728M8微控制器，该控制器被编程以提供从SPI协议到SCI协议的通信协议转换。
[0034]电流隔离电源222利用电源干线(supply rail) VDDA、VMID和VSSA向传感器电路板200上的隔离电路201提供能量，并且还提供时钟信号224。电流隔离电源222包括隔离变压器(例如图7中所示)，它是电流隔离屏蔽204的一部分，电流隔离屏蔽204将间接连接到HART和CAN收发机线路的触点J5-1至J5-8与传感器电路板200上的低电平隔离电路201电流隔离。传感器电路板200上的低电平电路201与通常连接到过程地103的外壳112相连。
[0035]电源222上的触点J5_2、3与引向回路触点104、106的电路(在输出电路板400上)相连。隔离变压器中的绝缘提供的电流隔离在触点J5_2、3和过程地103之间形成了电气绝缘屏蔽。
[0036]时钟信号224与时钟整型器228相连。时钟整型器228提供了适于用作微控制器(协议转换器)220和传感器电路210的时钟输入的整型时钟输出230。上电复位电路232向微控制器220的复位输入端提供了上电复位信号234。
[0037]电源干线VSSA优选地与外壳112相连，这样变送器外壳100和过程入口 102不能将来自变送器100周围环境的噪声电容性地耦合到传感器电路板200上的低电平电路。利用这种布置，传感器电路板200上的低电平电路有效地被静电屏蔽(即金属外壳112)所包围。
[0038]微控制器(协议转换器)220通过电流隔离串行双向通信电路236为传感器电路板200连接输入和输出数据。电路236包括隔离变压器(例如图6中所示)，它是电流屏蔽204的一部分。电流屏蔽204将传感器电路板200上的电路与触点J5-1至J5-8相隔离。利用电流隔离，在触点J5-1至J5-8和传感器电路板200上的低电平电路之间，变送器100中没有电气传导路径。电流隔离屏蔽允许传感器电路板200上的低电平电路与接地金属外壳112相连以免除噪声，而变送器100中的高电平电路引向回路端子104、106以避免杂散地电流。电流隔离屏蔽204避免了电流回路和过程地之间的杂散地电流。电流隔离还能通过使用光隔离器替代隔离变压器来实现。信息和功率通过电流屏蔽，然而电流被阻挡并且不会穿过电流屏蔽。
[0039]图3示出了 RFI电路板300的典型实施例。RFI电路板300通过两线过程控制回路301与变送器100外部的回路接收机302相连。回路接收机302典型地是过程控制系统中的输入通道，其中过程控制系统提供向变送器100提供能量的电流。回路接收机302优选地传感受变送器100控制的4-20mA回路电流的大小。回路电流表示了由传感器206 (图2)传感到的修正的、传感的过程变量。回路接收机302还优选地与变送器100交换双向HART数字通信信号。这些HART数字通信信号叠加在4_20mA电流上，并且处于不会干扰传感4-20mA电流大小的频率范围内。
[0040]RFI电路板300还与外部CAN设备304相连。如图所示，外部CAN设备通过线路307被引向LOOP-。Π滤波器311滤出CAN线路306上的RFI。外部CAN设备304在变送器100的外部，并使用控制器局域网络(CAN)串行通信协议与变送器100通信。外部CAN设备304可以是能够利用与变送器100的通信的任意类型的工业设备。例如，外部CAN设备304可以包括温度传感器以向变送器100提供温度校正数据。外部CAN设备304还可以包括从变送器100接收过程变量数据的本地控制器。外部CAN设备304还可以包括另与变送器100的设计相似的设计的另一变送器。因此变送器100具有在过程控制回路301上使用HART协议进行较长距离通信的第一双向串行通信能力，并且还具有在线路305、307上的本地两线连接上使用CAN协议进行较短距离通信的第二双向通信能力。
[0041]RFI电路板300将与CAN外部设备304进行的通信沿着线路306连接到输出电路板400 (图1)上的触点J1-8。来自CAN外部设备402的通信信号通过线路306和输出电路板400上的导线到达CAN电路板500 (图1)上的连接器J4A-3。
[0042]RFI电路板300将来自过程回路301的电流通过RFI电路板300上的触点J1-2和J2-3传送到输出电路板400 (图1)。RFI电路板300包括射频干扰(RFI)滤波器308，它将RFI滤出并将回路电流从回路接收机302连接到触点Jl_l、3。RFI滤波器308被设计为允许叠加了高频的HART数字通信(处于音频范围内)通过。电源电路中的电源电路部分310、312放置于RFI电路板300上，以提供部分310、312和外壳112之间的直接热连接以达到好的散热。RFI滤波器中的地连接309通过接线柱WP5与过程地103相连。地连接309还通过接线柱WP14与外壳112相连。
[0043]图4示出了输出电路板400上的CAN支持电路403的典型实施例。CAN支持电路403与CAN电路板500 (下文结合图5A、5B进行描述)上的电路互相协作，以提供支持用于和外部CAN设备304 (图3)通信的CAN通信协议。
[0044]CAN支持电路403包括微控制器404。在优选实施例中，微控制器404包括8位微控制器类型的ATMEGA103L。微控制器404除了控制CAN支持电路403以外，还优选地向传感器电路板200和输出电路板400中支持4-20mA电流输出和HART串行通信输出的部分提供控制信号。[0045]CAN支持电路403还包括CAN控制器406。在优选实施例中，CAN控制器406包括来自 Microchip Technology Inc.0f Chandler, Arizona 的 MCP2510 型控制器。CAN 控制器406接收CANRX线路408上的CAN格式化通信，并在TXCAN输出410上发送CAN格式化通信。在选通电路412中，TXCAN输出410与来自微控制器404的KEYS选通输出414相结合。当有效时，KEYS输出指示微控制器404处于通过本地操作员接口(LOI)接收键入(keyed-1n)配置信息的过程中。当使用LOI上的按键的配置过程正在进行中时，选通电路412阻止向CANTXO发送CAN格式化通信。结合Roper等人的美国专利6，484，107B1的图4对典型LOI进行了描述。因此在这里并入Roper等人的美国专利6，484，107B1的整体。LOI在变送器的外部，并能够与可选的引线813(图8)相连，用于和微控制器(例如图9B中的微控制器852)通信。
[0046]CAN控制器406通过包括MOSI线路418和MISO线路420的SPI串行通信总线与微控制器404传输数据(该数据不具有CAN格式)。微控制器404还向CAN控制器406施加片选信号CSCAN，以控制与CAN控制器406的通信。当CAN通信正在进行时，CAN控制器406向微控制器404发送中断信号CANINT422。
[0047]在功率从两线回路施加到变送器100时，微控制器404将复位信号CANRESET连接到CAN控制器406。
[0048]图5A、5B示出了 CAN电路板500上的电路的典型实施例。当图5A、5B沿着虚线520、522连接在一起形成单一的图5A、5B的示意图时，图5A、5B最易于理解。在优选布置中，图5A、5B所示电路包括上面引用的美国专利申请(序列号10/236，874，标题为LOW POWERPHYSICAL LAYERF0R ABUS IN AN INDUSTRIAL TRANSMITTER，2002 年 9 月 6 日提交)中描述的类型的显性_隐性(dominant-recessive) CAN驱动器布置。
[0049]在图5A中示出了显性驱动器电路580。在图5B中示出了隐性驱动器582、接收机584和启动电路586。
[0050]回到图3，双向CAN信号与CAN外部设备304通信，沿着线路306到达RFI电路板300上的触点J1-8。如图1所示，RFI电路板300上的触点J1-8与输出电路板400上的触点J1-8相连。输出电路板400上的触点J1-8通过导线426 (图4)与输出电路板400上的触点J4-3相连。如图5A所示，输出电路板上的触点J4-3与CAN电路板500上的触点J4A-3相连。如图5A所不，CAN外部设备304因而通过一系列导线和触点与导线504相连。
[0051]在图5A中，保护或钳位二极管506、508与导线504相连以限制导线504上的电压为大约+3.7伏至-0.7伏的范围内。这种钳位布置限制了噪声，并且不会干扰CAN通信信号的正常电平。
[0052]当选通电路412(图4)在CANTXO线路上产生出站(outbound) CAN通信时，这些出站CAN通信通过连接器J4-5(图4)和连接器J4A-5(图5A)引导至图5A中的线路510 (CANTXO)。图5A中的电路对线路510上的相对低功率CAN通信CANTXO信号进行放大，以提供较高功率电平，该功率电平沿着线路512连接到线路504并继续连接到CAN外部设备304。当CAN外部设备304产生入站(inbound)到变送器100的CAN通信时，图5B中的放大器550接收线路504上的入站CAN通信，并且放大信号以在线路514上提供CANRX信号。CANRX信号由连接器J4A-4 (图5B)引导至连接器J4-4 (图4)到达线路408 (图4)，并向CAN控制器406提供CANRX信号。[0053]在图5A中，CANTXO信号施加到反相器532的输入端。反相器532的布置确保了前沿和后沿被陡峭地限定，并且反相器532输出端处的信号具有低阻抗。反相器532的输出被连接到包括M0SFET538的显性驱动器电路580。
[0054]图6示出了适于用于图2的电路中的电流隔离串行双向通信电路的例子。电路600包括变压器602，变压器602包括第一线圈604，第一线圈604通过变压器绝缘材料与第二线圈606电流隔离。绝缘材料形成了电流屏蔽204的一部分，电流屏蔽204将低电平隔离电路201 (图2)与驱动HART和CAN收发机线路(图1)的高电平回路参考电路电流隔离。穿过电流屏蔽204的信号是磁性的而非电性的，以提供电气隔离。
[0055]微控制器220 (图2、6)与使用串行通信信号来驱动线圈604的放大器610相连，以发送出来自传感器电路板的数据和命令。在线圈606中磁感应出对应的串行通信信号，并且通过整型网络612将来自传感器电路板的数据和命令耦合到输出电路板。输出电路板与使用串行通信信号来驱动线圈606的放大器620相连，以发送出来自输出电路板的数据和命令。在线圈604中磁感应出对应的串行通信信号，并且通过整型网络622将来自输出电路板的数据和命令耦合到传感器电路板。因此，通过电路600实现了双向通信。
[0056]图7示出了适于用在图2的电路中的电流隔离电源电路700的例子。电路700包括变压器702，变压器702包括通过变压器绝缘材料与第二线圈706电流隔离的第一或原线圈704。绝缘材料形成了电流屏蔽204的一部分，电流屏蔽204将低电平隔离电路201 (图2)与驱动HART和CAN收发机线路(图1)的高电平回路参考电路电流隔离。穿过电流屏蔽204的功率是磁性的而非电性的，以提供电气隔离。
[0057]变压器702在触点J5-3和J5_2接收激励电流。RC网络710与原线圈704串联以更好地将变压器与其在触点J5-3和J5-2处的驱动相匹配。副线圈706与桥式整流器712相连。桥式整流器712对副线圈706的输出进行整流，并将整流后的输出施加到产生第一低电平电源电压VDDA的第一调节器电路714。VDDA优选地小于5.5伏以提供低功耗。VDDA连接到产生第二低电平电源电压VMID的第二调节器716。VMID优选地小于2.3伏。传感器电路板718上的共用导线与桥式整流器712、调节器714、716和隔离电路201相连。
[0058]图8形象化地示出了过程变量变送器800。过程变量变送器800包括一般为圆柱体的主外壳体802。在主体802的第一端，过程入口 804包括用于抓紧扳手的外部六边形表面806，以及用于螺纹连接到向变送器800输送过程流体的过程管道(未示出)上的内部螺纹孔(threaded hole) 808。接地螺钉810设置在主体802上，用于任选地连接主体过程地之间的接地线路。
[0059]在变送器800的第二端，四个飞线812从密封的电馈通连接器814露出。飞线812包括LOOP+、LOOP-、CAN和GROUND引线。飞线能够通过使用绞编接头(pigtail splice)、旋紧式接头(wirenut)和卷压接头(crimped splicing)设备方便地和经济地与现场布线相连。
[0060]外壳802内的电路板与外界环境隔离。外壳802作为外壳802内部的低电平电路的静电屏蔽。在优选布置中，外壳802具有小于19厘米(7.5英寸)的长度L和小于5厘米(2英寸)的直径D。
[0061]具有CAN收发机输出的密集装配式变送器中的噪声耦合问题得以解决，并能够使用紧凑式变送器外壳。[0062]图9A-9B共同示出了过程变量变送器820的实施例的简化图，突出了变送器820中的某些堆叠式电源特性。当图9A-9B沿着虚线822连接在一起以形成单一的堆叠式电源布置时，图9A-9B最易于理解。
[0063]通过将变送器引线WP1、WP2连接到图9A左侧的两线、四至二十毫安电流回路824来为变送器820提供能量。电流回路824包括与负载电阻828串联的DC电源826。变送器820作为电流控制器，控制电流回路824中的回路电流ILOOP为表现过程变量变送器820所传感到的过程变量825的电流电平。在优选布置中，电流回路824还传送叠加在回路电流ILOOP上的双向HART通信信号。
[0064]来自电流回路824用于激励变送器820的可用激励总量严格受限，当回路电流ILOOP处于其四毫安回路电流的下限时，该限制最为严格。在下限时，流过变送器的电流总量是4.000毫安并且不能增加(为了满足变送器激励的需求)，因为电流电平用作过程变量825的表不。
[0065]在一个实施例中，在最坏的情况下，能够依赖电流回路824在引线WP1、WP2处提供不大于12伏的最小电压。然而，电流回路824在引线WP1、WP2处提供的电压是未经调节的，能够达到高达大约42.4伏的电平，这取决于可变的因素，例如回路电源826的调节、回路导线的电阻和4-20mA电流的电平。
[0066]变送器820中的电子电路需要为可靠操作而调节的电源电压。因此，变送器820包括第一电压调节器830。为了将变送器820中的电子电路的可用功率最大化，调整第一电压调节器830以提供最大可能的调节电压输出840，调节电压输出840能够从引线WPl、WP2处施加的最小未调节电压可靠地产生。考虑到RFI扼流圈832、834和反极性保护二极管836以及电流传感电阻838耗尽的压降，一个实施例中相对于电流求和节点831 (也称为RETURN831)的最大可能调节电压大约为9.5伏。
[0067]在来自电流回路824的4.000毫安可用电流中，只有大约3.1毫安的电流在本实施例中的第一电压调节器830的第一电压输出840处可用。剩余的0.9毫安电流被保留用于维持足够的电流流过达林顿(darlington)晶体管842，以确保回路电流ILOOP能够被变送器820调制以在通常指示低电平警报的3.6mA低电流处产生+/-0.5mA的HART信号。由 NAMUR(Normenarbeitsgemeinshaft fiir Mess- und Regeltechnik der chemischenIndustrie)建立的标准要求4_20mA回路上的电流下降到3.6mA或更低以指示变送器中的警报情况。当变送器处于这种警报情况时，HART调制能够获得再低附加0.5mA的电流。在最坏情况下，变送器的电源必须仅使用3.1mA的电流进行调节。变送器的各种电源功能需要吸入小于3.1毫安的电流，然后变送器820调节电流11(流过达林顿晶体管842)从而回路电流处于指示过程变量电平的4-20毫安范围内的电平上，并且也在指示警报情况的3.6mA的电平上。
[0068]在一个实施例中，第一电压输出840处的可用总功率因此大约为P = VI = (9.5伏)(3.1mA) = 29.45毫瓦。这个可用总功率根据毫瓦数足够激励控制器局域网络(CAN)电流负载844和其它变送器负载，例如模拟电路负载846、变压器驱动电路负载848、modac负载850以及数字和微计算机电路负载852。
[0069]M0DAC850是结合了 MODEM和DAC功能的电路。MODEM在节点831处的传感电压中传感HART调制。MODEM还能通过放大器811 (图9A)向达林顿晶体管842发送HART调制。DAC将过程变量的数字表示(微控制器(uC)电路852所提供)转换为模拟电流，用作回路电流控制器843的输入。
[0070]然而，发现变送器电路负载的电压和电流特性(负载特性)与第一电压调节器830的电压和电流特性(电源特性)不是很好地匹配。变送器电路负载要求电源电流加起来到大约4.1毫安，大大超过了来自第一电压调制器830的可用3.1毫安。具体地，当外部CAN设备吸入0.5毫安的电流时，最坏情况下CAN电路负载844需要大约0.6毫安的电流。本领域的技术人员将会理解，本申请中提到的电流的具体电平仅仅是示例性的，在4-20mA标准、NAMUR 3.6mA标准和+/-0.5mA HART调制标准的范围内，其它的电流电平能够用于设计变化中。设置电源电流限制，以便不干扰电流回路在标准内运行。
[0071]变送器电路负载(844、846、848、850)还需要典型地处于大约为5.2至3.0伏范围内的调节后电源电压，比第一电压调节器830提供的典型值9.5伏小不少。
[0072]因此，在电流回路824的电压和电流特性与变送器电路负载844、846、848、850的电压和电流特性之间出现了全面的失配。电流回路824的特性由长期存在的工业仪器标准而确定，该标准基于固有安全电路的物理性质，并且由于实际原因不能被显著地改变。负载844、846、848、850的特性由可用的低功率集成电路确定，因而没有实际机会来改变负载特性。必须传感回路电流ILOOP并提供反馈以确保回路电流精确地对应变送器测量的过程变量825这个事实使得上述问题更加复杂。为了提供反馈，电流传感电阻器838被设置为传感电流11 (流过达林顿晶体管842)、电流12 (用于激励第一电压调节器830)和电流13 (用于激励第二调节器854)。回路电流控制器843基于反馈控制电流II，从而回路电流ILOOP处于正确的电平上以指示过程变量825。
[0073]正引线WPl和负引线WP2将回路电流ILOOP送入和送出变送器820。在变送器820内部，回路电流ILOOP分为几个电流分量，包括第一电流I1、第二电流12、第三电流13和第四电流14。一般地，ILOOP = 11+12+13+14，除了某些小的固定偏置电流，这些固定偏置电流能够流过但并不在回路电流中引入错误，因为校准有效地消除了它们。
[0074]变送器820包括回路电流控制器843。回路电流控制器843包括电流传感电阻器838。电流传感电阻器838传送第一电流I1、第二电流12和第三电流13。电流传感电阻器838在节点831处产生传感电压，沿着反馈线路845反馈到回路电流控制器843的输入端。回路电流控制器843控制第一电流Il作为过程变量825(M0DAC850提供的输入)和节点831处的传感电压的函数。然而，电流传感电阻器838不传送电流14。电流14从电流传感电阻器旁流过并直接返回到负引线WP2。
[0075]变送器820包括连接到正引线WPl用于激励的第一电压调节器830。第一电压调节器830提供第一电压输出840。第一电压调节器830由电流12激励。电流12经过第一电压调节器830并通过经过电流传感电阻器838返回到负引线WP2。
[0076]变送器820包括连接到第一电压输出840用于激励的第二电压调节器854。第二电压调节器854提供第二电压输出856。第二电压调节器854由第三电流13激励。第三电流13沿着线路855从第二调节器854连接到电流传感电阻器838。
[0077]变送器820包括吸入第一负载电流849的第一负载848 (变压器驱动电路负载848,其驱动例如图7中的变压器)，第一负载电流849在第一电压输出840和第二电压输出856之间流动。[0078]变送器包括第二负载，第二负载包括控制器局域网络负载844和负载846、850、852。第二负载还包括返回到共用(COMMON)的多个小固定偏置电流。第二负载吸入第二负载电流858，第二负载电流858在第二电压输出856和通过扼流圈834连接到负引线WP2的共用引线之间流动。第二负载电流858从电流传感电阻器838旁流过。
[0079]第二调节器854仅提供第二负载电流858 (14)的一部分。第一负载电流849在流过第一负载848后,还流过第二负载。第一负载848使用的电流被第二负载有效地再利用，因为第一和第二负载是堆叠的，或换句话说，是串联的。对第一负载电流的再利用减小了第二调节器需要提供的电流量。负载电流电阻器860传送第二负载电流。第二调节器将节点862处的电压调节至固定电压，优选地为4.3伏。第二电压856因而包括两个电压分量。第二电压856包括典型地是4.3伏的调节分量。第二电压856还包括可变电压分量，该分量作为电阻器860两端的电压降的函数而变化。电阻器860两端的电压降因而包括与第二负载电流858成比例的分量。
[0080]回路电流控制器843接收线路857上的第二电压856。回路电流控制器843传感第二电压856从而为从电流传感电阻器838旁流过的第二负载电流858校正第一电流II。回路电流控制器843因而控制电流Il作为过程变量(电阻器838传感到的回路电流)的函数，并且作为第二负载电流的函数，即使第二负载电流没有流过电阻器838。第一和第二负载的堆叠允许负载电压相加以更好地匹配可用的调节后电压。第一和第二负载的堆叠允许可用的调节后电流的一部分流过第一和第二负载、有效地再利用电流，并允许总负载电流超过来自回路的可用的调节后电流。变送器820因而能够支持控制器局域网络(CAN)负载和其它变送器负载，而不超过电流回路824的电流和电压限制。
[0081]图10示出了 CAN电流限幅器914，CAN电流限幅器914限制了隐性驱动器582 (也在图5A中示出)能够向CAN总线504(也在图5A中示出)提供的电流总量。图10中所使用的与图5B中使用的标号和术语相同的标号和术语表示相同的或相似的特征。
[0082]无论何时CAN总线处于隐性状态(高电平，典型地为+3伏)，DC电源通过CAN总线504提供给外部CAN设备(例如LCD)。在显性状态(低电平，典型地为+1伏)期间，对体电容器904进行充电，然后一旦CAN总线504回到隐性状态，充足的电荷可以用于向CAN总线504提供高电流脉冲。
[0083]通过电流限幅器914提供了 CAN物理层功率，电流限幅器914被设计用于将隐性驱动器582从电源导线906 (CAN VDD)吸入的电流限制为固定的界限。在一个优选实施例中，固定界限为500微安。此电流限幅器914确保CAN总线504的过载或短路不会强制变送器超出4-20毫安电流回路(例如图10中的电流回路824)上的变送器预算静止电流范围。电流限幅器914限制了 CAN总线504可用的直流电，以避免CAN总线504上的过载或短路在4-20mA变送器电流回路上引起规模(on scale)错误。当CAN总线504处于低电平时，体存储电容器904存储电荷。当CAN总线504处于高电平时，电荷被转移到由CAN总线504激励的外部CAN设备930。
[0084]电流限幅器914包括运算放大器912。运算放大器912是控制场效应晶体管(FET) 916以建立电流限制的轨到轨(rail-to-rail)输入/输出(I/O)组件。电流限幅器914包括传感电阻器918，传感电阻器918传感从+4.3V干线926流到CAN VDD线路906的电流。电流限幅器914包括形成分压器的电阻器920、922，分压器建立了放大器912的电流限制参考。电流限幅器914在线路924 (+3V)和线路926 (+4.3V)之间，以确保变送器有序的启动顺序，下文结合图13更详细地描述。
[0085]为了以有效的方式向CAN总线504上的辅助负载提供功率，当CAN总线504处于低电平时，物理层存储电荷；当CAN总线504变回高电平时向CAN总线504转移电荷。体电容器904完成这一步骤。
[0086]由于电容器904通过限制电流的FET916进行充电，当CAN总线504从电容器904拉出高峰值电流时，电容器904上的电压立即下降。在一个实施例中，电容器904的值足够大以在通信过程中维持3.0伏的工作电压。这确保了例如LCD的外部CAN设备具有充足的电源电压来操作。电容器904在通信分组之间进行补充。
[0087]为了在首次施加功率时正确启动或从短路CAN总线504恢复，启动短路586提供了可选的通道来向CAN总线504提供电流。为了满足这个需求，在体存储电容器904完全充电后，启动电路586中的PNP晶体管902导通，以向CAN总线504提供功率。启动电路586在启动时或在总线被短路接地后的故障恢复时将CAN总线拉高。启动电路586通过允许体电容器904在向CAN总线504提供任意电流之前进行完全的充电，提供了有序的上电，并有效地利用功率。当CAN总线504处于低电平时，CAN物理层关闭隐性驱动器582以保存电流。这在启动时或总线被短路接地后带来问题。由于总线在两种情况中任一情况下都处于低电平，隐性驱动器582将会关闭。不能将总线拉高以启动总线或从短路的情况下恢复。双极型PNP晶体管902提供了上拉路径以执行该功能。晶体管902的发射极通过电阻器908连接到线路906 (CAN VDD)，晶体管902的基极连接到+3V (如图所示直接连接或通过电阻器连接)且晶体管902的集电极连接到CAN总线504。在本实施例中，一旦线路906达到约3.6V，晶体管902将会导通，且向CAN总线504提供电流。这建立了足以满足物理层需求的3.6V干线906。一旦干线906达到3.6V，电容器904被完全充电从而没有存储附加电荷的余地。使用上拉机制向CAN总线504提供电流是可以接受的。
[0088]如果CAN总线504被加载了过量负载910，电流将流到地线但线路906将被固定到
3.6V。如果总线上没有DC负载，电流将流过晶体管902基极/发射极接合点并进入+3.0V干线以进行再利用。额外的好处是物理层在所有时间吸入固定的电流，从而DC功率限制电路不处于动态应用，借此使与串行总线相关的开关负载保持与+4.3V内部干线和4-20mA回路调节电路相隔离。这允许使用相对低速、低功率的运算放大器912。
[0089]可选的诊断电路932能够增加到图10所示的电路中。诊断电路932连接到CAN电源电路，并在线路504上提供指示施加到CAN总线的功率的调节状态的诊断输出934。如果出现过量负载910 (例如过量电缆电容)，诊断输出934能够向操作者警告该问题。当超过电流限幅器914设定的0.5mA电流界限Iset时负载过量。诊断输出934优选地连接到微控制器，该微控制器是图9B中的数字uC电路852的一部分。
[0090]在优选布置中，诊断电路932包括PNP晶体管936，PNP晶体管936的发射极与晶体管902的基极相连，PNP晶体管936的基极与+3V相连且PNP晶体管936的集电极与连接到DC共用的电阻器938相连。诊断输出934与电阻器938和晶体管936的集电极的结合点相连。
[0091]图11示出了适于用在例如图9A-9B、10所示的那些变送器中的电源电路。图11中使用的与图9A-9B、10中所使用的标号相同的标号表不相同的或相似的特征。[0092]CAN外部设备930具有能够在启动时被编程或被配置、以及能够在使用中时常被重新配置的特定特征。CAN配置数据通过CAN总线504发送到CAN外部设备930，以配置CAN外部设备930。
[0093]通过使用HART协议向变送器供电的两线4-20回路发送CAN配置数据。modac850接收包括CAN配置数据的HART消息，对HART消息进行解调，并且向微控制器950提供CAN配置数据。微控制器950向EEPROM电路952发送CAN配置数据，在EEPROM电路952中非易失地存储为存储的CAN配置数据954。一旦对CAN外部设备930进行配置，与两线4_20毫安回路相连的另一 HART设备(典型地为过程控制系统)能够与CAN外部设备930进行通信。
[0094]每当CAN总线504重新启动时，微控制器950自动地从EEPROM电路952中检索CAN配置数据的当前版本，然后利用CAN电路956将CAN配置数据的当前版本发送到外部CAN 设备 930。
[0095]有时，在激励变送器的两线4_20mA回路上可能出现瞬间的功率中断(“限制用电”)。如果这些限制用电中的一个在微控制器950将CAN配置数据写入EEPR0M952时发生，那么没有完成对数据的写入，而且存储的CAN配置数据954可能被破坏或过时。发生这种情况后，假定当前配置CAN外部设备930，过程控制系统可能随后试图与外部CAN设备930进行通信，虽然事实上CAN外部设备930具有过时的或破坏的配置。这种假定的和实际的CAN配置数据的失配能够导致控制系统的故障。为了减少这种失配的可能性，提供了下文描述的电路以避免这种失配。
[0096]为+3V电源干线提供了储能电容器958，+3V电源电压下降缓慢且维持+3V电源足够长的时间，从而在回路激励被移去后全部完成向EEPR0M952的CAN配置数据写入。为第一调节电压840 (+9.5V)仅提供了小的能量存储器，从而当回路激励移去时+9.5V电源很快下降。
[0097]+9.5V电源由包括电阻器960、962的电阻分压器来传感。比较器964具有与电阻分压器的输出966相连的第一输入端，并且具有与固定参考电压968相连的第二输入端。比较器964对电阻分压器的输出966与固定参考电压968进行比较。当回路激励被中断时，比较器输出970发出指示。比较器输出970与向微控制器950 (当回路激励被中断时被驱动)提供限制用电输出974的FET972相连。
[0098]当驱动限制用电输出974时，微控制器950通过两个动作进行响应。在第一个动作中，微控制器950使用HART通信向过程控制系统设置警告标记。标记维持设置，下一次出现HART通信时，标记被包括进通信中，警告操作者当前已经出现了限制用电的情况。警告标记将CAN配置数据可能已经被限制用电破坏的可能性警告给过程控制系统。在功率恢复后，过程控制系统通过重复发送CAN配置数据来进行响应。在第二个动作中，微控制器950通过延迟其它微控制器任务并在由于电容器958中的能量存储使+3V电源仍旧可用时快速地完成对存储CAN配置数据954的写入来进行响应。这两个动作确保外部CAN设备的配置在限制用电时不会过时或被破坏。
[0099]图12示出了适于用在例如图9A_9B、10、11中示出的变送器中的电源电路。图12中使用的与图9A-9B、10、11中所使用的标号相同的标号表不相同的或相似的特征。
[0100]变送器中的数字和微控制器电路(例如图9B中的数字和微控制器电路852)从包括相对大电流峰值的+3V电源吸入电流。这些相对大的电流峰值能够引起+3V电压调节器电路1000的输出不稳定。来自一个电路的电流峰值能够作为与+3V电源相连的其他电路上的噪声输入。具体地，微计算机950、EEPR0M952和霍尔(Hall)效应开关1002、1004趋于
产生噪声峰值。
[0101]+3V调节器1000提供调节器输出，该输出由电阻器1006连接到+3V总线。电阻器1006典型地大约是10欧姆。+3V干线由储能电容器1008旁路。储能电容器1008典型地大约是22微法。电阻器1006和电容器1008的布置形成了 RC低通滤波器，RC低通滤波器趋于将调节器1000从其+3V总线上的负载去调或退耦。使用RC滤波器的布置趋于提高调节器输出的稳定性。
[0102]+3V总线通过包括电阻器1010和电容器1012的低通RC滤波器与微控制器相连。电阻器1010典型地是150欧姆且电容器1012典型地是I微法。这个布置趋于将+3V总线与微控制器950产生的噪声峰值相隔离,反之亦然。
[0103]+3V总线通过包括电阻器1014、1016和电容器1018的低通RC滤波器与EEPR0M952相连。电阻器1014典型地是270欧姆且电容器1018典型地是47微法。电阻器1016典型地是47欧姆，并且限制了流向电容器1018的电流。这个布置趋于将+3V总线与EEPR0M952产生的噪声峰值相隔离，反之亦然。
[0104]+3V总线通过FET1020选择性地与霍尔效应开关1002、1004相连。微控制器950在线路1022上驱动输出SWSTART以导通FET1020，并将+3V总线连接到线路1024。RC网络1026、1028将线路1024上的激励连接到霍尔效应开关1002、1004。霍尔效应开关1002、1004能够由手持磁体驱动，以手动地为回路电流设置范围和零点设定。基于驱动，霍尔效应开关1002、1004趋于从功率干线吸入大电流峰值。
[0105]图13示出了例如图9A、9B、11、12中所示的变送器电路的激励的简化时序图。在图13中，水平轴1050代表时间且垂直轴代表针对每一个所表示的信号的完全激励是否出现。“高”电平指示信号已经达到了完全激励电平，“低”电平指示小于完全激励。
[0106]时序图示出了变送器中电源干线的完全激励的排序，从而，在启动和关闭期间能量的分配，在启动期间偏向早激励微控制器，而在关闭期间偏向晚去激励微控制器。微控制器包括软件引导序列，软件引导序列比变送器中其它电路的启动序列要长。
[0107]在4.3V电源达到其全值之前，引导微控制器的控制器并控制MODAC是重要的。这种布置避免了使回路电流控制器吸入过电流的初始峰值，该过电流初始峰值可能被外部控制回路误解为警报信号。
[0108]当出现限制用电或激励被移去时，微控制器完成对CAN配置数据的存储也是重要的。如上文结合图11所述，第一输出(+9.5V)的下跌向微控制器通告完成CAN配置数据的存储，而且在+3V干线下降到微控制器不能再工作的低电平之前，大电容958使微控制器950保持操作足够长的时间直至完成存储。
[0109]示出了过程控制回路的序列，该过程控制回路最初关闭，然后在1052处被完全激励，并且在1054处下降到完全激励以下。1054处的转变是限制用电或回路激励断开的例子。
[0110]当回路在1052处被首先激励时，向微控制器提供激励的调节器(例如图12中的调节器1000或图9B中的+3V调节器)向相对大的电容(例如图12中的电容器1008、1012、1018)充电，从而调节器的输入电源(例如图9B、12中的+4.3V干线)属于重负载。+3V调节器的输出在图13中1056处进入调节。接下来，+4.3V功率在1058、1060处按顺序到达CAN电路和模拟电路。最后，第一调节电压(+9.5V)在1062处进入调节。
[0111]当回路的全部功率在1054处失去时，+9.V干线快速下降，并且微控制器在1064处接收到限制用电标记，通告微控制器完成任意的正在进行的CAN配置存储。图11中所示的电路示出了这种限制用电标记是怎样产生的。接下来，按顺序地，4.3V干线下降并且在1066、1068处CAN电路和模拟电路失去激励。最后，微控制器在1070处最后失去其激励。
[0112]尽管参考优选实施例对本发明进行了描述，本领域的技术人员将会理解，在不背离本发明的范围的前提下，可以在形式和细节上进行改变。
【权利要求】
1.一种过程变量变送器，包括: 变送器输出电路，提供双向HART和控制器局域网络(CAN)通信收发机线路及传感器电路接口触点；以及 与传感器电路接口触点相连的隔离电路，包括传感过程变量的传感器电路，所述隔离电路还包括将传感器电路与HART和控制器局域网络(CAN)收发机线路电流隔离的电流隔离屏蔽，其中，所述电流隔离屏蔽通过以下组件来建立: 电流隔离电源，将功率和时钟信号从所述变送器输出电路耦合到所述隔离电路，所述电流隔离电源包括仅具有两个线圈的第一变压器；以及 电流隔离串行双向通信电路，对所述变送器输出电路和所述隔离电路之间的通信提供耦合，所述电流隔离串行双向通信电路包括仅具有两个线圈的第二变压器。
2.根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中传感器电路包括第一和第二低电平电源导线，而且第一和第二低电平电源导线之间的电压差不大于5.5伏。
3.根据权利要求2所述的过程变量变送器，还包括围绕传感器电路并与第一低电平电源导线相连的静电屏蔽。
4.根据权利要求3所述的过程变量变送器，包括与静电屏蔽电气连接的过程流体入□。
5.根据权利要求3所述的过程变量变送器，其中静电屏蔽包括可连接到过程地的变送器外表面上的端子。
6.根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中电流隔离串行双向通信电路包括隔离变压器。
7.根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中电流隔离串行双向通信电路包括光隔离器。
【文档编号】G08C19/02GK103471637SQ201310330106
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2005年3月7日 优先权日:2004年3月29日
【发明者】布赖恩·李·韦斯特菲尔德, 凯利·M·奥斯 申请人:罗斯蒙德公司