专利名称：微型机电集成控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及控制系统，特别涉及能够监视一个过程或系统的工作状态的控制系统。
背景技术：
现在，很多公司开发并销售用于监视和控制复杂系统、例如化工厂、装配线以及传输网络等的控制系统。这些控制系统依赖于复杂的数据处理设备，该数据处理设备与多个传感器和仪器相连，这些传感器和仪器在产生关于系统工作状态的有用信息的位置上耦合进被监视的系统。因此，典型的控制系统将采用一个中央数据处理器来与多个不同的传感器、例如压力传感器、转速计和温度传感器进行通信。每个传感器被定位以便在控制下采集关于系统或过程的信息，其中该控制使得数据处理器调整该过程并达到一个所希望的工作条件。
虽然这些控制系统可以很好地工作，但它们可能是相当复杂和昂贵的。复杂和昂贵的一个原因是在数据处理系统和连接进被监视的系统中的不同传感器和仪器之间的接口。通常，每种类型的传感器、例如温度计或转速计具有一个必须连接到数据处理器的专用或定制接口。该接口有时包括已经为控制系统中的每个传感器和仪器定制写入的软件设备驱动程序。因此，控制系统必须是用户适应的，以操作这些不同的传感器。另外，每种类型的传感器或仪器可以具有不同类型的硬件接口，例如并行、串行或总线接口。这需要一个定制接口硬件来将传感器连接到数据处理设备。
因此，需要一种控制系统，其中，数据处理器可以容易地并高效地与连接到被控制的系统的传感器和仪器相集成。
此外，已经为大规模机械、机电或处理系统开发了控制系统和闭环控制系统。随着微观机械和随后的“机械电子学”、即微观机械和微电子学的结合的出现，需要用于这些设备的规模的控制系统。
发明概述本发明的系统和方法包括可以与在受控系统中使用的传感器、马达、阀门或其他设备直接相连的集成控制仪器。这些微型机电集成控制系统(MEMICS)提供了一种用于系统和设备、包括用于微电子、微型机械或微化学处理的微系统的开环或闭环控制的结构。这些设备包含允许计算机或操作员对多个微系统和微传感器进行(开环)控制监督的部件和过程。此外，每个集成控制单元可以控制或监视多个控制设备和传感器，并为这多个设备提供到数据处理系统的标准化接口。这允许实现数据和指令在数据处理系统和控制设备和传感器之间的高效传输。
更具体地，将本发明理解为包括用于控制一个系统的装置，包括用于通过一个数据网络来传输表示数据和命令信号的数据包的数据接口、与数据接口相连的用于处理数据包以便与数据处理器交换数据和命令信号的通信管理器，其中，每个数据包根据适合于通过数据网络传输的预定格式来组织数据和命令信号，还包括一个适于处理数据和命令信号以便产生用于有选择地设定与受控系统相连的设备的工作特性的控制信号的设备管理器。在一个实施例中，该设备包括与设备管理器进行通信连接的传感器。在另一个实施例中，该设备包括与设备管理器进行通信连接的传动器。在又一个实施例中，该设备被保持在一个包含传感器、设备管理器、通信管理器和数据接口的外壳内。这些元件中的每一个都可以保持在该外壳内，以使得传动器和传感器与设备管理器和通信接口一起保留在该外壳内。在一个实施例中，该设备还包括一个多路接口，用于允许设备管理器监视和控制与受控系统相连的多个设备。
在一个可选实施例中，系统包括一个加密处理器，用于加密和解密通过数据网络传输的数据信号和命令信号。在又一个实施例中，该装置包括一个用于连接到允许用户监视和调整设备的操作的系统监视器的接口，还包括一个用于维持在系统内的时间测量的系统时钟。
在又一个实施例中，可以将本发明理解为一个用于监视受控系统的特性的集成控制设备。集成控制设备可以包括一个适于可移动和可更换地安装在受控系统附近或邻近的外壳。该外壳可以包含用于传送代表数据和命令信号的数据包的数据接口、通信管理器、以及设备管理器，其中设备管理器响应数据和命令信号，能够控制和监视一个监视受控系统的工作状态特性的传感器。
在又一个实施例中，可以将本发明理解为一个用于监视受控系统的半导体设备。该半导体设备可以包括具有形成在其上的多个电路的衬底。这些电路可以包括一个通信管理器，用于处理具有数据和命令信号的数据包，其中，每个数据包根据适合于通过数据网络传输的预定格式组织数据和命令信号。这些电路还可以包括一个适于处理数据和命令信号以产生用于操作与受控系统相连的设备的控制信号的设备管理器、一个能够监视受控系统的特性的传感器、以及一个能够调节受控系统的工作参数的传动器，从而由设备管理器处理从数据处理器传送的命令信号，以控制传感器和传动器执行所选择的操作。在一个实施例中，半导体设备可以包括包含倾斜传感器、温度传感器、压力传感器、加速度计、陀螺仪、光探测器、麦克风、以及包括多个类似传感器、例如多个压力变换器的任何组合的传感器。同样，半导体设备可以包括多种不同类型的传动器，包括马达、泵、阀门、数据端口和I/O线及其任何组合，包括提供多个同样类型的传动器元件、例如多个不同的马达或泵的组合。
在又一个实施例中，为了在监视受控系统的设备和数据处理器之间提供复杂通信，集成电路可以包括一个通信管理器，用来产生一个识别与该数据包相联系的受控系统的ID信号或用于存储ID信号的字段。同样，通信管理器可以包括一个用于产生设备ID信号的设备ID发生器，该设备ID信号适合于识别正产生携带该设备ID信号的特定数据包的设备。以这种方式，单个数据处理器可以操作多个不同的过程，每个过程监听与一个或一组特定受控系统相联系的数据包。此外，数据处理器以及系统的其他元件可以从该数据包识别正产生表示受控系统的工作状态的特性的信息的特定设备。这对于那些每个设备包括到通过射频信号交换数据信号的射频传输系统的接口的情况特别有用。这可以允许一个收发器与多个不同设备进行通信，以便了解哪个设备正在产生哪一组信息。
在又一个方面，可以将本发明理解为监视和调整受控系统的工作状态的控制系统。该控制系统可以包括一个类型为能够处理表示受控系统的工作状态的至少一个特性的信息、以及能够产生表示用于设定传感器设备的操作的指令的命令信号的数据处理器。该系统还可以包括一个与数据处理器相连的、类型为适合于传送信息信号的数据网络，以及多个传感器设备，其中每个传感器设备与受控系统相连，用于监视系统的工作状态的特性，每个传感器设备包括一个通信管理器、一个设备管理器以及一个能够监视受控系统的特性的传感器。在这些系统中，由数据处理器产生并通过数据网络传送的命令信号可以由多个传感器设备接收，用于将每个传感器设备设定为以特定方式工作。因此，可以提供一个控制系统，其中，多个同类或类似的传感器设备位于受控系统的不同位置上，并根据数据处理器的需要进行设定，以提供表示受控系统的工作状态的特性的信息。
在又一个方面，可以将本发明理解为用于控制一个系统的过程，其中该系统具有一个工作状态并具有至少一个表示工作状态的特性。这些过程可以包括提供类型为能够处理表示受控系统的工作状态的至少一个特性的信息以及能够产生表示用于设定传感器设备的操作的指令的命令信号的数据处理器，提供与数据处理器相连的、类型为适合于传送信息信号的数据网络，以及，将传感器设备连接到受控系统，用于监视操作系统的特性，其中系统具有一个通信管理器、一个能够监视系统特性的传感器、以及一个适于处理来自数据处理器的控制传感器的操作的数据和命令信号的设备管理器。在进一步的步骤中，这些过程可以从数据处理器发送将传感器设定为以所选择方式操作的命令信号。在这些过程的又一实施例中，传感器设备还可以包括能够调节或修改受控系统的工作参数的传动器元件。对于这些系统，数据处理器还可以产生能够操作或设定传动器以调节受控系统的所选择参数的命令信号。
因此，MEMICS结构使得将控制系统的电子和机械部件集成在一单个仪器中成为可能。集成的控制仪器可以提供一组传感器和设备，其中可以为一选定的应用将传感器和设备设定为监视(微)电子、(微型)机械或(微)过程机器、例如传感器、马达、报警系统、通信系统、摄谱仪、航天设备以及医学设备等。这些系统提供可以存在于受控设备的规模、包括处于电路和部件级的系统内的可设定的控制设备。
附图简要说明附图显示了本发明的特定实施例，不能被理解为进行限定。
图1显示了依据本发明的设备的一个结构的功能方框图；图2显示了与受控系统相连的具有多个图1中所示类型设备的控制系统；图3显示了用于控制系统的集成电路设备的方框图；图4显示了具有能够安装在受控系统中的外壳的设备；以及图5显示了依据本发明的一个过程的流程图。
所显示实施例的详细说明这里所述的系统和方法提供了可以操作多个设备、包括多个传感器的集成控制设备。出于例示的目的，这里所述的系统和方法在总体上显示为允许监视和控制工作空间或其他类似环境的传感器系统。然而，本领域普通技术人员应该理解的，这里所述的系统和方法并不限于这些，这个技术的其他应用将落入本发明的精神和范围内。
这里所述的系统和设备提供了一个提供可配置传感器和传动器设备的集成电子机械控制系统。每个可配置设备可以包括一组传感器，例如温度计、压力计、加速计以及其他设备，并包括一个或多个传动器，例如泵、阀门、马达、可调节透镜和其他设备。这些设备、包括传感器和传动器中的每一个都由设备管理器所控制，设备管理器将设定这些传感器和传动器所工作的参数。例如，设备管理器可以设定一个温度传感器所工作的温度范围。同样，设备管理器可以设定一个马达的工作参数，以限定马达的转速。此外，设备管理器还可以启动和禁止某些传感器和传动器，以使得在包含压力传感器和温度计的设备中只有温度计被允许工作，从而该传感器设备只采集温度信息。
为了设定传感器和传动器的操作，设备管理器可以通过与数据网络直接或间接连接的通信管理器接收命令，其中该数据网络可以与一个与网络相连的数据处理器交换数据包。数据处理器可以产生包括命令信号的数据包，数据包将通过集成控制仪器的通信管理器传送到设备管理器。设备管理器例如通过启动与该设备相连的某些传感器并为该设备选择工作参数来响应用于设定设备的命令信号。这样，数据处理器可以提供一个可以设定位于受控系统的不同位置的多个集成传感器设备的中央工作站。每个传感器可以监视一个与受控系统的工作状态相联系的特定参数，并且可以通过数据网络向数据处理器提供信息的数据包，以便允许数据处理器监视、并且在某些应用中调节受控系统的工作状态。因此，应该理解，这里所述的集成控制系统提供了可设定的传感器和传动器系统，这些传感器和传动器系统可以位于受控系统的不同位置，并由数据处理系统动态地设定，以允许数据处理系统实现一个用于监视和调节受控系统的工作状态的控制系统。
这里所述的系统可以连接到或包含很大范围的不同的传感器类型，每种传感器类型可以不同地工作。为了方便使用这些不同的设备，提供了一个可以连接到输入/输出接口设备的设备管理器。与该系统相连的每个传感器例如可以通过电路连接与接口相连。设备管理器可以操作输入/输出设备来启动、禁止、监视和控制传感器。设备管理器然后可以将传感器采集的信息封装成公共格式，并且可以将封装数据发送到中央处理设备，中央处理设备读取数据，并适当地影响控制改变。
图1显示了集成电子和机械传感器控制设备的一个例子。为此，所显示的系统10包括与收发器14相连的命令和控制计算机12，收发器14然后与MEMIC设备16进行通信。MEMIC设备16可以用作为独立设备或在多对多结构中工作，在多对多结构中，多个MEMICS可以与许多命令和控制单元交互。这允许后备和增强利用率。图1还显示了多个设备40、系统监视器44、开环反馈设备42、开环中断设备46、系统时钟50、功率管理器52和电源54。图1的MEMICS 16是以功能方框图的形式显示的，包括收发器20、通信管理器22、编码器/译码器26、加密器/解密器28、设备管理器24、设备监视器30、DAC/ADC设备32和设备I/O管理器34。
图1中所示的命令和控制计算机12是一个数据处理系统，其类型为运行实施监视和控制过程的计算机程序所通常采用的，并且例如可以是独立控制器系统、例如由Foxboro Company of Foxboro，Massachusetts销售的类型，或者可以是常规的计算机工作站，例如运行计算机程序以便作为数据处理器控制系统操作的IBM PC兼容工作站。
命令和控制计算机12可以在一个计算机程序的控制下运行，该计算机程序能够指导命令和控制计算机12产生表示启动、使能和设定图1所示设备40的信号的命令信号。这些命令信号可以包括允许或禁止到设备40的接口的指令。命令信号还包括用于设置工作范围、例如温度范围、压力范围和用来设置设备40的其他参数的指令。在命令和控制计算机12上运行的计算机程序可以是常规的计算机程序，例如C语言程序或JAVA语言程序，该计算机程序可以将小程序从命令和控制计算机12下载到集成控制单元16，用于提供设备40的初始化和操作的客户端控制。
图1还显示了与命令和控制计算机12相连的收发器14。收发器14可以是采集由命令和控制计算机12产生的命令信号和数据信号、并以适于在计算机网络、例如以太网或任何IP网络的物理层上传送的格式对其进行格式化的网络接口卡。或者，收发器14可以是通过数据网络连接到命令和控制计算机12、用于接收在计算机数据网络上携带的数据包、例如IP数据包的网络接口卡，其中所述计算机数据网络在收发器14和命令和控制计算机12之间提供一个双向数据路径。收发器14可以从计算机网络接收数据包，并将这些数据包转换成可以广播到集成控制单元16的信号。例如，收发器14可以包括一个连接到数据网络的网络接口卡，与命令和控制计算机12进行通信。收发器14的网络接口卡可以连接到一个射频收发器，该射频收发器将数据和命令信号广播到集成控制单元16的收发器20。以此，集成控制单元16可以与计算机网络在物理上分开，而不需要对网络电缆的连接。虽然已经参考射频链路描述了上面的收发器14，但本领域普通技术人员应该理解，还可以在收发器14和集成控制单元16之间采用红外链路、双绞线链路或其他任何合适的通信链路。
所示的收发器14是通过通信、并行或PC卡端口附在命令和控制计算机12的I/O总线上的。收发器单元从计算机接收能量。操作员可以减去对主程序的控制，中断设备控制系统。操作员可以与系统监视器进行交互，其中系统监视器包括键盘、开关、视频显示器和其他合适的I/O设备。
集成控制单元16包括用于与收发器14交换数据和命令信号的收发器20。收发器20可以是任何常规的收发器元件、包括射频或红外收发器单元，并将其选择为和与命令和控制单元12进行通信的收发器14兼容。因此，每个设备16可以具有一个收发器，通过该收发器与命令和控制系统的收发器进行通信。所示的收发器允许设备以射频、红外或其他的无线方式进行操作。为此，它们配备有必需的用于电信的电子技术和逻辑，包括天线或光电或超声或任何其他装置。收发器包含执行检错/纠错的装置和确保正确的数据传输的所有必需设备。
在通信信号被适当地管理的情况下，收发器可以以电子或光学线代替。通信管理器对传输消息的准备和接受进行响应。它包括两个主要模块组织消息中的数据的编码器/译码器单元，以及确保只与被授权命令/控制计算机交换该消息或只以被授权或选择处理器能够理解或处理的格式交换该消息的加密器/解密器单元。
如图1所示，收发器20与通信管理器22进行双向通信。通信管理器22包括编码器/译码器单元26和加密器/解密器单元28。又如图1所示，编码器单元26和加密器单元28都以双向通信连接。又如图1所示，通信管理器22连接在收发器20和设备管理器24之间。通信管理器可以是电子线路或在通用微处理器上运行的软件程序。通信管理器22采用编码器/译码器单元26来组织数据包中的数据，以便通过收发器20向收发器14传输。数据由编码器26组织成一个可以被在命令和控制计算机12上运行的计算机程序所理解的格式。同样，编码器/译码器26可以接收由命令和控制计算机12产生的数据包，并从这些数据包中选择出要被发送给设备管理器24的用于初始化和配置传感器40的操作的命令和数据信号。在一个实施例中，通过收发器22从编码器26传输到收发器14的数据可以由作为收发器14的一部分的网络接口卡格式化成一个适合于在数据网络上输出的格式，其中该数据网络在收发器14和命令和控制计算机12之间传送数据。
图1还显示了一个可选元件，加密器/解密器28。加密器/解密器28可以是电子线路，或者是在常规微处理器上运行的软件例程。加密器/解密器可以加密和解密信号，以便为集成控制单元16和命令和控制计算机12之间的通信提供一个安全层。这减少了干扰对受控系统的正确监视的篡改的可能性。
图1还显示了一个设备管理器24，包括通过数字模拟变换器32连接到设备I/O多路复用器34的设备监视器30。设备管理器30在设备40和通信管理器22之间传递数据。另外，可以是电路或在微处理器上运行的软件例程的设备管理器24处理和响应从命令和控制计算机提供的、用于配置、启动和操作设备40的命令和数据信号。更具体地，设备管理器30可以包括一个状态机，该状态机响应命令信号，有选择地启动和禁止设备40。例如，在一个实施例中，命令和控制计算机12可以向设备管理器24传送一个命令信号，指示设备管理器24启动设备40中的一个，其中，启动的设备40包括一个压力传感器。另外，控制计算机12可以设置指示设备管理器30设置所启动压力传感器40的工作参数的命令和数据信号。例如，通过选择加到压力传感器上的基准电压，可以在选定范围内操作特定压力传感器。
在该实施例中，设备管理器30响应来自命令和控制计算机12的命令，以选择适当的基准电压，来实现所需的压力感测范围。本领域普通技术人员应该理解，设备管理器30可以为设备40设置所需的任何参数，并且，这种设备管理器的设计和开发是电子工程领域的普通技术人员所公知的。设备监视器30还可以从传感器接收数据，例如由传感器40测量出的压力。设备管理器30可以将这些信号传送通过通信管理器22，以进行封装和传送到收发器14。图1中所示的数字模拟变换器和模拟数字变换器32可以是执行这些功能的任何合适的电路系统，并且可以是分开的集成电路部件或作为一单个集成电路的一部分提供的集成电路部件。然而，应该理解，可以根据需要对由这里所述的设备采用的信号调节电路进行修改，并且这些修改被认为是在电子工程领域的普通技术人员所能够实现的范围内的。
在所示实施例中，多个设备40由双向路径连接到设备管理器24。为此，设备管理器24包括一个设备I/O多路复用器34。该设备I/O多路复用器可以是电子线路或在常规微处理器上运行的软件例程。这种在各个设备40之间切换的、用于在所选设备和设备管理器24之间传送数据的多路复用器的操作是本领域所公知的，可以采用任何合适的多路复用器用于本发明。
图1中所示的集成控制设备16包括对系统监视器44的双向接口。系统监视器44可以是一个带有键盘的视频显示器、例如计算机终端，允许操作员与该集成控制仪器进行连系，例如，改变传感器设备40的参数，以及监视由传感器设备40产生的数据。系统监视器44与一个开环反馈设备42相连。这些开环反馈设备42例如可以是告警器，诸如汽笛或闪光，当来自一个设备40的特定数据表明一个告警条件时，由集成控制单元16激发告警器。所示系统监视器44还连接到一个中断设备46。中断设备46允许操作员不考虑由设备管理器24实施的命令信号。因此，中断设备用于禁止所选设备40、或启动其他设备40、或允许用户通过集成控制仪器16向命令和控制计算机12发送信息。在其他应用中，在不偏离本发明的范围的情况下，中断设备46可以与这里所述的系统一起使用。
图1还显示出集成控制单元16可以与系统时钟50和功率管理和电源单元52和54相连。系统时钟可以是向设备管理器30提供时钟信号的常规电子时钟元件。这种时钟信号可以用来对特定参数、例如压力和温度的变化速率进行定时，以及用来监视和保持关于集成控制单元16的状态的信息，例如控制单元16已经运行了多长时间，以及数据被采集以便传送回命令和控制计算机12的日期和时间。系统时钟使得在控制单元16中处理的所有信号同步。可选功率管理单元响应于根据由系统监视器指示的需要而在各个设备上的能量守恒和分配。功率管理和电源单元52和54可以是常规的电池或A/C电源。虽然图1所示的系统时钟50和功率管理和电源系统52和54是系统10的分离部件，但本领域普通技术人员能够理解，这些部件可以包含在集成控制设备16中。
闭环系统的主程序在计算机12或计算机组上运行。该程序具有一个与操作员交互的用户界面，并执行主要数据分析和命令和控制功能。该程序可选地包括一个加密程序。该程序通过提供具有优先权值的命令信号可以提供实时操作，其中优先权值能被设备管理器30理解，用来确定操作发生的顺序。这使得计算机能确定首先报告回哪个传感器数据、首先启动哪个传动器或以任何其他顺序进行。
如上所述，设备管理器从/向受控设备传送消息。它包含设备监视器，设备监视器对信号的数字处理进行响应，配备有必须的逻辑和算术功能，并具有必须的存储器以确保总处理能力。所示设备管理器包含一个数字模拟变换器和一个模拟数字变换器。还包含一个设备输入/输出信道多路复用器，允许设备监视器将其注意力从一个设备切换到另一个设备。
虽然图1显示了一单个控制单元16，但多个(微型)机电设备也可以连接到MEMICS的集成控制仪器上。这些设备可以是传感器、马达、处理设备。集成控制设备由系统监视器监控。系统监视器响应ICI的一般功能。它与命令和控制计算机交换状态信息，或通过诸如发光二极管的开环反馈设备与操作员交换状态信息。它起作用于从命令和控制单元或通过中断设备、例如开关或按钮从操作员接收的命令信号。以此，操作员可以越过命令系统，关闭传感器或设备，运行单独的脱机测试或其他类似功能。
图2显示了一个系统10，包括与网络总线15相连的多个收发器元件16a-16f，其中网络总线15连接到一个命令和控制计算机12。如上所述，命令和控制计算机12执行对控制系统的处理，并对操作员的输入进行响应。图2还显示了一个房间30，房间30包括收发器16d和四个类型为如参考图1所述的集成控制单元18a-18d。房间30可以包含装配线、化学工厂、工作环境和被监视或控制的任何系统或空间。集成控制单元18a-18d的每一个都与传感器或装置相连。例如，单元18a与一个具有机动关闭组件的阀门20相连。同样，单元18a和18b分别与恒温器22和24相连。单元18d与一个表示适合于在控制系统中使用的任何元件的普通传感器/设备元件相连。
如上所述，单元18a-18d可以接收命令并通过数据链路、例如IR或射频链路向收发器16d提供数据。可选地，可以采用硬连线链路。在所示实施例中，收发器16d通过网络15与命令计算机12交换数据和指令。
每个单元18a-18d可以从命令计算机12接收命令数据信号。该数据指示设备管理器24如何驱动或联系与该单元相连的传感器、传动器或其他设备。设备管理器24可以用这个信息从传感器、传动器和设备采集信息，并且可以将这个信息转换成可以发送到收发器16d的标准格式。收发器16d可以将数据格式化成一个适合于在网络14上传送的标准格式。因此，系统10提供了一个具有到其设备、传动器和传感器的标准接口的控制系统。
图3显示了本发明的一个替换实施例，其中，将集成控制设备形成为一个集成电路，从而在一个衬底上形成依据本发明的设备的电路和传感器。更具体地，图3显示了一个集成电路60，包括微处理器核心62、静态RAM 64、以及电可编程存储器66和只读存储器68。设备60还包括陀螺仪70、温度传感器72、陀螺仪74和加速计76。微处理器核心62可以是常规的微处理器核心，响应于存储在ROM 68和EEPROM 66中的计算机程序进行操作。微处理器核心62还可以响应于从通常与微控制器电路一起采用的类型的IO接口(未显示)接收的输入信号作出反应。
图3显示了可以在一个衬底上形成的集成控制设备，其中，可编程微处理器核心62在程序的控制下操作，以实施集成控制设备的通信管理器和设备管理器功能。在一个实施例中，微处理器核心62与由Motorola公司开发的68HC05核心类似，该核心能够以高级语言、例如C编程，以产生一组可以实施通信管理器和设备管理器功能的指令信号。这种程序的开发是从电子工程和计算机科学领域中公知的原理得出的，在不偏离本发明的范围的情况下可以将任何合适的计算机程序用于本发明。图3中所示的集成系统60还包括四个传感器元件，这四个传感器元件可以由微处理器电路单独设定，以采集关于受控系统的所选定信息。例如，在一个实施例中，微集成控制设备60可以附在一个在传送带上移动的盒子上。在这个实施例中，微处理器可以采用加速计76和陀螺仪74来接收方向和运动信息，以供在命令和控制计算机12上运行的控制程序使用。在控制系统的另一个部分，可以将设备60放在受控系统的一个位置上，在该位置上，温度测量与保持一个最优工作状态有关，并且，在这个应用中，命令和控制程序可以将一个程序发送给从EEPROM 66执行的微控制单元60，以指示微处理器核心启动温度传感器72并报告返回从该传感器采集的温度数据。为了报告返回数据，元件60可以与一个红外收发器元件(未显示)相连，该红外收发器元件用于在与计算机数据网络相连的收发器14与命令和控制计算机12之间交换数据，其中数据网络在收发器14与命令和控制计算机12之间发送信息。
图4以功能方框图形式显示了本发明的又一个实施例。更具体地，图4显示了一个系统90，包括可以安装在受控系统的一部分上的外壳90管。系统90可以包括微控制器94、收发器98和传感器102、104和106。在所示实施例中，传感器102、104和106分别是压力传感器、温度传感器和加速计。这三个传感器可以在微控制器94的控制下操作，用于测量受控系统的特定参数。在另一个实施例中，系统90可以包括一个用于形成到与外壳90在物理上分开的传感器或传动器的电连接的IO端口。以此，集成控制系统90还可以与与单元分开的、但与受控系统相连的设备进行通信。
图4中所示的收发器98可以用来向一个与数据网络进行通信并传送数据到中央计算机系统的收发器发射信号。在一个实施例中，多个设备、例如设备90可以与一单个收发器14进行通信。在这个实施例中，通信管理器可以产生一个表示与收发器14进行通信的一个唯一的设备90的设备ID。这使得收发器14能够确定哪一个设备正在对收发器14讲话，并因此向收发器14提供用于在计算机数据网络上传输数据的信息。
图5显示了依据本发明的用于控制和监视一个系统的过程。更具体地，图5显示了一个过程120，该过程包括下列步骤产生初始化和数据命令122，广播数据和命令124，确认集成控制单元的初始化126，监视数据128，确定该监视系统是否需要重新设定130，以及，产生必须的重新设定命令和数据信号132。
更具体地，图5所示过程120可以由命令和控制计算机12用来初始化和重新设定用于监视受控系统的传感器单元。在第一个步骤122中，命令和控制计算机可以初始化受控系统的设定。在这个步骤中，命令和控制计算机12产生一组用来设定各种未设定传感器设备的设定信息。因此，命令和控制单元可以确定哪些传感器设备将测量温度、哪些将测量压力、哪些将启动阀门和采集空气样本、或者由各个传感器设备提供的任何其他功能。一旦产生了设定数据和命令，则过程120进行到步骤124，在这里，将这些数据和命令信号在数据网络上广播。在这个步骤中，将数据和命令通过网络发送给收发器、例如图1中所示的收发器14，该收发器用于将该信息广播到不同集成控制设备16的各个收发器单元20。
在步骤124之后，过程120进行到步骤126，步骤126是一个可选步骤，在该步骤中，命令和控制计算机可以要求确认设定。在这个步骤中，命令和控制单元可以确定，每个集成控制设备接收发送给该设备并被适当地设定的命令数据，来操作已经由命令和控制计算机12选择的传感器和传动器。如果初始化测试失败，则命令和控制单元可以可选地中止初始化过程并要求用户干预，或采取任何其他合适的步骤。
在步骤128中，命令和控制单元监视由各个设备采集并通过数据网络发送回命令和控制计算机12的数据。命令和控制计算机12可将这个信息用于一般的过程控制和监视。
在图5所示的实施例中，过程120可选地进行到步骤130，在这里，由步骤120监视从传感器设备和传动器返回的数据，以确定该过程是否需要被重新设定，以监视受控系统的其他特性。如果系统将不重新设定，则过程120从步骤130进行到步骤132，产生和广播将由命令和控制单元12采用的要重新设定传感器设备和传动器设备的新的命令和数据信号。或者，如果不需要设定，则步骤130可以返回步骤128，开始监视数据。
应该理解，上述的本发明实施例是本发明的一些应用和原理的例示。在不偏离本发明的精神和范围的情况下，本领域普通技术人员能够作出各种修改。此外，应该理解，这里所述的系统和设备可以用在各种应用中，包括监视沿装配线移动的产品、监视血管(vessel)的活动以及其他任何合适的应用。
权利要求
1.一种用于控制一个系统的装置，包括一个数据接口，用于在一个数据网络上传输表示数据和命令信号的数据包，一个通信管理器，与所述数据接口相连，用于处理所述数据包以便与一个数据处理器交换所述数据和命令信号，其中，每个所述数据包根据适合于在所述数据网络上传输的预定格式来组织所述数据和命令信号，以及一个设备管理器，适于处理所述数据和命令信号，以产生用于有选择地设定与受控系统相连的设备的工作特性的控制信号。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述设备包括一个与所述设备管理器进行通信连接的传感器。
3.如权利要求1所述的装置，其中，所述设备包括一个与所述设备管理器进行通信连接的传动器。
4.如权利要求2所述的装置，还包括一个包含所述传感器、所述设备管理器、所述通信管理器和所述数据接口的外壳。
5.如权利要求3所述的装置，还包括一个包含所述传动器、所述设备管理器、所述通信管理器和所述数据接口的外壳。
6.如权利要求1所述的装置，还包括一个多路接口，用于允许所述设备管理器监视和控制与受控系统相连的多个设备。
7.如权利要求1所述的装置，还包括一个加密处理器，用于加密和解密通过数据网络传输的所述数据和命令信号。
8.如权利要求1所述的装置，还包括一个用于连接到一个系统监视器、以允许用户监视和调整所述设备的操作的接口。
9.如权利要求1所述的装置，还包括一个系统时钟。
10.一种用于监视受控系统的特性的集成控制设备，包括，一个适于可移动和可更换地安装在受控系统上的外壳，所述外壳包含一个数据接口，用于通过一个数据网络将代表数据和命令信号的数据包传送到一个数据处理器，一个通信管理器，与所述数据接口相连，用于处理所述数据包以便与所述数据处理器交换所述数据和命令信号，其中，每个所述数据包根据适合于在所述数据网络上传输的预定格式来组织所述数据和命令信号，一个设备管理器，响应所述数据和命令信号，能够控制和监视一个设备，以及一个用于监视所述受控系统的所述特性的传感器。
11.一种用于监视一个受控系统的半导体设备，包括具有形成在其上的多个电路的衬底，所述电路包括一个通信管理器，用于处理具有数据和命令信号的数据包，其中，每个所述数据包根据适合于通过数据网络传输的预定格式组织所述数据和命令信号，一个设备管理器，适于处理所述数据和命令信号，以产生用于操作与受控系统相连的设备的控制信号，一个能够监视受控系统的特性的传感器，以及一个能够调节受控系统的工作参数的传动器，从而，由所述设备管理器处理从一个数据处理器传送的命令信号，用于控制所述传感器和所述传动器执行所选择的操作。
12.如权利要求11所述的装置，其中，所述传感器包括温度传感器、压力传感器、加速度计、陀螺仪、光探测器、麦克风及其任何组合。
13.如权利要求11所述的装置，其中，所述传动器包括马达、泵、阀门、数据端口及其任何组合。
14.如权利要求11所述的装置，其中，所述通信管理器包括一个ID发生器，用于产生具有一个用于存储受控系统标识信号的字段的数据包，所述受控系统标识信号用于识别与所述数据包相联系的受控系统。
15.如权利要求11所述的装置，其中，所述通信管理器包括一个用于将数据包传送到类型为适合于在数据网络上传送数据的物理层设备上的接口。
16.如权利要求11所述的装置，其中，所述通信管理器包括一个用于传送到一个用于发射表示数据和命令信号的射频信号的射频设备上的接口。
17.如权利要求11所述的装置，其中，所述通信管理器包括一个设备ID发生器，用于产生一个用于识别产生数据包的设备的设备ID信号。
18.一种用于监视和调整一个受控系统的工作状态的控制系统，包括一个数据处理器，类型为能够处理表示受控系统的工作状态的至少一个特性的信息、以及能够产生表示用于设定传感器设备的操作的指令的命令信号，以及一个与所述数据处理器相连的数据网络，类型为适合于传送信息信号，以及多个传感器设备，每个传感器设备与受控系统相连，用于监视所述系统的工作状态的特性，每个传感器设备具有一个通信管理器，用于处理数据包以便与一个远程数据处理器交换数据和命令信号，其中，每个所述数据包根据一个预定格式组织所述数据和命令信号，一个设备管理器，适于处理所述数据和命令信号以产生用于操作一个与受控系统相连的设备的控制信号，以及一个能够监视受控系统的特性的传感器，从而，由所述设备管理器处理从所述数据处理器传送的命令信号，用于控制所述传感器执行所选择的操作。
19.如权利要求18所述的控制系统，其中，所述传感器设备还包括与所述设备管理器相连、能够调节受控系统的工作状态的传动器设备。
20.如权利要求19所述的控制系统，其中，所述数据处理器包括一个用于产生要传输到所述多个传动器设备中的至少一个上的、用于设定所述传动器设备以所选择方式操作的命令信号的机构。
21.一种用于控制一个系统的过程，其中所述系统具有一个工作状态并具有至少一个表示工作状态的特性，所述过程包括提供类型为能够处理表示受控系统的工作状态的至少一个特性的信息以及能够产生表示用于设定传感器设备的操作的指令的命令信号的数据处理器，提供与所述数据处理器相连的、类型为适合于传送信息信号的数据网络，以及将传感器设备连接到受控系统，用于监视所述系统的工作状态的特性，其中，传感器具有一个通信管理器，用于处理数据包以便与所述数据处理器交换数据和命令信号，其中，每个所述数据包根据一个预定格式组织所述数据和命令信号，一个能够监视受控系统的特性的传感器，一个设备管理器，适于处理所述数据和命令信号并控制所述传感器的操作，以及从所述数据处理器发送用于设定所述传感器以所选择的方式操作的命令信号。
22.如权利要求21所述的过程，还包括提供能够与受控系统相连并调节系统的工作状态的传动器，以及从所述数据处理器发送用于指示所述传动器的操作的命令信号。
全文摘要
一种集成机电控制设备(16)具有一个用于与中央计算机系统(12)或计算机组进行通信以便对控制网络进行分布式和可重新设定的开发的接口(14)。这里所述的控制单元可以包括多个微电子设备(40),该多个微电子设备(40)包括在一个芯片上形成的微型机械传感器、例如压力传感器(102)和温度传感器(90和104),该芯片包括一个能够在中央计算系统的控制下有选择地设定各个传感器元件的电路。
文档编号G05B19/042GK1276072SQ98809689
公开日2000年12月6日 申请日期1998年8月7日 优先权日1997年8月7日
发明者斯特凡·A·德斯赫雷弗 申请人:斯特凡·A·德斯赫雷弗