专利名称：具有包括eeprom的低功率微控制器的过程分析传感器的制作方法
具有包括EEPROM的低功率微控制器的过程分析传感器
背景技术：
过程分析传感器一般被配置为耦合到给定过程，比如炼油过程或制药制造过程， 并提供与该过程相关的分析输出。这种分析输出的示例包括但不限于pH的测量、氧化还原电势的测量、选择性离子测量、以及溶解气体(比如溶解氧)的测量。然后可以向控制系统提供这些分析测量，使得可以基于该分析测量来影响和/或调整过程控制。这种传感器一般是连续地、或基本上连续地暴露给过程介质。过程分析传感器工作所处的环境有时是挥发性的或甚至是爆炸性的。为了确保传感器及相关电子设备不在这种挥发性环境中产生点燃源，能量存储和/或放电速率一般受到限制。本质安全要求阐述了确保符合其的电子设备在挥发性或爆炸性过程环境中不产生点燃源的规范。如果在包含爆炸性气体的环境中正确安装仪器，则本质安全要求意在保证仪器操作或故障不能引起点燃。这是通过限制在最糟糕的故障情况下在过程分析设备中存储的最大能量来实现的。过多的能量放电可能导致能够点燃过程分析设备工作所处的爆炸性环境的电火花或过热。本质安全要求的示例包括European CENELEC Standards (欧洲CENELEC标准)、 EN 500014 和 50020、Factory Mutual Mandard(工厂共同标准)、FM 3610、Canadian Standard Association (力口拿大标准联盟)、British Approval Service for Electrical Equipment Inflammable Atmospheres (英国易燃气体中电气设备认可月艮务)、Japanese Industrial Standard( H^X^lkfe^ ) > UR Standards Association of Australia( 洲标准联盟)。为了确保严格遵守自动化工业安全协议和规范，在这种位置上仅可以使用由独立机构认证的设备。由于一般在这种挥发性环境中使用过程分析传感器和设备，因此极其需要将这种设备设计为满足本质安全要求，或至少提供本质安全符合的选项。过程分析传感器当前正在经历技术的巨大变迁。之前，模拟过程分析传感器(比如PH传感器)将与分析器配合，然后执行一系列校准步骤以实质上校准传感器/分析器装置。如果然后将PH传感器移动到不同的分析器，则需要重复整个过程。尽管这种过程分析传感器具有模拟属性，一些过程分析传感器确实包括模拟前置放大器电路，以向分析器提供鲁棒的信号。最近的革新来自使用传感器本身中的数字电子装置。这些新的“智能”过程分析传感器能够与分析器进行数字通信。然而，为了方便工业界接受这种传感器，传感器本身应当依然能够以之前基于模拟的传感器的功率预算和信令电平来进行操作。这引起了在本质安全要求、工业接受的功率预算以及由传感器本身中的数字电路提供的新的特征组之间平衡的困难。在这些各种设计考量因素之间实现有用的平衡将提供更容易满足工业许可的智能过程分析传感器。
发明内容
本发明提供一种过程分析传感器。所述过程分析传感器包括能耦合到过程的过程分析感测单元。所述过程分析感测单元具有随着所述过程的分析方面而改变的电特性。将微控制器置于所述过程分析传感器中，且将所述微控制器耦合到所述过程分析感测单元， 以检测所述电特性，并基于所检测到的特性来提供分析信号。能够在小至0. 5毫安上操作所述微控制器，且所述微控制器包括能够在所述微控制器在小至0. 5毫安上操作时能够被写入的电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)。
图1是根据本发明的实施例的耦合到过程分析传感器的过程分析器的概略图。图2是根据本发明的实施例的耦合到过程分析传感器的过程分析器的系统框图。图3是根据本发明的实施例的耦合到功率存储/充电电路的示例微控制器的系统框图。图4是根据本发明的实施例的将数据写入到过程分析传感器的存储器中的方法的流程图。
具体实施例方式图1是过程分析系统的概略图，在该过程分析系统中，本发明的实施例是特别有用的。系统10包括经由缆线16耦合到过程分析传感器14的过程分析器12。在图1所示的实施例中，过程分析传感器14是插入型过程分析pH传感器。然而，可以用任何过程分析传感器来实现本发明的实施例。过程分析传感器14被配置为插入到过程中，或以其他方式耦合到过程上，使得传感器14感测分析特征，比如pH，并提供其电子指示。由分析器12接收电子指示，然后分析器12应用适合的信号调节和/或计算，以确定过程分析输出。然后在显示器18上指示过程分析输出，或将过程分析输出传递给某个其他适合的设备或实体。 在一些实施例中，可以将传感器分析器12耦合到已知的4-20mA电流环路上，并从环路接收其全部操作功率。在这种情况下，可以用于向传感器14供电的电流量受到极大的限制。例如，传感器14应当以小至0. 5mA操作。此外，在这种设施中，低功率要求有时是本质安全的整体要求中的一部分。因此，在这种实施例中，传感器14中的总电容也是受限的。例如，传感器14中的总电容应当是大约0. 255 μ F或者小于大约0. 255 μ F。尽管这些设计限制对过去的基于模拟的过程分析传感器没有太显著的影响，但是它们严重地限制了操作过程分析传感器14中的数字电路的能力。如果数字电路要消耗过多的功率(例如，超过0.5毫安)， 则错误或其他有害效果可能随之而来。在过程分析传感器中提供数字电路提供了大量的优点。例如，可以由制造商将每次把传感器与分析器配对时一般要产生的所需的过程分析传感器校准信息简单地加载到过程分析传感器中。因此，过程分析传感器可以将其校准信息简单地上载或以其他方式发送到其所耦合的任何分析器。这样，减少了大量的校准设置时间。此外，假如用户希望在将过程分析传感器耦合到第一分析器时执行附加的校准，可以在过程分析传感器本身中存储校准信息或以其他方式保存，使得如果稍后将传感器耦合到第二分析器，则可以将信息发送或提供给第二分析器。此外，可以在传感器本身中保存针对传感器的用户专用和/或应用专用的数据，从而方便用户设置。最后，在传感器14中提供数字电子装置允许传感器14 执行诊断操作，并可能将诊断信息传输回分析器。因此，可以由过程分析传感器本身来确定对重新校准和/或维护的潜在需要，且可以将这种信息作为警报或其他适合的指示传输给
4分析器。因此，在过程分析传感器14中提供数字电子装置，且具体地是微控制器，相对于传统基于模拟的过程分析传感器提供了无数的新特征。图2是图1所示的过程分析系统10的系统框图。分析器12包括耦合到缆线16 的智能信号卡或模块20。模块20 —般包括专用微控制器，以处理通过缆线16与传感器14 的微控制器22的数字通信。在一个实施例中，微控制器20是由San Jose, California的 Atmel Corporation销售的具有商业名称ATmegaSS的微控制器。通过缆线16的通信优选地符合在微控制器之间的已知的通信技术。过程分析传感器14包括经由缆线16耦合到微控制器20的过程分析传感器微控制器22。微控制器20优选地是基于AVR增强RISC架构的低功率CMOS 8比特微控制器。 微控制器22被配置为以极低功率预算操作。例如，微控制器22以小至0.5毫安操作，并包括有助于实现符合本质安全要求的电路。例如，在所示实施例中，过程分析传感器14中的所有电容器的总电容之和不超过0. 255 μ F。在一个实施例中，微控制器22是由Atmel Corporation销售的具有商业名称ATtiny84的微控制器。过程分析传感器14的一个设计挑战是作为具有显著功率限制(0.5毫安)的双线仪器来操作。微控制器22的具有挑战的一个特定操作是向微控制器22中的电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)写入数据。尽管可以在0. 5毫安读取过程中完成读取数据，向EEPROM写入数据要求比0. 5毫安电源中可用的电流高大约20倍的电流。这是由于EEPROM在数据的写入过程中使用更高的能量这一事实。如果在没有功率限制考量的情况下尝试向EEPROM写入数据，则这可能引起过程分析传感器14从传感器14可能的重置到传感器14的整个关闭或故障的显著问题。根据本发明的实施例，在0. 5毫安电流预算内完成向微控制器22中的EEPROM写入。把要写入到EEPROM中的数据划分为小的分组，比如单个字节，且在微控制器22中的本地电容中存储用于写入每个分组所需的能量。在每个分组之后的写入暂停足够长的时间， 以针对下一个分组对本地电容进行再充电。将分组以相同方式放置在已映射的EEPROM中， 就好像以连续模式完成写入。微控制器22耦合到过程分析传感器单元M，该过程分析传感器单元M具有随着感兴趣的过程分析变量而改变的电特性。在图2所示实施例中，单元M是？!1电极，其具有随着过程分析传感器14所浸入的过程介质的pH而变化的电特性。由微控制器22对该电特性进行换能或以其他方式进行确定，并将其通过缆线16传递给分析器12的微控制器20。包括数字电路在内的传感器(比如过程分析传感器14)有助于消除对现场校准的需要，因为将已测试的校准数据嵌入到传感器的存储器中。然后分析器12自动读取该校准信息，提供立刻的现场过程测量。这节约了大量资源，并相信其为端用户提供了显著的优点。可以在各种分析器中提供读取已嵌入的校准信息的能力。包括这种数字电路的一个过程分析传感器是由Emerson Process Management销售的具有商业名称PERpH-X pH传感器的过程分析传感器。图3是根据本发明的实施例的耦合到功率存储/充电电路的示例微控制器的系统框图。微控制器22耦合到包括适合的限流电路在内的电源模块50，以确保过程分析传感器 14不消耗过多功率。在一个实施例中，模块50确保过程分析传感器14不汲取超过0. 5毫安。模块50耦合到功率存储设备52，该功率存储设备优选地是电容器。在一些本质安全实施例中，可以将功率存储电容器的值选择为在0. 255 μ F和过程分析传感器14中的所有其他电容器的所有电容之和之间的差值。无论如何，功率存储设备52具有充足电容，用于存储足够能量以允许微控制器22向EEPROM M写入至少一个字节的信息。在写入操作期间， 微控制器22将大量消耗多于过程分析传感器14经由缆线16可用的电流。由在微控制器未汲取多于0.5毫安时存储了额外电流的功率存储设备52来提供该附加电流。微控制器 22耦合到功率存储设备52，并能够确定何时存储了足够的能量用于写入操作。在一个实施例中，微控制器22可以包括能够测量跨功率存储设备52的电压的模数转换器。图4是根据本发明的实施例向过程分析传感器中的微控制器的EEPROM存储器写入数据的方法的流程图。方法30开始于块32，其中，获得要写入到EEPROM存储器的数据。 该数据可以是校准数据、用户专用数据、应用数据、或用户希望嵌入到过程分析传感器14 中的任何适合的数据。接下来，在块34，将数据拆分为可写入的分组。可写入分组是足够小的、可使用在微控制器22中的本地电容器中存储的能量完整写入的分组。因此，可写入分组的大小将根据电容器的大小而改变。在本质安全实施例中，过程分析传感器14中的、且具体地在微控制器22中的所有电容器的整体电容不超过0. 25 μ F。因此，尽管写入操作将消耗比过程分析传感器可用电流多20倍的电流，可以在本地电容器中存储用于写入操作的能量，且在能量足以写入可写入分组时，可以对本地电容器进行放电，且该放电能量可用于写入操作。在优选实施例中，可写入分组是单个字节的数据。在块36，使用用于写入单个可写入分组的充足能量对过程分析传感器14中的一个或多个电容器充电。一旦存储了充足的能量，方法30进行至写入单个分组的块38。通过测量跨一个或多个电容器的电压并将已测量的电压与所选阈值进行比较来实现对是否已存储了充足能量的确定。备选地，可以执行持续所选时间段的充电过程，因为可以假定最小电流汲取(0.5毫安)并将其乘以已知的充电速率。接下来，在块40，方法确定是否已写入了所有可写入分组。如果是，则方法结束。然而，如果有剩余的附加分组，则控制沿着线42返回块36，其中，存储附加能量以写入下一个分组。方法循环直到已将所有可写入分组写入EEPR0M。尽管已通过优选实施例描述了本发明，本领域技术人员将认识到可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对形式和细节做出改变。
权利要求
1.一种过程分析传感器，包括过程分析感测单元，所述过程分析感测单元能耦合到过程，并具有随着所述过程的分析方面而改变的电特性；微控制器，置于所述过程分析传感器中，所述微控制器耦合到所述过程分析感测单元， 以感测所述电特性，并基于所感测到的特性来提供分析信号；其中，能够以小至0. 5毫安来操作所述微控制器，且所述微控制器包括能够在所述微控制器以小至0. 5毫安操作时能够被写入的电可擦除可编程只读存储器EEPR0M。
2.根据权利要求1所述的过程分析传感器，其中，所述EEPROM存储校准数据。
3.根据权利要求1所述的过程分析传感器，其中，所述过程分析感测单元是PH感测单元。
4.根据权利要求1所述的过程分析传感器，其中，所述微控制器是CMOS微控制器。
5.根据权利要求4所述的过程分析传感器，其中，所述CMOS微控制器是8比特微控制器。
6.根据权利要求1所述的过程分析传感器，其中，所述过程分析传感器是本质安全的。
7.一种用于向过程分析传感器中的电可擦除可编程只读存储器EEPROM写入的方法， 所述方法包括获得要写入所述EEPROM中的一些数据； 将所述一些数据拆分为可写入分组； 将至少一个本地电容器充电到预先选择的电平； 向所述EEPROM中写入单一可写入分组；以及重复对所述至少一个本地电容器充电的步骤以及写入单个分组的步骤，直到已向所述 EEPROM中写入了所有可写入分组。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述一些数据是针对所述过程分析传感器的校准数据。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述校准数据是PH传感器校准数据。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，在所述过程分析传感器的微控制器中包含所述 EEPROM。
11.根据权利要求7所述的方法，其中，所述至少一个本地电容器具有小于大约 0. 255 μ F的电容。
12.根据权利要求7所述的方法，其中，每个可写入分组的大小取决于所述至少一个本地电容器的电容。
13.根据权利要求7所述的方法，其中，可写入分组大小是单个字节的数据。
全文摘要
本发明提供一种过程分析传感器(14)。所述过程分析传感器(14)包括能耦合到过程的过程分析感测单元(24)。所述过程分析感测单元(24)具有随着所述过程的分析方面而改变的电特性。将微控制器(22)置于所述过程分析传感器(14)中，且将所述微控制器(22)耦合到所述过程分析感测单元(24)，以感测所述电特性，并基于所感测到的特性来提供分析信号。能够在小至0.5毫安上操作所述微控制器(22)，且所述微控制器(22)包括能够在所述微控制器(22)在小至0.5毫安上操作时能够被写入的电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)(54)。
文档编号G06F1/32GK102362173SQ201080013182
公开日2012年2月22日 申请日期2010年10月27日 优先权日2009年10月27日
发明者卡林·乔巴努, 日扎德·瑞兹瓦尼, 杰弗里·卢密保 申请人:罗斯蒙德分析公司