信号传输电路、现场仪器以及车间控制系统的制作方法

本发明涉及信号传输电路、现场仪器以及车间控制系统。

本申请针对2016年8月8日申请的日本专利申请第2016-155425号主张优先权，并在这里引用其内容。

背景技术：

在车间或工厂等中构建有过程控制系统，实现了高级的自动化作业。在过程控制系统中，现场仪器(测定器、操作器)和执行现场仪器的控制的控制装置彼此连接。在这样的过程控制系统中，上述的现场仪器和控制装置通过进行例如“4～20ma”信号等模拟信号的传输的模拟传输线路而连接，或者经由被称为现场总线的进行数字信号的传输的通信总线而连接。

现场仪器有时设置于诸如使用可燃性的气体的场所等危险场所，因此大多构成为满足本质安全防爆标准。例如，在与上述的现场总线连接的现场仪器中，在进行信号的传输的信号传输电路中设置有光耦合器、变压器等绝缘电路。绝缘电路使在现场仪器的内部设置的电路(例如，进行过程量的运算的运算电路)与外部(传输线路、通信总线等)电绝缘。

在日本特开2013-222978号公报、日本特开2011-124331号公报、以及国际公开第2010/061511号中，公开了经由绝缘电路传输脉冲信号的现有的信号传输电路的一个例子。例如，在日本特开2013-222978号公报中，公开了具有脉冲变压器的脉冲信号输出电路、或者具有光耦合器的脉冲信号输出电路。在日本特开2011-124331号公报以及国际公开第2010/061511号中，公开了具有光耦合器的信号传输电路或者信号传输装置。

然而，在上述的光耦合器中，有时上升信号(从“l(低)”电平向“h(高)”电平变化的信号)的传输延迟时间(下面，称为“上升延迟时间”)与下降信号(从“h”电平向“l”电平变化的信号)的传输延迟时间(下面，称为“下降延迟时间”)之间产生差异。上升信号是从“l(低)”电平向“h(高)”电平变化的信号，下降信号是从“h”电平向“l”电平变化的信号。在使光耦合器发光的发光部电路、对光耦合器的输出信号进行处理的受光部电路中，同样地，上升延迟时间与下降延迟时间之间有时也会产生差异。在这种光耦合器被用作绝缘电路的情况下(这种发光部电路及受光部电路进一步被用作绝缘电路的周边电路的情况下)，有时信号的脉冲宽度发生变化。

图6是用于说明在向绝缘电路输入信号时信号的脉冲宽度进行变化的情形的图。在图6中，例如，将绝缘电路的上升延迟时间设为t，将下降延迟时间设为2t。如果对这种绝缘电路输入图6所示的脉冲信号s100，则脉冲信号s100有时会变化为图6所示的脉冲信号s200。即，以“h”电平的期间的长度4t、“l”电平的期间的长度4t、以及“h”电平的期间的长度4t的方式相连续的脉冲信号s100有时会变化为以“h”电平的期间的长度5t、“l”电平的期间的长度3t、以及“h”电平的期间的长度5t的方式相连续的脉冲信号s200。图6所示的例子是用于说明信号的脉冲宽度进行变化的情形的极端的例子。

为了防止这样的脉冲宽度的变化，可以想到采用对于传输率而言充分高速的光耦合器即可。然而，由于这种高速的光耦合器是高价的，因此信号传输电路的成本会上升。另外，这种高速的光耦合器大多耐电压低，因此有时电路设计会变得困难。

技术实现要素：

一种信号传输电路，其具有：第1光耦合器，其被输入发送信号；边沿检测电路，其设置于所述第1光耦合器的初级侧，对所述发送信号的上升沿及下降沿进行检测；以及边沿解调电路，其设置于所述第1光耦合器的次级侧，仅使用从所述边沿检测电路输出而经由所述第1光耦合器的边沿检测信号的上升沿及下降沿中的某一者，对所述发送信号进行解调。

参照附图，并通过在下面所述的实施方式的详细的说明，本发明的更进一步的特征以及方式会变得清楚。

附图说明

图1是表示具有本发明的一个实施方式涉及的信号传输电路的现场仪器的要部结构的框图。

图2是表示在本发明的一个实施方式涉及的信号传输电路中设置的边沿检测电路的结构例的框图。

图3是表示本发明的一个实施方式涉及的信号传输电路中的信号波形的一个例子的图。

图4是表示本发明的一个实施方式涉及的信号传输电路中的信号波形的一个例子的图。

图5是表示本发明的一个实施方式涉及的信号传输电路中的信号波形的一个例子的图。

图6是用于说明在向绝缘电路输入前后，信号的脉冲宽度进行变化的情形的图。

图7是表示本发明的其他实施方式涉及的边沿解调电路及初始值设定电路的图。

具体实施方式

参照优选的实施方式对本发明的实施方式进行说明。本领域技术人员能够利用本发明的例示而实现本实施方式的众多的替代方法，本发明不限定于此处所要说明的优选的本实施方式。

本发明的一个方式提供一种能够防止经由绝缘电路的信号的脉冲宽度的变化而不导致成本上升的信号传输电路、现场仪器、以及车间控制系统。

下面，参照附图对本发明的一个实施方式涉及的信号传输电路进行详细说明。图1是表示具有本发明的一个实施方式涉及的信号传输电路的现场仪器的要部结构的框图。如图1所示，车间控制系统具有现场仪器1和控制器cnt。现场仪器1具有运算电路10及信号传输电路20。现场仪器1设置于车间、工厂等(下面，在将它们统称的情况下，简称为“车间”)，经由现场总线fb而将作为数字信号的总线信号sb发送至控制器cnt。

在本实施方式中，为了易于理解，对现场仪器1为流量计的例子进行说明。上述的控制器cnt基于从现场仪器1经由现场总线fb发送来的总线信号sb，执行各种过程控制。例如，控制器cnt基于从现场仪器1发送来的总线信号sb，执行在车间设置的未图示的阀的开度控制。上述现场总线fb为例如在车间架设的有线的通信总线。

运算电路10基于从在现场仪器1设置的未图示的流量传感器输出的信号，执行对表示测定对象即流体的流量(状态量)的过程值进行求取的运算。运算电路10将表示该过程值的发送信号s1(应该传输的信号即数字信号)输出至信号传输电路20。另外，运算电路10将用于执行从现场仪器1输出的数字信号(经由现场总线fb传输至控制器cnt的总线信号sb)的输出控制的使能信号s2输出至信号传输电路20。该使能信号s2与发送信号s1同步。如图3所示，使能信号s2在输出发送信号s1的期间(通信帧fm内)成为“h”电平，在不输出发送信号s1的期间(通信帧fm外)成为“l”电平(参照图3)。运算电路10是利用例如cpu(中央处理装置)而实现的。信号传输电路20也可以构成为在下述情况下进行动作，即，使能信号s2是在输出发送信号s1的期间成为“l”电平、在不输出发送信号s1的期间成为“h”电平的信号。

信号传输电路20具有：边沿检测电路21、发光部电路22a(第1发光部电路)、发光部电路22b(第2发光部电路)、光耦合器23a(第1光耦合器)、光耦合器23b(第2光耦合器)、受光部电路24a(第1受光部电路)、受光部电路24b(第2受光部电路)、边沿解调电路25、输出控制电路26、以及初始值设定电路27。这种信号传输电路20构成为满足本质安全防爆标准，基于从运算电路10输出的发送信号s1及使能信号s2而进行总线信号sb的传输。

边沿检测电路21对从运算电路10输出的发送信号s1的上升沿及下降沿进行检测，将表示该检测结果的边沿检测信号s11输出至发光部电路22a。该边沿检测电路21设置于光耦合器23a的初级侧。即，边沿检测电路21设置于在光耦合器23a设置的未图示的发光元件(发光二极管)及受光元件(光电晶体管或者光电二极管)之中的发光元件被设置侧。

图2是表示在本发明的一个实施方式涉及的信号传输电路中设置的边沿检测电路的结构例的框图。如图2所示，边沿检测电路21具有延迟电路31以及异或门电路(exor电路)32(运算电路)。延迟电路31使从运算电路10输出的发送信号s1延迟预先规定的时间(例如，发送信号s1的脉冲宽度的1/10左右的时间)。异或门电路32对从运算电路10输出的发送信号s1与从延迟电路31输出的信号的异或值进行运算，将该运算结果作为边沿检测信号s11而输出至发光部电路22a。

发光部电路22a设置于边沿检测电路21与光耦合器23a之间，基于从边沿检测电路21输出的边沿检测信号s11，使在光耦合器23a设置的未图示的发光元件进行发光。发光部电路22a是具有为了使在光耦合器23a设置的未图示的发光元件适当地发光而对流过发光元件的电流进行调整的电阻等电路。

光耦合器23a具有上述的未图示的发光元件及受光元件。光耦合器23a是使初级侧(设置有发光元件侧)与次级侧(设置有受光元件侧)电绝缘的绝缘电路。受光部电路24a设置于光耦合器23a的次级侧。受光部电路24a对从光耦合器23a输出的输出信号(受光信号)进行处理而将边沿检测信号s12输出至边沿解调电路25。受光部电路24a具有例如电阻及逻辑电路等，进行例如光耦合器23a的输出信号的波形整形等处理。

边沿解调电路25设置于受光部电路24a与输出控制电路26之间。边沿解调电路25基于从受光部电路24a输出的边沿检测信号s12，进行应该传输的信号即发送信号s1的解调。边沿解调电路25将解调出的信号作为发送信号s13而输出至输出控制电路26。具体地说，边沿解调电路25仅使用从受光部电路24a输出的边沿检测信号s12的上升沿和下降沿中的某一者进行解调，将解调出的信号作为发送信号s13而输出至输出控制电路26。在本实施方式中，说明边沿解调电路25使用上升沿进行解调、将解调出的信号作为发送信号s13而输出至输出控制电路26的例子。

该边沿解调电路25能够通过例如带有重置功能的边沿触发型d触发器而实现。在采用这种边沿解调电路25的情况下，如果进行重置的定时不适当，则会作为解调出的信号而输出逻辑反转的发送信号s13。为了避免该情况，在本实施方式中，使用从初始值设定电路27输出的重置信号s22(详情后述)进行边沿解调电路25的重置(初始值设定)。

输出控制电路26与现场总线fb连接。输出控制电路26基于从受光部电路24b输出的使能信号s21(详情后述)，进行总线信号sb的输出控制。具体地说，输出控制电路26在使能信号s21为“h”电平的情况下输出基于发送信号s13的总线信号sb，在使能信号s21为“l”电平的情况下不进行总线信号sb的输出。输出控制电路26进行上述这样的控制，是为了防止由于在通信总线外产生的噪声的不良影响而造成的总线信号sb的误发送的情况。

发光部电路22b是与发光部电路22a相同的电路，设置于光耦合器23b的初级侧。发光部电路22b基于从运算电路10输出的使能信号s2，使在光耦合器23b设置的未图示的发光元件进行发光。光耦合器23b与光耦合器23a相同地，具有未图示的发光元件(发光二极管)及受光元件(光电晶体管或者光电二极管)。光耦合器23bb是使初级侧(设置有发光元件侧)与次级侧(设置有受光元件侧)电绝缘的绝缘电路。受光部电路24b是与受光部电路24a相同的电路，设置于光耦合器23b的次级侧。受光部电路24b对光耦合器23b的输出信号进行处理，将使能信号s21输出至输出控制电路26及初始值设定电路27。

初始值设定电路27基于从受光部电路24b输出的使能信号s21，将用于对边沿解调电路25进行重置的重置信号s22输出至边沿解调电路25。具体地说，重置信号s22与使能信号s21同步，在使能信号s21的上升的定时成为规定期间的“h”电平，除此以外为“l”电平。

如图1所示，现场仪器1由光耦合器23a、23b划分为电绝缘的区域r1和区域r2。区域r1是例如商用电源的电压的使用被容许的区域。在区域r1中，配置运算电路10、以及信号传输电路20的边沿检测电路21及发光部电路22a、22b。与之相对地，区域r2是例如所容许的电压被限制为小于或等于由本质安全防爆标准规定的电压的区域。在区域r2中，配置信号传输电路20的受光部电路24a、24b、边沿解调电路25、输出控制电路26、以及初始值设定电路27。

下面，对上述结构中的现场仪器1的动作进行说明。图3～图5是表示本发明的一个实施方式涉及的信号传输电路中的信号波形的一个例子的图。下面，为了易于理解，说明在现场仪器1中以预先规定的固定的时间间隔而执行对测定对象即流体的流量进行测定的处理的例子。因此，在现场仪器1设置的运算电路10以固定的时间间隔对表示测定对象即流体的流量的过程值进行计算。由此，运算电路10如图3所示，以固定的时间间隔(通信帧fm的发送间隔)将表示过程值的发送信号s1及使能信号s2进行输出。

从运算电路10输出的发送信号s1输入至信号传输电路20的边沿检测电路21。边沿检测电路21对从运算电路10输入的发送信号s1的上升沿及下降沿进行检测。由此，边沿检测电路21如图4所示，将在发送信号s1的上升沿及下降沿成为“h”电平的边沿检测信号s11输出至发光部电路22a。在这里，从运算电路10输出的发送信号s1如图4所示，设为以“h”电平的期间的长度4t、“l”电平的期间的长度4t、以及“h”电平的期间的长度4t的方式相连续的脉冲信号。在该情况下，从边沿检测电路21输出的边沿检测信号s11如图4所示，成为每隔时间4t具有规定期间的“h”电平的脉冲信号。

如果从边沿检测电路21输出的边沿检测信号s11输入至发光部电路22a，则与该边沿检测信号s11相对应地，在光耦合器23a设置的未图示的发光元件进行发光。从在光耦合器23a设置的未图示的发光元件发出的光由在光耦合器23a设置的未图示的受光元件进行受光，光耦合器23a输出受光信号。从光耦合器23a输出的受光信号输入至受光部电路24a。受光部电路24a对从光耦合器23a输入的受光信号进行处理，向边沿解调电路25输出图4所示的边沿检测信号s12。

在图4所示的例子中，假设作为绝缘电路的光耦合器23a的上升延迟时间为t，下降延迟时间为2t。光耦合器23b也是同样地，假设上升延迟时间为t，下降延迟时间为2t。为了简化说明，假设发光部电路22a、22b以及受光部电路24a、24b未产生延迟。由于这样的延迟时间，如图4所示，边沿检测信号s12的上升沿的时间位置相对于边沿检测信号s11的上升沿的时间位置延迟了时间t，边沿检测信号s12的下降沿的时间位置相对于边沿检测信号s11的下降沿的时间位置延迟了时间2t。

另一方面，从运算电路10输出的使能信号s2输入至信号传输电路20的发光部电路22b，与该使能信号s2相对应地，在光耦合器23b设置的未图示的发光元件进行发光。从在光耦合器23b设置的未图示的发光元件发出的光由在光耦合器23b设置的未图示的受光元件进行受光，光耦合器23b输出受光信号。从光耦合器23b输出的受光信号输入至受光部电路24b。受光部电路24b对从光耦合器23b输入的受光信号进行处理，如图3所示，向输出控制电路26及初始值设定电路27输出使能信号s21。

如上所述，光耦合器23b的上升延迟时间为t。因此，使能信号s21如图5所示，上升沿的时间位置相对于使能信号s2的上升沿的时间位置延迟了时间t。图5是将图3的一部分(通信帧fm的先头部分)放大后的图。

如果使能信号s21输入至初始值设定电路27，则初始值设定电路27向边沿解调电路25输出图3及图5所示的重置信号s22。该重置信号s22与使能信号s21同步，在使能信号s21的上升的定时成为规定期间的“h”电平，除此以外为“l”电平。如果这种重置信号s22输入至边沿解调电路25，则基于重置信号s22，边沿解调电路25被重置。

如上所述，还向边沿解调电路25输入从受光部电路24a输出的边沿检测信号s12。边沿解调电路25如图4所示，仅使用从受光部电路24a输出的边沿检测信号s12的上升沿进行解调，将解调出的信号作为发送信号s13而输出至输出控制电路26。即，发送信号s13成为在边沿检测信号s12的每个上升沿处信号的电平都进行变化的信号。由此，解调出的发送信号s13如图4所示，成为以“h”电平的期间的长度4t、“l”电平的期间的长度4t、以及“h”电平的期间的长度4t的方式相连续的脉冲信号。即，发送信号s13与发送信号s1相同地成为脉冲信号。

由边沿解调电路25解调出的发送信号s13输入至输出控制电路26。输出控制电路26在从受光部电路24b输出的使能信号s21为“h”电平的情况下，将发送信号s13作为总线信号sb而进行输出。从输出控制电路26输出的总线信号sb经由现场总线fb而发送至控制器cnt。在从受光部电路24b输出的使能信号s21为“l”电平的情况下，输出控制电路26不输出总线信号sb。

如上所述，在本实施方式中，边沿检测电路21设置于光耦合器23a的初级侧，对发送信号s1的上升沿及下降沿进行检测。边沿解调电路25设置于光耦合器23a的次级侧，仅使用从边沿检测电路21输出而经由光耦合器23a的边沿检测信号s12的上升沿及下降沿中的某一者进行解调而生成发送信号s13。由此，能够防止经由作为绝缘电路的光耦合器23a的信号的脉冲宽度的变化，而不导致成本的上升。

(其他实施方式)

图7是表示本发明的其他实施方式涉及的边沿解调电路及初始值设定电路的详细结构的图。如图7所示，初始值设定电路27具有not电路271、延迟电路272、以及and电路273。如果使能信号s21从受光部电路24b输入至初始值设定电路27，则not电路271对使能信号s21的“l”电平和“h”电平进行反转。延迟电路272使从not电路271输入的信号延迟。and电路273在从受光部电路24b输出的使能信号s21以及从延迟电路272输出的信号两者都为“h”电平的情况下，将“h”电平的重置信号s22输出至边沿解调电路25。

边沿解调电路25具有not电路251和d触发器252。not电路251对从初始值设定电路27输出的重置信号s22的“l”电平和“h”电平进行反转。从not电路251输出的信号输入至d触发器252的端子。与输入至端子的信号相对应地，从q端子输出的发送信号s13的电平被重置。另一方面，向端子输入从受光部电路24b输出的使能信号s21。d端子和端子彼此连接。因此，例如，在从q端子输出的发送信号s13为“h”电平的情况下，输入至d端子的信号成为“l”电平。在clk端子，从受光部电路24a输入边沿检测信号s12。每当在clk端子输入边沿检测信号s12的上升沿时，从q端子输出的发送信号s13的电平进行切换。因此，例如，如果边沿检测信号s12的第1个上升沿输入至clk端子，则发送信号s13成为“h”电平，如果边沿检测信号s12的第2个上升沿输入至clk端子，则发送信号s13成为“l”电平。这样，每当在clk端子输入边沿检测信号s12的上升沿，从q端子输出的发送信号s13的电平进行切换。

如上所述，通过在边沿解调电路25设置d触发器252，能够利用简单的结构对边沿检测信号进行解调。此外，图7仅为一个例子，边沿解调电路25及初始值设定电路27并不限于图7所示的结构。

以上，对本发明的一个实施方式涉及的信号传输电路进行了说明，但本发明并不限制于上述实施方式，在本发明的范围内能够自由地进行变更。例如，在上述的实施方式中说明的信号传输电路20经由现场总线fb将数字信号发送至外部的控制器cnt，但不限于此。例如，信号传输电路20也可以为对经由现场总线fb从外部的控制器cnt发送来的数字信号进行接收的电路。或者，信号传输电路20也可以为经由现场总线fb而与外部的控制器cnt之间进行数字信号的收发的电路。即，信号传输电路20能够经由光耦合器传输信号即可。

例如，通过将图1所示的信号传输电路20按照下面的(1)～(3)所示地进行变更，能够对经由现场总线fb发送来的数字信号进行接收。

(1)将信号传输电路20的输入和输出进行颠倒。

(2)在边沿检测电路21的前段设置接收电路(对经由现场总线fb发送来的数字信号进行接收的电路)。

(3)省略发光部电路22b、光耦合器23b、受光部电路24b、输出控制电路26、以及初始值设定电路27。

在这种结构的信号传输电路20中，经由现场总线fb发送来的数字信号由接收电路进行接收，从接收电路输出与图1中的发送信号s1相当的信号。从接收电路输出的信号通过由边沿检测电路21、发光部电路22a、光耦合器23a、受光部电路24a、以及边沿解调电路25构成的电路进行解调，并作为与图1中的发送信号s13相当的信号而进行输出。

在上述实施方式中，经由与现场仪器1连接的外部的现场总线fb而发送信号，但不限于此。例如，本发明也能够用于对在仪器的内部(例如，现场仪器1的内部)使用的信号进行收发的用途。

在上述的实施方式中，现场仪器1为流量计，但不限于此。例如，现场仪器1也可以为温度传感器等传感器仪器、流量控制阀或开闭阀等阀仪器、风扇或电动机等致动器仪器、对车间内的状况或对象物进行拍摄的照相机或录像机等拍摄仪器、收集车间内的异响等的麦克风或者发出警报声等的扬声器等音响仪器、输出各仪器的位置信息的位置检测仪器、以及其他仪器。

在上述的实施方式中说明的信号传输电路20设为，经由在车间的现场铺设的有线的通信总线即现场总线fb而将数字信号发送至控制器cnt，但不限于此。例如，信号传输电路20也可以进行依照isa100.11a、wirelesshart(注册商标)等工业用无线通信标准的无线通信，与控制器cnt进行通信。

车间为石油精制车间、气体制造供给车间、化学、药品等的制造车间、气田或油田等钻井的采掘控制及其输送管线控制等的车间、水力、火力、核能等或太阳光、风力等的发电厂、给排水等的监视控制车间等。

在本说明书中表示“前、后、上、下、右、左、垂直、水平、下、横、行以及列”等方向的词语，提及了本发明的装置中的这些方向。因此，本发明的说明书中的这些词语在本发明的装置中应该进行相对地解释。

“构成”这个词语为了执行本发明的功能而被构成、或者为了表示装置的结构、要素、部分而被使用。

并且，在权利要求书中，作为“方法加功能”而表达表现的词语，是指应该包含为了执行本发明所包含的功能而能够利用的、应该包含所有构造在内的词语。

“单元”这个词被用于表示结构要素、单元、硬件、或表示为了执行希望的功能而编程后的软件的一部分。硬件的典型例是设备、电路，但不限于此。

以上，对本发明的优选实施例进行了说明，但本发明不限定于这些实施例。在不脱离于本发明的宗旨的范围内，能够进行结构的添加、省略、置换、以及其他变更。本发明不被所述的说明所限定，只被添附的权利要求书所限定。