具有二线环路的现场总线网络的制作方法

本披露涉及用于控制工业过程的现场总线技术，并且更具体地涉及在其中通过二线环路将数据和电力传输到现场设备的现场总线技术。

披露背景

现场总线是用在过程自动化中的网络，在过程自动化中，现场设备形成网络上的一些节点并且总站或主机形成网络上的节点之一。该网络可包括连接至电源的干路或主线路以及从干路延伸的支路，其中现场设备形成支路上的节点。现场总线网络的功能是以可靠的且及时的方式向并且从节点对数据进行传输。

现场总线网络典型地将其通信协议基于由国际标准化组织(ISO)维护为ISO/IEC 7498-1的开放系统互连模型(OSI)。OSI模型定义了层次、分层的通信栈，在其中将数据转换成数据帧且从数据帧对数据进行转换以用于进行网络上的传输。每一层向其正上方及正下方的层提供服务。

OSI模型的最低层是物理层。物理层处置将数据转换成在网络上传输的电信号且从在网络上传输的电信号对数据帧进行转换。物理层定义了网络的物理规范和电气规范(网络拓扑、布线规范、电压、线路阻抗等)以及数据帧如何在网络上表示(例如曼彻斯特编码、归零编码、不归零反向编码等)。

许多现场总线网络利用由物理层规范定义的二线环路。二线环路将电力传输至节点并且用于在节点与主机之间的数据通信。通常由携带在环路上的DC电压对电力进行传输，并且通过将AC数据信号叠加在DC电压上来传送数据。利用二线环路的现场总线网络包括基金会现场总线(FOUNDATION FIELDBUS)H1、PROFIBUS PA以及包括以太网供电(POE)网络的基于以太网的网络(注意，除了在二线环路中所使用的那些之外，有线现场总线网络可包括其他接线)。

图1示意性地展示了一种具有连接至二线环路(由单线14表示)的物理层12以便在环路14上传输和接收数据帧16的现场总线通信栈10。由叠加在DC电压18上的AC数据信号对每一个数据帧16进行定义。数据帧16由帧之间的“安静时间”20间隔开，该“安静时间”避免数据帧之间的碰撞与干扰。物理层规范定义了AC数据信号的编码以及如何避免数据帧的碰撞。

图2示意性地展示了数据帧16的用于基金会现场总线(FOUNDATION FIELDBUS)H1现场总线网络的编码(省略DC分量)。如时钟信号22所指示的，以31.25kHz的频率对数据位进行传输，即位时是一秒的31250分之一。

使用同步曼彻斯特编码技术对每一个数据帧16的数据部分进行编码，在此技术中，在位时中间的正电压变化表示逻辑“0”且在位时中间的负电压变化表示逻辑“1”。为前导24以及数据帧16的开始定界符26和结束定界符28定义特殊代码。

在现场总线网络上的节点使用前导24来将其内部时钟与进入数据帧16进行同步，并使用开始定界符26来寻找数据帧16的数据部分的开始。在找到开始定界符26后，直到接收了结束定界符28节点才接受数据。开始定界符26和结束定界符28包括N+和N-信号，这些信号在位时的中间不改变电压以便辅助节点识别开始定界符和结束定界符。

图2展示了如包括逻辑字节10011010序列的数据30，这些逻辑字节作为数据信号32在数据帧16中被编码。现场总线通信协议定义了包括在数据帧16内的最大和最小数据位数。

数据信号32表示应该在二线环路14上进行传输的理想AC电压信号。由于二线环路14的物理特点和周围的物理环境，实际AC电压信号将不同于理想的电压信号32。图3展示了与理想的电压信号32相比的实际AC电压信号34。

与理想的部分信号偏差包括信号噪声、抖动和过冲。图4展示了具有最大振幅36的信号噪声。图5展示了抖动38，该抖动是过零电压线的AC信号跃迁与位周期的中点之间的时间差。现场总线协议典型地定义了可接受的抖动限值40。图6展示了具有幅度42的瞬时过冲以及具有带有幅度44的DC偏移的AC信号。与理想的其他信号偏离包括畸变波形、过高或过低的DC功率水平、电压尖峰等。由于与理想的这些信号偏差和波形变化在现场总线领域是公知的，因此将不对它们进行进一步详细讨论。

标准化的现场总线通信协议的要求使得现场总线网络难以与其他具有不同通信协议的现场总线网络进行通信。

此外，现场总线通信协议的要求需要现场总线网络的物理层被维护以用于网络的可靠操作。如在现场总线物理层诊断领域是已知的，物理层诊断设备是已知的，其连接至二线环路14并监测现场总线网络的物理层，测量并评估总线电压、信号噪声、重传计数、遮蔽缺陷、信号水平、以及其他电气和物理参数与事件。

已知的现场总线物理层诊断设备的示例是由德国博伦博格菲尼克斯电气股份有限公司(Phoenix Contact GmbH)售卖的现场诊断模块。该诊断模块提供来自与AC和DC电气相关的测量的数据，该与AC和DC电气相关的测量对于评估现场总线网络的物理层的健康是有用的。

一些物理层诊断设备被设计为附接在电源附近的支路上。然而，尤其是在隔离的或可调电压的支路的情况下，支路上的电气参数与干路上的电气参数不相同。单独的现场设备的附加信息(诸如电流汲取)可能对附接至干路的诊断设备是不可用的。其他诊断设备被设计为附接至支路并且诊断设备包括通信电路以便在现场总线网络上进行通信。但是，将此类诊断设备添加至支路是昂贵的。

有些现场总线物理层诊断设备将示波器并入诊断设备内。示波器可以是由设备提供的单独的诊断工具或者可以是由设备提供的一组诊断工具中的一部分。示波器使得用户连续地监测现场总线通信并观看信号波形。示波器提供波形的诊断信息以用于进行分析。

由于示波器以相对高的频率(高于波形的位频率)对波形进行采样，因此通过二线环路来传递由示波器生成的数据流是不切实际的。相反，使用专用的、更高的带宽通信信道且不通过现场总线网络自身将示波器数据流转移出现场设备。现场总线网络与示波器通信信道之间的电连接也必须相互隔离。这妨碍了将示波器用作现场总线网络的有效诊断工具。

披露简要概述

披露了一种现场总线网络，该现场总线网络包括为每一个支路具有专用的支路诊断电路的模块化设备耦合器、用于将本地现场总线网络耦合至一个或多个远程现场总线网络的模块化远程现场耦合器以及包括一体式示波器的诊断设备，该诊断设备由现场总线网络供电且在现场总线网络上进行通信。

在本披露的一个方面中披露了一种用于将支路连接至干路的模块化设备耦合器，该模块化设备耦合器包括网关模块以及在本地总线上传送电力和数据的一个或多个支路模块。网关模块充当现场总线网络上的现场节点从现场总线环路上汲取电力以便为网关模块和本地总线供电，并处置现场总线网络与本地总线之间的通信。每一个支路模块具有用于附接支路的端子，并且一些实施例包括专用于附接的支路的物理层诊断的诊断电路。支路模块从本地总线汲取电力并将本地总线用于支路模块与网关模块之间的数据通信(包括诊断通信)。

本披露的另一方面披露了一种将非传统的输入/输出(IO)点(诸如其他类型的有线或无线过程网络或现场设备)连接至本地现场总线网络的远程现场总线耦合器。实施例中的远程现场总线耦合器被形成为包括网关模块和一个或多个耦合器模块的模块化现场总线耦合器，每一个耦合器模块用于连接至外部现场总线网络或外部现场设备。网关模块充当本地现场总线网络上的现场节点从现场总线环路上汲取电力以便为网关模块和本地总线供电，并处置现场总线网络与本地总线之间的通信。每一个耦合器模块或者具有用于经由有线耦合器支路有线连接至外部现场总线网络或外部现场总线设备的端子或者具有用于无线连接至外部现场总线网络或外部现场总线设备的天线。耦合器模块从本地总线汲取电力并将本地总线用于耦合器模块与网关模块之间的数据通信。耦合器模块还可以包括从本地总线为耦合器支路或天线供电的电路。

耦合器支路或天线连接可以使用与网关模块附接至其上的本地现场总线不同的现场总线协议。耦合器支路通信电路将处置任何所需的来自本地现场总线数据协议和耦合器支路或天线协议的数据转换。

本披露的又另一方面披露了包括示波器的现场总线诊断设备。诊断设备通过现场总线网络进行通信并且在优选实施例中仅通过现场总线网络为该诊断设备供电。

示波器具有用户可选的触发，每一个触发发起存储和之后传输由拍摄现场总线网络通信的“快照”或“触发窗口”的示波器生成的数据。通过“快照”或“触发窗口”，意味着示波器对通过表示现场总线数据通信的有限时间间隔或时间片的现场总线网络诊断数据传输的数据进行了采样和存储。示波器不需要传输稳定的数据流。

在示波器的优选实施例中，用户选择示波器采样率。如果期望高分辨率快照，选择相对高的采样率。如果低分辨率快照是可接受的，选择相对低的采样率。用户以数据量(以及因此在现场总线网络上与所有那些数据进行通信所需的时间)换取传输数据的分辨率。

诊断设备可以返回表示电压和时间戳或其他与示波器生成的数据相关联的唯一标识符的数据。这使得用户重建波形形状以用于视觉显示或其他分析，并且使得诊断设备在由于任何原因而无法传输数据点的情况下重新发送数据。

在又其他实施例中，诊断设备进行示波器数据的进一步数值分析或操纵以便减少在现场总线网络上从诊断设备转移的诊断数据量。

例如，在一些实施例中，诊断设备从示波器数据生成标准图像格式的图像。诊断设备不是在现场总线网络上转移示波器数据，而是在现场总线网络上传输图像数据。

在又其他可能的实施例中，诊断设备生成了对示波器快照数据的分析进行总结的报告。报告可以以标准的文本格式被生成，该报告而不是示波器数据在现场总线网络上被传输。在又进一步的可能的实施例中，诊断设备可以从示波器数据生成简单的布尔“是”/“否”或“通过”/“失败”值，其中布尔值而不是示波器数据在现场总线网络上被传输。

在诊断设备的附加的其他可能的实施例中，诊断设备包括利用例如常规的快速傅立叶变换分析将时域数据变换为频域数据的频谱分析仪。频域数据提供有关现场总线网络性能的有价值的信息并且传输时域数据或时域数据的分析结果与传输示波器数据相比还可以降低对现场总线网络的要求。

具有由现场总线网络来供电且在现场总线网络上进行通信的示波器的现场总线诊断设备可被放置在远离现场总线电源和主机的、现场设备所在的且网络环境最艰苦的过程环境中的现场总线网络上。这使得示波器在表示现场总线网络总体健康的最佳指示的位置处对网络进行采样，从而能够更好的预测和防止网络故障时间。

本披露的其他目的和特征从前述说明中将变得清楚，尤其是当与附图结合来展示在此所作的教导的实施例。

附图简要概述

图1展示了常规的现场总线通信栈；

图2展示了现场总线网络的数据的常规编码；

图3展示了由现场总线网络传输的常规AC电压信号；

图4是在展示信号噪声的图3中示出的细节4的放大图；

图5是在展示抖动的图3中示出的细节5的放大图；

图6是在展示过冲和DC偏移的图3中示出的细节6的放大图；

图7展示了基金会现场总线(FOUNDATION FIELDBUS)H1网络；

图8展示了附接至在图7中示出的网络的模块化设备耦合器；

图9展示了在图8中示出的模块化设备耦合器的网关模块；

图10展示了组成在图8中示出的模块化设备耦合器的一部分的诊断模块；

图11展示了附接至在图7中示出的网络的模块化现场总线耦合器；

图12展示了组成在图11中示出的模块化现场总线耦合器的一部分的耦合器模块；

图13展示了附接至在图7中示出的网络的诊断现场设备；

图14展示了组成在图13中示出的诊断现场设备的一部分的示波器；

图15展示了示波器触发事件；

图16展示了其他示波器触发事件；

图17展示了示波器的逻辑和控制逻辑的某些部件；以及

图18展示了由从触发事件收集的示波器数据生成的图像。

详细披露

图7展示了具有干路或主线路412的基金会现场总线(FOUNDATION FIELDBUS)H1现场总线网络410，该现场总线网络被形成为二线环路并由电源414来供电(为了清楚，未在图7中示出网络的一些常规特征(诸如任何需要的终止电阻器))。主机416连接至干路412并与连接至从干路412延伸的支路420的基金会现场总线(FOUNDATION FIELDBUS)H1现场设备418进行通信。为了简化附图，每一个支路420被示出为仅连接至一个现场设备418。这些特征是常规的且因此将不会被进一步详细地描述。

支路420由模块化设备耦合器110附接至干路412，该设备耦合器110具有用于连接至干路412的每一个支路420的支路模块(以下更详细描述的)。如将在以下更详细描述的，每一个支路模块包括专用于对附接至支路模块的支路的物理性能进行评估的一体式物理层诊断电路。

如将在以下更详细描述的，将非传统IO点(诸如其他类型的有线或无线过程网络或现场设备)连接至现场总线网络410的模块化远程现场总线耦合器210也附接至干路412。示出了将基金会现场总线(FOUNDATION FIELDBUS)H1现场总线410耦合至三个外部网络(HART网络422、MODBUS网络424和WIRELESSHART网络426)的现场总线耦合器210。现场总线耦合器210使能现场总线网络410与外部网络422、424、426之间的网络对网络通信。

外部网络422、424、426各自也包括附接至外部现场总线网络以用于网络对网络通信的现场总线耦合器(诸如连接至外部网络422的现场总线耦合器427，该耦合器427类似于现场总线耦合器210)。现场总线耦合器210连接至通过对应的有线耦合器支线422S、424S附接至外部网络422、424的现场总线耦合器。耦合器支线(诸如支线422S)可以符合通过耦合器支线连接的现场总线网络中的一个现场总线网络的物理层规范或可以符合不同于由耦合器支线互连的现场总线网络两者的现场总线网络的物理层规范。例如，支线422S符合HART协议，并且支线424S符合基金会现场总线(FOUNDATION FIELDBUS)H1协议。

如果附接至现场总线耦合器210的耦合器支线的协议与耦合器210附接至其上的本地现场总线网络的协议相同，现场总线耦合器210对本地现场总线网络与耦合器支线之间的数据进行中继而无需改变数据协议。如果附接至现场总线耦合器210的耦合器支线的协议与本地现场总线网络的协议不同，现场总线耦合器210将数据从一个协议转换为另一个协议以用于本地现场总线网络与耦合器支线之间的数据传输。

附接至无线网络426的现场总线耦合器利用常规的无线协议(诸如例，例如WIRELESSHART协议或ZIGBEE协议)经由以虚线426S表示的“无线传输线”与现场总线耦合器210进行通信。

还示出了经由有线耦合器支线428S将基金会现场总线(Foundation Fieldbus)H1现场总线410耦合至PROFIBUS现场设备428的现场总线耦合器210。耦合器支线428S符合PROFIBUS物理层规范。即从现场设备428的观点来看，设备428附接至兼容的PROFIBUS网络，而不是附接至基金会现场总线(FOUNDATION FIELDBUS)H1网络。

还又通过支路430附接至网络410的是诊断现场设备310。如将在以下更详细描述的，诊断现场设备310包括经由支路30对网络数据通信进行采样的一体式示波器。

模块化设备耦合器110被示出在图8中并且包括网关模块112和一个或多个支路诊断模块114。图8展示了具有三个支路诊断模块114的设备耦合器110，但理解的是，更多或更少个诊断模块114可用于根据需要形成设备耦合器110。

如此处在本申请人所拥有的美国专利8,180,938中所描述的，并且具有与本申请一样的一个或多个共同发明人，模块112、114经由包括本地通信总线118和本地电源总线120的本地总线116彼此本地地进行通信。本地总线116可以是串行连接总线或与现场总线网络410分离的背板式连接系统，诸如在欧洲专利公开EP2053697或美国专利公开20090194814中所描述的TBUS(商标)连接系统。如在’938专利中所描述的，TBUS系统使得有缺陷的诊断模块114被移除并取代而不影响对其他诊断模块的电力和通信。网关模块112和该一个或多个设备模块114可安装在常规的DIN轨道(未示出)上以便将模块112、114连接至本地总线116。

设备耦合器网关模块112附接至网络二线环路以便从网络二线环路为其供电并且在现场总线网络410上形成与其他网络节点(诸如主机416)进行通信的节点。所展示的网关模块112被示出连接至网络干路412并包括从现场总线环路为网关模块112来供电的电路122以及从现场总线环路为本地电源总线120来供电的电路124。参见图9。网关模块112还包括在现场总线环路上进行通信的网络通信电路126以及在本地通信总线118上与0-N诊断模块114进行通信的本地通信电路128。

所展示的网关模块112与在环路末端的中间的双过程环路串联。如用常规的、非模块化的设备耦合已实践的，如果网关模块112位于环路的远离电源的末端，网关模块112可设置有电阻器(未示出)以便提供终止。

诊断模块114旨在形成设备耦合器110的一部分以用于利用本地总线116将支路420连接至二线环路412。所展示的诊断模块114被示出为连接至支路420并包括且实际上包括连接至模块端子131以用于将支路420连接至诊断模块114的内部支路区段130。参见图10。

诊断模块114包括从本地电源总线120为诊断模块114来供电的电路132以及从本地电源总线120为附接至设备模块114的支路420来供电的电路134。如此处由本申请人拥有的在美国专利7,940,508“固有地安全的模块化控制系统(Inherently Safe Modular Control System)”中所描述的，并且具有与本申请一样的至少一个发明人，支路电源电路134可以包括将支路420与本地总线116以及与附接至网关模块112的二线环路412隔离的隔离电路(未示出)。

诊断模块114进一步包括在本地通信总线118上与网关模块112进行通信的本地通信电路136以及在支路420上进行通信的支路通信电路138。支路通信电路138连接至本地通信电路136以使得支路420与附接至网关模块112的二线环路之间的通信生效。

如上所述的诊断模块114的电源电路和通信电路使得诊断模块114充当将支路420与干路412隔离连接的设备耦合器。然而，诊断模块114进一步包括连接至支路区段130以用于支路物理层诊断的电路140。诊断电路140能够提供物理层测量以及连接至端子132的支路420的信息。诊断电路140连接至本地通信电路136以便使能诊断电路140与主机416之间的双向通信，包括将诊断数据转发回至主机416。

在其他可能的实施例中，诊断模块114包括被编程以用于进行诊断数据的分析、远离主机18以更高效地利用通信和数字运算资源的微处理器(未示出)。

模块化现场总线耦合器210被示出在图11中并且包括现场总线耦合器网关模块212和一个或多个现场总线耦合器模块214。图11展示了具有附接至本地现场总线网络411的耦合器网关模块212以及通过本地总线216(像总线116)连接至耦合器网关模块212的三个现场总线耦合器214的现场总线耦合器210。耦合器模块214也附接至对应的耦合器支路215A、215B、215C。

将本地总线216用于外部耦合器210的模块之间的模块间通信和电力与如前所述的针对将总线116用于设备耦合器110的模块的模块间通信相同，并且因此将不会被进一步详细地描述。

现场总线耦合器网关模块212基本上类似于在图9中所示的设备耦合器网关模块112，但却仅被设计设成为现场设备且因此不能“穿过”现场总线干路的通信和电力。如果现场总线耦合器210如设备耦合器110那样被设计为穿过本地干路通信，可如前所讨论的提供类似的终止特征。现场总线耦合器网关模块212在本地通信总线216上与0-N耦合器模块214进行通信。

耦合器模块214旨在利用本地总线216将外部现场总线网络连接至本地现场总线网络10。在图12中的耦合器模块214被示出为连接至有线支路215以用于本地现场总线网络10与外部现场总线网络或外部现场总线设备(未示出)之间的通信。外部现场总线协议不必在数据格式水平或物理水平与本地现场总线410的协议兼容。

耦合器模块214包括从本地电源总线220为诊断模块214来供电的电路232以及如果需要的话从本地电源总线220为附接至设备模块214的支线215来供电的以虚线示出的电路234。如前针对诊断模块114所述的，传输电源电路234可以包括将传输线215与本地总线216以及本地现场总线网络410隔离的隔离电路(未示出)。

耦合器模块214进一步包括在本地通信总线218上与网关模块212进行通信的本地通信电路236以及用于在耦合器模块214与外部现场总线网络之间的支路215上进行通信的传输通信电路238。传输通信电路238连接至本地通信电路236以用于通过外部现场总线耦合器210在本地现场总线网络410与外部现场总线网络之间进行通信。

如果耦合器模块214被设计为用于本地现场总线网络与远程外部现场总线网络或外部现场总线设备之间的无线通信，支路215表示无线传输线，即数据的无线传输。在耦合器模块214的此类实施例中，传输电路238连接至天线240(在图12中以虚线示出)以用于数据的无线发送和接收。可被利用以进行数据的无线通信的无线现场总线协议的示例包括(在现场总线领域已知的其他示例)WIRELESSHART和ZIGBEE协议。相反，为有线支路供电的电路将被配置成用于为无线传输线供电，即该电路将被配置成用于为在图12中以虚线示出的天线240供电。

在所展示的实施例中，本地通信电路236能够充当外部现场总线网络上的节点并处置外部现场总线协议到本地现场总线协议的转换。传输线215实际上是与外部现场总线的物理层要求兼容的外部现场总线的支路。耦合器模块214作为外部网络上的另一个节点为外部网络所见。从而，附接至支路215的外部现场总线网络上的耦合器可以只是用于连接支路(该支路可以包括如上所述的支路诊断)的设备耦合器。外部设备耦合器还可向支路215提供电力。

在其他可能的实施例中，传输通信电路238能够充当本地现场总线网络上的节点，并且利用例如类似于耦合器模块214的耦合器模块(例如像在图7中示出的耦合器模块427)在外部网络上完成相应的协议转换。传输线215实际上将是由连接的耦合器模块中的一个耦合器模块来供电并从耦合器模块214延伸至在外部现场总线网络上的相应的耦合器模块的传输通信电路的基金会现场总线(FOUNDATION FIELDBUS)H1支路。在本地网络的协议与连接支路的协议相同的实施例中，传输通信电路238无法转换协议之间的数据而只能采取行动以便使用支路215与本地通信电路236之间的相同协议来对数据进行重新传输。

在又其他可能的实施例中，支路215可与不同于本地现场总线网络210协议和外部现场总线网络协议的第三现场总线协议兼容。这可能是必要的，例如如果第三现场总线协议使能更长的支路长度或者如果期望两个有线现场总线网络之间的无线通信。在此类实施例中，支路末端的现场总线耦合器从对应的本地协议转换至第三协议，即第三协议仅用作耦合的网络之间的中间协议。

耦合器模块214还包括物理层诊断设备，该物理层诊断设备专用于支路215的诊断、类似于通过网关模块210与本地现场总线进行通信的耦合器模块214的物理层诊断电路140。

诊断现场设备310并入一体式示波器且由现场总线环路供电并在其上进行通信。图13是所展示的现场设备310的功能框图，该现场设备包括将现场设备310电连接至二线环路412的一组端子312。现场设备310包括连接至端子312从二线环路412为现场设备310供电的电源电路316和在二线过程环路412上传输和接收数据的通信电路318。通信电路318是进入和离开现场设备310的唯一通信路径并且因此通信速度受限于本地现场总线网络410自身的能力。

在所展示的实施例中，仅通过二线过程环路412为现场设备310供电。现场设备310被设计为(针对基金会现场总线(FOUNDATION FIELDBUS)H1兼容实施例中)在小于200mW的功率(即小于30mA 9伏特)上运行。所展示的现场设备310优选地满足“低功率”现场设备的工业标准期待。

现场设备310包括经由端子312连接至二线过程环路412的数字示波器320。微处理器或控制器322连接至示波器320和通信电路318。示波器320和微处理器322写入存储器324且从其进行读取。在图13中所示的框图指示示波器320和微处理器322共享公共存储器324，而如果出于性能和兼容性原因的需要(例如示波器320可能需要比微处理器322更快的内存)，示波器320和微处理器322各自可以具有专用的存储器。

现场设备310还包括用于在本领域是已知的物理层诊断的电路(未示出)，该电路使用通信电路318在二线环路上传送物理层诊断数据。

图14是示波器320的功能框图。输入接口326将示波器320连接至端子312并使得示波器“看见”在二线过程环路412上的电压V。输入接口326可以连接至充分放大进入电压信号以供触发检测器330使用的放大器328和模数转换器332。触发检测器330检测来自输入信号的触发事件并且模数转换器332以时钟334确定的采样频率对输入信号进行数字化。用户可通过现场总线网络经由远程命令将采样率设置在每秒10万数据样本到每秒200万数据样本之间(其他实施例可提供不同的最小和最大采样率)。将经数字化的数据存储在存储器336中(该存储器可以是存储器324)。分析和控制逻辑电路338控制示波器320的操作且通过通信接口340传输数据并接收控制命令。

触发检测器330使得示波器320在发生与输入信号相关的事件时捕获信号数据。所展示的数字示波器320不断地处理输入信号，但触发检测器330警告示波器控制电路338开始将与触发事件相关的数据保存或记录在存储器中。示波器320还可以保存在触发事件之前发生的数据，因为如果没有发生触发事件，经处理的数据可以在被丢弃之前保存在临时缓冲器中。这在图15中示意性地展示，在该图中，触发事件342有效地使得示波器保存在触发事件之前的某个时间开始的信号数据以及在触发事件之后的某个时间结束的信号数据。

数字示波器触发检测器包括简单和高级两种触发类型，这两种类型的触发参数可由用户设置。这些在数字示波器领域已知的可由示波器320来实现的触发类型包括但不限于简单的边沿触发(信号在设置阈值之上下降或上升)、复杂的边沿触发(信号在两个设置阈值之间下降和上升)、窗口触发(信号波形进入或离开设置的电压范围)、脉宽触发(在阈值和持续时间内的信号脉冲)、间隔触发(信号在设置持续时间内在设置阈值之上或之下无法上升或下降)、窗口脉宽触发(窗口和脉宽触发的结合)、水平失真触发(信号在无边沿的设置持续时间之后具有边沿)、窗口失真触发(窗口触发和水平失真触发的结合)、矮触发(跨越第一设置阈值而不是第二设置阈值的信号脉冲)、尖峰触发(超过设置幅度的信号尖峰)、协议触发(信号波形符合标准数据帧协议(诸如基金会现场总线(FOUNDATION FIELDBUS)H1或PROFIBUS数据帧协议))、多状态触发(由单独触发事件序列引起的触发)以及软件触发(用户自定义的信号波形)。

示波器320包括使得示波器320捕获和存储有限数量的数据以用于通过二线过程环路412进行传输的触发事件。在所展示的实施例中，单个数据捕获的范围从用于低分辨率(相对短的捕获窗口)的3千字节的数据到用于高分辨率(相对长的捕获窗口)的30千字节的数据。提供中间数据捕获以便提供在现场总线网络上细节VS长数据传输时间的灵活性。所展示的示波器320基于被触发的事件的类型设置默认采样率。高频率事件导致默认选择更高采样率和更短的捕获窗口而更低频率事件导致默认选择更低采样率和更长的捕获窗口以便优化细节VS数据传输时间。

图15展示了在监测二线过程环路314的同时可由示波器320识别的有限数据触发事件的部分但不一定全部。这些触发事件由“触发事件盒”来表示，事件触发盒的沿时间轴的宽度表示在其中记录并存储与触发事件相关的数据的时间间隔。对事件盒进行采样生成并存储的数据量是如前所述的采样率的函数。

触发事件盒344覆盖了由超过指定幅度并发生在给定时间跨度内的电压尖峰(正或负)引起的触发事件。示出了在数据帧传输之间的安静时间过程中发生的电压尖峰，但也可能发生在数据帧内。示波器对电压尖峰数据进行数字化和保存并且还保存了如触发事件盒的宽度所表示的尖峰前和尖峰后的信号数据。由于电压尖峰是有限的持续事件，因此具有相对少数的即使以相对高的采样率生成的数据点，这些数据点将通过环路412从示波器320被传输。

触发事件盒346覆盖了由数据帧的开始引起的触发事件。所记录的数据覆盖了在数据帧即将开始之前的部分安静时间以及数据帧的部分开始位(诸如基金会现场总线(FOUNDATION FIELDBUS)H1数据帧的前导的第一位或前两位)。触发事件盒348覆盖了由数据帧的结束引起的触发事件。所记录的数据覆盖了数据帧的部分结束位以及在数据帧即将结束之后的部分安静时间(诸如基金会现场总线(FOUNDATION FIELDBUS)H1数据帧的结束定界符的最后一位或两位)。由于从整体上与数据帧相比，触发事件盒346、348各自具有相对短的持续时间，因此具有相对少数的即使以相对高的采样率生成的数据点，这些数据点将通过环路412从示波器320被传输。

示波器320还包括生成相对大量数据的触发事件，用户意识到选择此类触发事件将需要相对长的时间以供示波器320通过环路412(与在专用的传输线上的传输相比)来传输数据。

在图16中还示出了此种更大数据触发事件的示例。触发事件盒350覆盖了由数据帧的传输引起的触发事件。所记录的数据覆盖了在数据帧即将开始之前的部分安静时间、数据帧自身以及在数据帧即将开始之后的部分安静时间。触发事件盒352覆盖了由数据帧之间的安静时间触发的触发事件。

可以将触发事件设置成只有当具体的用户选择的现场设备传输数据时才发生、或者可以将其设置成当不符合规范的事件发生时才触发、或者为在常规的示波器现场总线监测领域中已知的其他用户可选的触发事件。

除了使用以上所述的触发事件生成时域数据，分析和控制电路338还包括使用例如常规的快速傅立叶变换分析将时域数据变换为频域数据的频谱分析仪电路353(参见图17)，并且保存频谱数据。频域数据提供有关现场总线网络的物理层的有价值的信息。例如，50/60Hz峰值暗示由于AC市电电源线拾取导致的噪声。高频峰值可以暗示电源开关噪声、数字电路噪声等。

当用户对与数据信号位频相比的相对低的频率峰值感兴趣时(例如用户对基金会现场总线(FOUNDATION FIELDBUS)H1网络上的50/60Hz峰值感兴趣)，示波器320可被设置为与感兴趣的频率相当的更低采样率的样本数据。示波器320可以在低采样率利用触发事件盒352对50/60Hz峰值进行检测，并且可以使用来自大量触发事件盒352的数据以便得到足够的数据以用于频域分析。

示波器320可以生成相对大量的时域数据或频域数据。此类数据通过环路314可能需要不可接受的长传输时间(传输至用户)。为了减少传输时间，示波器320包括在减少通过环路314的传输时间的同时向用户提供有效诊断数据的附加特征。所展示的示波器320包括生成将相关数据进行可视化的图像的电路以及基于该相关数据生成基于文本的报告的报告撰写器。

分析和控制逻辑电路338进一步包括基于所保存的数据(时域数据或频域数据)生成图像并以标准化的图像文件格式(例如JPG、TIFF、BMP、GIF等)将该图像保存为文件的可视化电路354。参见图17。可使用常规的图像压缩技术对所保存的图像文件进行压缩。

图18展示了存储在图像文件中的图像356，该图像由从触发事件盒350保存的数据生成。图像356包括被绘制为曲线或函数358的信号数据，并且进一步包括表示现场总线物理层规范的AC数据信号的电压上限和下限的可视化边界线360和362，该现场总线物理层规范辅助用户看到数据帧是如何很好地符合协议。

针对信号数据是如何绘制的，图像356并不旨在限制绘制了哪些信号数据以及可将其他哪些可视化设备、标签或标记并入该图像以便辅助用户评估信号数据。

考虑到，示波器320将提供大量预定义的图像类型和图像格式以供用户从中选择。例如，用户可指示分析和逻辑电路338也使用从用于作为频率的函数生成图像绘制信号强度的时域数据得出的频域数据生成图像。

返回参照图17，分析和控制逻辑电路338还包括基于示波器数据生成基于文本的报告的报告撰写电路364。例如，报告文本可以简单地陈述数据帧16的波形符合物理层规范。以ASCII或统一码(UNICODE)格式准备文本报告并通过环路314进行传输。考虑到，示波器320将在时域和频域两者上提供大量预定义的报告类型以供用户从中选择。在又其他可能的实施例中，报告文本可以由指示“通过/失败”或“是/否”或其他二进制标准的布尔数据位组成。

如果发生某些重要的触发事件，现场设备310被配置成用于根据现场总线的未调度数据传输协议通过环路314对未调度数据帧或消息进行传输。例如，如果电压尖峰超过给定的幅度或者如果在给定的最低频率处发生电压尖峰，现场设备310可以传输未调度数据帧。

现场设备310还接收来自二线环路412的数据，该数据包括编程以用于定义新触发事件、基于图像或文本的上报、实用操作等的示波器320和/或微处理器322。

现场设备310的微处理器322可为现场设备310进行数值处理、图像处理、报告处理等中的一些或全部处理。在其他可能的实施例中，可消除微处理器322并且微处理器功能仅由示波器320进行。

在又其他可能的实施例中，现场设备310可包括常规的物理层诊断电路，该常规的物理层诊断电路通过现场设备端子312连接至二线环路412以便对与二线环路412或附接的支路的其他物理特点相关的数据进行监测、测量和传输。

在又进一步的可能的实施例中，现场设备310可并入诊断支路模块114。

在此披露的且在模块化设备耦合器110的非限制性实施例中展示的模块化设备耦合器的特征包括但不一定限于以下单独或与一个或多个其他特征任何组合的特征：

1.一种用于将在网络上传输电力和数据的干线与从该干线延伸的一个或多个支路进行耦合的现场总线网络的模块化设备耦合器，该模块化设备耦合器包括：

网关模块、至少一个支路耦合器模块以及本地总线，该本地总线与该干线分离；

该网关模块包括被配置成用于经由该干线进行通信的第一电路、从该干线为该网关模块供电的第二电路以及被配置成用于在该本地总线上与该至少一个支路耦合器模块进行通信的第三电路，

每一个至少一个支路耦合器模块包括被配置成用于从该干线为对应的支路耦合器模块供电的第一电路、被配置成用于与该支路进行通信的第二电路以及被配置成用于经由该本地总线与该网关模块进行通信的第三电路。

2.如特征1所述的模块化设备耦合器，其中，该网关模块的该第一电路被配置成用于完全为该网关模块而不是任何其他模块供电。

3.如特征1所述的模块化设备耦合器，其中，该网关模块包括从该干线为该本地总线供电的第四电路，并且每一个至少一个支路耦合器模块的该第一电路被配置成用于从该本地总线为对应的支路耦合器模块供电。

4.如特征3所述的模块化设备耦合器，其中，每一个至少一个支路耦合器模块的该第一电路包括被配置成用于为附接至对应的支路耦合器模块的支路供电的电路。

5.如特征4所述的模块化设备耦合器，其中，每一个至少一个支路耦合器模块的该第一电路与对应的支路耦合器模块的其他电路隔离。

6.如特征1所述的模块化设备耦合器，其中，该本地总线包括用于在该网关模块与每一个至少一个耦合器模块之间进行通信的串行通信总线。

7.如特征6所述的模块化设备耦合器，进一步包括被配置成用于经由该串行通信总线传输通信的背板连接系统。

8.如特征7所述的模块化设备耦合器，其中，仅需要一个网关模块以用于在该干线与每一个至少一个支路耦合器模块之间进行通信。

9.如特征8所述的模块化设备耦合器，其中，附加的一个或多个支路耦合器模块可附接至该背板连接系统，从而使能该干线与附加的一个或多个支路之间的通信。

10.如特征1所述的现场总线耦合器，其中，该网关模块的该第一电路被配置成用于使用以下各项中的一项与该干路进行通信：使用基金会现场总线(FOUNDATION FIELDBUS)协议、PROFIBUS协议、HART协议、MODBUS协议以及基于以太网的协议中的一项。

11.如前述特征中任一项所述的模块化设备耦合器，其中，每一个至少一个支路耦合器模块包括被配置成用于测量和提供附接至对应的耦合器模块的支路的物理层诊断的物理层诊断设备。

12.如特征11所述的模块化设备耦合器，其中，每一个至少一个支路耦合器模块的该物理层诊断设备被配置成用于仅与该网关模块而不是任何其他模块进行通信。

13.如特征12所述的模块化设备耦合器，其中，每一个至少一个支路耦合器模块的该物理层诊断设备与该网关模块之间的所有通信穿过该本地总线。

14.如特征11所述的模块化设备耦合器，其中，每一个支路耦合器模块的该物理层诊断设备仅由该本地总线来供电。

在此披露的且在模块化现场总线耦合器210的非限制性实施例中展示的现场总线耦合器的特征包括但不一定限于以下单独或与一个或多个其他特征任何组合的特征：

1.一种用于通过利用不同于第一现场总线协议的第二现场总线协议的互连网络传输线将利用该第一现场总线协议的本地现场总线网络耦合至外部现场设备或外部现场总线网络的现场总线耦合器，该现场总线耦合器包括：

第一电路，该第一电路被配置成使用该第一现场总线协议在该本地现场总线网络上进行通信；

第二电路，该第二电路被配置成将该现场总线耦合器与该互连网络传输线相连接并使用该第二现场总线协议在该互连网络传输线上进行通信；以及

第三电路，该第三电路被配置成与该第一和第二电路进行通信并能够向和从该第一和第二电路传输数据以便使得能够经由该互连网络传输线在该本地现场总线网络与该外部现场总线网络或该外部现场总线设备之间进行通信。

2.如特征1所述的现场总线耦合器，其中，该第二电路被配置成使用有线现场总线协议与该互连网络传输线进行通信。

3.如特征1所述的现场总线耦合器，其中，该第二电路被配置成使用无线现场总线协议与该互连网络传输线进行通信。

4.如特征1所述的现场总线耦合器，其中，该现场总线耦合器包括被配置成完全从该本地现场总线网络为该互连网络传输线供电的第四电路。

5.如特征4所述的现场总线耦合器，其中，该第四电路与该第一电路电隔离。

6.如特征1所述的现场总线耦合器，其中，该第三电路通过与该本地现场总线网络分离的本地总线与该第一电路进行通信。

7.如特征1所述的现场总线耦合器，其中，该第一电路被配置成使用基金会现场总线(FOUNDATION FIELDBUS)有线协议、PROFIBUS有线协议、HART有线协议、MODBUS有线协议以及基于以太网的有线协议中的一种协议与该本地现场总线网络进行通信，并且该第二电路被配置成使用基金会现场总线(FOUNDATION FIELDBUS)有线协议、PROFIBUS有线协议、HART有线协议、MODBUS有线协议、基于以太网的有线协议、WIRELESSHART无线协议、ZIGBEE无线协议、PROFIBUS无线协议以及基金会现场总线(FOUNDATION FIELDBUS)无线协议中的一种不同的协议与该互连网络传输线进行通信。

8.如特征1所述的现场总线耦合器，其中，该第一电路能够与该本地现场总线网络和该第三电路两者进行双向通信。

9.如特征1所述的现场总线耦合器，其中，该第二电路使用该第二现场总线协议附接至网络传输线的一端，并且该传输线包括附接至也使用该第二现场总线协议的外部现场总线设备或外部现场总线网络的第二端。

10.如特征1所述的现场总线耦合器，其中，该第二电路使用该第二现场总线协议附接至网络传输线的一端，并且该传输线包括附接至使用不同于该第二协议的现场总线协议的外部现场总线设备或外部现场总线网络的第二端。

11.如特征10所述的现场总线耦合器，其中，第二现场总线耦合器将该传输线的第二端连接至该外部现场总线设备或外部现场总线网络以用于在该传输线与该外部现场总线设备或外部现场总线网络之间进行通信。

12.如特征1所述的现场总线耦合器，包括：

网关模块、至少一个耦合器模块和本地总线；

该网关模块包括该第一电路；

该至少一个耦合器模块中的每一个耦合器模块包括该第二电路和该第三电路，每一个耦合器模块可连接至对应的互连网络传输线以便与对应的传输线进行通信；

该第一电路经由该本地总线与每一个至少一个耦合器模块的该第三电路进行通信；并且

该本地总线与该本地现场总线网络分离。

13.如特征12所述的现场总线耦合器，其中，该网关模块包括从该本地现场总线网络为该本地总线供电的第四电路，并且每一个至少一个耦合器模块包括完全从该本地总线为该至少一个耦合器模块供电的第五电路。

14.如特征13所述的现场总线耦合器，其中，每一个至少一个耦合器模块的该第二电路与对应的耦合器模块的该第三电路和该第四电路隔离。

15.如特征13所述的现场总线耦合器，其中，每一个至少一个耦合器模块包括完全从该本地总线为附接至对应的耦合器模块的该互连网络传输线供电的第六电路。

16.如特征13所述的现场总线耦合器，其中，每一个至少一个耦合器模块的该第六电路与对应的耦合器模块的该第二电路和该第三电路隔离。

17.如特征12所述的现场总线耦合器，其中，该本地总线包括用于在该网关模块与每一个至少一个耦合器模块之间进行通信的串行通信总线。

18.如特征17所述的现场总线耦合器，进一步包括被配置成经由该串行通信总线传输通信的背板连接系统。

19.如特征18所述的现场总线耦合器，其中，附加的一个或多个耦合器模块可附接至该背板连接系统，从而使得能够在该本地现场总线网络与附加的一个或多个外部现场总线设备或外部现场总线网络之间进行通信。

20.如特征12所述的现场总线耦合器，其中，仅需要一个网关模块用于在该本地现场总线网络与每一个至少一个耦合器模块之间进行通信。

21.如特征12所述的现场总线耦合器，其中，该网关模块的该第一电路能够与该本地现场总线网络进行双向通信并且能够与每一个至少一个耦合器模块的该第三电路进行双向通信。

22.如特征12所述的现场总线耦合器，其中，该至少一个耦合器模块包括两个耦合器模块，该两个耦合器模块的第二电路被配置用于不同的现场总线协议。

23.如特征12所述的现场总线耦合器，其中，该至少一个耦合器模块包括两个耦合器模块，该两个耦合器模块的第二电路被配置用于相同的现场总线协议。

24.如特征12所述的现场总线耦合器，其中，每一个至少一个耦合器模块包括物理层诊断电路，该物理层诊断电路被配置成与连接至对应的耦合器模块的传输线进行电连接以便为该传输线提供物理层诊断数据。

包括在此披露的示波器且在现场总线诊断设备310的非限制性实施例中展示的现场总线诊断设备的特征包括但不一定限于以下单独或与一个或多个其他特征任何组合的特征：

1.一种用于在传输线上携带电力和数据两者的现场总线网络的诊断设备，该数据作为包括模拟波形的电信号在该传输线上被传输，其中，该诊断设备包括：

一组端子，该组端子被配置成用于将该诊断设备与该传输线电连接；

第一电路，该第一电路连接至这些端子以便经由该现场总线网络进行通信，该第一电路是进入和离开该诊断设备的唯一通信路径；

第二电路，该第二电路连接至这些端子以便从该传输线完全为该诊断设备供电而无需任何其他电源；以及

示波器，该示波器连接至该组端子以便将该示波器与该传输线相连接以用于将波形数据数字化，该示波器仅由接收自该传输线的电力来供电并且连接至该第一电路以用于进入和离开该示波器的数据通信；

该示波器包括触发检测器(该触发检测器生成定义具有有限时长的触发事件盒的用户可选的触发事件)、存储器、在该触发事件盒内对该现场总线信号进行数字化的模数转换器、与将该经数字化的数据存储在存储器中的该存储器相耦合的分析和控制逻辑电路以及将该存储器与该第一电路进行通信以用于在该现场总线网络与该示波器之间进行通信的通信接口。

2.如特征1所述的诊断设备，其中，该诊断设备被配置成用于当所有与触发事件盒相关的数据已经被存储在存储器中后转移与该触发事件盒相关的数据。

3.如特征1所述的诊断设备，其中，数据作为具有表示在数据帧开始处的第一位、在该数据帧结束处的该第一位之后的以时间间隔开的末位以及一个或多个中间位的模拟波形的该数据帧在网络上被传输，该触发检测器被配置成用于打开在该第一位开始之前打开且在该数据帧结束之前关闭的触发事件盒。

4.如特征1所述的诊断设备，其中，数据作为具有表示在数据帧开始处的第一位、该第一位之后的以时间间隔开的末位以及一个或多个中间位的模拟波形的该数据帧在网络上被传输，该触发检测器被配置成用于打开在该数据帧开始之后打开且在该末位结束之后关闭的触发事件盒。

5.如特征1所述的诊断设备，其中，数据作为具有表示数据帧第一位、该第一位之后的以时间间隔开的末位以及一个或多个中间位的模拟波形的该数据帧在网络上被传输，该触发检测器被配置成用于打开在该数据帧开始之前打开且在该数据帧结束之后关闭的触发事件盒。

6.如特征3至5中任一项所述的诊断设备，其中，该触发检测器被配置为仅在检测到由在该现场总线网络上进行通信的预定现场设备生成的波形时才打开触发事件盒。

7.如特征1所述的诊断设备，其中，该触发设备被配置成用于打开触发事件盒，该触发事件盒包含超过预定幅度的电压尖峰。

8.如特征7所述的诊断设备，其中，该触发事件盒在该电压尖峰开始之前打开并且在该电压尖峰结束之后关闭。

9.如特征7所述的诊断设备，其中，数据作为由数据帧之间的安静时间间隔开的数据帧在网络上被传输，该触发检测器被配置成用于打开在一个安静时间期间打开和关闭的触发事件盒。

10.如特征1所述的诊断设备，其中，该示波器包括确定该示波器的采样率的时钟，该采样率在最小采样率与最大采样率之间是用户可选的。

11.如特征10所述的诊断设备，其中，该触发检测器打开在关闭之前的时间段内保持打开的触发事件盒，这与该示波器的采样率成反比。

12.如特征1所述的诊断设备，其中，该模数转换器生成时域数据并且该分析和控制逻辑电路包括从该时域数据生成和存储频域数据的频谱分析仪电路。

13.如特征12所述的诊断设备，其中，该频谱分析仪电路能够进行该时域数据的快速傅里叶变换分析。

14.如特征1或特征12所述的诊断设备，其中，该分析和控制逻辑电路包括被配置成用于从存储在存储器中的该示波器数据生成图像并将该图像数据存储在存储器中的可视化电路。

15.如特征14所述的诊断设备，其中，该可视化电路被配置成用于以以下图像格式中的至少一种图像格式生成和存储图像：JPG或JPEG格式、TIFF格式、BMP格式和GIF格式。

16.如特征14所述的诊断设备，其中，该可视化电路被配置为包括除了从该示波器数据生成的图像之外的标签或标记。

17.如特征16所述的诊断设备，其中，这些标签或标记是基于该现场总线网络的物理层规范。

18.如特征1或特征12所述的诊断设备，其中，该分析和控制逻辑电路包括从存储在存储器中的该示波器数据生成报告并将该报告存储在存储器中的报告撰写器。

19.如特征18所述的诊断设备，其中，该报告指示该波形或在触发事件盒中测量的波形的一部分是否符合该现场总线网络的至少一个物理层规范。

20.如特征1所述的诊断设备，其中，数据作为数据帧在网络上被传输并且该数据帧经由该诊断设备从该示波器被传输至该现场总线网络，每一个数据帧包括表示唯一标识符的数据，该唯一标识符使得即使该数据帧不是以正确的时间顺序被传输或接收该示波器数据帧仍以正确的时间顺序被放置。

21.如特征1所述的诊断设备，进一步包括物理层诊断电路，该物理层诊断电路仅由接收自该传输线的电力来供电并且连接至该第一电路以用于在该物理层诊断电路之间的数据通信。

虽然已经对一个或多个实施例进行了描述，但是应当理解，能够进行修改并且本披露不限于所要求保护的精确细节而是包括落入以下权利要求书的范围之内的此类改变和变更。