專利名稱:多協(xié)議場設(shè)備和通信方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及場設(shè)備(field devices)，并且更具體地說，涉及使用第一和第二通信協(xié)議以傳遞過程控制信息和配置信息的智能場設(shè)備。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代過程控制系統(tǒng)通常是基于微處理器的分布式控制系統(tǒng)(distributedcontrol systems，DCSs)。傳統(tǒng)的DCS配置包含一個或多個通過數(shù)據(jù)總線(例如以太網(wǎng))連接到一個或多個控制器的用戶接口設(shè)備，諸如工作站?？刂破魍ǔＮ锢砩辖咏谝粋€受控過程，并且連接到遍及該過程分布的很多電子監(jiān)控設(shè)備和場設(shè)備，諸如電子傳感器、發(fā)射機、電流到壓力轉(zhuǎn)換器、閥門定位器等。
在傳統(tǒng)的DCS中，通過在每一個控制器內(nèi)提供一種控制算法來分配控制任務?？刂破鳘毩⒌貓?zhí)行控制算法以控制連接到該控制器的場設(shè)備?？刂迫蝿盏倪@個分散(decentralization)提供了更大的整個系統(tǒng)靈活性。例如，如果用戶希望增加一個新過程或者一個過程的一部分到DCS，則用戶能夠連接一個附加控制器(具有一種適當?shù)目刂扑惴?到過程控制系統(tǒng)內(nèi)的傳感器、致動器等。作為選擇，如果用戶希望修改一個現(xiàn)有的過程，則可以例如經(jīng)由數(shù)據(jù)總線從一用戶接口向一個適當?shù)目刂破飨螺d新的控制參數(shù)或者控制算法。
為了提供改善的模塊性和制造商之間的(inter-manufacturer)兼容性，過程控制制造商近年來已經(jīng)進一步致力于過程內(nèi)的控制分散。這些較新的方案基于使用開放(即非專有的)協(xié)議，諸如HART、PROFIBUS、WORLDFIP、Device-Net、CAN和FoundationTMFieldbus(在下文中稱為“Fieldbus”)協(xié)議進行通信的智能場設(shè)備。這些智能場設(shè)備是有時候諸如具有Fieldbus設(shè)備的、基于微處理器的設(shè)備，諸如傳感器、致動器等，并且還執(zhí)行傳統(tǒng)上由DCS控制器執(zhí)行的控制環(huán)功能。由于智能場設(shè)備使用開放協(xié)議提供控制性能和通信，所以來自各個制造商的智能場設(shè)備通常能夠經(jīng)由一條共同的數(shù)字數(shù)據(jù)總線彼此通信，并且能夠互相操作(interoperate)以執(zhí)行一控制循環(huán)而不必插入DCS控制器。
智能場設(shè)備的配置通常是從過程控制系統(tǒng)內(nèi)的中央單元、諸如主系統(tǒng)或者工作站中實現(xiàn)的，或者作為選擇，可以是在場設(shè)備處使用便攜式配置工具、諸如個人計算機(例如膝上型計算機)在本地實現(xiàn)的，其中便攜式配置工具通常包含一個用于使用由智能場設(shè)備使用的特定通信協(xié)議來向場設(shè)備發(fā)送和接收通信的通信接口卡。另外，由于在本地配置一個場設(shè)備以確保場設(shè)備被適當?shù)门渲煤推鸬狡谕淖饔?，?jīng)常是非常有益的或者是一種需求，所以某些制造商提供了一種可以被用來在本地配置某些類型的智能場設(shè)備的特定目的手持式通信裝置。例如，使用HART通信協(xié)議的手持式通信裝置是可廣泛利用的。
通常應當理解，在本地配置場設(shè)備實質(zhì)上最小化或者消除了被不恰當配置的或者非正常工作的場設(shè)備將引起對人員的傷害和/或?qū)ω敭a(chǎn)的損害的可能性。此外，與便攜式個人計算機相比較，傳統(tǒng)的手持式通信裝置通常價格更低廉、更加小型、更輕、對環(huán)境壓力更有抵抗力等，并且因此，這些手持式通信裝置可以被用來以更加成本有效的和方便的方式有效地監(jiān)督智能場設(shè)備的本地配置。
然而，在使用Fieldbus通信協(xié)議的智能場設(shè)備(即Fieldbus設(shè)備)的情況下，本地配置是特別困難的，因為使用Fieldbus協(xié)議(其類似于可用來和使用HART協(xié)議進行通信的智能場設(shè)備一起使用的那些)進行通信的手持式通信裝置目前是不可得到的。因此，為了在本地配置使用Fieldbus通信協(xié)議的智能場設(shè)備，技術(shù)人員必須使用一個具有專門的Fieldbus接口卡的便攜式個人計算機，其中該Fieldbus接口卡允許個人計算機使用Fieldbus協(xié)議發(fā)送和接收信息。
不幸地，由于與不得不使用便攜式個人計算機來實現(xiàn)常規(guī)Fieldbus設(shè)備的本地配置有關(guān)的相對高的成本、環(huán)境穩(wěn)定性的缺乏和不方便之處，所以場技術(shù)人員、系統(tǒng)操作員等可以不考慮以上提到的危險，反而決定根據(jù)在過程控制系統(tǒng)內(nèi)的中央單元、諸如可用的主機或者工作站來配置智能場設(shè)備、諸如Fieldbus設(shè)備。然而，在其中過程控制系統(tǒng)沒有中央主機或者工作站的情況下、或者在其中系統(tǒng)主機或者工作站不起作用的情況下，場技術(shù)人員仍然可能被迫使用便攜式個人計算機來實現(xiàn)智能場設(shè)備的配置，而不考慮產(chǎn)生的高成本和不方便之處。

發(fā)明內(nèi)容智能場設(shè)備使用第一通信協(xié)議來傳遞過程控制信息，但是可以使用不同于該第一通信協(xié)議的第二通信協(xié)議進行配置。一般說來，在此描述的多協(xié)議場設(shè)備可以使用一個可容易得到的和便宜的手持式通信裝置、諸如HART通信裝置在本地配置，并且可以使用另一種通信協(xié)議、諸如Fieldbus協(xié)議傳遞過程控制信息和執(zhí)行過程控制動作。因此，在此描述的多協(xié)議場設(shè)備使得過程控制系統(tǒng)設(shè)計者能使用這樣的智能場設(shè)備來實現(xiàn)系統(tǒng)，其中該智能場設(shè)備能夠使用一種相對高速的數(shù)字協(xié)議(諸如Fieldbus協(xié)議)彼此以及向中央主機或者工作站傳遞過程控制信息，并且能夠使用一種相對低速的通信協(xié)議(諸如HART協(xié)議)在本地進行配置。由于在此描述的多協(xié)議場設(shè)備可以使用一種低速的通信協(xié)議、諸如HART協(xié)議進行配置，所以多協(xié)議場設(shè)備不必使用便攜式個人計算機進行配置。相反，在此描述的多協(xié)議場設(shè)備可以使用一個便宜的和小型的手持式通信裝置、諸如可很容易得到的并且通常被用來在本地配置使用HART協(xié)議的常規(guī)單協(xié)議智能場設(shè)備的HART通信裝置進行配置。
依據(jù)本發(fā)明的一個方面，一種用于在具有一條數(shù)字數(shù)據(jù)總線的過程控制系統(tǒng)中使用的場設(shè)備包含一個通信耦接到數(shù)字數(shù)據(jù)總線的第一通信接口，其適于處理具有第一協(xié)議的通信。該場設(shè)備進一步包含一個通信耦接到數(shù)字數(shù)據(jù)總線的第二通信接口，其適于處理具有不同于第一協(xié)議的第二協(xié)議的通信。
另外，該場設(shè)備包含一個存儲器和一個通信耦接到該存儲器、所述第一通信接口和第二通信接口的處理器。該處理器被編程用來處理具有第一協(xié)議的通信和具有第二協(xié)議的通信，并且可以被進一步編程用來使用具有用于過程控制的第一協(xié)議的通信和使用具有用于配置場設(shè)備的第二協(xié)議的通信。在某些實施例中，該第一通信接口可以進一步適于處理具有第一頻帶的通信，而第二通信接口可以進一步適于處理具有不同于第一頻帶的第二頻帶的通信。
依據(jù)本發(fā)明的另一個方面，一種和連接到數(shù)字數(shù)據(jù)總線的場設(shè)備進行通信的方法，包含以下步驟在場設(shè)備中經(jīng)由數(shù)字數(shù)據(jù)總線接收具有第一協(xié)議的通信，和在場設(shè)備中經(jīng)由數(shù)字數(shù)據(jù)總線接收具有不同于第一協(xié)議的第二協(xié)議的通信。該方法進一步包含步驟在通信耦接到數(shù)字數(shù)據(jù)總線的第一通信接口內(nèi)處理具有第一協(xié)議的通信，和在通信耦接到數(shù)字數(shù)據(jù)總線的第二通信接口內(nèi)處理具有第二協(xié)議的通信。
依據(jù)本發(fā)明的又一個方面，提供了一種用于在具有數(shù)字數(shù)據(jù)總線的過程控制系統(tǒng)中使用的場設(shè)備，包括第一通信接口，通信耦接到該數(shù)字數(shù)據(jù)總線，適于處理具有第一協(xié)議的通信；第二通信接口，通信耦接到該數(shù)字數(shù)據(jù)總線，適于處理具有不同于該第一協(xié)議的第二協(xié)議的通信；存儲器；以及處理器，通信耦接到所述存儲器、第一通信接口和第二通信接口，其中該處理器被編程用來處理具有第一協(xié)議的通信和具有第二協(xié)議的通信，該處理器還被編程以使用具有用于過程控制的第一協(xié)議的通信、和使用具有用于配置場設(shè)備的第二協(xié)議的通信。
依據(jù)本發(fā)明的又一個方面，提供了一種用于在具有數(shù)字數(shù)據(jù)總線的過程控制系統(tǒng)中使用的場設(shè)備，包括第一通信接口，通信耦接到該數(shù)字數(shù)據(jù)總線，適于處理具有第一協(xié)議的通信；第二通信接口，通信耦接到該數(shù)字數(shù)據(jù)總線，適于處理具有不同于該第一協(xié)議的第二協(xié)議的通信；存儲器；以及處理器，通信耦接到所述存儲器、第一通信接口和第二通信接口，其中該處理器被編程用來處理具有第一協(xié)議的通信和具有第二協(xié)議的通信，該第一通信接口還適于處理具有第一頻帶的通信，以及該第二通信接口還適于處理具有不同于第一頻帶的第二頻帶的通信。
依據(jù)本發(fā)明的又一個方面，提供了一種與耦接到數(shù)字數(shù)據(jù)總線的場設(shè)備進行通信的方法，該方法包括以下步驟在場設(shè)備中經(jīng)由該數(shù)字數(shù)據(jù)總線接收具有第一協(xié)議的通信；在場設(shè)備中經(jīng)由該數(shù)字數(shù)據(jù)總線接收具有不同于第一協(xié)議的第二協(xié)議的通信；在通信耦接到該數(shù)字數(shù)據(jù)總線的第一通信接口內(nèi)處理具有第一協(xié)議的通信，其中處理第一協(xié)議的步驟包括使用具有用于過程控制的第一協(xié)議的通信；以及在通信耦接到該數(shù)字數(shù)據(jù)總線的第二通信接口內(nèi)處理具有第二協(xié)議的通信，其中處理第二協(xié)議的步驟包括使用具有用于配置場設(shè)備的第二協(xié)議的通信。
依據(jù)本發(fā)明的又一個方面，提供了一種與耦接到數(shù)字數(shù)據(jù)總線的場設(shè)備進行通信的方法，該方法包括以下步驟在場設(shè)備中經(jīng)由該數(shù)字數(shù)據(jù)總線接收具有第一協(xié)議的通信，其中接收具有第一協(xié)議的通信的步驟包括接收在第一頻帶中的通信；在場設(shè)備中經(jīng)由該數(shù)字數(shù)據(jù)總線接收具有不同于第一協(xié)議的第二協(xié)議的通信，其中接收具有第二協(xié)議的通信的步驟包括接收在不同于該第一頻帶的第二頻帶中的通信；在通信耦接到該數(shù)字數(shù)據(jù)總線的第一通信接口內(nèi)處理具有第一協(xié)議的通信；以及在通信耦接到該數(shù)字數(shù)據(jù)總線的第二通信接口內(nèi)處理具有第二協(xié)議的通信。
依據(jù)本發(fā)明的另一個方面，一種使用便攜式配置工具在本地配置場設(shè)備的方法包含步驟通信耦接便攜式配置工具到場設(shè)備，并且使用第二通信協(xié)議從便攜式配置工具向場設(shè)備發(fā)送配置信息，其中該場設(shè)備具有一個用于處理具有第一協(xié)議的通信的第一通信接口、和一個用于處理具有第二協(xié)議的通信的第二通信接口。
圖1是使用智能場設(shè)備執(zhí)行過程控制活動的過程控制系統(tǒng)的示范性示意方框圖；圖2是可以在如圖1所示的過程控制系統(tǒng)內(nèi)使用的多協(xié)議智能場設(shè)備的示范性示意方框圖；圖3是如圖2所示的第一通信接口塊的更詳細的示意方框圖；圖4是如圖2所示的第二通信接口塊的更詳細的示意方框圖；圖5A到圖5B是顯示了可以實現(xiàn)如圖3所示的多協(xié)議智能場設(shè)備內(nèi)的幾個功能塊的一種方式的示范性電路圖；以及圖6是可以由如圖2所示的濾波器塊提供的頻率響應特性的示范性圖形表示。
具體實施方式雖然多協(xié)議智能場設(shè)備和與多協(xié)議智能場設(shè)備通信的方法在此被描述為使用Fieldbus和HART通信協(xié)議，但是在沒有脫離本發(fā)明的范圍和精神的情況下，能夠使用其他的和/或不同的通信協(xié)議作為替代。在討論本發(fā)明的細節(jié)之前，將提供對Fieldbus協(xié)議、依據(jù)這種協(xié)議配置的場設(shè)備、和在使用Fieldbus協(xié)議的過程控制系統(tǒng)中進行通信的方式的一般說明。然而，應當理解，雖然Fieldbus協(xié)議是被開發(fā)用于在過程控制系統(tǒng)中使用的相對新的數(shù)字通信協(xié)議，但是這種協(xié)議在本領(lǐng)域中是非常公知的，并且在公開的、分發(fā)的、和尤其可從在得克薩斯Austin的非營利組織總部Fieldbus Foundation中獲得的很多文章、手冊和說明書中進行了詳細描述。
Fieldbus協(xié)議是全數(shù)字的、串行、雙向通信協(xié)議，它提供了與場設(shè)備諸如傳感器、致動器、控制器、閥門等互連的雙線或者四線回路或者總線的標準化物理接口，其中所述場設(shè)備可以例如位于工廠或者車間的測試或者過程控制環(huán)境中。Fieldbus協(xié)議為在一個過程內(nèi)的場設(shè)備提供了局域網(wǎng)以允許這些場設(shè)備互相操作、并且在遍布該過程中的位置處執(zhí)行控制功能，和在執(zhí)行這些控制功能前后彼此通信，以實現(xiàn)整體控制策略。
圖1說明了使用智能場設(shè)備執(zhí)行過程控制活動的一個示范性過程控制系統(tǒng)10。該過程控制系統(tǒng)10包含用戶接口12和14，其可以是例如在通信網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)由系統(tǒng)級數(shù)據(jù)總線20連接到許多其它設(shè)備、諸如數(shù)據(jù)存儲設(shè)備16和控制器18的工作站。該系統(tǒng)級數(shù)據(jù)總線20可以是以太網(wǎng)數(shù)據(jù)總線或者其它任何適于傳輸數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)總線。該控制器18可以是例如DCS控制器，并且可以使用一種專有的通信協(xié)議或者以其它任何適當?shù)姆绞浇?jīng)由系統(tǒng)級數(shù)據(jù)總線20和用戶接口12和14進行通信。例如，控制器18可以經(jīng)由系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線20向用戶接口12和14發(fā)送警報和狀態(tài)信息，并且另外可以從用戶接口12和14接收用戶命令/請求?？刂破?8可以進一步包含用于在以任何常規(guī)或者其它任何期望的方式控制連接到控制器18的場設(shè)備中使用的控制算法。
具體說，控制器18經(jīng)由鏈接設(shè)備28與智能場設(shè)備22-26通信，其中該鏈接設(shè)備28可以是例如用于Fieldbus協(xié)議的輸入/輸出(I/O)卡。場設(shè)備22-26經(jīng)由使用非專有通信協(xié)議的數(shù)字數(shù)據(jù)總線30連接在一個通信網(wǎng)絡(luò)中。場設(shè)備22-26彼此以及和鏈接設(shè)備28進行通信，以和控制器18一起或者是獨立于控制器18執(zhí)行一個或多個過程控制回路。智能場設(shè)備22-26可以是例如Fieldbus兼容設(shè)備，在這樣的情況下數(shù)據(jù)總線30使用Fieldbus信號協(xié)議。然而，也能夠使用其它類型的設(shè)備和協(xié)議。例如，Profibus兼容設(shè)備可以被用于某些或者全部的場設(shè)備22-26。在那種情況下，Profibus兼容設(shè)備可以被配置為僅僅響應于來自控制器18的命令。換句話說，設(shè)備22-26可能沒有被配置為彼此發(fā)送命令(即相互操作)。
雖然在標準的多站(multi-drop)配置中如圖1所示的智能場設(shè)備22-26連接到數(shù)據(jù)總線30，在該多站配置中多個設(shè)備并聯(lián)連接到同一對數(shù)據(jù)總線線路，但是Fieldbus協(xié)議允許包含點到點連接、和樹或者“分支(spur)”連接的其它設(shè)備/線路拓撲結(jié)構(gòu)(topologies)，其中在點到點連接中每個設(shè)備經(jīng)由一個分離的雙線對連接到一控制器或者一主機(與4-20mA模擬DCS系統(tǒng)類似)，而在樹或者“分支(spur)”連接中每個設(shè)備連接到在雙線或者四線的總線中的公共點，該公共點可以是例如在過程控制系統(tǒng)內(nèi)的場設(shè)備之一中的接線盒或者終端區(qū)。
每一個智能場設(shè)備22-26能夠經(jīng)由數(shù)字數(shù)據(jù)總線30進行通信，并且能夠使用經(jīng)由在總線30上的通信信號由場設(shè)備從過程或者從不同的場設(shè)備中獲得的數(shù)據(jù)，來獨立地執(zhí)行一個或多個過程控制功能。具體說，F(xiàn)ieldbus設(shè)備能夠直接實現(xiàn)過去完全在DCS控制器內(nèi)執(zhí)行的整體控制策略的一部分。
如以下將更詳細討論的那樣，智能場設(shè)備22-26中的一個或多個可以是使用例如Fieldbus協(xié)議傳遞過程控制信息并且使用另一種用于配置目的的通信協(xié)議的多協(xié)議場設(shè)備。僅僅舉例來說，用于配置多協(xié)議智能場設(shè)備的通信協(xié)議可以是HART通信協(xié)議。因此，在此描述的多協(xié)議智能場設(shè)備能夠傳遞過程控制信息，并且能夠使用Fieldbus協(xié)議以相對高的速度和高精度實現(xiàn)過程控制活動，并且能夠使用一種可很容易得到的、便宜的、相對低速的HART通信裝置在本地進行配置，由此消除了對使用便攜式個人計算機實現(xiàn)本地配置的需要。當然，在此描述的多協(xié)議智能場設(shè)備例如可以使用Profibus通信協(xié)議而不是HART通信協(xié)議、或者是在HART通信協(xié)議之外使用Profibus通信協(xié)議執(zhí)行配置活動。
圖2是可以在如圖1所示的過程控制系統(tǒng)10內(nèi)使用的多協(xié)議智能場設(shè)備50的示范性示意方框圖。該場設(shè)備50包含功率調(diào)節(jié)單元52、第一和第二濾波器54和56、第一和第二通信接口塊58和60、處理器62、通信耦接到處理器62的存儲器64、和總線驅(qū)動器塊66。
眾所周知，在總線30使用Fieldbus協(xié)議的情況下，未調(diào)整的總線電壓可以在大約9伏直流電(VDC)和32VDC之間變化。功率調(diào)節(jié)單元52接收這個未調(diào)整的電壓，并且使用常規(guī)的或者其它任何適當?shù)姆至骱头€(wěn)壓(regulation)技術(shù)，以向在場設(shè)備50內(nèi)的、一般說來要求來自總線30的相對恒定的電流的電路提供相對恒定的電流和電壓。例如，可以向處理器62、存儲器64、通信接口塊58和60、或者在場設(shè)備50內(nèi)的其它任何電路或者功能塊提供大約5VDC的調(diào)整后的電壓。另外，功率調(diào)節(jié)單元52可以在需要時使用常規(guī)的或者其它任何功率調(diào)節(jié)技術(shù)來提供額外的和/或不同的調(diào)整電壓和電流。
實際上來說，盡管多協(xié)議智能場設(shè)備50能夠使用一種以上的協(xié)議實現(xiàn)通信，但是場設(shè)備50最好而不是必須適合于與至少一種特定協(xié)議的主要物理兼容性。換句話說，因為向場設(shè)備提供電源的方式實質(zhì)上可以隨正在使用的特定協(xié)議而改變，所以場設(shè)備50可能必須采用一個特定的物理接口以從總線30獲得電力。此外，通信線、電源線等的數(shù)目可能隨協(xié)議、并且有時候諸如隨Fieldbus協(xié)議顯著地改變，甚至可能隨協(xié)議的實現(xiàn)而改變。例如，可以使用常規(guī)回路供電的技術(shù)連同通信信號一起提供Fieldbus電源。作為選擇，可以使用和通信線分離的一條或多條線提供Fieldbus電源。
第一通信接口58通過第一濾波器54通信耦接到總線30。最好，而不是必須地，第一通信接口塊58適合于處理基于HART通信協(xié)議的通信。眾所周知，HART通信協(xié)議規(guī)定了在數(shù)字分組(即HART分組)中排列數(shù)字信息的方式，以及通過傳輸介質(zhì)、通常是線路物理傳送數(shù)字分組的方式。因為在可廣泛得到的文獻中很好地提供了HART協(xié)議的細節(jié)，所以在此不提供對HART協(xié)議的更詳細的討論。處理(即解調(diào)、解碼等)由第一通信接口58接收的HART通信，并且把包含在HART通信內(nèi)的消息發(fā)送給處理器62用于進一步的處理。使用HART通信發(fā)送的消息可以用來配置場設(shè)備50的操作，可以通過場設(shè)備50啟動某些動作，可以使場設(shè)備50停止執(zhí)行某些動作等。當然，第一通信接口58能夠適合于處理基于類似于HART協(xié)議或者不同于HART協(xié)議的另一種通信協(xié)議的通信。
如以下將更詳細討論的那樣，為了防止出現(xiàn)在總線30上的非HART信號妨礙第一通信接口58的動作，濾波器54適合于實質(zhì)上衰減具有超出通常與HART通信有關(guān)的頻帶或者頻率范圍的頻率的信號。例如，濾波器54可以適合于連接具有在大約1千赫(kHz)和2.2kHz之間的范圍內(nèi)的頻率的通信，而沒有任何重要的衰減，其中在大約1kHz和2.2kHz之間的范圍是與HART通信有關(guān)的頻率范圍，而具有大于大約2.2kHz以及小于大約1kHz的頻率的信號可能實質(zhì)上被衰減了。
第二通信接口60通過第二濾波器56通信耦接到數(shù)字數(shù)據(jù)總線30。最好，而不是必須地，第二通信接口60適合于處理基于Fieldbus協(xié)議的通信。如同HART協(xié)議的情況一樣，F(xiàn)ieldbus協(xié)議規(guī)定了在分組中排列數(shù)字數(shù)據(jù)的方式、以及物理上經(jīng)由數(shù)據(jù)總線30傳輸分組的方式。如以下更詳細討論的那樣，第二通信接口60包含從Fieldbus數(shù)據(jù)流中恢復(retrieve)數(shù)字信息并且把該數(shù)字信息傳送到處理器62用于進一步處理的電路。另外，第二通信接口60包含能夠處理從處理器62接收的數(shù)字通信以依據(jù)Fieldbus協(xié)議創(chuàng)建一個可經(jīng)由總線30傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流的電路。
第二濾波器56適合于實質(zhì)上衰減出現(xiàn)在總線30上的非Fieldbus信號(例如，HART通信)，并將任何實質(zhì)上未被衰減的Fieldbus通信耦接到第二通信接口60。眾所周知，F(xiàn)ieldbus協(xié)議通常使用大約31.25千位/秒的數(shù)據(jù)傳輸速率，其中該數(shù)據(jù)傳輸速率顯著地大于與HART通信有關(guān)的數(shù)據(jù)速率和頻帶。因此，由于第一濾波器54實質(zhì)上衰減了具有與Fieldbus通信有關(guān)的頻率的信號，以及由于第二濾波器實質(zhì)上衰減了具有與HART協(xié)議有關(guān)的頻率的信號，所以HART和Fieldbus通信可能同時出現(xiàn)在總線30的同一對線路上，而不干擾任何一個通信接口58和60的處理動作。
處理器62可以經(jīng)由一個或多個數(shù)據(jù)端口從通信接口58和60接收通信。例如，來自第一通信接口58的通信可以通過第一串行端口進入處理器62，而來自第二通信接口60的通信通過第二串行端口進入處理器62。作為選擇，處理器62可以主動地控制一個選擇電路(例如多路復用器)以將來自第一和第二通信接口58和60中任何一個的通信定線(route)到單個輸入端口。無論如何，處理器62能夠基于哪一個端口正在接收通信、和/或通信接口58和60中的哪一個目前正在由選擇電路定線到處理器62，來區(qū)分Fieldbus和HART通信。
處理器62可以使用一個或多個軟件例程68以處理從通信接口58和60接收的通信并對其做出響應。具體說，軟件例程68可包含已知的、用于處理HART通信和Fieldbus通信的處理方法。這種處理方法在本領(lǐng)域中是眾所周知的，并且因此，在此不會進一步進行描述。
響應于由例如手持式HART通信裝置70發(fā)送給場設(shè)備50的HART通信，處理器62可以發(fā)送應答的HART通信到第一通信接口58，其可以進一步處理和/或信號調(diào)節(jié)應答的HART通信，然后發(fā)送處理了的和/或信號調(diào)節(jié)了的應答HART通信到總線驅(qū)動器66。類似地，響應于由例如在過程控制系統(tǒng)10(圖1)內(nèi)的其它場設(shè)備、工作站等發(fā)送給場設(shè)備50的Fieldbus通信，處理器62可以發(fā)送應答的Fieldbus通信到第二通信接口60，其可以在發(fā)送Fieldbus通信到總線驅(qū)動器66之前進一步處理和/或信號調(diào)節(jié)應答的Fieldbus通信?？偩€驅(qū)動器66可以使用常規(guī)的信號調(diào)節(jié)技術(shù)、諸如電平移動、電流放大等，或者其它任何適當?shù)男盘栒{(diào)節(jié)技術(shù)，以經(jīng)由總線30傳送應答的HART和Fieldbus通信。
僅僅舉例來說，多協(xié)議智能場設(shè)備50可以實現(xiàn)過程控制活動，并且僅僅使用Fieldbus通信經(jīng)由總線30傳遞過程控制信息。例如，一個或多個智能場設(shè)備22-26(圖1)可以是一個如圖2所示的場設(shè)備50那樣的多協(xié)議智能場設(shè)備，并且因此，可以與其它多協(xié)議或者常規(guī)的單協(xié)議智能場設(shè)備互相操作以在系統(tǒng)10內(nèi)執(zhí)行過程控制活動。當然，如果期望的話，多協(xié)議場設(shè)備50可以使用Fieldbus通信用于其它任何標準或者已知的用途、諸如配置。另外，多協(xié)議智能場設(shè)備50可以和通信耦接到總線30的HART手持式通信裝置70進行通信。最好，但是不一定，HART通信裝置70可以被用來配置場設(shè)備50，而在這樣的情況下，包含配置信息的HART通信經(jīng)過第一濾波器54和第一通信接口58。
圖3是可以在如圖2所示的多協(xié)議智能場設(shè)備50內(nèi)使用的第一通信接口58的更詳細的示意方框圖。如圖3所示，第一通信接口58包含一個調(diào)制解調(diào)器100(即調(diào)制器/解調(diào)器)和一個振幅調(diào)整電路102。眾所周知，HART通信協(xié)議使用頻移鍵控技術(shù)發(fā)送數(shù)字信息，其中頻移鍵控技術(shù)可以例如使用2.2kHz的信號發(fā)送邏輯低(即，“0”)，并且可以使用具有大約1.2kHz的頻率的信號發(fā)送邏輯高(即，“1”)。眾所周知，HART協(xié)議基于主-從通信方案，借此當從屬設(shè)備被主設(shè)備尋址時從屬設(shè)備僅僅與主設(shè)備通信。當然，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會認識到，任何各種常規(guī)的調(diào)制解調(diào)器單元都可以被用來在第一通信接口58內(nèi)實現(xiàn)該調(diào)制解調(diào)器100。
當經(jīng)由總線30把HART通信發(fā)送給智能場設(shè)備50(使用，例如HART手持式通信裝置70)時，第一通信接口58使用調(diào)制解調(diào)器100來解調(diào)HART信號以形成包含數(shù)字字的數(shù)字數(shù)據(jù)流，其中所述數(shù)字字能夠由處理器62使用一個或多個例程68進行處理。相反地，當處理器62發(fā)送應答的HART通信到手持式通信裝置70時，經(jīng)由處理器62的輸出端口把由配置信息或者其它任何已經(jīng)使用HART協(xié)議編碼的信息組成的數(shù)字數(shù)據(jù)流發(fā)送到調(diào)制解調(diào)器100。調(diào)制解調(diào)器100然后依據(jù)HART協(xié)議調(diào)制數(shù)字數(shù)據(jù)流(即使用不同頻率來表示邏輯1和邏輯0)，并且把這個已調(diào)制的數(shù)據(jù)流發(fā)送到振幅調(diào)整電路102。振幅調(diào)整電路102控制發(fā)送給總線驅(qū)動器塊66的已調(diào)制信號的電平，并且總線驅(qū)動器塊66執(zhí)行在總線30上驅(qū)動遵從HART的信號所要求的任何波形成形、電平移動、電流放大等。
圖4是如圖2所示的第二通信接口60的更詳細的示意方框圖。如圖4所示，第二通信接口60包含連接到協(xié)議轉(zhuǎn)換單元112的介質(zhì)存取單元110。介質(zhì)存取單元110從總線30接收一個Fieldbus信號(在它已經(jīng)經(jīng)過第二濾波器56之后)，并且象本領(lǐng)域中眾所周知的那樣提取作為Fieldbus信號分量的數(shù)字位流、時鐘信號和數(shù)據(jù)有效信號。介質(zhì)存取單元110可以濾波出直流電壓、噪音信號、或者被包含在Fieldbus信號內(nèi)的(或者耦接到Fieldbus信號的)、并且不需要對Fieldbus信號內(nèi)包含的信息的后續(xù)處理的其它任何信號。
協(xié)議轉(zhuǎn)換單元112從介質(zhì)存取單元110接收提取的位流、數(shù)據(jù)有效信號和時鐘信號，并且把位流轉(zhuǎn)換成為能夠由一個或多個例程68處理的數(shù)字字。一般說來，協(xié)議轉(zhuǎn)換單元112可以使用市場上可買到的、使用已知技術(shù)解碼從Fieldbus信號中提取的位流的集成電路來實現(xiàn)。從位流中解碼的數(shù)字字然后可以由處理器62處理為Fieldbus命令、數(shù)據(jù)等，并且可以使用一個或多個例程68由處理器62生成適當?shù)膽鹜ㄐ拧?br> 來自處理器62的應答通信還可以被定線到協(xié)議轉(zhuǎn)換單元112和介質(zhì)存取單元110以在總線30上生成應答的Fieldbus通信。為了發(fā)送這些應答通信，協(xié)議轉(zhuǎn)換單元112依據(jù)Fieldbus協(xié)議把從處理器62接收的數(shù)字字轉(zhuǎn)換成為位流，并且介質(zhì)存取單元110使用已知的波形成形技術(shù)把這個位流嵌入在可兼容Fieldbus的信號中。眾所周知，F(xiàn)ieldbus協(xié)議要求位流使用Manchester編碼方案進行編碼。另外，F(xiàn)ieldbus協(xié)議要求使用一個信號經(jīng)由總線30傳送的Manchester編碼位流，其中該信號具有介于大約1伏和2伏峰峰值之間的振幅的近似梯形波形。
圖5是顯示了可以實現(xiàn)在如圖2所示的多協(xié)議智能場設(shè)備50內(nèi)的幾個功能塊的一種方式的示范性電路圖。如圖5所示，介質(zhì)存取單元110可以使用集成電路200來實現(xiàn)。僅僅舉例來說，集成電路200是在市場上可從日本Yokagawa買到的uSAA22Q。與uSAA22Q有關(guān)的功能、特征和應用信息的詳細說明可以在由Yokagawa提供的可普遍得到的文獻中找到。
除了執(zhí)行介質(zhì)存取單元110的功能之外，集成電路200還執(zhí)行第二濾波器塊56的功能。電容器C1和C2(分別連接到uSAA22Q的“SIGIN”和“HPF”端)是可以被調(diào)節(jié)以設(shè)置一個低截止頻率的有源濾波器的一部分，其中該低截止頻率超出與HART通信有關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸速率和頻帶(即超出2.2kHz)。雖然集成電路200被描述為uSAA22Q，但是也可以使用其它可在市場上買到的、由諸如National Semiconductor、Siemens等公司制造的集成電路芯片作為替代。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會認識到，可以以各種方式實現(xiàn)集成電路200的功能而不背離本發(fā)明的范圍。例如，介質(zhì)存取單元110和第二濾波器56的功能可以使用分立電路，包含運算放大器、晶體管、電阻、電容器等來實現(xiàn)，而不背離本發(fā)明的范圍。
圖5還顯示了振幅調(diào)整電路102、總線驅(qū)動器66和極性保護電路202的示范性實現(xiàn)。盡管這些電路被顯示為由分立有源和無源元件構(gòu)成，但是作為選擇這些電路能夠使用在半導體芯片內(nèi)集成的電路來實現(xiàn)。如圖5所示，極性保護電路202可以使用多個以橋接器配置連接的二極管D2、D3、和D5-D7連同transorb D4一起來實現(xiàn)，其中可以包含該transorb D4以抑制經(jīng)由總線30傳導到多協(xié)議智能場設(shè)備50的輸入端(即，LOOP+和LOOP-端)、可能有破壞性的瞬變現(xiàn)象。如圖5中所示的那樣，總線驅(qū)動器66可以使用電流消耗(sink)晶體管Q4、和包含晶體管Q3和Q4的電流反射鏡來實現(xiàn)。另外，圖5顯示了振幅調(diào)整電路102是使用包含電阻Ra和Rb的無源電阻網(wǎng)絡(luò)(即分壓器)而實現(xiàn)的。
圖6是可以在如圖2所示的第一和第二濾波器塊54和56內(nèi)使用的頻率響應特性的示范性圖形表示。如圖6所示，第一濾波器塊54具有有高截止頻率302的第一頻率響應特性300，而第二濾波器塊56具有有低截止頻率306的第二頻率響應特性304。如能夠在圖6中看到的那樣，與HART通信有關(guān)的頻率或者頻帶308在第一頻率響應特性300的通頻帶之內(nèi)，并且實質(zhì)上被第二濾波器塊56的第二特性304衰減(例如大約-40dB)。此外，與Fieldbus通信有關(guān)的頻帶310在第二濾波器塊56的第二響應特性304的通頻帶之內(nèi)，并且實質(zhì)上被第一濾波器塊54的第一特性300衰減(即大約-40dB)。當然，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會認識到，濾波器特性300和304可以不同于所示的那些，而沒有背離本發(fā)明的范圍。例如，可以使用在第一濾波器塊54中的Fieldbus信號的或多或少的衰減、和/或在第二濾波器塊56中的HART信號的或多或少的衰減。此外，可以使用例如無源濾波技術(shù)、有源濾波技術(shù)等以任何常規(guī)的或者其它任何方式實現(xiàn)濾波器塊54和56，并且可以經(jīng)由相應的接收電路、調(diào)制解調(diào)器、介質(zhì)存取單元等來調(diào)整信號振幅。
盡管多協(xié)議智能場設(shè)備在此被描述為使用兩種不同的協(xié)議(例如，F(xiàn)ieldbus和HART)，但是可以使用兩種以上的協(xié)議而沒有背離本發(fā)明的范圍。例如，如圖2所示的智能場設(shè)備50能夠很容易被修改，以便使每一個通信接口58和60處理具有相同物理層的多種協(xié)議。例如，第二通信接口60能夠處理Fieldbus和Profibus信號，并且處理器62能夠檢查從通信接口60接收的數(shù)字字的格式以自動地確定或者檢測哪一種協(xié)議正在被處理。更進一步，能夠向場設(shè)備50增加額外的通信接口以允許場設(shè)備使用兩種以上的協(xié)議。
另外，如果期望的話，在此描述的多協(xié)議場設(shè)備內(nèi)使用的協(xié)議可以被使用用于各種不同的目的。例如，協(xié)議可以被用來實現(xiàn)過程控制動作、配置動作、測試動作等。此外，例如，每一種協(xié)議可以被用來實現(xiàn)超過一種類型的動作。因此，一種給定的協(xié)議可以被用來實現(xiàn)過程控制、配置和測試動作的任何期望的組合。
如果以軟件實現(xiàn)，則在此討論的功能塊和方法可以被存儲在諸如磁盤、激光盤、或者其它存儲介質(zhì)、計算機的RAM或者ROM、控制器、場設(shè)備等之類的任何計算機可讀存儲器中。同樣地，可以經(jīng)由任何已知的或者期望的傳送方法、包含例如經(jīng)由諸如電話線、因特網(wǎng)等之類的通信信道把這個軟件傳遞給用戶或者設(shè)備。
雖然已經(jīng)參考僅僅用于說明而不是限制本發(fā)明的具體例子描述了本發(fā)明，但是對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，顯然可以對公開的實施例進行改變、補充或者刪除而不背離本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于在具有數(shù)字數(shù)據(jù)總線的過程控制系統(tǒng)中使用的場設(shè)備，包括第一通信接口，通信耦接到該數(shù)字數(shù)據(jù)總線，適于處理具有第一協(xié)議的通信；第二通信接口，通信耦接到該數(shù)字數(shù)據(jù)總線，適于處理具有不同于該第一協(xié)議的第二協(xié)議的通信；存儲器；以及處理器，通信耦接到所述存儲器、第一通信接口和第二通信接口，其中該處理器被編程用來處理具有第一協(xié)議的通信和具有第二協(xié)議的通信，該處理器還被編程以使用具有用于過程控制的第一協(xié)議的通信、和使用具有用于配置場設(shè)備的第二協(xié)議的通信。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1的場設(shè)備，其中該第一通信接口進一步適于處理具有第一頻帶的通信，并且該第二通信接口進一步適于處理具有不同于第一頻帶的第二頻帶的通信。
3.根據(jù)權(quán)利要求
2的場設(shè)備，進一步包括耦接在所述數(shù)字數(shù)據(jù)總線和第一通信接口之間的第一濾波器，其中該第一濾波器將具有第一頻帶和第一協(xié)議的通信耦接到第一通信接口，并且實質(zhì)上衰減具有第二頻帶和第二協(xié)議的通信。
4.一種用于在具有數(shù)字數(shù)據(jù)總線的過程控制系統(tǒng)中使用的場設(shè)備，包括第一通信接口，通信耦接到該數(shù)字數(shù)據(jù)總線，適于處理具有第一協(xié)議的通信；第二通信接口，通信耦接到該數(shù)字數(shù)據(jù)總線，適于處理具有不同于該第一協(xié)議的第二協(xié)議的通信；存儲器；以及處理器，通信耦接到所述存儲器、第一通信接口和第二通信接口，其中該處理器被編程用來處理具有第一協(xié)議的通信和具有第二協(xié)議的通信，該第一通信接口還適于處理具有第一頻帶的通信，以及該第二通信接口還適于處理具有不同于第一頻帶的第二頻帶的通信。
5.根據(jù)權(quán)利要求
4的場設(shè)備，進一步包括耦接在所述數(shù)字數(shù)據(jù)總線和第一通信接口之間的第一濾波器，其中該第一濾波器將具有第一頻帶和第一協(xié)議的通信耦接到第一通信接口，并且實質(zhì)上衰減具有第二頻帶和第二協(xié)議的通信。
6.一種與耦接到數(shù)字數(shù)據(jù)總線的場設(shè)備進行通信的方法，該方法包括以下步驟在場設(shè)備中經(jīng)由該數(shù)字數(shù)據(jù)總線接收具有第一協(xié)議的通信；在場設(shè)備中經(jīng)由該數(shù)字數(shù)據(jù)總線接收具有不同于第一協(xié)議的第二協(xié)議的通信；在通信耦接到該數(shù)字數(shù)據(jù)總線的第一通信接口內(nèi)處理具有第一協(xié)議的通信，其中處理第一協(xié)議的步驟包括使用具有用于過程控制的第一協(xié)議的通信；以及在通信耦接到該數(shù)字數(shù)據(jù)總線的第二通信接口內(nèi)處理具有第二協(xié)議的通信，其中處理第二協(xié)議的步驟包括使用具有用于配置場設(shè)備的第二協(xié)議的通信。
7.一種與耦接到數(shù)字數(shù)據(jù)總線的場設(shè)備進行通信的方法，該方法包括以下步驟在場設(shè)備中經(jīng)由該數(shù)字數(shù)據(jù)總線接收具有第一協(xié)議的通信，其中接收具有第一協(xié)議的通信的步驟包括接收在第一頻帶中的通信；在場設(shè)備中經(jīng)由該數(shù)字數(shù)據(jù)總線接收具有不同于第一協(xié)議的第二協(xié)議的通信，其中接收具有第二協(xié)議的通信的步驟包括接收在不同于該第一頻帶的第二頻帶中的通信；在通信耦接到該數(shù)字數(shù)據(jù)總線的第一通信接口內(nèi)處理具有第一協(xié)議的通信；以及在通信耦接到該數(shù)字數(shù)據(jù)總線的第二通信接口內(nèi)處理具有第二協(xié)議的通信。
專利摘要
一種多協(xié)議智能場設(shè)備使用Fieldbus通信協(xié)議來傳遞過程控制信息，并且使用HART通信協(xié)議來允許經(jīng)由手持式HART通信裝置本地配置該場設(shè)備。該多協(xié)議智能場設(shè)備包含通信耦接到數(shù)字數(shù)據(jù)總線、適于處理從HART手持式通信裝置接收的和發(fā)送給HART手持式通信裝置的HART通信的第一通信接口。該多協(xié)議智能場設(shè)備進一步包含通信耦接到數(shù)字數(shù)據(jù)總線、適于處理Fieldbus通信的第二通信接口。另外，該多協(xié)議智能場設(shè)備包含耦接在第一通信接口和數(shù)字數(shù)據(jù)總線之間、實質(zhì)上衰減具有與Fieldbus通信有關(guān)的頻率的信號的第一濾波器，和耦接在第二通信接口和數(shù)字數(shù)據(jù)總線之間、實質(zhì)上衰減具有與HART通信有關(guān)的頻率的信號的第二濾波器。
文檔編號G05B19/05GK1997021SQ200610166991
公開日2007年7月11日 申請日期2002年7月10日
發(fā)明者史蒂夫·A·帕克伍德, 布倫特·H·拉森, 拉里·K·布朗 申請人:費舍-柔斯芒特系統(tǒng)股份有限公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan