[發(fā)明專利]現(xiàn)場總線發(fā)射/接收器接口、具有接口的系統(tǒng)和編碼方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110355130.7
• 申請日: 2021-04-01
• 公開（公告）號: CN113497746B
• 公開（公告）日: 2023-03-17
• 發(fā)明（設計）人: 比約恩·哈斯
• 申請（專利權）人: 恩德萊斯和豪瑟爾分析儀表兩合公司
• 主分類號: H04L12/40
• 分類號: H04L12/40;H04L67/12
• 代理公司: 中原信達知識產權代理有限責任公司 11219
• 代理人: 穆森;戚傳江

本發(fā)明涉及現(xiàn)場總線發(fā)射/接收器接口、具有接口的系統(tǒng)和編碼方法。用于現(xiàn)場設備或控制中心的現(xiàn)場總線發(fā)射器接口包括計算單元、數(shù)字門、模擬傳輸濾波器和發(fā)射器接口輸出端。計算單元連接到數(shù)字門，數(shù)字門連接到模擬傳輸濾波器，模擬傳輸濾波器連接到發(fā)射器接口輸出端。計算單元包括脈沖寬度調制器和脈沖寬度調制器時鐘，脈沖寬度調制器時鐘生成次級信號，次級信號通過占空比被編碼，占空比通過脈沖寬度調制器時鐘隨時間變化，并且脈沖寬度調制器將次級信號與載波信號疊加，以生成頻率小于150kHz的數(shù)字傳輸信號。數(shù)字門和模擬發(fā)射濾波器將數(shù)字傳輸信號轉換為模擬回路信號。發(fā)射器接口輸出端連接到遠程站，以將模擬回路信號傳輸?shù)竭h程站。

技術領域

本發(fā)明涉及一種現(xiàn)場總線發(fā)射器接口、一種現(xiàn)場總線接收器接口和一種具有這兩個接口的系統(tǒng)，以及一種用于現(xiàn)場總線發(fā)射器接口的編碼方法。

背景技術

在過程分析領域的工業(yè)工廠中，使用現(xiàn)場設備來測量化學過程的各種參數(shù)，例如，通過現(xiàn)場設備中存在的測量電子設備進行測量。現(xiàn)場設備將測量的參數(shù)傳達給控制中心，以分析和監(jiān)視過程。稱為HART(可尋址遠程傳感器高速通道)的用于開發(fā)工業(yè)現(xiàn)場總線的標準化通信系統(tǒng)，被用于在現(xiàn)場設備和控制中心之間進行通信。

HART促進多個現(xiàn)場設備經(jīng)由公共數(shù)據(jù)總線的數(shù)字通信。為了使現(xiàn)場設備和控制中心能夠經(jīng)由HART傳輸和接收數(shù)據(jù)，兩者都必須包含現(xiàn)場總線接口?，F(xiàn)場總線接口使得現(xiàn)場設備與控制中心之間能夠進行數(shù)字/模擬混合通信。圖1和圖2示出了用于例如4mA至20mA之間的模擬頻帶AB中的模擬通信的模擬信號，以及用于例如1200Hz至2200Hz之間的數(shù)字頻帶DB中的數(shù)字通信的數(shù)字信號。例如，模擬信號指示傳感器的測量值。例如，數(shù)字信號指示傳感器特定的設備信息。

對于這樣的混合通信，使用具有波特率例如為1200BAUD的異步串行接口，編碼信息，諸如開始位、停止位、數(shù)據(jù)位和奇偶校驗位(參見圖3中的數(shù)字信號，虛線)。這樣的經(jīng)編碼信號被稱為數(shù)字UART信號。

對于混合通信，基于簡稱為FSK方法的“移頻鍵控”使用與數(shù)字UART信號相對應的編碼，當在如圖3中的一個模擬正弦信號(不間斷線)表示的數(shù)字信號的電平改變期間保持相位位置時，該方法在較高和較低載波頻率之間切換。通常使用1200Hz至2200Hz的載波頻率。為了簡化目的，在本文件中我們將這樣的頻率調制信號稱為正弦信號或載波信號。對于符合HART現(xiàn)場總線標準的FSK編碼的UART信號，重要的是，在頻率改變或數(shù)據(jù)位改變期間，模擬正弦信號的相位必須穩(wěn)定地連續(xù)，并且不得失真。這意味著模擬信號的信號曲線中不得存在跳變，并且必須避免頻率改變期間信號的相移。

通常，現(xiàn)場設備具有兩條線路，這兩條線路形成電流回路并用于與控制中心的數(shù)據(jù)傳輸并可能用于能量供應(所謂的兩線設備)。在一些情況下，電力供應和數(shù)據(jù)傳輸是經(jīng)由單獨的電流回路發(fā)生的。在這些情況下，第一電流回路用于電力供應，而單獨的電流回路用于數(shù)據(jù)傳輸(所謂的四線設備)。

在用于潛在爆炸區(qū)域的所謂本質安全現(xiàn)場設備中，出于安全原因，能量供應和數(shù)據(jù)傳輸通常僅經(jīng)由一個電流回路發(fā)生，也就是說，僅經(jīng)由兩條線路發(fā)生。在這樣的現(xiàn)場設備中可用于操作的功率尤其出于安全原因而受到嚴格限制，具體地是限于典型的最大約為40mW。

除了用于控制接口的電路外，現(xiàn)場總線設備通常還具有所謂的微控制器模塊，微控制器模塊準備數(shù)字數(shù)據(jù)，以經(jīng)由現(xiàn)場總線接口進行混合通信，以進行傳輸和接收操作。通常，這樣的微控制器不是專門為這種現(xiàn)場總線任務設計的，并且通常不允許直接連接到所謂的“物理層”上的現(xiàn)場總線接口的電路，也就是說，它們不包括被專門設計成以其模擬形式(經(jīng)FSK編碼的)輸出HARD UART數(shù)據(jù)信號的硬件模塊。通常，還存在可以以其數(shù)字形式生成和讀取UART信號的硬件組件，即所謂的UART接口。例如，通常在微控制器中不將例如將適合生成或解碼1200Hz/2200Hz FSK正弦信號并且可以連接到UART的解調器或調制器電路設置為硬件。