检测断线的系统和方法

专利名称：检测断线的系统和方法
技术领域：
本申请涉及断线的检测，特别是提供一种检测传感器电路中断线的方法和 系统。 背景狱
工业^^呈可以由采用传,的电子系统部分地控制。 一些工厂的自动化过 程可能很重要17或,时间敏感的。错误的传^l值禁止传送到中央控制器以 避免扰乱这些，。
在过程控制系统中，很重要的是传回到中央控制器的所有过程数据是有效 的。在断线事件发生时，若使用传统的断线检测系统，由于断线事件与模块的 内部电路不同步，可能发送中间过程数据值。断线事件与内部电路的时序不同 步可能导致中间娜结果被记录下来，即使这些中间娜不〗饿有效的传感器 数据，而断线事件与内部电路的时序不同步在传统的断线检观他路中不会触发 断线事件。
用于确定传感器线路完整性的方法典型地在传感器线路不完整时会导致传 的输入值被迫 无效状态的 )。在这种情况下，不总是能区分过电ffi/ 欠腿剝特嘶线事件。这些剝牛在一些逝呈控制系统中是不可接受的。

发明内容
本发明提供一种方法以繊在娜传想忡鹏库幡之前至传繊的线路 对于每一顿呈腿完整的。
本发明提供一种电路，包括电源和舰开关电孝給到该电源的传感器电路。 该电路还包括电^到传感器电路的A/D转换器，该A/D转换器用于读取电阻 元件两端的电压差从而确定传繊电路的阻抗。
^Jl^电路中，当开关断开时传 电路可用于输出测量电压，A/D转换 器可用于读取与物SM比例的测量电压。战电路还可包括控制器，用于榭专感器电路的阻抗与可接受的范围比较。 这个可接受的范围表明断线瞎况不存在。控制器还用于当阻抗落入可接受范围 时记录测量电压，控鬼幡还可用于当阻抗落到可接受范围外时输出错误信号。
本发明还提供了一种方法，包括闭合使电源电耦合到传感器电路的开关，
以及在电耦合至帷麟电路的A/D转换器上观懂电阻元件两端的电隨，该方 法还包括基于该电隨确定传繊电路的阻抗。
本领,术人员可以通过参考下面的详细说明书和附图明显得出本发明的 这些以及其它优点。


图1是根据本发明的检测断线的示例电路的电路原理图示； 图2是根据本发明的检测断线的示例方法的流程图示； 图3是图1所示示例电路中禾P/或图2所示示例方法采用的信号的时序波形 图示；
图4是根据本发明的实施例的计穀几的框图。
具体实施例方式
本发明提供一种用于确定传感器线路完整性的新方法，该方法可用于区别 过电ffi/欠腿的剝特卩断线事件。电路被施力嬾压，使敏断线*#期间读数 是在传感器的正常观懂范围之外的幅度数量级以便可以与标准的过电ffi/欠^jE 剝牛区分开来。当传麟线路完整时，偏压将导致电压读数在传麟正常观懂 范围之外的区域中。例如，由电源输出的电压可能给传感器施加縫是观!)量电 压最大值两倍的偏压，或替换:W加驢是测量电压最大值十倍的偏压。这样, 用于非断线^f牛的电压读数不会明显受传lf^接收的信号影响。
通^t传感器读i^样之后对断线监控器采样，只有该断线监控器的当前
状态用于触发新的断线事件。然而，为了消除由于异步断线事件而产生的中间 结果，断线监控器的当前状态以处前状态可用于指示该线路在传感器的 斑呈微超i冲娥制器之前歸是魏的。
图1示出了用于检测断线的系统，模数转换器100 (在这里指A/D转换器 IOO)包括输入IOI， 102, 103以及104。 A/D转换器100的输入可以是成对的 以测量电压差。例如，输入101和输入102 (在腿指输入A鄉一组输入) 可测量传自120两端的g差。传感器120可以是热电偶(在这里指TC)，或其它合适的基于物理量的测量而产生电压差的传感^l元件。传感器120测量 对电压121进行驱动的物M。
A/D转换器100还包括输入103和104 (这里指输入B或者第二组输入)， 这两，入是自的用以测量指示断线斜牛的电压。A/D转换器100与控制器 130通信，该控制器130操作为分析输入A/D转换器100的两电压差的数靴 读数的。A/D转换器100可以,成两个A/D转换器，例如一个A/D转换器具 Wir入101和102,另一个A/D转换器具WH入103和104。
在图l中，电源140用来驱动断线检湖係统。电源140可以是可变的直流 电压源。替换的，电源140也可以是电流源，该电流源操作为驱动舰系统的 电流以检测断线。开关150用于将来自电源140的电压或电流输出施加至係统 上用以检测断线。开关150舰二极管151连接至帷麟电路上，腿过电阻 152连接到地161。图1所示的电路也可采用二极管和电阻的替换布置，任何数 量的离散线性元件(这里指电阻元件)也可以按照本领域中公知的方式釆用。 第二电源141驱动参考源110，鄉二电源141可以是可变的直流电压源或可以 用来驱动电流流过系统以检测断线的电流源，其可替换的是电源140的另一个 输出。参考源110为系统提供参考电压，该参考电压可以输Allj A/D转换器110 中。输入104可以读出系统的参考电压111。参考电压lll可以设置为2.5V。替 换地，参考电压川可以體为任何合适的参考电压。
在A/D转换器100的输入101和102可以测量传感器输出电压112。当开 关150闭合以允许断线检测系^il行时，传ii^输出腿112可以是1.5V。传 1输出电压112和参考电压111例如可以相差-lV，这f^了电阻113两端的 电压降。此断线隨表明雜断线割牛。A/D转换器100的满量程电压^#输 入101和102可以j^fZ-L5V。在图1中，传感^l输出电压112可由电阻114与 地160隔离。
在下面图1电路功能的说明中，使用热电微,输入作为图解目的来解释 传ii^路錢tm控电路。当确定线路连接的識性时，开关150是闭合的。 A/D转换器100的差^f入B (输入103和104)起作用，而输入A (输入101 和102)是不起作用的。闭合开关150来将电源140 (这里指Vpwr，例如5V) 连接到传 1线路。这将弓胞电流流经传感器线路。位于B输A^间的电阻113 两端的压降直接M:A/D转换器100的输入B测量。S31jtk电压，传感器线路的阻抗可以S31耦合到A/D转换器100的控库l勝130中的CPU计算。
当测量传自120 (这里指热电偶或TC)的电压121时，开关150断开。 A/D转换器100的差^m入A起作用，而输入B不起作用。电压121的过程值 或TC电势被测量。^^布置在参考电压111 (这里指Vref且例如2,5V)和地 160之间的电阻113和114的偏置电流将传感器输出电压112 (这里指输入的共 模电压)设置为Voffset (如1.5V)。这使得可以测量多达+AVoffset的满量程(例 如+/-1.5￥)。更低的电压可以舰體A/D转换器100的内部可编程增微大 器(PGA)来测量以获得更多的增益。电阻152可以施加负的偏压到二极管151， 二极管151将开关150(这里指断线检测开关)和电源140耦合至帷感器电路上， 从而避免断线电路与TC/电压测量电路的干扰。
图2示出了由控制器130执行的示例方法。此方法由操作200开始，其指示 模土央启动。 法綠作200《娜鹏作210，操作210指示初始^S参数化该 模块。该淑呈然后 到操作220，操作220指^ 道 (N)。通道数 据(N) 4樣传繊娜，因此可以4樣图1中A/D转换器100的输庙101 和102的输入。该^f呈接着行，lj操作230,操作230指示开始断线转换(N)。 Itfc31f呈代表了开关150的闭合以及图1中读取A/D转换器100的输入103和104 的开始。该流程继续，作230^iai,决步骤235，游lj决步骤询问转换是否 完成。如果转换没有完成，该流程再次转向判决步骤235，再次询问转换是否完 成。
当转换完成并且因此判决步骤235的应答是肯定的时，该流程微到操作 240，其指満取断线 (N)。断线 (N)是图1中A/D转换器100的输
103和104的输入。该淑呈然后行进到操作250,其指示开始鹏转换 (N+l)。该繊羅作250ffi^lJ判决步骤260,其询问第N-1次读取的断线数 据以麟N次读取的断线数据是否均准备好。断线检测因此在读Mit纖之 前和之后立即开始，如，判决步骤260的回答是否定的(g卩，如果在ilit^ 前和之后读数中的任一个指示了断线)，则淑呈继续4，鹏作265，其指示了 报告一个断线诊断(这里指错误信号)。操作265因此代表了警报，信号禾P/或可 视化的给A^其做几器的输出。如，判决步骤260的应答是肯定的(即，如 果^iil读取之前^后的读数中没有断线指示)，则该繊呈行i4i鹏作270， 其指示了M^i/比例iii!M (N)。操作270还可包括{碌测5 以及输出数据至用于操作鹏^i的另一个系统。
在操作270 ^ 1 之后，^li行进到操作280，其指示了报告通道 娜(N)。该繊綠作280和操作265《鹏ij判决步骤290,其询问鹏转 换(N+l)是否完成。如，判决步骤290的应答是否定的，该流程再次转换到 判决步骤290，所以这是在通道转换完成之间的有效暂停。当对判决步骤290 中提出的问题的应答是肯定的，该流程纟彌到操作220。
图2中^^呈的替^^置也可取决于图1中所示系统内可能的转^I度。例 如，指示了开々繩道转换(N+l)的操作250，在替换的示例实施例中可以在判 决步骤290之前立即进行。
用于确保图2所示测量的旨縱呈值的M性的方法可以总结如下。幵关 Sl闭合，测量A/D转换器上的输入B。控制CPU可以计算流经传感器的电流
以及判定线路是否完整且具有指定的阻抗，这里也指可接受的范围。接下来， 开关S1可以断开，并且测量输入A。这个值由控制CPU縮放和存储。接着， 开关S1再一次闭合，输入B再次被测量，并且可以再次计算线路阻抗。如果这 两个线路阻抗计算结果被发现处于有效连接，换句话说，如果这两个阻抗读数 均落入可接受的范围内，那么来自传繊(输入A)的存储的过程值视作有效 的且传送到系统中。如果一个或两个阻抗读数落到设计规格或可接受范围之外， 那么魏的鹏值不被传送到系统去。而是在这种情况下传送线路错误。该序 列对每一个测量周期都重复，从而避免了无效过程值(由于线路错误)被传送 到中爐伟幡。图2示出了示例战圼周期，图3示出了信号时序。
图3提供了f^^h不同Sit上的不同信号的时序波形图300。断线使能 信号310显示在时序波形图300的顶部。中间的波形;iilii使能320,底部的波 形是a^i/比例使能330。在WB(N-1)340， WB(N)342和WB(N+1)344上，断线 使能310是"断开"或是正的。当断线使能310断开时，通道使能320是闭合 的。顿道(N) 350和鹏(N+l) 352上，断线使能320是"断开"或是正 的。,比例使能330細道使能320断开的同时断开，然而，战i/比例使能 330不会ffiiil使能320上的，正信号期间,。Ml掛比例使能330包括比 例(N-l) 360，比例(N) 362以及比例(N+l) 364。
图4是根据本发明一个实施例的计算机的高级框图。计^m 400可以例如 作为图l中的控伟'勝130操作。控制器130可以是可编程逻辑控制器(PLC),下面对计,400的描述同样可以描述PLC作为控制器130使用时的操作。另 外,计^m400可以执行上面针对图2描述的步骤。计##1400包含处理器410, 该处理器皿执行定义了这些操作的计算lOIM^指令控制计^ia的操作，这些
计算禾，序指令可以，在计^m可读取的记录介质中。计算mii^指令可以
存储在存储器420 (例如M， M库)中，且在期望执4fi十^^W聘指令时加 纖内存430。因此，计^W作将由存储在内存430禾口/^^储器420中的计 嶽iU醉指令定义，且计鋭几400将由执^i十鋭ilfi序指令的M器410雜 制。计飾400还包括一个或多个网络接口 440用于与其它體通信，例如其 它计^m，月艮务器，或网站。网雜口 440可以是例如本地网络，无线网络， 企业网或互联网。当计,400是PLC时，网络接口440可以是工业以太网或 :DIkI鹏总线。计^t几400还包括输满出450，其4樣了允许用户与计算机
40oct:的装置(例如显示器，離，鼠标，扬声器，按键，网^M^机等等)。
本领域技术人员般认i鄉度附十郷的实施也会包含其他组件，图4細于 说明目的的这样一iS十算机的一些组件的高级展示。
战详细的描鹏被理解为;i^本发明齡方面的说明和示例，而非限制，
在此所公开的本发明的范围不是由上面的详细描述来限定，而是根据专利法所 能允许的最大范围解释的权利要求确定的。可以離这里显示和描述的实施例 仅是用来解释本发明的原理，只要不背离本发明的精神和范围，本领域的技术
人员可对本发明进行各种改变。
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权利要求
1、一种电路，包括电源；通过开关电耦合到电源上的传感器电路；以及电耦合到传感器电路上的A/D转换器，适用于读取电阻元件两端的电压差以确定传感器电路的阻抗。
2、 如权利要求1所述的电路，其中该传感器电路适于在开关断开时输出测量电压；以及 A/D转换器适于读取该测量腿。
3、 如权利要求2所述的电路，其中所述测量腿与物理量成比例。
4、 如权利要求2所述的电路，其中所述电源是电压源，且该电压源的电压 输出是所述测量电压的最大值的至少两倍。
5、 如权利要求4所述的电路，其中所述电压是所述测量电压的最大值的至 少十倍。
6、 如权利要求1所述的电路，还包括控制器，用于将传/i^电路的阻抗与可接受的范围比较，该可接受的范围 指示断线^#不存在，该控制器还用于在传感器电路的阻抗落入该可接受的范 围时记录所述测量腿。
7、 如权利要求6所述的电路，其中，所鹏伟幡还用于^^述阻抗落出可 接受范围时输出错误信号。
8、 如权利要求1所述的电路，还包括控制器，用于将传感器电路的阻抗与 可接受的范围比较，该可接受的范围指示断线条件不存在，该控伟幡还用于比 较传 电路的第二阻抗，该第二阻抗由A/D转换器i!31读取电阻元件两端的 第二电压差确定，该控制器还用于在传感器电路的阻抗和第二阻抗均落入该可接受的范围时记录所述观糧电压。
9、 如权利要求8所述的电路，其中，所鹏库幡还用于^^述阻抗和第二阻抗的至少一个落出可接受的范围时输出错误信号。
10、 如权禾腰求8所述的电路，其中 所述电源使f粘开关断开之前电阻元件两端存在腿差；所述开关断开以使衝专感器电路输出测量值；且所述电源使得开关在断开之后再闭合后，电阻元件两端存在第二电压差。
11、 如权利要求l所述的电路，其中A/D转换器包括两组输入，第一组输 入用于读取测量电压，第二组输入用于读取feffi差。
12、 女P^利要求1所述的电路，其中 传繊电路用于在开关断开时输出测量电压；且另一个A/D转换器用于读取该测量电压，所述A/D转换器和所述另一个 A/D转换器每一个都舰糊Ail道。
13、 如权禾腰求1所述的电路，其中所述电源是电流源。
14、 一种方法，包括 闭合将电源电耦合到传Stl电路的开关在电耦合至W专自电路的A/D转换器上测量电阻元件两端的电压差；且 基于该电压差确定传S^电路的阻抗。
15、 如权利要求14所述的方法，还包括 当开关断开时，传感器电路输出测量电压；以及 在A/D转换器上读取该测量电压。
16、 如权利要求15戶腿的方法，其中所述湖懂腿与物理量成比例。
17、 如权利要求15所述的方法，其中 所述电源是腿源； 所述电压施加到传感器电路上；且 该电压是戶，测量^ffi最大值的至少两倍。
18、 如权利要求17所述的方法，其中所述电压是测量电压最大值的至少十倍。
19、 如权利要求15所述的方法，还包括iiii^制,传感器电路的阻抗与可接受的范围比较，该可接受的范围指示断线^##在；且当该阻抗落入可接受范围时记录所述测量电压。
20、 如权利要求18所述的方法，还包括当所述阻抗落出可接受范围时舰 控帝lJ^I输出错误信号。
21、 如权禾腰求15所述的方法，还包括ilil^制器糊专感器电路的阻抗与可接受的范围比较，该可接受的范围指示断线餅不雜；a^制器比较传感器电路的第二阻抗，该第二阻抗由A/D转换器a3i读取电阻元件两端的第二电压差确定；如果传麟电路的阻抗和第二阻抗均落入该可接受的范围，则记录该测量 电压。
22、 如权禾腰求21所述的方法，还包括如果戶腿阻抗和第二阻抗的至少 —个落出可接受的范围，贝ljffi^制器输出错误信号。
23、 如权利要求21所述的方法，还包括断开开关使衞专繊电路输出测量电压；其中 MM在开关断开之前由电源弓胞； 第二电压差在开关断开之后由电源弓l起。
24、 如权利要求15戶脱的方法，其中，在A/D转换器的第一组输M读取测量电压； 在A/D转换器的第二组输A^读取电压差。
25、 如权禾腰求14所述的方法，还包括当开关断开时M:传感器电路输出测量电压；在另一个A/D转换器上读取测量电压，所述A/D转换器和所述另一个A/D转换器每一个均舰单输AiI道。
26、 如权利要求14所述的方法，其中所述电源是电流源。
全文摘要
本发明提供了一种电路，其包括电源和通过开关电耦合到电源的传感器电路。该电路还包括电耦合到传感器电路的A/D转换器，该A/D转换器用于读取电阻元件两端的电压差以确定传感器电路的阻抗。本发明还提供了一种方法，其包括闭合将电源电耦合到传感器电路的开关，在电耦合到传感器电路的A/D转换器上测量电阻元件两端的电压差。该方法还包括基于该电压差确定传感器电路的阻抗。
文档编号G01R31/02GK101576598SQ20091014199
公开日2009年11月11日 申请日期2009年4月30日 优先权日2008年5月2日
发明者J·F·阿彻尔, R·A·维德尔 申请人:西门子能量及自动化公司