CN101677241A - 用于现场设备与现场总线的耦合的总线连接电路 - Google Patents

用于现场设备与现场总线的耦合的总线连接电路 Download PDF

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Abstract

一种用于现场设备与现场总线的耦合的总线连接电路，其中总线连接电路具有用于发射和接收数据总线信号以及产生至少一个调节的工作电压的电路，经过调节的工作电压从向现场总线供电的总线电压中产生，并根据本发明具有用于产生另一工作电压的可控电阻，其中电路装置根据总线电压控制可控电阻，使得电路的输入电压被调节到其至少必需的供电电压，并将经过调节的工作电压和另一工作电压的和作为供电电压输送到现场设备。

Description

用于现场设备与现场总线的耦合的总线连接电路
技术领域
本发明涉及一种如权利要求1所述用于现场设备与现场总线的耦合的总线连接电路。
背景技术
在过程自动化和过程控制中使用所谓的现场设备，它们在过程进程中例如借助传感器测量过程变量或者借助执行元件控制调节值。
在此方面，使用在测量和调节技术中使用的不同类型的测量装置，例如像压力、温度、流量和料位测量装置作为传感器。由这些测量装置提供的测量信号一般情况下传送到上级引导或控制中心，其中，信号传送以数字形式在现场设备与引导或控制中心之间通过数据总线进行。在此方面，使用如PROFIBUS、ETHERNET或者Fieldbus Foundation等现场总线。
总线连接通过总线连接电路或者接线电路进行，它们利用专用的电路，承担通过现场总线通信所需的发射和接收功能的所谓收发信机(MediumAttachment Unit)，特别是进行电平匹配。
这种收发信机一般情况下利用微处理器、ASIC或者通过FPGA实现。例如西门子公司提供一种ASIC电路SIM 1，利用其能够以较少的外部元件将现场设备连接到现场总线，特别是PROFIBUS上。这样连接的现场设备除了模拟的传感元件外，还包括用于控制应用的微处理器(应用控制器)和用于控制总线连接的随动调节器作为过程控制器。
现场设备通常不是连接在外部电源上，而是通过数据总线导线供电(总线供电)，也就是说，总线电压作为输入电压施加在总线连接电路上。
图1示出利用此前提到的ASIC电路SIM1(SIMATIC NET)构成的总线供电的总线连接电路，其将现场设备2连接到这里为PROFIBUS的现场总线3上。
为了将现场设备2连接到现场总线3上，按照图1，一个耦合和电压调节电路8通过整流电桥4连接在后面称为现场总线的双线芯PROFIBUS 3上。在整流电桥4与现场总线3的各自一个线芯之间串联连接电源扼流圈D1和保险丝S或者连接电源扼流圈D。总线电压UBus例如可供段耦合器(未示出)使用并例如包括9V至32V的电压范围。
耦合和电压调节电路8与现场设备2通过用于传送RxD、TxD和RTS数据的数据线L1连接。现场设备2由其上连接有数据线L1的数字元件7和传感元件6组成，所述传感器元件6正如开头所述承担测量装置的功能并通过数据总线L2与数字元件7连接。
下面称为电路5的上面提到的西门子公司的ASIC电路SIM1在耦合和电压调节电路8中承担现场设备2的数字元件7与现场总线3之间的通信，另外还提供用于本地耗电设备，特别是用于数字和传感元件7和6的多个供电电压，其中，分接在整流电桥上的总线电压UBus作为供电电压用于电路5。负总线电位V- Bus通过耦合和电压调节电路8的输入端E81输送到电路5，正总线电位V+ Bus通过耦合和电压调节电路8的输入端E82为供电输送到电路5的输入端VE，并通过电容器C3和电阻R7为了耦入现场总线接收信号而输送到电路5的输入端RXIN。此外，为由双极性晶体管T和测量电阻R6组成的同相调节器通过耦合和电压调节电路8的输入端E83输送正总线电位V+ Bus并由电路5调节到恒定的工作电压UA1上，最好是6.3V上。为此从测量电阻R6输送到电路5的测量输入端M1和M2的电压降中产生控制信号，用于控制晶体管T的基极。可供耦合和电压调节电路8的输出端A81和A83上使用的工作电压UA1由电容器C1得到支持。
另外，在电路的输出端V1和V2上调节的3V和5V的供电电压可供外部耗电设备使用，它们各自利用电容器C2或C4得到支持。
在根据图1的这种应用中，所调节的6.3V的工作电压UA1这样选择，使其在9V的最小总线电压UBus情况下能够可靠地调制现场总线信号。由于现场总线电压UBus包括9V至32V的数值范围，所以在总线电压UBus较高的情况下(9V)，同相调节器(T、R6)上的剩余电压下降并被转换成热。实践证明，大多数情况下出现比9V明显更高的总线电压UBus。
发明内容
因此本发明的目的在于，提供一种耗电尽可能少的开头所述类型的总线连接电路。
该目的通过一种具有权利要求1所述特征的总线连接电路得以实现。
根据本发明，这种具有用于发射和接收数据总线信号以及产生至少一个从总线电压中导出的调节工作电压的总线连接电路包括用于产生另一工作电压的可控电阻以及电路装置，这些电路装置在取决于总线电压的情况下这样控制可控电阻，使电路的输入电压调节到其至少必需的供电电压，其中，将所调节的工作电压和另一工作电压的和作为供电电压输送到现场设备。
因此电路不再承受总的总线电压，而是仅承受至少所需的供电电压，从而产生即使用附加的电路装置也未显著超出的比较少的损耗。
利用根据本发明的这种总线连接电路，扣除同相调节器上信号调制所需的剩余电压和输入电路(整流器、保险丝和电源扼流圈)的损耗电压后，全部总线电压作为现场设备或现场设备的功能单元(数字元件、传感元件等)的供电电压使用，由此在使用现场设备的功能单元、特别是所要使用的测量装置作为传感元件方面存在很大的可变性。
在本发明的进一步构成中，具有运算放大器作为电路装置，向其输送从总线电压导出的基准电压，用于调整电路至少所需的供电电压，其中，基准电压最好参照总线电压的电位并最好在基准二极管上产生。因此可供标准元件使用，利用其可以成本低廉地调节电路的供电电压。
在本发明的另一种进一步构成中，基准电压参照电路的基准电位或地电位，由此可以使用标准运算放大器，结果进一步降低了根据本发明的总线连接电路的结构成本。基准电压在这种进一步构成中最好分接在基准二极管上。
在本发明的进一步构成中具有最好是Z二极管的电路装置，其将运算放大器的供电电压限制在适当的电压值上，因为由此可以使用成本比较低廉的标准运算放大器。供电电压可以调整到不超过运算放大器的这种数值上。
在本发明的另一种进一步构成中，作为可控电阻使用双极性晶体管或者场效应晶体管(FET)，其作为成本低廉的元件可供使用。
在另一工作电压与现场设备的供电电压范围或其功能单元的匹配中，该另一工作电压借助电路装置、最好是Z二极管限制在相应适当的电压范围上。
现场设备最好由数字元件和传感元件构成，数字元件例如包括电平转换器和降压转换器。
附图说明
下面借助附图所示的实施例对本发明进行详细说明。其中：
图1示出已知的总线连接电路的电路图，具有包括收发信机功能的电路；
图2示出根据本发明的总线连接电路的一种实施方式的电路图；
图3示出根据本发明的总线连接电路的另一种实施方式的电路图；以及
图4示出图3所示根据本发明的总线连接电路的具有现场设备数字元件的电路图。
具体实施方式
图1示出开头在结构和功能方面所介绍的已知的总线连接电路，其利用耦合和电压调节电路8构成，其包括用于发射和接收功能以及产生经过调节的工作电压UA1的电路5。
图2示出根据本发明的总线连接电路1的一个实施例，具有耦合和电压调节电路8，该电路在结构和功能方面与图1的电路相对应。总线连接电路1后面连接的现场设备2在结构和功能方面与图1中所介绍的现场设备2相对应。
下面因此仅对该实施例中对于本发明很重要的部分的结构及其功能进行说明。
按照图2，借助具有运算放大器OP的调节电路9将电路5的输入电压UE调节到其至少所需的供电电压上。为此，运算放大器OP的输出控制双极性晶体管T1的基极，双极性晶体管的发射极-集电极端子一方面通过输出端A92与基准电位GND5(相当于耦合和电压调节电路8的输入端E81和输出端A81的电位)相连接，另一方面与调节电路9的输出端A91和输入端E91共同处于总线电压UBus的负电位V- Bus上。根据运算放大器OP对晶体管T1的控制，除了经过调节的工作电压UA1之外，还附带地向调节电路9的输出端A92和A91上施加另一工作电压UA2，使得在输出端A83和A91上可以得到这两种工作电压UA1和UA2的和UA1+UA2，下面称其为供电电压UA。
现场设备2的另一工作电压UA1及供电电压UA均利用电容器C5或C1来支持。
运算放大器OP的输出端附带地通过电容器C4反馈到其反相输入端上，并几乎得到全部的总线电压UBus(除了整流电桥4、保险丝S和电源扼流圈D1和D2的损耗外)作为工作电压。
为了产生调节输入电压UE所需的基准电压URef，运算放大器OP的反相输入端通过调节电路9的输入端E92连接到由基准二极管Z1和电阻R5组成的串联电路的连接点上，其中基准二极管Z1的阴极与总线电压UBus的正电位V+ Bus相连接，而电阻R5的自由端与总线电压UBus的负电位V- Bus相连接。运算放大器OP的非反相输入端通过调节电路9的输入端E93与由电阻R1和R2组成的分压器的电压分接头相连接，电路5的输入电压UE通过两个输入端E81和E82施加到其上。
基准二极管Z1这样选择，使得在运算放大器OP的反相输入端上施加相对于总线电压UBus的正电位V+ Bus为-2.5V的基准电压。由于运算放大器OP的两个输入端上的电压差，与其输出端相连接的双极性晶体管T1通过其基极这样被控制：直至调整状态下在其非反相输入端上也施加与基准电压URef的数值相应的数值。
如果形成分压器的两个电阻R1和R2的值被选为100kΩ和221kΩ，则对于电路5的输入电压UE依据公式
UE＝URef×(R1+R2)/R1，
得到8.025V的电压值。晶体管T1因此这样被控制：使得在分压器R1/R2上、也就是电路5的输入端E81/E82上出现8.025V的输入电压UE。
在输入电路(整流器4、保险丝S和电源扼流圈D1和D2)上例如有20V的总线电压UBus和约1V的电压降的情况下，对于另一工作电压UA2利用UA2＝20V-8.025V-1V得到约11V的电压值。
由于电路5如借助图1所介绍的那样，通过由晶体管T和电阻R6形成的同相调节器将总线电压UBus的正电位V+ Bus调节到6.3V的恒定值上，其相当于耦合和电压调节电路8的输出端A83和A81上的经过调节的工作电压UA1，因而作为现场设备2或其功能单元7和6的供电电压UA根据UA＝UA1+UA2＝6.3V+11V得到17.3V的电压值。
为了使另一工作电压UA2限制在与现场设备2或其功能单元匹配的数值上，Z二极管Z3与调节电路9的输出端A92和A91相连接。
如图3所示的根据本发明的总线连接电路与按照图2所示的总线连接电路的区别仅在于产生基准电压URef和运算放大器的供电电压高度方面。
按照图2，全部总线电压UBus(除了输入电路的电压降外)作为供电电压施加到调节电路9的运算放大器OP上，因而需要适用于总线电压UBus为9V至32V电压范围的运算放大器。按照图3，因此运算放大器OP的供电电压借助Z二极管Z4，在与基准二极管Z2和Z二极管Z3调谐的情况下被限制在一个数值上，使得运算放大器OP的输入端E92和E93不会被过度控制。为此，调节电路9与运算放大器OP的驱动端相连接的输入端E94连接在由Z二极管Z4和电阻R4组成的串联电路的连接点上，其中Z二极管Z4的阳极处于总线电压UBus的负电位V- Bus，而电阻R4的串联电路的自由端处于总线电压UBus的正电位V+ Bus上。因此可以对于调节电路9使用成本低廉的标准运算放大器。
按照图3，运算放大器OP的基准电压URef不再参照总线电压UBus，而是参照电路5的基准电位GNDS。为此，运算放大器OP的反相输入端经由调节电路9的输入端E92与分压器R1/R2相连接，而基准二极管Z2与电阻R3的串联电路位于总线电压UBus的正电位V+ Bus与电路5的基准电位之间。基准电压URef在由基准二极管Z2和电阻R3组成的串联电路的连接点处分接出来，并通过调节电路9的输入端E93施加到运算放大器OP的非反相输入端上。
通过取代双极性晶体管而使用场效应晶体管(FET)T1，调节电路9的耗电可以保持得很小，因为场效应晶体管为进行控制不需要电流。由此，附加的总线负荷也可以保持得很小。
图4示出图3所示的总线连接电路1，具有根据图2或图3的现场设备的连接在该总线连接电路1后面的数字元件7。该数字元件7由电平转换器10组成，其一方面利用数据线L1与电路5相连接，并通过数据线L3与作为过程控制器连接在后面的随动调节器11相连接。在该随动调节器11的后面通过数据总线L2连接有作为应用控制器的微处理器12。通过输出端A91和A83(参见图3)向电平转换器10提供由经过调节的工作电压UA1和另一工作电压UA2的和共同组成的供电电压UA，而向随动调节器11和微处理器12提供由降压转换器13从供电电压UA中产生的与供电电压UA相比较小的电压。例如，如果供电电压UA为17V，则降压转换器13从中为随动调节器11和微处理器12产生3.1V的工作电压。因此数字元件7的损耗功率可以保持在很低的程度上。由于这些单元11和12处于其他电位上，所以为了进行数据通信需要电平转换器10。按照图4，也向电平转换器10施加电路5的基准电位GNDS，并通过输出端A82(参见图3)输送由电路5产生的3V供电电压。
附图标记列表
1    总线连接电路
2    现场设备
3    现场总线导线
4    整流电桥
5    电路
6    现场设备2的传感元件
7    现场设备2的数字元件
8    耦合和电压调节电路
9    调节电路
10   电平转换器
11   随动调节器
12   微处理器
13   降压转换器
A81-A83   耦合和电压调节电路8的输出端
A91、A92  调节电路9的输出端
C1-C5     电容器
D1、D2    二极管
E81-E83   耦合和电压调节电路8的输入端
E91-E94   调节电路9的输入端
GND       总线连接电路1的基准电位
GND5      电路5的基准电位
L1、L2、L3数据线路
M1、M2    电路5的测量输入端
OP        运算放大器
Q        石英
R1-R7    电阻
RXIN     电路5的数据输入端
S        保险丝
S1       电路5的控制输出端
T、T1    晶体管
UBus     现场总线电压
UE       电路5的输入电压
UA       现场设备2的供电电压
UA1      经过调节的工作电压
UA2      另一工作电压
UOP      运算放大器OP的工作电压
URef     基准电压
V1、V2        电路5的电压输出端
V+ Bus、V- Bus  现场总线电压的正/负电位
Z1-Z4         Z二极管，或基准二极管

Claims (12)

1.一种用于现场设备(2)与现场总线(3)的耦合的总线连接电路(1)，其中该总线连接电路(1)具有用于发射和接收数据总线信号(RxD、TxD、TRS)以及产生至少一个经过调节的工作电压(UA1)的电路(5)，而所述经过调节的工作电压(UA1)从向现场总线(3)供电的总线电压(UBus)中产生，其特征在于，具有用于产生另一工作电压(UA2)的可控电阻(T1)，具有电路装置(OP、R1、R2、R3、R5、Z1、Z2)，这些电路装置根据总线电压(UBus)来控制所述可控电阻(T1)，使得电路(5)的输入电压(UE)被调节到其至少必需的供电电压，并将经过调节的工作电压(UA1)和另一工作电压(UA2)的和作为供电电压(UA)输送到现场设备(2)。
2.如权利要求1所述的总线连接电路(1)，其特征在于，具有运算放大器(OP)作为电路装置，向其输送从总线电压(UBus)导出的基准电压(URef)。
3.如权利要求2所述的总线连接电路(1)，其特征在于，所述基准电压(URef)参照总线电压(UBus)的电位(V+ Bus)。
4.如权利要求2所述的总线连接电路(1)，其特征在于，所述基准电压(URef)参照电路(5)的基准电位(GND5)。
5.如权利要求2-4之一所述的总线连接电路(1)，其特征在于，基准电压(URef)在与串联电阻(R3、R5)串联连接的Z二极管(Z1、Z2)上提供。
6.如权利要求2-5之一所述的总线连接电路(1)，其特征在于，具有用于限制运算放大器(OP)的工作电压(UOP)的电路装置(R4、Z4)。
7.如前述权利要求之一所述的总线连接电路(1)，其特征在于，具有作为可控电阻的双极性晶体管(T1)。
8.如权利要求1-6之一所述的总线连接电路(1)，其特征在于，具有作为可控电阻的场效应晶体管(T1)。
9.如前述权利要求之一所述的总线连接电路(1)，其特征在于，为限制另一输出电压(UA2)，具有电路装置(Z3)，最好是Z二极管。
10.如前述权利要求之一所述的总线连接电路(1)，其特征在于，现场设备(2)包括数字元件(10、11、12、13)和传感元件(6)。
11.如权利要求10所述的总线连接电路(1)，其特征在于，经过调节的工作电压(UA1)和另一工作电压(UA2)的和作为供电电压(UA)被输送到传感元件(6)。
12.如权利要求10或11所述的总线连接电路(1)，其特征在于，现场设备(2)的数字元件(2)包括电平转换器(10)和降压转换器(13)，经过调节的工作电压(UA1)和另一工作电压(UA2)的和作为供电电压(UA)被输送到这些转换器。
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