CN101099333A - 用于在现场总线和串行网络连接之间耦合功率和数据的隔离系统 - Google Patents

用于在现场总线和串行网络连接之间耦合功率和数据的隔离系统 Download PDF

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Abstract

一种把来自现场总线线路(104)的现场总线数据(102)耦合至网络线路(106)的系统(100)。该系统包括把数据转换成USB数据(113)的数据格式转换器(108)。包括第一绝缘屏障(112)的耦合器(110)与转换器级联地耦合。主机(114)接收USB数据。该主机具有数据服务器接口(116)和网络连接(118)。该数据服务器接口向网络线路(106)提供数据。包括第二绝缘屏障(124)的调节器(122)对主机和现场总线线路之间的功率进行耦合。数据和功率在现场总线线路和网络线路之间被隔离地耦合。

Description

用于在现场总线和串行网络连接之间耦合功率和数据的隔离系统
背景技术
现场总线网络为例如压力、温度和流量传送仪以及阀门致动器的工厂设备提供通讯。现场总线网络典型地遍布在工厂环境的广阔区域中。控制网络执行更高等级的过程控制功能并典型地位于一个或更多个远离工厂环境的控制室中。
现场总线网络携带来自传送仪和致动器的实时过程数据。希望把来自现场总线网络的实时过程数据转移或“桥接”至控制网络，从而控制网络能够快速访问与工厂中的情形有关的信息。
然而，如果现场总线网络和控制网络被“桥接”或通过传统的连接方式而连接，则结果不能令人满意。现场总线网络典型地被接地到工厂环境中的某个点(过程地)，而且控制网络被接地到控制室环境中的某个点(控制网络地)。当现场总线网络和控制网络被桥接时，形成了不希望的接地环路。过程地和控制网络地之间的电势差导致噪声电流横流(flow over)到网络地导线。该噪声能够导致现场总线网络和控制网络的低性能。
另外，现场总线网络中的数据根据现场总线数据格式或协议而被格式化，其典型地不与控制网络中的数据格式化相兼容。需要进行数据格式转换，以把数据从现场总线网络转移至控制网络。然而，数据格式转换需要功率，而且提供所需功率以转换数据会导致从现场总线网络中吸取过多的功率，或导致另外的不希望的接地环路。
需要这样一种系统，即该系统沿着经过该系统的数据格式转换路径、或经过该系统的供电路径，把数据从现场总线网络转移到控制网络而不会引入不希望的接地环路。
发明内容
公开了一种用于把从现场总线接口接收到的具有现场总线格式的数据耦合至网络连接的系统。该系统包括耦合在现场总线接口和桥接器USB接口之间的数据格式转换器。该转换器将数据转换成USB格式的数据。耦合器与转换器级联耦合。该耦合器包括第一绝缘屏障。
该系统包括接收USB格式的数据的主机，其包括提供数据至网络连接的数据服务器接口。该系统还包括在桥接器USB接口和现场总线接口之间耦合功率的调节器。该调节器包括第二绝缘屏障。通过使用第一和第二绝缘屏障，数据和功率在现场总线接口和桥接器USB接口之间被隔离耦合。
在阅读下面的详细说明以及参考相关的附图时，其它特征和优点将更明显。
附图说明
图1示出了耦合在过程控制总线和网络之间的桥接器和主机数据服务器。
图2-3示出了桥接器的第一实施例的详细示意图。
图4示出了功率限制器电路的控制流程图。
图5示出了可与主机相连的桥接器的第二实施例，该主机不能提供为桥接器供电的USB功率。
图6示出了可与主机相连的桥接器600的第三实施例，该主机能提供为桥接器和现场总线线路供电的USB功率。
具体实施方式
图1示出了一种用于把从现场总线线路104接收的数据102耦合至网络线路106的系统，其中网络线路106把该数据耦合至控制网络120。数据102典型地包括实时过程变量，例如压力、温度、流量、阀门设置和类似的由现场设备，例如与现场总线线路104连接的过程传送仪(未示出)或控制阀门(未示出)所产生的变量。另一方面，控制网络120典型地包括与现场总线网络相比在更高的系统控制等级上操作的网络。
需要在现场总线线路104和网络线路106之间传递数据，从而网络120能够访问来自现场设备的实时数据。如果现场总线线路104被直接连接至网络线路106(或与其共享公共导线)，则会形成同时向网络线路106和现场总线线路104引入噪声的电接地环路。该噪声的电势会导致网络120或与现场总线线路相连的现场设备发生故障。
如下文所述，图1中所示的系统100通过为数据通信提供第一电化隔离屏障而避免了该直接连接(或共享公共导线)。图1所示的电路需要用于其自身操作的电功率。如下文所述，图1中的系统100还把功率耦合经过第二电化隔离屏障，以避免顺着数据格式转换路径和供电路径的接地环路。
系统100为了网络兼容性而重新格式化现场总线数据102。系统100把根据现场总线协议而格式化的数据102转换为网络线路106上通信的数据，该数据根据标准的网络协议而被格式化，例如HSE(FF高速以太网)、OPC(用于过程控制的OLE)、Modbus TCP、HTTP、FTP、Web service或其它标准协议。系统100提供现场总线线路104和网络线路106之间的电化隔离。系统100还提供了电化隔离柔性(flexible)功率调节装置，用于使用来自多个交替的现场总线或USB电源的功率为数据转换供电。
系统100优选地包括数据处理级的级联，该数据处理级包括：H1现场总线接口136、H1-现场总线-至-SCI转换器137、SCI-至-USB转换器108和USB接口130。SCI-至-USB转换器108和H1-现场总线-至-SCI转换器137执行连续的转换步骤，将根据现场总线协议的数据102转换为根据通用串行总线(USB)协议的USB数据113。
耦合器110包括第一绝缘屏障112，第一绝缘屏障112提供了与USB接口130电连接的电路108和与其相对的(vis-a-vis)与现场总线线路104电连接的电路137、136、144之间的电化隔离。耦合器110中的绝缘屏障112耦合数据，但阻止电流流过屏障112。绝缘屏障112阻止了沿着数据处理路径的接地回路。耦合器110优选地包括双向磁阻耦合器或双向光耦合器。数据以光或磁的形式而不是电流或电压的形式流过绝缘屏障112。
主机数据服务器114，优选地为个人计算机，接收USB数据113。主机114包括数据服务器接口116和网络连接118。数据服务器接口116把源自现场总线104的重新格式化并隔离的数据提供给网络连接118。主机114优选地包括耦合至数据服务器接口116的现场总线数据表126。现场总线数据表126中的数据字段被USB数据113更新。网络连接118连接至网络线路106。网络线路106耦合至网络120。网络120可通过在网络线路106和网络连接118上与数据服务器接口116通信而访问数据102。
系统100还包括调节器122。该调节器122对主机114和现场总线线路104之间的功率进行耦合。调节器122包括第二绝缘屏障124。第二绝缘屏障124优选地包括把隔离的电源变压器的主线圈和次线圈相分离的绝缘材料。第二绝缘屏障124耦合功率，但阻止电流流过该屏障124。功率以磁场的形式而不是电流或电压的形式通过绝缘屏障124。调节器122中的绝缘屏障124耦合功率，但阻止电流流过该屏障124。绝缘屏障124防止沿着调节器路径的接地回路。在一个优选设置中，转换器108、耦合器110和调节器122被装配到桥接器128中。桥接器128关于数据和功率传输是电化隔离的。
在这个实施例中，第一USB接口130把来自转换器108的数据耦合至主机114，并把来自主机114的功率耦合至调节器122。主机包括把数据和功率耦合至桥接器128的第二USB接口132。系统100包括耦合在第一USB接口130和第二USB接口132之间的USB电缆134，用于携带数据和功率。数据能够在从现场总线线路至网络120的单方向上流动，或者能够在现场总线线路104和网络120之间双向流动。
桥接器128把USB接口130与现场总线线路104电化隔离。桥接器128是现场总线线路104和USB接口130之间流动的电流的屏障。然而，桥接器128允许数据和功率(激励)在现场总线连接136和USB接口130之间流动。下面通过图2-3所示的例子更加详细地描述桥接器128。
图2-3示出了桥接器200。当把图2-3放置在一起以形成桥接器200的完整示意图时，图2-3会得到最佳的理解。
桥接器200包括数据格式转换器208(图2)，与电化隔离耦合器210、H1现场总线至SCI数据格式转换器237和H1现场总线接口236(其部分同时显示在图2，3中)级联地耦合。数据格式转换器237把从H1现场总线接口236接收的(TX/RX)格式化的数据转换至SCI格式的数据。SCI格式的数据经过电话隔离耦合器210耦合至转换器208。数据格式转换器208在作为USB接口230一部分的USB触点USB-2、USB-3上提供USB数据213。电化隔离耦合器210包括提供现场总线线路202和转换器208之间的电化隔离的第一绝缘屏障212。耦合器210包括双向磁阻耦合器。在优选的设置中，耦合器210包括可以从Analog Device，One Technology Way，Norwood，MA02062-9106USA获得的ADUM 1301。
桥接器200还包括调节器222，其包括图2-3中被由交替的点和破折号组成的虚线所环绕的电路。调节器222把作为USB接口230一部分的引脚USB-1、USB-4之间的功率耦合至作为H1总线接口连接器236一部分的现场总线线路J236-16、J236-15(图3)。调节器222包括第二绝缘屏障224。
调节器222包括功率限制器240，其设置从引脚USB-1、USB-4流向ANY现场总线线路的功率的功率界限。该桥接器包括外部现场总线功率输入242。调节器222中的功率限制器240检测外部现场总线功率输入242上可用的功率，并在把功率施加到外部现场总线功率输入242时自动减少从引脚USB-1、USB-4吸取的功率。
在这个实施例中，调节器222包括从USB-1、USB-4或外部现场总线功率输入242向现场总线线路J236-15和J236-16供电的二极管“OR”电路244。当由外部现场总线功率输入242供电时，二极管“OR”电路244阻止功率从现场总线线路J236-16流回调节器222。
调节器222包括切断电路246，当由外部现场总线功率输入242供电时，切断电路246切断从USB-1获取的功率。
调节器222包括隔离的DC-到-DC转换器248，其包括第二绝缘屏障224。DC-到-DC转换器248优选地包括可以从Burr-Brown，6730S.Tucson Blvd.，Tucson，AZ 85706 USA获得的零件DCP010515。转换器208提供耦合至隔离的DC-到-DC转换器248的挂起(suspend)输出250，用于在USB接口230空闲时挂起DC-到-DC转换器248的操作。在优选的设置中，转换器208自动检测协议特征，例如H1现场总线接口连接器线路TX、RX、RTS上的时钟速率，并调整操作以适应检测到的协议特征。
图4示出了控制方法的一个实施例的流程图，该控制方法用于功率限制器电路，+起于开始402并沿着线404、408继续至判决块410。在判决块410，电路检测现场总线功率是否有效，这指示现场总线线路是否与桥接器相连。如果现场总线功率有效，则程序沿着线412继续至动作块414。在动作块414，关闭内部低电压源，然后程序沿着线416、408返回至判决块410。如果在判决块410处现场总线功率无效，则程序沿着线418继续至动作块420。
在动作块420，开启内部低电压源，然后程序沿着线422继续至判决块424。如果在判决块424处没有检测到电流，则程序流沿着线426继续至动作块428。在动作块428，关闭内部现场总线功率，然后程序流沿着线430、408返回至判决块410。如果在判决块424处检测到电流，则程序流沿着线432继续至动作块434。
在动作块434，关闭内部低电压源，并且程序流沿着线436继续至动作块438。在动作块438，开启内部现场总线功率，然后程序流沿着线440返回至判决块424。
图4所示的过程可由模拟电路、数字电路或模拟和数字电路的组合而执行。当桥接器在现场总线线路和主机之间转移数据时，图4所示的处理过程优选地在后台执行。图4所示的过程可基于连续的检查以查明是否连接有电缆、而且该电缆是否提供了能用于为桥接器电路的一部分供电的供电电压，以调整桥接器内的供电管理。
图5示出了与桥接器200(图2-3)相似的桥接器500的一个实施例，然而，桥接器500被设计用来连接至不能提供用于为桥接器500供电的USB功率的主机，例如电池供电的个人数字助理(PDA)。在图5中，与图2-3中相同的附图标记代表相同或相似的特征。在桥接器500中，调节器222包括具有电化屏障224的DC/DC转换器248。DC/DC转换器248的输出被耦合至转换器208和耦合器210，从而向转换器208和耦合器210供电。DC/DC转换器248的输入在触点J236-15和J236-16处耦合至现场总线线路。DC/DC转换器248把来自现场总线接口的功率耦合至转换器208。
图6示出了与桥接器200(图2-3)相似的桥接器600的实施例，然而，桥接器600被设计用来连接至能提供用于向桥接器600和现场总线线路供电的USB功率的主机。在图6中，与图2-3相同的附图标记代表相同或相似的特征。在桥接器600中，调节器222包括具有电化屏障224的DC/DC转换器248。DC/DC转换器248的输出耦合至J236-15和J236-16，从而向现场总线线路供电。DC/DC转换器248的输入被耦接至USB连接器的引脚USB-1和USB-4。DC/DC转换器248把来自桥接器USB接口的功率耦合至现场总线接口。
在一个实施例中描述的特征能够适当地应用在另一个实施例中。
虽然参考优选实施例对本发明进行描述，本领域的技术人员可以理解，在不背离本发明的范围的前提下，可以在形式和细节上做出改变。

Claims (31)

1.一种用于把从现场总线接口以现场总线格式接收的数据耦合至网络连接的系统，包括：
数据格式转换器，耦合在所述现场总线接口和桥接器USB接口之间，所述转换器将所述数据转换成USB格式的数据；
与所述转换器级联耦合的耦合器，包括第一绝缘屏障；
接收所述USB格式的数据的主机，包括向所述网络连接提供所述数据的数据服务器接口；以及
调节器，对所述桥接器USB接口和所述现场总线接口之间的功率进行耦合，所述调节器包括第二绝缘屏障，使得对所述现场总线接口和所述桥接器USB接口之间的数据和功率隔离地进行耦合。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述耦合器包括双向磁阻耦合器。
3.如权利要求1所述的系统，其中，所述耦合器包括双向光耦合器。
4.如权利要求1所述的系统，其中，所述主机包括耦合至所述数据服务器接口的现场总线数据表。
5.如权利要求1所述的系统，其中，所述数据格式转换器、耦合器和调节器被包括在桥接器中。
6.如权利要求5所述的系统，其中，所述桥接器USB接口耦合至所述数据格式转换器和所述调节器，所述主机包括主机USB接口，而且所述系统还包括耦合在所述桥接器和所述主机USB接口之间的USB电缆。
7.如权利要求6所述的系统，其中，所述调节器包括为所述桥接器USB接口至所述现场总线接口之间的功率流设置功率界限的功率限制器。
8.如权利要求7所述的系统，其中，所述调节器包括切断电路，所述切断电路检测所述现场总线接口处可用的功率，并在现场总线线路向所述现场总线接口供电时自动减少从所述桥接器USB接口吸取的功率。
9.如权利要求8所述的系统，其中，所述调节器包括从所述桥接器USB接口或所述现场总线线路吸取功率的二极管“OR”电路，所述二极管“OR”电路在所述现场总线线路供电时阻止功率从所述现场总线线路流回所述调节器。
10.如权利要求8所述的系统，其中，所述切断电路耦合至所述功率限制器，用于在所述现场总线线路供电时切断从所述桥接器USB接口获取的功率。
11.如权利要求1所述的系统，其中，所述调节器包括具有第二绝缘屏障的隔离的DC-到-DC转换器。
12.如权利要求11所述的系统，其中，所述转换器提供耦合至所述隔离的DC-到-DC转换器的挂起输出，用于在第一USB接口空闲时挂起所述DC-到-DC转换器的操作。
13.如权利要求1所述的系统，其中，所述转换器自动检测所述现场总线接口处的协议特征，并根据检测到的协议特征调整其操作。
14.如权利要求1所述的系统，其中，所述调节器包括把来自所述桥接器USB接口的功率耦合至所述现场总线接口的DC/DC转换器。
15.如权利要求1所述的系统，其中，所述调节器包括把来自所述现场总线接口的功率耦合至所述转换器的DC/DC转换器。
16.一种用于把来自现场总线线路的现场总线数据耦合至网络线路的方法，包括：
把所述现场总线数据转换为USB数据；
把第一绝缘屏障与所述转换级联地进行耦合；
在主机处接收所述USB数据；
为所述主机提供数据服务器接口和网络连接，所述数据服务器接口把所述USB数据提供给所述网络连接；以及
通过第二绝缘对所述主机和所述现场总线线路之间的功率进行耦合，使得对所述现场总线接口和所述网络连接之间的数据和功率隔离地进行耦合。
17.如权利要求16所述的方法，并且：
提供包括第一绝缘屏障的双向磁阻耦合器。
18.如权利要求16所述的方法，并且：
提供包括第一绝缘屏障的双向光耦合器。
19.如权利要求16所述的方法，并且：
在所述主机中把来自所述现场总线数据表的数据耦合至数据服务器接口。
20.如权利要求16所述的方法，并且
提供桥接器，以执行所述转换、所述第一绝缘屏障的耦合以及所述功率耦合。
21.如权利要求20所述的方法，并且
通过USB电缆，对所述桥接器内的桥接器USB接口至所述主机内的主机USB接口之间的数据进行耦合。
22.如权利要求21所述的方法，并且：
为从所述桥接器USB接口至所述现场总线接口的功率流设置功率界限。
23.如权利要求21所述的方法，并且：
检测所述现场总线接口处可用的功率，并在现场总线线路供电时自动减少从所述桥接器USB接口吸取的功率。
24.如权利要求23所述的方法，并且
通过二极管“OR”电路，从第一USB接口或所述现场总线线路向所述现场总线线路供电，所述二极管“OR”电路在所述现场总线线路供电时阻止功率从所述现场总线线路流回所述调节器。
25.如权利要求23所述的方法，并且：
当所述外部现场总线功率输入供电时，切断从第一USB接口获取的功率。
26.如权利要求16所述的方法，并且：
在所述调节器中，提供包括第二绝缘屏障的隔离的DC-到-DC转换器。
27.如权利要求26所述的方法，并且：
向所述隔离的DC-到-DC转换器提供挂起输出，用于在第一USB接口空闲时挂起所述DC-到-DC转换器的操作。
28.如权利要求16所述的方法，并且
自动检测所述现场总线线路上的协议特征，并根据检测到的协议特征调整操作。
29.如权利要求16所述的方法，其中，所述功率耦合包括把来自所述桥接器USB接口的功率耦合至所述现场总线接口的DC/DC转换。
30.如权利要求16所述的方法，其中，所述功率耦合包括把来自所述现场总线接口的功率耦合至所述转换器的DC/DC转换。
31.一种用于把从现场总线接口以现场总线格式接收的数据耦合至主机的系统，包括：
数据格式转换器，耦合在所述现场总线接口和桥接器USB接口之间，所述转换器把数据转换成能与所述主机进行耦合的USB格式的数据；
与所述转换器级联耦合的耦合器，包括第一绝缘屏障；以及
调节器，对所述桥接器USB接口和所述现场总线接口之间的功率进行耦合，所述调节器包括第二绝缘屏障，使得对所述现场总线接口和所述桥接器USB接口之间的数据和功率隔离地进行耦合。
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