光耦合器传送系统及信号传送控制方法与流程

光耦合器传送系统及信号传送控制方法本申请是于2011年1月28日进入中国国家阶段的申请号为200880130611.0且发明名称为“数据转换系统及方法”的中国发明专利申请的分案申请。技术领域本发明涉及数据转换（translation）系统及方法，并且尤其涉及用于执行非线性数据转换的数据转换系统及方法。

背景技术：
光耦合器是一种采用光（light）将信号从第一设备传达到第二设备的设备。从而光耦合器能够用来提供例如特定组件或电路之间的电气隔离。有利地是电气隔离能够用来防止组件或电路汲取（drwaing）过多的电流。电气隔离能够进一步用于防止设备中的短路或其它问题影响其它设备。因此，光耦合器经常被用于隔离电气设备和/或电路。在设备位于易爆炸或危险环境中的情况下采用一种隔离应用。光耦合器可以被用来确保设备不会并且不能汲取过多的电流，并且因此避免产生电火花或导致起火。光耦合器具有缺点。光耦合器的切换（switching）速度相对较慢。结果，光耦合器具有有限的信令（signaling）带宽。此外，光耦合器是一种无源设备，并且不执行任何信号传送控制或调节。

技术实现要素：
在本发明的一个方面中，一种用于对数字化AC信号执行非线性数据转换的数据转换系统包括：输入端，其用于接收数字化AC信号；输出端，其用于输出经非线性转换的信号；以及处理系统，其耦合到所述输入端和输出端并且被配置为接收该数字化AC信号，采用预定的传递函数（transferfunction）对该数字化AC信号进行非线性转换以生成经非线性转换的信号，以及将该经非线性转换的信号传递到输出端。优选地，该预定的传递函数生成关于预定参考点的经非线性转换的信号。优选地，该预定的传递函数被配置为可替换地压缩或放大数字化AC信号的数字值。优选地，该预定的传递函数被配置为相对于距预定参考点的距离可替换地压缩或放大数字化AC信号的数字值。优选地，该非线性数据转换实际上将相位信息保存在经非线性转换的信号中。优选地，该非线性数据转换将零交叉（zero-crossing）信息保存在经非线性转换的信号中。优选地，该非线性数据转换实际上减小了经非线性转换的信号的信号带宽。在本发明的一个方面中，一种用于数字化AC信号的数据转换方法包括：接收数字化AC信号；采用预定的传递函数对数字化AC信号进行非线性转换以生成经非线性转换的信号；以及传递该经非线性转换的信号。优选地，该预定的传递函数生成关于预定参考点的经非线性转换的信号。优选地，该预定的传递函数被配置为可替换地压缩或放大数字化AC信号的数字值。优选地，该预定的传递函数被配置为相对于距预定参考点的距离可替换地压缩或放大数字化AC信号的数字值。优选地，该非线性数据转换实际上将相位信息保存在经非线性转换的信号中。优选地，该非线性数据转换将零交叉信息保存在经非线性转换的信号中。优选地，该非线性数据转换实际上减小了经非线性转换的信号的信号带宽。在本发明的一个方面中，一种用于控制经过光耦合器传送介质的信号传送的光耦合器传送系统包括：光耦合器；以及控制器，其耦合于该光耦合器并且被配置为接收来自于第一设备的传送尝试，确定第二设备是否已经在经过光耦合器进行传送，确定接收传送尝试是否处于上电（power-up）发生之后的死区时段（deadbandperiod）之外，以及如果第二设备没有在进行传送并且如果死区时段已经过去，则经过光耦合器从第一设备传送。优选地，该控制器被进一步配置为，如果第二设备已经在进行传送，则推迟（holdoff）第一设备经过光耦合器进行传送，直到第二设备已经完成传送为止。优选地，该控制器被配置为，如果传送尝试处于死区时段内，则推迟第一设备经过光耦合器进行传送，直到死区时段已经过去为止。优选地，光耦合器传送系统包括至少两个经过光耦合器进行通信的设备。优选地，光耦合器传送系统实施主从（master-slave）通信方案。在本发明的一个方面中，一种用于控制经过光耦合器传送介质的信号传送的传送控制方法包括：接收来自于第一设备的传送尝试；确定第二设备是否已经在经过光耦合器传送介质进行传送；确定接收传送尝试是否处于上电发生之后的死区时段之外；以及如果第二设备没有在进行传送并且如果死区时段已经过去，则经过光耦合器传送介质从第一设备进行传送。优选地，该方法进一步包括，如果第二设备已经在进行传送，则推迟第一设备经过光耦合器传送介质进行传送，直到第二设备已经完成传送为止。优选地，该方法进一步包括如果传送尝试处于死区时段内，则推迟第一设备经过光耦合器传送介质进行传送，直到死区时段已经过去为止。优选地，光耦合器传送介质包括至少两个经过光耦合器传送介质进行通信的设备。优选地，该方法实施主从通信方案。附图说明在所有附图中，同样的附图标记表示同样的元件。应当理解，附图不必按比例绘制。图1示出了根据本发明实施例的总线回路（loop）系统。图2示出了根据本发明实施例的信号处理器的隔离特征的更多细节。图3示出了根据本发明实施例的对数字化AC信号执行数据转换的转换系统。图4示出了根据本发明实施例的传递函数。图5示出了转换系统的输入端处的AC信号。图6示出了根据本发明的非线性数据转换之后的数字化AC信号。图7是根据本发明实施例的用于数字化AC信号的数据转换方法的流程图。图8示出了现有技术中的光耦合器通信系统，其经过光耦合器传送介质在设备A和设备B之间执行双工通信。图9示出了根据本发明实施例的光耦合器通信系统。图10示出了根据本发明实施例的光耦合器通信系统的更多细节。图11是根据本发明实施例的用于控制经过光耦合器传送介质的信号传送的传送控制方法的流程图。具体实施方式图1－11以及下面的描述描绘了特定实例，以教导本领域技术人员如何实现并使用本发明的最佳模式。为了讲述发明的原理，一些常规的方面已被简化或忽略。本领域技术人员将会认识到落入本发明的范围内的这些实例的变化。本领域技术人员将会认识到下面所描述的特征能够以不同的方式进行结合，以形成本发明的多种变化。总之，本发明并不限于下面描述的特定实例，而仅由权利要求及其等同物限制。图1示出了根据本发明实施例的总线回路系统100。总线回路100包括主机系统1、总线回路4、总线仪器（instrument）10，以及将总线仪器10耦合到总线回路4的信号处理器30。主机系统1在总线回路4上产生回路电压VL以及回路电流IL。主机系统1可以包括中央控制单元、CPU、或者用来处理通过总线回路4接收到的信号的一些其它处理系统。根据本发明的一个实施例，总线回路4包括双线式总线回路4。然而，应当理解的是，总线回路4并非一定要包括双线式总线回路。总线仪器10可以包括任意形式的传感器或测量器（meter），例如流量计。在总线仪器10包括流量计的实施例中，所述流量计可以包括振动流量计，例如科氏流量计（Coriolisflowmeter）或者密度计（densitometer）。如图1中所示，总线仪器10包括传感器13以及总线仪器电子器件（electronics）20。该总线仪器电子器件20可以包括任意形式的CPU、处理系统或微处理系统。根据本发明的实施例，传感器13被配置为产生第一模拟信号并将所述第一模拟信号输入到总线仪器电子器件20。总线仪器电子器件20能够产生第二模拟信号，其以可变回路电流IL的形式在总线回路4中流动。当采用双线式总线4时，总线仪器10能够被配置为汲取预定或有限的功率量。因为测量通信协议以及总线回路系统100固有（builtinto）的功率限制，可以采用信号处理器30将总线仪器10与双线式总线回路4隔离。在一些实施例中，信号处理器30可以包括本质安全（IntrinsicallySafe,I.S.）屏障（虚线）。所述隔离限制了总线仪器10能够从双线式总线回路4及主机系统1汲取的电功率。当总线仪器10发生灾难性故障时，所述隔离防止对双线式总线回路4及主机系统1造成损害。另外，所述隔离限制了电功率传送经过I.S.屏障，以消除爆炸危险并且防止总线仪器10的环境中的任意易爆或可燃材料的起火。图2示出了根据本发明实施例的信号处理器30的隔离特征的更多细节。信号处理器被示为从总线仪器10接收第一模拟信号。然而，应当理解的是，第一模拟信号并不必须要源自总线仪器10，相反，信号处理器30可以被用在需要进行模拟信号处理的其它环境中。通过导线220从总线仪器10接收的模拟信号被模拟到数字转换器240接收，在所述模拟到数字转换器240中信号被数字化。根据本发明的一个实施例，模拟到数字转换器240包括德尔塔－西格马转换器（deltasigmaconverter），其将模拟信号转换为串行比特流。然而，应当理解的是，可以采用其它模拟到数字转换器，并且所采用的特定模拟到数字转换器并不应当限制本发明的范围。根据本发明的实施例，信号处理器30包括光耦合器115，其连接在双线式总线回路4和模拟到数字转换器240之间。光耦合器115也可以被称作光绝缘体、光学耦合器或者光电耦合器。光耦合器115将总线仪器10与主机系统1电气隔离。从而，总线仪器10不会使双线式总线回路4短路。此外，总线仪器10的灾难性故障不会从主机系统1汲取过多的电流。光耦合器115包括发射机光源112和接收机光源123。发射机和接收机光源122、123可以包括任意形式的光反应（lightreactive）电子组件，包括激光发射机和接收机光源、LED发射机和接收机光源、LED激光发射机和接收机光源等等。发射机光源122和接收机光源123通常彼此邻近形成，其中发射机光源122产生的光被接收机光源123直接接收。在其它实施例中，发射机光源122和接收机光源123例如被诸如光纤电缆之类的一些光学设备分开。在一些实施例中，这两个组件被形成在如图2中所示的单个封装中。然而，应当理解的是，在其它的实施例中，发射机光源122和接收机光源123可以包括分离的组件。发射机光源122产生光编码信号，其包括电流到发射光的转换。接收机光源123接收所述光编码信号，并将接收到的光转换回为电信号，所述电信号实质上等同于发射机光源122处的原始电信号。光耦合器115由此非常适合于传送数字信号。在图2所示出的实施例中，总线仪器10产生第一模拟信号，所述第一模拟信号被发送到模拟到数字转换器240。模拟到数字转换器240输出数字信号。所述数字信号被发射机光源122接收并且被发送到接收机光源123。然后接收机光源123可以将所接收到的信号传送到信号调节器250。信号调节器250能够处理数字信号（其例如可以处于串行比特流的形式），并将数字信号转换为成比例的脉冲宽度调制（PWM）信号。然后，PWM信号可以被转换为第二模拟信号并输出到总线回路4。图3示出了根据本发明实施例对数字化AC信号执行非线性数据转换的转换系统100。转换系统100包括一个或多个输入端101以及一个或多个输出端102。转换系统100在输入端101接收数字化AC信号，并在输出端102输出经转换的信号。所述经转换的信号能够被转换为更有效且可用于通过传送介质进行传送（例如经过光耦合器115进行传送）的形式。然而，可以预期其它的传送介质，并且其也处于权利要求和说明书的范围内。转换系统100被配置为接收数字化AC信号，采用预定的传递函数对该数字化AC信号进行非线性转换以生成经转换的信号部分，并且传递经转换的信号部分。转换系统100能够相对于预定参考点来转换数字化AC信号。转换系统100能够相对于距预定参考点的距离（例如距参考点的垂直距离（即电位差（voltage）））来转换数字化AC信号。转换系统100可以包括任意形式的系统，包括信号处理器30或其它屏障（barrier）设备的部分、模拟到数字（A/D）转换器、处理器或微处理器、预处理器等。可替换地，在一些实施例中，转换系统100可以包括总线仪器10的一部分或子系统。转换系统100可以包括处理系统104和存储器（storage）（未示出）。处理系统104可以包括转换例程110、数字化AC信号存储器111（或者用于至少一部分数字化AC信号（例如信号部分）的存储器），以及预定的传递函数112。该预定的传递函数112被用来处理数字化AC信号或其信号部分，并执行信号部分的非线性转换（参见下面的论述）。图4示出了根据本发明实施例的传递函数。该传递函数是非线性的，包括压缩及放大二者。这在附图上的图例（legends）中示出。此外，在一些实施例中，压缩和放大也可以是非线性的。所述传递函数例如通过调整特定值或区域而对数字化AC信号进行修改，但是并不改变输入波形的整体形状。传递函数可以包括转换数字化AC信号的数学函数。可替换地，传递函数可以包括与数字化AC信号相乘的一系列系数，实质上是数字滤波器。对数字化AC信号进行转换以便改善数字化AC信号的传递并且以便改善传递的效率。数据转换通过限制带宽而增强传送。数据转换保留了相位信息，并且有利地在减小带宽的同时保留了相位信息。数据转换通过压缩数字化AC信号和放大数字化AC信号二者实现了这一点。在一些实施例中，数字化可以包括施加到诸如模拟测量信号之类的随时间变化的AC信号上数字通信协议。例如，HART数字通信协议可以被添加到模拟电压或模拟电流信号上。在某些实施例中，HART协议可以采用连续相位频移键控（CP-FSK）调制。然而，应当理解的是，可以预期其他的通信协议和调制，并且其也处于权利要求和说明书的范围内。传递函数对处于参考点的特定距离内的输入值执行放大。一个参考点可以是AC信号零交叉点，即使在此处零交叉点已经移位到零电压水平之上或之下。然而，可以预期其它参考点并且其也处于权利要求和说明书的范围内。所述放大可以实现预定的增益。所述放大可以基本上是线性的或者可以是非线性的。在一些实施例中，增益可以随着距参考点的距离的变化而变化。参考点附近的放大保存了零交叉信息。参考点附近的放大可以使得零交叉辨别更加容易。相反地，传递函数对距诸如之前所讨论的零交叉点之类的参考点的距离超过预定距离的信号部分执行压缩。所述压缩可以是基本线性的或者可以是非线性的。所述压缩可以实现预定的压缩。在一些实施例中，压缩可以随着距参考点的距离的变化而变化。图5示出了转换系统100的输入端处的AC信号。所述AC信号包括随时间变化的信号，其包括幅度和周期（period）。所述AC信号可以是已经数字化的，或者可替换地在一些实施例中可以在转换之前被转换系统100数字化。图6示出了根据本发明在非线性数据转换之后的数字化AC信号。从该图可以看出，所述AC信号的整体峰值到峰值的幅度已经被显著减小和压缩，但是没有改变波形形状。在该示例中，原始的AC信号已经从大约250的原始幅度压缩到大约30的幅度。然而，同时参考点附近的幅度已经被放大，所述参考点在这里是零交叉点（即使幅度不是零）。与其中数字值在垂直方向上分开大约一个单位的压缩区域相比，在参考点附近的放大区域中，数字值分开大约3个单位。这样做使得数字化AC信号中的参考点不会例如在参考点附近的信号区域已经被压缩的情况下变得更紧密地在一起且更难以辨别。经压缩的数字值可能难以确定，尤其在存在添加于数字值上的噪音的情况下。作为压缩的结果，最终的结果是远离参考点（例如接近峰值）的数字值就垂直距离来说相对更接近。相反的，参考点附近的数字值通过放大而被垂直地移动分开。结果是参考点更易于被辨别，而整个AC信号需要更小的整体带宽。图7是根据本发明实施例的用于数字化AC信号的数据转换方法的流程图700。在步骤701中，数字化AC信号被接收。在步骤702中，数字化AC信号被非线性转换。通过采用传递函数，远离参考点的信号被压缩（即，大的数字值被压缩）。压缩可以是任意所要求的数量，并且可以采用任意所要求的压缩。运行该电压区域中的信号部分的压缩以减小数字化AC信号的带宽，并且使得经过光耦合器实现的数字化AC信号的传送更为有效。此外，通过采用传递函数，以预定的增益放大靠近参考点的信号（即，小的数字值被放大）。所述放大可以是任意所要求的增益量。放大保存了相位信息，其包括数字化AC信号的零交叉所提供的相位信息。此外，在数字化AC信号通过光耦合器之后，放大使得在数字化AC信号中零交叉点更易于辨别。在步骤703中，在信号部分被压缩/放大之后，经非线性转换的信号被传递到光耦合器以用于传送。在传送之后，可以根据所述经非线性转换的信号来确定相位信息，包括零交叉信息。此外，如果需要，可以在传送之后可选地对压缩和放大进行颠倒（reverse），例如通过使用镜像（即颠倒）传递函数。随后，该方法能够循环回到步骤701并且反复接收并处理信号部分。图8示出了现有技术中的光耦合器通信系统，其经过光耦合器传送介质在设备A和设备B之间执行双工通信。所述光耦合器传送介质包括光耦合器以及相关的导线或其他导体。包括两个单独的传送路径，从而可以执行双工通信（即，在两个方向上的通信）。在一些实施例中，通信包括半双工通信，其中每次只有一个设备可以传送。现有技术中的光耦合器通信系统存在缺陷。设备A和设备B二者可以同时尝试进行通信。半双工通信系统中的同时通信尝试将导致传送失败。此外，如果来自设备A的传送产生了返回到设备A的回波（echo），那么设备A可以把所接收到的回波误认为是来自设备B的合理（legitimate）传送。图9示出了根据本发明实施例的光耦合器通信系统900。该光耦合器通信系统900包括控制器920，其经过包括光耦合器115的传送介质来调节设备A905和设备B907之间的通信。在一些实施例中，光耦合器115执行设备之间的半双工（或单工）通信，其中每次只有一个设备可以传送。应当理解的是，控制器920可以位于光耦合器通信系统900中的任何地方，并且仅出于说明的目的而被示出在光耦合器115的右边。在一些实施例中，控制器920可以包括信号处理器30的组件。此外，在一些实施例中，控制器920可以包括设备A905或设备B907的组件，其中所述设备像主通信设备那样运行。同时，（一个或多个）其它设备作为（一个或多个）从通信设备运行。光耦合器通信系统900被配置为防止接收回波。可替换地或附加地，光耦合器通信系统900被配置为防止每次多于一个设备进行传送。在一些实施例中，光耦合器通信系统900被配置为接收来自第一设备A905的传送尝试，确定第二设备B907是否已经在经过光耦合器115进行传送，确定接收传送尝试是否处于上电发生后的死区时段之外，以及如果第二设备B907没有在进行传送并且如果死区时段已经过去，则经过光耦合器115从第一设备A905传送。图10示出了根据本发明实施例的光耦合器通信系统900的更多细节。在该实施例中，控制器920以及光耦合器115被组合到一个设备中。所组合的设备可以包括附加的性能以及附加的电路。控制器920可以包括由该控制器920切换的开关931和932，以便调节经过光耦合器115的传送。所述开关可以包括任意形式的开关。图11是根据本发明实施例的用于控制经过光耦合器传送介质的信号传送的传送控制方法的流程图1100。在步骤1101中，接收来自于诸如设备A之类的设备的传送尝试。应当理解的是，传送尝试可以来自于任何设备，但是为了清楚的目的，在该附图和实例中采用了设备A.。在步骤1102中，确定设备B是否已经在进行传送。如果设备B已经在进行传送，那么该方法进行到步骤1103。如果设备B还没有在进行传送，则该方法分支到步骤1105。在步骤1103中，其中设备B已经在进行传送，设备A被推迟进行传送。该推迟被进行直到设备B已完成传送为止。在步骤1104中，该方法推迟其他的传送尝试，直到来自于设备B的传送完成为止。在一些实施例中，传送可以包括从设备B到设备A的传送，但是可以预期其它设备并且其也处于说明书和权利要求的范围内。在步骤1105中，其中设备B还没有进行传送，该方法检查所述尝试是否处于死区之外。如果传送尝试并非处于死区之外，那么该方法循环返回到步骤1101，并且所有的传送都被推迟直到死区时段已经过去为止。如果作为代替所述传送尝试处于死区之外，则该方法进行到步骤1106。对于一些总线仪器而言，在上电阶段期间，这些仪器可以产生并放出测量或其它数据，其不在详细说明之内并且不应当被传送。为此，该方法可以在上电之后实施死区时段持续预定时间。在该死区时段期间接收的信号可以被判断为不可靠的并且可以被忽略。在死区已届满之后到达的信号被判断为可接受的。在步骤1106中，设备B被推迟传送。如果多于两个设备可以经过光耦合器传送介质进行传送，则这可以包括附加设备。在步骤1107中，设备A被允许传送。在步骤1108中，该方法检查设备A是否已经完成了传送。如果设备A没有完成传送，则该方法循环返回到步骤1106。如果（并且当）设备A完成了传送，则该方法循环回到步骤1101，并且等待其它的传送尝试。