专利名称：用于在现场设备与计算机之间提供数字通信的适配器的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及过程控制和测量领域。更具体地，本发明涉及与 过程控制和测量系统中使用的智能现场设备进行通信的设备和方法。
背景技术：
现场设备是在过程控制和测量领域中使用的众所周知的工具。现 场设备为用户或控制系统提供关于具体过程变量(如压力、流量或温 度)的数据。这些设备通常用于石油、药物和化学处理领域。
在过程控制和测量系统中对"智能"现场设备的使用使得可以实现 现场设备与通信设备(如，手持设备或计算机)之间的双向通信。使 用多种通信协议之一来实现双向通信。然而，针对智能现场设备而言， 存在很多不同的协议，每一种协议要求以不同方式来配置通信设备。
例如，可寻址远程传感器数据通路(HART )协议允许将数字信号叠 加在标准的4-20毫安(mA)模拟信号上。HART⑧协议使用频移键控 原理，其中通过调制4-20 mA信号在1200Hz处(表示数字逻辑电平 "1")或2200Hz处(表示数字逻辑电平"O，，) ±0.5 mA来表示数字信号。 所叠加的数字信号使得智能现场设备可以发送和接收数字数据，并通 常用于应请求向控制室或手持设备发送诊断和多元信息。其它常用的 双向数字通信协议包括FieldbusTM协议和Profibus协议。
由于每一种通信协议操作不同，所以必须基于现场设备所使用的 通信协议来配置通信设备。为了使用户不必随身携带针对每一种已知 的通信协议的单独硬件，开发了如下工具例如来自Emerson Process Management的手持375现场通信器，其支持与HART⑧和Fiddbus 设备的通信。375现场通信器提供了本质上安全的设备以供在任何过 程环境中使用。然而，不是所有的应用都需要375现场通信器的鲁棒 性。例如，典型地现场设备的台式调试(即，在现场安装之前)不需要本质上安全的设备。在这些情况下，消费者通常以膝上计算机或其 它计算机设备来充当通信器。虽然在经济上具有吸引力，然而这种与 现场设备通信的方法需要消费者获得并正确连接很多不同的元件，包 括通信调制解调器或接口、电源和测量电阻器。此外，消费者还必须 获得应用软件并将其安装到智能现场设备的通信协议专用的便携式设 备上。
因此，有利地提供系统，该系统可以简化将计算机或其它便携式 设备与智能现场设备连接以进行双向通信的过程。
发明内容
本发明提供了一种用于现场设备与计算机之间的连接的适配器， 对现场设备与计算机之间的双向数字通信进行接口。适配器包括存储 器，用于存储以多种通信协议通信所需的软件应用。根据现场设备所 使用的通信协议，适配器从计算机自动选择或用户从计算机选择存储 于存储器上的适当软件应用以加载到计算机上。在很多实施例和配置 中，适配器还包括与现场设备通信所需的硬件组件。
图1是表示如现有技术已知的、用于与现场设备进行通信的系统 的方框图。
图2是表示在智能现场设备与计算机之间进行接口以提供双向通 信的适配器的方框图。
具体实施例方式
本发明是有利于在计算机(如膝上计算机、个人数字助理或个人 计算机)与智能现场设备("现场设备")之间进行通信的适配器。本 发明的适配器提供了一种允许计算与智能现场设备进行通信的简单完 整的解决方案。
图1示出了如现有技术中已知的、用于与现场设备12进行通信 的典型通信系统10的方框图。系统10包括计算机设备(如膝上计算机)14、通用串行总线(USB)接口设备16、电源18、负载或测量电 阻器20以及软件22。现场设备12使用HART⑧通信协议，然而相同 的构思可以应用于使用FieldbusTM通信协议或Profibus通信协议的现 场设备。
线24a和24b (形成已知为"电流回路"的电路)将现场设备12连 接到电源18，以使得电源18向电流回路提供直流(DC)电流。在 HART⑧通信器中，场设备12通过在第一频率(表示"r)或第二频率 (表示"0")处将士0.5 mA的电流叠加到由电源提供的DC电流上，来 产生数字信号。由USB接口 16来接收数字信号，所述USB接口 16 对电流回路上产生的小信号或交流(AC)电压进行测量。在现场设备 12两端(第一位置中的引线26a和26b)或在测量电阻器20的两端(第 二位置中的引线26a和26b)测量小信号电压。USB接口 16配置所测 量的数字信号并将其提供给计算机14。安装在计算机14上专用于 HART⑧通信协议的应用软件使得计算机14可以解释从现场设备12 接收到的数据。此外，用户可经由USB端口和USB接口 16向现场设 备12提供指令，USB端口和USB接口 16将指令转换成HART⑧通信 协议以传递至现场设备12。
图1所示的现有系统的缺点在于，为了与现场设备12进行通信， 用户必须获得并正确连接的独立组件的数目，所述组件包括计算机 14、 USB接口设备16、电源18、测量电阻器20以及软件22。任何组
件安装或连接不当都将使用户无法与现场设备12进行通信。
图2示出本发明的USB适配器30的方框图，该USB适配器30 减小了现有技术的复杂性，并且提供了与现场设备的简单接口，而与 正在使用的通信协议无关。适配器30包括适于与现场设备12的端子 连接的引线32a和32b，自动检测电路33、测量或负载电阻器36、电 流回路电源38、 USB端口电路40、存储器42、开关44和46、以及 USB线缆48。使用USB线缆48将USB适配器30连接到计算机14， 使用引线32a和32b将USB适配器30连接到现场设备12。
USB适配器30可以用于对现场设备12进行台式测试或调试，或 在安装于过程控制和测量环境中(即，在"现场"中)时用于对现场设备12进行测试以及与现场设备12通信。USB适配器30通过存储对 于将计算机14用作通信器而言必要的应用软件，提供与不同通信协议 的兼容性，而与现场设备12所使用的通信协议无关。在本实施方式中， 存储器42存储与多个通信协议中的每一个相关联的应用软件。
通过将USB适配器30连接到现场设备12，使得自动检测电路 34可以确定现场设备12所使用的通信协议。每一个通信协议包括供 识别所用的特性。例如，Fieldbus 使用方波信号进行通信，而HART 协议使用正弦波进行通信。自动检测电路34将检测到的通信协议传送 至USB端口电路40。根据检测到的通信协议，USB端口电路40将适 当的应用软件从存储器42上载到计算机14。例如，如果自动检测电 路34检测到场设备12正在使用HART⑧通信协议，则USB端口电路 40向计算机14上载对于使计算机14可以根据HART⑧通信协议进行 通信而言必要的应用软件。在一个实施例中，向计算机14上载适当的 应用软件是自动完成的。在另一实施例中，USB端口电路40将检测 到的通信协议传送至计算机14。然后，用户从存储器42中选择适当 的软件以上载到计算机14。通过在USB适配器30 (具体地，存储器 42)中存储与多种通信协议相关联的应用软件，使得用户无需根据具 体现场设备的通信协议从CD或其它存储介质获得并安装软件。
通过在计算机14上安装适当的应用软件，使得计算机14可以与 现场设备进行通信。虽然计算机14使用USB通信标准与USB适配器 30进行通信，然而向USB适配器30提供的指令依赖于现场设备12 所使用的通信协议。即，如果现场设备12使用HART⑧通信协议，那 么计算机14向USB适配器30提供的指令或数据是使用USB标准来 传送的，但专用于现场设备12所使用的HART⑧通信协议。如果现场 设备使用Fieldbus 通信协议，那么计算机14向USB适配器30提供 的指令或数据是使用USB标准来传送的，但专用于现场设备12所使 用的Fieldbus 通信协议。
在台式调试期间(即，现场设备12未连接到测量系统)，引线32a 和32b连接到现场设备12的端子。典型地，在台式调试期间，不向现 场设备12提供外部电力。如图1所示，现有系统需要用户获得并正确地将适当的电源连接到现场设备12。本发明的USB适配器30包括内 置电源38。对于台式调试(或不向现场设备12提供外部电源的任何 情况)，将开关46以布置为通过引线32a和32b将电源38连接到现场 设备12。电源38通过USB连接48从计算机14获得提供给现场设备 12的电力，从而使用户无需如图1所示的现有技术系统中要求的那样 提供独立电源。由电源38提供的DC功率足以使现场设备12能够发 送和接收数字讯息。例如，如果现场设备12使用HART⑥协议，现场 设备对电源38提供的DC电流进行调制，在第一频率处或第二频率处 叠加AC电流信号以提供数字通信。在现场测试期间(其中现场设备 12己被连接到电源)，将开关46置于相反的位置，使得电源38不再 向现场设备12提供不必要的电力。
同样地，可以通过布置开关44选择性地将测量电阻器36连接到 由引线32a和32b创建的电流回路。所有的通信协议都需要该电流回 路具有最小的电阻值。如上讨论的，在台式调试期间，现场设备12 未连接到具有所需电阻量的测量系统。在这种情况(以及其它类似的 场景)下，通过将开关44置于上面的位置，使测量电阻器36包含在 电流回路中。如果现场设备12连接到过程和测量系统，在所述过程和 测量系统中电流回路包括所需电阻，则不需要测量电阻器36，可以通 过将开关44置于下面的位置来将其排除在外。
在正确连接USB适配器30并且在计算机14上装载和执行软件 之后，USB适配器对计算机14与场设备12之间的双向通信进行接口。 将由计算机14 (使用所安装的应用软件)提供的指令提供给USB适 配器30的USB端口电路40。根据现场设备12所使用的通信协议对 计算机14所提供的指令或数据进行编码。如果现场设备12使用HART 协议，那么计算机14向USB端口电路提供的指令将依赖于HART协 议。同样地，如果现场设备12使用FiddbusTM协议或Profibus协议， 那么计算机14向USB端口电路40提供的指令将分别依赖于 FieldbusTM协议或Profibus协议。然后，USB端口电路40使用适合的 通信协议将接收到的指令传送至现场设备12 (如，对于HART通信， USB端口电路40在1200Hz或2200Hz处调制电流回路上的电流±0.5mA，以将接收到的指令传送至现场设备12)。如果现场设备12使用 另一种的通信协议，那么USB端口电路40将使用适当的协议(例如， Foundation Fiddbus或Profibus)来传送接收到的指令。同样地，由 USB端口电路40来读取由现场设备12向电流回路提供的数字信息， 将该信息经由USB线缆48提供给便携式设备14。为了方便用户，利 用应用软件在用户接口 (即，显示器或屏幕)上显示该信息。
虽然参照优选实施例描述了本发明，然而本领域技术人员将认识 到，在不背离本发明的精神和范围的前提下，可以对本发明进行形式 和细节上的改变。具体地，关于USB适配器描述了本发明，所述USB 适配器使用通用串行总线标准以在适配器与计算机之间进行通信，然 而可以使用其它类型的通信，如火线(Firewire)或其它。如果使用另 一的通信标准，则可对端口电路和线缆做适当修改。虽然通常经由线 缆来实现与USB或Firewire端口 (或其它端口)的连接，然而可以使 得计算机可以与适配器通信的任何类型的配对端子(mating terminal) 都是可接受的。类似地，可利用任何类型的非易失性存储器(如闪存) 来实现在USB适配器30内使用的那类存储器。
计算机14是对可以执行应用软件并向用户提供用户接口的任何 设备的统称，如，膝上计算机、个人数字助理(PDA)或个人计算机 (PC)。
权利要求
1、一种适配器，用于对计算机与现场设备之间的通信进行接口，所述适配器包括端子，用于连接至现场设备；通信配对设备，用于连接至计算机上的通信端口；存储模块，用于存储关于多个通信协议的应用软件，其中，经由通信配对设备将现场设备所使用的通信协议专用的应用软件上载到计算机上，所述应用软件允许计算机根据现场设备所使用的通信协议来发送和接收数据；以及端口电路，通过端子连接到现场设备，通过通信配对设备连接到计算机，其中，所述端口电路根据现场设备所使用的所述通信协议对现场设备与计算机之间的双向通信进行接口。
2、 根据权利要求1所述的适配器，其中，所述适配器使用通用 串行总线USB协议通过通信配对设备提供端口电路与计算机之间的 通信。
3、 根据权利要求1所述的适配器，其中，所述现场设备使用可 寻址远程传感器数据通路HART协议与所述端口电路通信，并且计算 机是以HART协议专用的应用软件来配置的。
4、 根据权利要求1所述的适配器，其中，所述现场设备使用 Fieldbus协议与所述端口电路通信，并且计算机是以Fieldbus协议专 用的应用软件来配置的。
5、 根据权利要求1所述的适配器，其中，所述现场设备使用 Profibus协议与所述端口电路通信，并且计算机是以Profibus协议专 用的应用软件来配置的。
6、 根据权利要求1所述的适配器，还包括电源，可切换地连接在端口电路与端子之间，其中，在没有向现 场设备提供其它外部电力时，所述电源连接在端口电路与端子之间以 向现场设备提供电力。
7、 根据权利要求6所述的适配器，其中，所述电源从计算机经由通信配对设备接收向现场设备提供的电力。
8、 根据权利要求1所述的适配器，还包括电阻器，可切换地连接在端口电路与端子之间，其中，根据需要 来连接所述电阻器，以提供对于允许根据现场设备所使用的所述通信 协议来进行通信而言必要的电阻。
9、 根据权利要求1所述的适配器，还包括自动检测电路，连接以检测现场设备所使用的所述通信协议，其 中，将检测到的通信协议传送至端口电路。
10、 根据权利要求9所述的适配器，其中，所述端口电路使得将 自动检测电路检测到的通信协议专用的应用软件从存储模块上载到计 算机。
11、 一种使用适配器在计算机与现场设备之间提供双向通信的方 法，所述方法包括使用通信配对设备将适配器连接到计算机；使用端子对将适配器连接到现场设备；检测现场设备所使用的通信协议；将应用软件从位于适配器内的存储器传送到计算机，其中，上载 到计算机的应用软件与检测到的、现场设备所使用的通信协议相关联， 并且上载到计算机的应用软件允许计算机根据现场设备所使用的通信 协议来发送和接收数据；以及根据现场设备所使用的通信协议在现场设备与计算机之间双向 传送数据。
12、 根据权利要求11所述的方法，其中，在现场设备与计算机 之间双向传送数据包括.-经由通信配对设备从计算机接收指令，其中，根据现场设备的通 信协议将所述指令格式化；经由端子对将从计算机接收到的指令发送至现场设备，其中，使 用现场设备的通信协议来发送所述指令；经由端子对从现场设备接收数据，其中，使用现场设备的通信协 议从现场设备接收所述数据；以及经由通信配对设备将从现场设备接收到的数据发送至计算机。
13、 根据权利要求12所述的方法，其中，将适配器连接到计算 机的所述通信配对设备使用通用串行总线USB通信标准。
14、 根据权利要求11所述的方法，还包括根据现场设备是否正在从外部电源接收所需的电力，选择性地将 位于适配器内的电源连接到现场设备。
15、 根据权利要求14所述的方法，其中，所述电源从计算机经 由通信配对设备接收向现场设备提供的电力。
16、 根据权利要求11所述的方法，还包括根据现场设备与适配器之间是否存在所需量的阻抗，选择性地将 位于适配器内的电阻器连接到现场设备。
17、 根据权利要求11所述的方法，其中，将应用软件从位于适 配器内的存储器传送到计算机包括.-根据检测到的、现场设备所使用的通信协议，自动将应用软件从 位于适配器内的存储器传送到计算机。
18、 一种适配器，对计算机与现场设备之间的通信进行接口，该适配器包括用于将适配器连接到计算机的装置； 用于将适配器连接到现场设备的装置；存储装置，用于存储与多个现场设备通信协议相关联的应用软 件，其中，使用所述用于将适配器连接到计算机的装置，将与现场设 备所使用的通信协议相关联的应用程序加载到计算机上；以及用于根据现场设备所使用的通信协议在现场设备与计算机之间 双向传送数据的设备。
19、 根据权利要求18所述的适配器，还包括电源，可切换地连接，以在没有向现场设备提供其它外部电力时 向所述现场设备提供电力。
20、 根据权利要求19所述的适配器，其中，所述电源从计算机 经由所述用于将适配器连接到计算机的装置接收向现场设备提供的电 力。
21、根据权利要求18所述的适配器，还包括电阻器，可切换地连接到现场设备，其中，根据需要来连接所述 电阻器，以提供对于允许根据现场设备所使用的通信协议来进行通信 而言必要的电阻。
全文摘要
一种适配器，提供了对于将计算机或类似的设备用作智能现场设备的通信器而言必要的组件。适配器包括用于与现场设备连接的端子以及用于与计算机连接的通信线缆。位于适配器内的存储器存储与现场设备所使用的通信协议相关联的应用软件。经通信线缆将存储器存储的应用软件加载到计算机上，使得用户可以根据现场设备所使用的通信协议从自现场设备接收数据以及向现场设备发送数据。适配器包括端口电路，端口电路使用通信协议对计算机与场设备之间的双向通信进行接口。
文档编号G05B9/02GK101548247SQ200780045170
公开日2009年9月30日 申请日期2007年9月25日 优先权日2006年11月9日
发明者马克·S·舒梅切尔 申请人:罗斯蒙德公司