专利名称：可远程配置的模拟/数字输入电路以及相关的装置和方法
技术领域：
本公开总体上涉及处理控制和监视系统以及其它系统。更具体地，本公开涉及可远程配置的模拟/数字输入电路以及相关的装置和方法。
背景技术：
处理监视和控制系统可以包括用来测量工业企业生产设备内的各种特征的无线传感器。耦合到这些无线传感器或者在这些无线传感器中使用的物理换能器可以具有若干电气特征类型中的任意类型，诸如高电平模拟输入(HLAI )、低电平模拟输入(LLAI)和数字 (0N/0FF,开/关)触点闭合输入。示例HLAI信号源包括0_20mA或4_20mA的电流源。示例 LLAI信号源包括具有范围从士0. OlV到士0. IV的输出的热电偶和其它传感器。在常规系统中，典型地必须跨有线或无线传感器的输入端子添加分流电阻器，以便将该传感器的输入从接受低电平(电压)输入改变为接受高电平(电流)输入。添加或去除分流电阻器需要访问现场接线端子以便从该传感器手工添加或去除该电阻器。一种替代方法使用机电式开关以将电路中断至该分流电阻器，但是这种方法仍然需要物理访问所述传感器以便手工操作该开关。对传感器的物理访问可能是困难或危险的。例如，该传感器可能位于危险环境中或者难以接近的位置，诸如位于塔的顶部。而且，为了保护免于受到潮湿或腐蚀环境的影响，传感器中的电子组件可能被保形涂覆，使得使用可去除的电阻器或机电式开关是不切实际的。
发明内容
本公开提供了一种可远程配置的模拟/数字输入电路以及相关的装置和方法。在第一实施例中，一种装置包括被配置为耦合到多种类型的输入源之一的第一和第二输入端子。所述装置还包括在所述第一和第二输入端子之间串联耦合的二极管和电阻器。所述装置进一步包括均耦合到所述二极管和所述电阻器中的至少一个的多个开关。这些开关被配置为依据输入源的类型断开和闭合以重新配置所述装置。在第二实施例中，一种系统包括被配置为耦合到多种类型的输入源之一的输入电路。所述系统还包括被配置为通过所述输入电路从所述输入源接收输入信号并对所述输入信号进行处理的电路。所述输入电路包括被配置为依据耦合到所述输入电路的输入源的类型远程断开和闭合以重新配置所述输入电路的多个开关。在第三实施例中，一种方法包括将输入源耦合到输入电路。所述方法还包括基于所述输入源的类型远程调节所述输入电路的配置，其中所述输入源包括多种类型的输入源之一。所述方法进一步包括经由所述输入电路将来自所述输入源的输入信号提供给用于处理所述输入信号的电路根据以下附图、描述和权利要求，其它技术特征对于本领域技术人员可以是显而易见的。
为了更为全面地理解本公开，现在结合附图参考以下描述，在附图中 图1图示了根据本公开的示例处理控制系统；
图2图示了根据本公开的具有至少一个可远程配置的模拟/数字输入电路的示例设
备；
图3-5图示了根据本公开的可远程配置的模拟/数字输入电路的示例配置； 图6图示了根据本公开的具有至少一个可远程配置的模拟/数字输入电路的另一种示例设备；
图7-8图示了根据本公开的来自图6的示例设备的配置；
图9A-9B图示了根据本公开的具有至少一个可远程配置的模拟/数字输入电路的设备的更为详细的示例；和
图10图示了根据本公开的用于提供可远程配置的模拟/数字输入的示例方法。
具体实施例方式以下所讨论的图1至图10以及用来在本专利文档中描述本发明原理的各种实施例仅为了说明，而不应当以任意方式被解释为是对本发明的范围进行限制。本领域技术人员将会理解，本发明的原理可以以任意类型的适当设置的设备或系统来实现。图1图示了根据本公开的示例处理控制系统100。图1所示的处理控制系统100 的实施例仅用于说明。可以使用处理控制系统100的其它实施例而不会背离本发明的范围。在该示例实施例中，处理控制系统100包括一个或多个处理部件102。处理部件 102表示处理系统中执行各种功能中的任意功能的组件。例如，处理部件102可以表示传感器、致动器，或者在处理环境中的任意其它或附加的工业设备。每个处理部件102包括用于执行处理系统中的一个或多个功能的任意适当结构。而且，处理系统可以表示被配置为以某种方式处理一种或多种材料的任意系统或该系统的一部分。控制器104耦合到处理部件102。控制器104控制一个或多个处理部件102的操作。例如，控制器104可以接收与处理系统相关联的信息，诸如来自一些处理部件102的传感器测量结果。控制器104可以使用该信息向其它处理部件102提供控制信号，由此调节那些处理部件102的操作。控制器104包括用于控制一个或多个处理部件102的任意硬件、 软件、固件或其组合。例如，控制器104可以表示执行微软WINDOWS操作系统的计算设备。网络106使得系统100中各种组件之间的通信更为容易。例如，网络106可以在网络地址之间传输互联网协议(IP)分组、帧中继帧、异步传输模式(ATM)单元，或者其它适当的信息。网络106可以包括一个或多个局域网、城域网、广域网(WAN)、全部或部分的全球网络，或者处于一个或多个位置的一个或多个任意其它通信系统。在一些实施例中，网络106可以表示多个网络，诸如一对以太网网络，或者来自HONEYWELL INTERNATIONAL公司的 FAULT TOLERANT ETHERNET (FTE，容错以太网)网络(其包括冗余的一对以太网网络)。 在图1中，处理控制系统100还包括用于与无线传感器或其它设备进行通信的一个或多个无线网络。在该示例中，无线网络包括基础设施节点(“I节点”)108a-108e、叶节点IlOa-IlOe以及网关基础设施节点112。基础设施节点108a-108e和叶节点IlOa-IlOe彼此进行无线通信。例如，基础设施节点108a-108e可以(经由网关基础设施节点112)接收通过网络106传送的数据，并且向叶节点IlOa-IlOe无线地传输该数据。类似地，叶节点IlOa-IlOe可以向基础设施节点 108a-108e无线地传输数据以便(经由网关基础设施节点112)转发至网络106。此外，基础设施节点108a-108e可以彼此无线地交换数据。以这种方式，这些基础设施节点形成了能够向叶节点和诸如大型工业复合体的指定区域中的其它设备提供无线覆盖的无线网络。在该示例中，节点108a_108e和IlOa-IlOe被划分为基础设施节点和叶节点。基础设施节点108a-108e典型地表示可以存储消息并向其它设备转发消息的路由设备。基础设施节点108a-108e典型地是线路供电的设备，意味着这些节点从外部源接收操作功率。基础设施节点108a-108e典型地在其操作方面并不受限，因为它们无需使得功耗最小化来增加其内部电源的使用寿命。另一方面，叶节点IlOa-IlOe典型地表示由局部电源供电的设备，诸如从内部电池或其它内部电源接收操作功率的节点。叶节点IlOa-IlOe通常在其操作方面受到更多限制以便有助于保持其内部电源的使用寿命。叶节点IlOa-IlOe可以表示路由或非路由设备。节点108a-108e和IlOa-IlOe也可以包括其它功能，诸如用于生成或使用通过无线网络传输的数据的功能。例如，叶节点IlOa-IlOe可以表示用于测量工业企业生产设备内的各种特征的无线传感器。这些传感器可以收集传感器读数并经由典型地由节点112 表示的网关向控制器104传输传感器读数。叶节点IlOa-IlOe还可以表示从控制器104 接收控制信号并且对所述工业企业生产设备的操作进行调节的致动器。以这种方式，这些叶节点可以包括物理连接到控制器104的处理部件102或者以与这些处理部件102相似的方式进行操作。叶节点IlOa-IlOe可以进一步表示手持用户设备(诸如来自HONEYWELL INTERNATIONAL公司的INTELATRAC设备)、移动站、可编程逻辑控制器，或者任意其它或附加设备。基础设施节点108a-108e也可以包括叶节点IlOa-IlOe或控制器104的任意功能。网关基础设施节点112与一个或多个基础设施节点以及可能地与一个或多个叶节点无线地通信，向一个或多个基础设施节点以及可能地向一个或多个叶节点传送数据并且从一个或多个基础设施节点以及可能地从一个或多个叶节点接收数据。网关基础设施节点112可以在网络106所使用的(多种)协议与节点108a-108e和IlOa-IlOe所使用的 (多种)协议之间转换数据。例如，网关基础设施节点112能够将通过网络106传输的以太网格式的数据转换为节点108a-108e和IlOa-IlOe所使用的无线协议格式(诸如，IEEE 802. Ila,802. lib,802. Ilg,802. lln、802. 15. 3,802. 15. 4 或 802. 16 格式)。网关基础设施节点112还可以将从节点108a-108e和IlOa-IlOe中的一个或多个所接收的数据转换为以太网格式的数据以便通过网络106进行传输。此外，网关基础设施节点112可以支持各种功能，诸如用于创建和维护无线网络的网络创建和安全。网关基础设施节点112包括用于采用不同协议使得在组件或网络之间的通信更容易的任意适当结构。
在特定实施例中，图1的无线网络中的各种节点形成了以2. 4GHz或5. 8GHz进行通信的网状网络。无线网状网络的特定示例是来自HONEYWELL INTERNATIONAL公司的 ONEffIRELESS网络。而且，在特定实施例中，可以通过基础设施节点或叶节点将数据注入该无线网状网络，从而提供多样、多功能、用于无线感测的全厂覆盖、资产位置追踪、个人追踪、无线通信，以及所需要的任意其它或附加功能。用于处理控制(OPC)服务器114的无线配置和对象链接与嵌入(OLE)可以配置和控制处理控制系统100的各个方面。例如，服务器114能够配置节点108a-108e、IlOa-IlOe 和112的操作。服务器114还可以支持处理控制系统100中的安全，诸如通过向处理控制系统100中的各种组件(如节点108a-108e、110a-110e和112)分配密码密钥或其它安全数据。服务器114包括任意硬件、软件、固件或者其组合以便配置无线网络并提供安全信息。处理控制系统100中的控制室116典型地表示包含由人类操作员使用的操作员站 (诸如桌面计算机或计算机终端)的房间或其它区域。控制室116中的操作员站典型地接收与所述处理控制系统的操作相关联的数据。控制室116中的操作员站典型地还包括向人类操作员呈现该信息的各种显示器。控制室116中的操作员站典型地进一步允许操作员查看与所述处理控制系统的操作相关联的当前和历史数据，并且对所述处理控制系统的操作进行调节。作为特定示例，所述操作员站通常允许操作员从控制室116对控制器104进行手工调节或者以其它方式控制所述处理控制系统的操作。如以下更为详细地描述的，系统100的各种组件(诸如处理部件102和叶节点 IlOa-IlOe)包括一个或多个可远程配置的模拟/数字输入电路。这些电路可以被远程配置，诸如从控制室116或从便携式用户设备。作为特定示例，这些电路中的每一个可以被远程配置为表示高电平模拟输入(HLAI)、低电平模拟输入(LLAI)或者诸如触点闭合输入的数字输入(DI)。例如，每个可重新配置的电路可以包括跨输入地与分流电阻器串联连接的半导体二极管。在可选择的电路配置中，多个开关将模数转换器(ADC)或其它电路耦合到所述二极管和分流电阻器。所述ADC或其它电路可操作来测量或以其它方式使用电流源的状态、电压源的状态或耦合到输入的开关闭合的状态。以这种方式，可远程配置的输入电路可以按照需要被重新配置而无需打开包含所述输入电路的设备。实际上，包含所述输入电路的设备无需由任何人员进行物理访问以便执行该重新配置。虽然图1图示了处理控制系统100的一个示例，但是可以对图1进行各种改变。例如，处理控制系统100可以包括任意数量的处理部件、控制器、网络(有线或无线的)、基础设施节点(网关或其它)、叶节点、服务器和控制室。而且，图1所示的功能划分仅是为了进行说明。图1中的各种组件可以被组合、细分或省略，并且可以根据特定需要添加附加的组件。 此外，图1图示了其中可以使用可远程配置的模拟/数字输入电路的操作环境的一个示例。 这些输入电路可以在(无论是否与处理控制相关的)任意其它适当设备或系统中使用。图2图示了根据本公开的具有至少一个可远程配置的模拟/数字输入电路的示例设备200。例如，设备200可以形成图1中的处理部件102或叶节点IlOa-IlOe或者具有可重新配置的输入的其它设备的一部分。如图2所示，设备200包括模数转换器202或其它电路。模数转换器202生成与在其两个输入INPUT士处所接收的模拟输入相对应的数字输出。虽然被示为包括模数转换器202，但是可以使用任意适当电路来替代模数转换器202。
设备200还包括两个可重新配置的输入204-206。每个可重新配置的输入204-206 包括两个输入端子208a-208b，这两个输入端子可以耦合到不同的输入源。在该示例中，这些输入源包括数字源210、HLAI源212和LLAI源214。每个端子208a-208b包括用于耦合到输入源的任意适当结构每个可重新配置的输入204-206还包括跨输入端子208a_208b与分流电阻器218 串联连接的半导体二极管216。半导体二极管216包括用于支持电流实质上在一个方向上流动的任意适当结构。分流电阻器218包括具有任意适当电阻的任意适当电阻器。三个半导体开关220-224耦合到半导体二极管216和分流电阻器218。特别地，半导体开关220耦合到二极管216的一端，半导体开关222耦合到二极管216的另一端以及电阻器218的一端，而半导体开关224耦合到电阻器224的另一端。半导体开关220-224 可以被断开和闭合以重新配置包括二极管216、电阻器218和模数转换器202的电连接。以这种方式，可重新配置的输入204-206可以被适当配置为处理指定类型的输入。每个半导体开关220-224包括任意适当的开关设备，诸如场效应晶体管(FET)或光耦合MOSFET或者 “光控继电器”设备。电流源226耦合到半导体开关220-222。电流源226生成用于检测数字输入是断开还是闭合的电流。电流源226包括用于生成电流的任意适当结构，诸如MOS电流源。控制器228诸如通过设置或调节设备200的配置来控制设备200的操作。例如，控制器228可以(诸如通过有线或无线连接)从外部源接收标识一个或多个输入电路204-206 的所需配置的数据。控制器228接着可以断开和/或闭合开关220-224来适当配置该一个或多个输入电路。以这种方式，可以通过向控制器228提供适当数据并且控制器228向这些开关提供适当的控制信号来对设备200进行远程配置。控制器228包括用于控制至少一个输入电路的配置的任意适当结构，诸如微处理器、微控制器、现场可编程门阵列、专用集成电路，或者其它处理或控制设备。图3-5图示了根据本公开的可远程配置的模拟/数字输入电路204-206的示例配置。如图3所示，当使用HLAI电流源212时，HLAI源212可以连接到设备200的输入端子 208a-208b以使得二极管216被正向偏压。这样做允许来自HLAI源212的电流流过分流电阻器218。通过向晶体管222-224通电来测量跨电阻器218的电压以将电压信号连接到模数转换器202，并且晶体管220断开。如图4所示，当使用诸如热电偶的LLAI源214时，LLAI源214可以以与HLAI源 212相反的极性连接到输入端子208a-208b。在这种情况下，二极管216阻止电流流过电阻器218。可以通过向晶体管220和224通电来测量LLAI源的输入以将输入信号连接到模数转换器202，并且晶体管222断开。如图5所示，当使用数字源210时，可以通过使用被二极管216所阻塞的极性将电流源226连接到输入端子208a-208b来测量数字源210。可以通过向晶体管220和224通电来测量数字输入以将输入信号连接到模数转换器202，以便测量跨输入触点208a-208b 的压降。图2的设备200为可重新配置的输入204-206提供远程配置。设备200因此可以消除对端子208a-208b或对设备200的任意部分进行物理访问的需要。这里的设备200能够容纳多种类型的输入(诸如HLAI、LLAI和数字输入)而无需人工添加或去除分流电阻器并且无需对 开关进行人工操作。设备200的所有组件都可以被保形涂覆以免受到潮湿或腐蚀环境的影响。设备200可以被安装在危险环境中并且可以被配置而无需打开所述设备。 虽然图2图示了具有至少一个可远程配置的模拟/数字输入电路的示例设备200， 但是可以对图2进行各种改变。例如，设备200可以包括任意数量的可重新配置的输入，诸如单个输入或者多于两个的输入。而且，任意其它或附加类型的输入源可以耦合到可重新配置的输入。虽然图3-5图示了可远程配置的模拟/数字电路204-206的示例配置，但是可以对图3-5进行各种改变。例如，可以使用要求类似或不同输入电路配置的任意其它或附加类型的输入源。图6图示了根据本公开的具有至少一个可远程配置的模拟/数字输入电路的另一种示例设备600。例如，设备600可以形成图1中的处理部件102或叶节点IlOa-IlOe或者具有可重新配置的输入的其它设备的一部分。如图6所示，设备600包括模数转换器602或可以接收和处理三个或更多输入 Aini-Ain3的其它电路。设备600还包括三个输入604-608，它们中的至少两个是可配置的。 第一输入604包括两个输入端子610a-610b，其中在端子610a_610b之间串联耦合了半导体二极管612和分流电阻器614。另一个电阻器616与二极管612并联耦合。一个晶体管 618耦合到二极管612和电阻器616的第一端。另一个晶体管620耦合到二极管612和电阻器616的第二端，并且耦合到电阻器614的第一端。第三个晶体管622耦合到电阻器614 的第二端。 第二输入606包括两个输入端子624a_624b，其中在端子624a_624b之间串联耦合了半导体二极管626和分流电阻器628。一个晶体管630耦合到二极管626的第一端。另一个晶体管632耦合到二极管626的第二端以及电阻器628的第一端。第三个晶体管634 耦合到电阻器628的第二端。第三输入608包括两个输入端子636a_636b，其中在端子636a_636b之间耦合了电阻器638。电阻器640耦合到电阻器638，并且电阻器642耦合到电阻器640。一个晶体管 644耦合到电阻器638-640的第一端。另一个晶体管646耦合到电阻器638-640的第二端并且耦合到电阻器642。可以在模数转换器602之内或之外使用电流源648来生成用于感测至少一个数字输入的状态的电流。四个二极管650跨模数转换器602的第一对输入Aini设置。这些二极管650包括多个二极管对(作为每种极性的冗余对连接)并且可以被用来满足安全或其它需求。例如，如果感测电阻器(电阻器614)在断开状态出现故障，则全回路供电电压可能出现在ADC输入管脚上并且可能传播到其它组件，导致不安全的情形。这里的二极管650将该电压钳制或限制至一个二极管压降(大约0. 6V)。注意，诸如在使用两个二极管来替代每个二极管650时(在这种情况下，所述电压将被限制为两个二极管压降或大约1.2V)，可能的是串联设置多个二极管以替代每个二极管650。跨模数转换器602的第二对输入Ain2设置热敏电阻器652。两个附加电阻器 654-656串联耦合在热敏电阻器652和PSW开关658之间。跨电阻器654的电压被提供给模数转换器602的第三对输入AIN3。控制器660诸如通过控制输入的配置来对设备600进行控制。在特定实施例中，晶体管618-622、630-634、644可以表示S04封装中的400V/30mA的固态继电器(SSR)。晶体管646可以表示S04封装中的400V/30mA或60V/0. 5A的固态继电器。电阻器614可以表示10 Ω或2. 05k Ω的电阻器。电阻器616可以表示IOOk Ω的电阻器。电阻器628、638可以表示10Ω的电阻器。电阻器640-642可以表示0 Ω的电阻器。图6的虚线内所示出的组件可以依据实施方式而选择性地组装在电路内。例如，
在图7所示的第一实施例中，电阻器616和640可以被省略。在该实施例中，第一和第二输
入604-606可以被配置为HLAI电流、LLAI或数字输入，并且第三输入608被配置为HLAI电
流输入。在该实施例中，设备600可以具有以下输入配置:
权利要求
1.一种装置(200，600，900)，包括被配置为耦合到多种类型的输入源(210-214)之一的第一和第二输入端子 (208a-208b,610a-610b,624a-624b)；在所述第一和第二输入端子之间串联耦合的二极管(216，612，626)和电阻器(218， 614,628)；和均耦合到所述二极管和所述电阻器中的至少一个的多个开关(220-224,618-622， 630-634)，这些开关被配置为依据输入源的类型断开和闭合以重新配置所述装置。
2.如权利要求1所述的装置，其中 所述装置进一步包括电流源(226，648)；并且所述多个开关包括耦合到第一输入端子、所述电流源和所述二极管的第一侧的第一开关(220，618，630)； 耦合到所述电流源、所述二极管的第二侧和所述电阻器的第一侧的第二开关(222， 620,632)；和耦合到第二输入端子和所述电阻器的第二侧的第三开关(224，622，634)。
3.如权利要求2所述的装置，其中所述装置被配置为耦合到高电平模拟输入(HLAI)源(212 )；并且所述装置被配置为断开所述第一开关并闭合第二和第三开关，以使得由所述装置输出跨所述电阻器而不是跨所述二极管的电压。
4.如权利要求2所述的装置，其中所述装置被配置为耦合到低电平模拟输入(LLAI)源(214)；并且所述装置被配置为断开所述第二开关并闭合第一和第三开关，以使得由所述装置输出跨所述电阻器和所述二极管的电压。
5.如权利要求2所述的装置，其中所述装置被配置为耦合到数字输入源(210)；并且所述装置被配置为断开所述第二开关并且闭合第一和第三开关，以使得电流从所述电流源流过所述数字输入源，并且所述二极管阻止所述电流流过所述电阻器。
6.一种系统，包括被配置为耦合到多种类型的输入源(210-214)之一的输入电路(204，206，604，606)，禾口被配置为通过所述输入电路从所述输入源接收输入信号并对所述输入信号进行处理的电路(202，602)；其中所述输入电路包括被配置为依据耦合到所述输入电路的输入源的类型来断开和闭合以重新配置所述输入电路的多个开关(220-224，618-622，630-634)。
7.如权利要求6所述的系统，其中 所述输入电路进一步包括被配置为耦合到所述输入源的第一和第二输入端子(208a-208b，610a-610b， 624a-624b)；在所述第一和第二输入端子之间串联耦合的二极管(216，612，626)和电阻器(218， 614,628)；和电流源(226，648)；并且所述多个开关包括耦合到第一输入端子、所述电流源和所述二极管的第一侧的第一开关(220，618，630); 耦合到所述电流源、所述二极管的第二侧和所述电阻器的第一侧的第二开关(222， 620,632)；和耦合到第二输入端子和所述电阻器的第二侧的第三开关(224，622，634)。
8.如权利要求7所述的系统，其中所述输入电路被配置为耦合到数字输入源(210)；并且所述输入电路被配置为断开所述第二开关并且闭合第一和第三开关，以使得电流从所述电流源流过所述数字输入源，并且所述二极管阻止所述电流流过所述电阻器。
9.如权利要求8所述的系统，其中所述输入电路进一步包括第三和第四输入端子(636a-636b)，该第三输入端子耦合到所述电流源以及第一和第二开关；耦合到所述第四输入端子的热敏电阻器(652)；串联耦合的第二和第三电阻器(654-656)，该第二电阻器耦合到所述热敏电阻器；以及耦合到第三电阻器的第四开关(658 )。
10.一种方法，包括将输入源(210-214)耦合(1002)到输入电路(204，206，604，606)； 基于所述输入源的类型远程调节(1004)所述输入电路的配置，所述输入源包括多种类型的输入源之一；并且经由所述输入电路将来自所述输入源的输入信号提供(1006)给用于处理所述输入信号的电路(202，602)。
全文摘要
一种装置(200，600，900)包括被配置为耦合到多种类型的输入源(210-214)之一的第一和第二输入端子(208a-208b，610a-610b，624a-624b)。所述装置还包括在所述第一和第二输入端子之间串联耦合的二极管(216，612，626)和电阻器(218，614，628)。所述装置进一步包括均耦合到所述二极管和所述电阻器中的至少一个的多个开关(220-224，618-622，630-634)。这些开关被配置为依据输入源的类型断开和闭合以重新配置所述装置。这些开关可以包括耦合到第一输入端子、电流源(226，648)和所述二极管的第一侧的第一开关(220，618，630)。这些开关还可以包括耦合到所述电流源、所述二极管的第二侧和所述电阻器的第一侧的第二开关(222，620，632)。此外，这些开关可以包括耦合到第二输入端子和所述电阻器的第二侧的第三开关(224，622，634)。
文档编号H04W84/18GK102227756SQ200980147449
公开日2011年10月26日 申请日期2009年9月22日 优先权日2008年9月29日
发明者G·普尼斯, J·伊莱亚斯 申请人:霍尼韦尔国际公司