CN101802730A - 用于二线制现场总线的现场总线单元 - Google Patents

用于二线制现场总线的现场总线单元 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于将现场设备连接至包括两条导线的现场总线的现场总线单元，其通过对由现场设备接收的电流进行调制而经由现场总线传递信号。现场总线单元包括：流控晶体管，由现场设备接收的电流流经该晶体管，其中现场设备接收的电流被通过流控晶体管的基极电流而得到控制；双极性晶体管，用于驱动流控晶体管的基极电流流经该双极性晶体管的发射极-集电极电流路径；以及电流控制器，其产生用于控制由现场设备接收的电流的电流控制信号。双极性晶体管的基极位于基本恒定的电位，这样选择该电位，使得当电流控制器没有被供应电流并且不提供电流控制信号时，双极性晶体管向流控晶体管提供足以启动现场设备的基极电流。电流控制器经由双极性晶体管的发射极-集电极电流路径馈送电流控制信号。

Description

用于二线制现场总线的现场总线单元
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1前序部分的现场总线单元以及根据权利要求9的现场总线。另外，本发明涉及一种根据权利要求10前序部分的现场总线单元以及根据权利要求18的现场总线。
背景技术
在过程自动化技术中常常应用现场设备，其用于检测和/或影响过程变量。这种现场设备的例子包括物位测量仪表、质量流量测量仪表、压力及温度测量仪表等等，它们作为传感器检测相应的过程变量，即，物位、流量、压力和温度。
用于影响过程变量的是执行器，例如阀门或泵，通过它可以改变在液体在管道中的流量或者容器中的物位。
原理上，所有应用于过程附近并且提供或处理与过程相关的信息的设备都称为现场设备。
从Endress+Hauser公司可以获得大量这种现场设备。
通常，现代工业工厂中的现场设备通过总线系统(Profibus、Foundation Fieldbus，等等)与上位单元(控制系统或控制单元)相连。这些上位单元用于过程控制、过程可视化、过程监控，以及用于配置现场设备。
在危险区域，应用特别是二线制现场总线，例如Profibus PA或Fieldbus Foundation总线，这里，现场设备的电流供应以及从现场设备(从设备)到上位单元(主设备)的数据传输都在两条导线上进行。当特定的现场设备想要将测量数据传递至主设备时，对于流经现场设备的电流施加相应的电流调制。通过分析这个电流调制，主设备可以获得来自现场设备的数据。
在现有技术的技术方案中，电流调制是利用流控晶体管进行的。为了产生电流调制，流控晶体管的基极电流被相应于电流控制信号而改变。然而，现有技术的现场总线单元的缺点是，在启动期间，由于现场单元还没有被供应电流，所以还没有对于流控晶体管可用的基极电流。于是，流控晶体管首先被阻塞。然而，为了能够启动现场设备，现有技术的一些技术方案提供旁路电路，其在启动期间首先将流控晶体管旁路，并且在启动期间向现场总线单元的电路元件提供电流。
从EP 1 158 274A1已知二线制测量仪表的受控电流源，其提供在打开直流电压源期间所需的较高能量需求。
这种旁路电路复杂且昂贵。例如，必须提供合适的电路来在启动之后移除旁路电路或者至少避免由旁路电路得到的电流干扰现场总线上的电流调制。另一缺点是，旁路电路必须能够处理较高的总线电压，例如根据IEC61158-2标准第12.7.2章的最高35V电压，这也意味着附加的电路复杂度。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于连接至二线制现场总线的现场总线单元，其能够以很低的电路复杂度可靠地启动现场设备。
这个目的通过权利要求1和10给出的特征实现。
从属权利要求中限定了本发明具有优点的进一步发展。
在现有技术的技术方案中，流控晶体管的基极电流被以共射电路工作的驱动晶体管控制。电流控制信号与驱动晶体管的基极相连，并且用于流控晶体管的基极电流被引导经过驱动晶体管的发射极-集电极电流路径。
与其相反，在本发明的技术方案中，驱动晶体管的基极(或栅极)保持在基本恒定的电位。于是，驱动晶体管以共基电路工作。电流控制信号通过驱动晶体管的发射极-集电极电流路径(或源极-漏极电流路径)引入。
这种驱动电路的优点是，即使当还不存在电流控制信号时，也已经提供了用于流控晶体管的基极电流。这可以通过相应地选择基极(或栅极)电位而实现。以这种方式，流控晶体管在接通时迅速切换为导通并且可以向现场总线单元的不同电路元件提供电流，而无需为此提供旁路电路。于是，可以省略先前需要的旁路电路，这意味着驱动电路显著简化。另外，驱动电路在集成电路上的实现也得以简化。
使用以共基电路工作的驱动晶体管的优点还在于，在驱动电路中的电流放大倍数明显小于在现有技术的技术方案中的情况，这使得能够更精确地控制由现场设备接收的电流。于是，提高了现场总线单元的动态阻抗。
附图说明
现在根据附图中显示的多个实施例详细解释本发明。
附图中：
图1示意性显示了Profibus网络；
图2是二线制现场总线的现场总线单元的框图；
图3A是本发明的驱动电路的第一实施例；
图3B是本发明的驱动电路的第二实施例；和
图4是本发明的现场总线单元的详图。
具体实施方式
图1显示了Profibus网络，其具有三个现场设备F1、F2、F3、一个控制单元SPS和另一个上位单元WS1，这些单元通过现场总线F交换数据。
图1显示的Profibus网络可以例如是对于储液罐的防溢满装置。现场设备F1测量容器中的物位。现场设备F2是阀门并且控制液体从容器的流出。还提供作为限位开关的现场设备F3，其检测容器中的最大物位。控制单元SPS可以例如是可编程逻辑控制器，其中的控制程序控制容器中的物位。控制单元SPS是Profibus主设备，而现场设备F1、F2、F3是Profibus从设备。
包含两条导线的现场总线特别地用于链接危险区域(例如有爆炸危险的区域)中的现场设备。各个现场设备并不具有自身的电流源，而是被通过现场总线的两条导线供应电流。另外，控制单元(主设备)和现场设备(从设备)之间的数据交换通过现场总线的两条导线而在两个方向上进行。这里，现场总线上的电压可由控制单元，即主设备控制。要从主设备传递到现场设备的数据例如是由物理-电子传感器元件检测的测量数据，这些数据被主设备调制到电压信号上，并且实际上优选地为所谓的曼彻斯特码的形式。相反，以从设备模式操作的现场设备无权修改由主设备在现场总线上设置的电压。为了从现场设备到主设备的数据传输，现场设备对于由现场总线接收的电流施加电流调制，并且实际上优选地也为曼彻斯特码。然后，这个电流调制可以由主设备检测到。以这种方式，可以实现从现场设备到主设备的数据交换，而现场设备无需改变现场总线上的电压。
图2显示了本发明的用于二线制现场总线的现场总线单元。现场总线的两条导线L1、L2绘制于图2的左侧。这两条导线通过去干扰及整流单元1连接至现场总线单元。去干扰及整流单元1包括整流器以及去干扰滤波器，用于抑制电磁干扰。去干扰及整流单元1还可以包含过流保护元件，诸如保险丝或FDE(Fault Disconnect Equipment：故障断开装置)。另外，去干扰及整流单元1实现了现场总线单元与现场总线的解耦。通过现场总线，现场总线单元可以获得总线电压VBus以及电路零点GND。总线电压VBus位于流控晶体管T1的发射极。流控晶体管T1是图2所示的现场总线单元的关键部分。流控晶体管T1控制流经现场设备的总线电流IBus。流控晶体管T1特别地负责对从现场总线分流的电流施加电流调制，以通过这种方式将信息从现场设备传递到主设备。在T1的发射极-集电极路径上流动的总线电流IBus由T1的基极电流IBasis控制。通过改变基极电流IBasis，现场设备的电流接收可以受到控制并且被施加期望的电流调制。
当流控晶体管T1的发射极-集电极路径导通时，在T1的集电极上可以得到电源电压VMAU，该电源电压向连接至电源线2的功能模块提供电流。这里，“MAU”表示根据IEC61158-2标准的“MediumAttachment Unit(介质连接单元)”。
在时间上平均有例如11mA的电流流经现场设备。在电流调制期间，11mA±9mA的电流施加于现场总线，也就是2mA或20mA的交变电流流经现场总线单元。为了控制电流，提供驱动电路3，其根据电流控制信号4来控制晶体管T1的基极电流IBasis并因而控制总线电流IBus。电流控制信号4是由电流控制器5产生的。要被调制的信息可以从数字信号处理单元6作为数字信号7而提供给电流控制器5。然后电流被电流控制器5对应于数字信号7而调制。
借助于低欧姆电流测量电阻8确定流经现场总线单元的电流的实际值。在电流测量电阻8两端的电压降被电流确定单元9分析，并且这样确定的实际电流被供应给电流控制器5。另外，提供参考电压单元10，其为电流控制器5提供一个或多个参考电压。
正如上面已经描述的，通过将信息调制到总线电压VBus上，而在相反方向上进行信息传递，即，从主设备到现场设备。为了接收这个经过调制的数据，经过调制的信号部分经由电容器11到达接收滤波器12。为了进一步分析，在接收滤波器12的输出端上获得的信号13被馈送至数字信号处理单元6。优选地，数字信号处理单元6被电流阻挡层14与现场总线单元的其余部分流电隔离。电流阻挡层可以例如借助于光耦或DC/DC转换器而实现。
在现有技术的现场总线单元的情况中存在的问题是，在现场设备启动期间还不存在基极电流IBasis并且因而流控晶体管T1被阻塞。因此，没有向电源线2导通总线电压VBus。结果是电流控制器5、参考电压单元10、接收滤波器12和数字信号处理单元6没有被供应电流。结果，不能够产生用于驱动电路3的电流控制信号4。为了能够仍然启动现场总线单元，现有技术的一些技术方案提供了旁路15，其在启动期间将阻塞的晶体管T1旁路并且向电流控制器5以及参考电压单元10输送总线电压VBus。以这种方式，电流控制器5能够提供电流控制信号4，基极电流IBasis开始流动，并且晶体管T1导通。
然而，这个借助于在启动期间被激活的旁路15的技术方案具有一些重要缺点。因此，在本发明的技术方案中省略旁路15。为了能够在没有这种旁路的情况下启动现场总线单元，在本发明的技术方案中这样修改驱动电路3，使得在启动期间也就是在不存在电流控制信号4的情况中，驱动电路就已经导通并且因而基极电流IBasis流动。相反，在先前使用的在启动时处于阻塞状态的驱动电路中，在电流控制信号4可用时，基极电流才开始流动。这样设计本发明的驱动电路3，使得在没有电流控制信号4的情况下基极电流就已经流动，其中电流控制信号4用于减小最初流动的基极电流IBasis。在现有技术的技术方案中，随着电流控制信号4增加，最初不流动的基极电流开始流动。
图3A和3B中显示了本发明的驱动电路的两种可能的实施方案。在图3A所示的变型中，双极性晶体管T2用作流控晶体管T1的驱动晶体管。与现有技术的技术方案不同，驱动晶体管T2的基极位于恒定电位。在图3A所示的技术方案中，T2的基极通过两个分别沿着导通方向连接的二极管D1、D2与电路零点GND相连。另外，T2的基极通过例如1MΩ的电阻R1与总线电压VBus相连。由于在每一二极管D1、D2上都有大约0.5V的电压降，所以T2的基极处于相对于电路零点GND约为+1V的恒定电位。
流控晶体管T1的基极通过T2的发射极-集电极路径以及限流电阻R2与电路零点GND相连。由于T2的基极处于约+1V的正电位，所以驱动电流流经T2的基极和发射极，并且作为这个驱动电流的结果，基极电流IBasis流经T2的集电极-发射极路径以及限流电阻R2。当电流控制器15未起用并且没有可用的电流控制信号17时，基极电流IBasis也流动。这例如是在启动时的情况，因为电流控制器16在启动期间还没有被供应电流。在本发明的驱动电路的情况中，在启动时就已经存在基极电流IBasis，这使得晶体管T1导通，从而向现场总线单元的不同元件提供所需的电源电压VMAU。在应用图3A所示的驱动电路的情况中，可以省略而不是替换先前应用的旁路15。
在图3A所示的电路中，基极电流IBasis从开始就流动。原因是T2的基极保持在恒定电位，从而晶体管T2以共基电路工作，而不是像先前的技术方案中那样以共射电路工作。而在现有技术的技术方案中，电流控制信号17与T2的基极相连；现在电流控制信号17接入T2的发射极-集电极电流路径，以调制基极电流IBasis。由于在电流控制器15还没有接收到电源电压时基极电流IBasis就已经流动，所以现场总线单元可以简单地启动。一旦现场总线单元启动，电流控制器16就可以借助于电流控制信号17检查并调制基极电流IBasis以及流经整个现场总线单元的电流IBus。特别地，通过将电流控制信号17馈送至T2的发射极与电阻R2之间的节点，R2上的电压降增加并且因而基极电流IBasis减小。
通过应用这个改变的驱动电路，可以省略而不是替换先前应用的旁路15，从而明显简化电路。另一优点是，驱动电路可以集成在一个IC上。在现有技术的技术方案中需要旁路，必须向驱动电路输送总线电压VBus。由于总线电压较高(例如，高达35V)，必须以特殊的芯片技术制造IC，使得它能够承载这样的电压。在本发明的技术方案中不存在这样的复杂度，可以非常好地容纳在IC上。
在应用旁路的情况中，还需要在现场设备启动之后切断旁路。作为替代，旁路也可以保持活动，然而在这种情况中旁路所接收的电流必须保持恒定，以不会影响在现场总线上的电流调制。所有这些都导致电路工艺复杂。通过使用本发明的现场总线单元避免了这些复杂度。
本发明的驱动电路的另一优点是，以共基电路工作的驱动晶体管T2不会引起附加的电流放大，因为电流控制信号直接馈送至发射极-集电极电流路径。在现有技术的驱动电路中，驱动晶体管T2以共射电路操作，其中电流放大率β2约为20至400。这意味着处于T2基极上的电流控制信号引起大约20至400倍高的发射极-集电极电流，这之后作为基极电流驱动流控晶体管T1的基极。由于T1也具有约20至400的放大率β1，所以得到系统的总放大率β1xβ2。由于这个实际上过高的电流放大率，电流控制信号的最小的波动也会导致总线电流IBus的强烈波动。另外，处于T2基极上的控制信号的噪声电平同样被放大，从而整体上得到了总线电流IBus的不稳定且不精确的控制。
在本发明的驱动电路中，通过以共基电路操作驱动晶体管T2防止了这些问题。由于电流控制信号被馈送入T2的发射极-集电极电流路径，驱动晶体管T2的电流放大率β2等于1。因而由电流控制器16提供的电流控制信号为用于驱动T1的基极电流IBasis的量级。以这种方式，实现较为精确的电流控制。特别地，防止了电流控制信号17的波动和噪声电平被不合适地严重放大。
作为本发明的驱动电路精度提高的结果，还改进了电流调节的动态阻抗。动态阻抗被定义为调制到现场总线上的电压变化ΔU与由此引起的电流变化ΔI之商。电流调节重新调节电流越快，ΔI越小，且动态阻抗越大。动态阻抗测量电流重新调节的速度。根据IEC61158-2标准第12.5.2章，在Profibus PA和Fieldbus Foundation的情况中，在7.8kHz～39kHz频率范围中的动态阻抗必须大于3kΩ。利用本发明的驱动电路可以比现有技术的电路更容易地满足这个需求。
图3B显示了本发明的另一实施例，其中场效应晶体管用作驱动晶体管T2’。驱动晶体管T2’的栅极接头被设置为恒定电位。优选地用作场效应晶体管的是结型FET，简称为JFET。在这种JFET的情况中，当栅极接头与电路零点GND相连时，源极-漏极路径已经被切换为导通。流控晶体管T1的基极通过T2’的源极-漏极路径和限流电阻R3而与电路零点GND相连。在图3B所示的电路布置中，当电流控制器18未起用且没有电流控制信号19馈送入源极-漏极电流路径时，已经有基极电流IBasis流动。于是，甚至当电流控制器18还没有被供应电流时，驱动电路也提供基极电流IBasis。通过这个从开始就流动的基极电流IBasis，流控晶体管T1导通，从而现场设备可获得电源电压VMAU。一旦电流控制器18被供应了电流，它就提供电流控制信号19，该信号被馈送入T2’的源极-漏极电流路径并调制总线电流IBus。特别地，通过将电流控制信号19馈送到T2’的漏极和电阻R3之间的节点，R3上的电压降增加并且因而基极电流IBasis减小。
图4更详细地显示了图2中已经给出的现场总线单元的电路。现场总线的两条导线L1、L2通过去干扰整流单元20连接至现场总线单元。总线电压VBus因而位于流控晶体管T1的发射极。通过电路21，驱动晶体管T2的基极处于规定的电位，从而在现场设备启动期间已经有基极电流IBasis能够流经T2的集电极-发射极路径和限流电阻R4。于是，流控晶体管T1在启动期间导通，并且在电源线22上可得到电源电压VMAU。
为了在现场总线上发送数据，特别是测量数据，对于由现场设备接收的电流施加电流调制。要调制的数据被数字信号处理单元24提供给Profibus信号发生器23。参考电压单元25提供一个或多个参考电压。Profibus信号发生器23产生模拟控制信号，该信号被通过电阻R5而处于运算放大器26的反相输入端。电流测量电阻R6上的电压降被通过电阻R7反馈到运算放大器26的反相输入端。运算放大器26的同相输入端与电路零点GND相连。在运算放大器26的输出端上产生与两个输入的差成正比的电流控制信号，其通过电阻R8接入驱动晶体管T2的集电极-发射极电流路径。以这种方式，基极电流IBasis以及总线电流IBus被相应于由数字信号处理单元24提供的数字信号而调制。
另外，图4显示的现场总线单元包括用于分析在主设备方面调制到总线电压VBus上的电压调制的装置。这些电压调制通过电容27达到接收滤波器28，然后被数字信号处理单元24分析。

Claims (18)

1.现场总线单元，用于将现场设备连接至包含两条导线(L1、L2)的现场总线，其中现场总线单元通过调制由现场设备接收的电流而经由现场总线传递信号，其中该现场总线单元包括：
-流控晶体管(T1)，由现场设备接收的电流流经该流控晶体管，其中由现场设备接收的电流通过流控晶体管(T1)的基极电流而得到控制；
-电流控制器(5，16)，其产生用于控制由现场设备接收的电流的电流控制信号(4，17)
其特征在于，
-双极性晶体管(T2)，用于驱动所述流控晶体管(T1)的所述基极电流流经该双极性晶体管的发射极-集电极电流路径；
-所述双极性晶体管(T2)的基极位于基本恒定的电位，选择该电位以使得当所述电流控制器(5，16)没有被供应电流并且不提供所述电流控制信号(4，17)时，所述双极性晶体管(T2)向所述流控晶体管(T1)输送足以启动现场设备的基极电流；以及
-所述电流控制器(5，16)经由所述双极性晶体管(T2)的发射极-集电极电流路径馈送所述电流控制信号(4，17)。
2.根据权利要求1所述的现场总线单元，其中，现场设备包括物理-电子传感器元件；并且所述信号是该物理-电子传感器元件的测量信号。
3.根据权利要求1或2所述的现场总线单元，其中，当电流控制器没有被供应电流并且不提供电流控制信号时，双极性晶体管(T2)向流控晶体管(T1)提供基极电流，该基极电流的大小足以令流控晶体管(T1)导通并且向现场设备供应电流。
4.根据前述任一权利要求所述的现场总线单元，其中，双极性晶体管(T2)以共基电路工作。
5.根据前述任一权利要求所述的现场总线单元，其中，借助于一个或多个沿正向导通方向串联连接的二极管(D1，D2)将双极性晶体管(T2)的基极设置于相对于电路零点的正电位。
6.根据前述任一权利要求所述的现场总线单元，其中，流控晶体管(T1)的基极通过双极性晶体管(T2)的发射极-集电极路径和限流电阻(R2)而与现场总线单元的电路零点相连。
7.根据前述任一权利要求所述的现场总线单元，其中，双极性晶体管(T2)是npn晶体管；并且双极性晶体管(T2)的发射极接头经由限流电阻(R2)与电路零点相连。
8.根据前述任一权利要求所述的现场总线单元，其中，双极性晶体管(T2)是npn晶体管；并且电流控制器(5，16)向双极性晶体管(T2)的发射极提供电流控制信号(4，17)。
9.现场设备，用于连接至包含两条导线的现场总线，其中该现场设备包括根据权利要求1～8之一所述的现场总线单元。
10.现场总线单元，用于将现场设备连接至包含两条导线(L1、L2)的现场总线，其中现场总线单元通过调制由现场设备接收的电流而经由现场总线传递信号，其中该现场总线单元包括：
-流控晶体管(T1)，由现场设备接收的电流流经该流控晶体管，其中由现场设备接收的电流通过流控晶体管(T1)的基极电流而得到控制；
-电流控制器(5，18)，其产生用于控制由现场设备接收的电流的电流控制信号(4，19)；
其特征在于，
-场效应晶体管(T2’)，用于驱动所述流控晶体管(T1)的所述基极电流流经该场效应晶体管的源极-漏极电流路径；
-所述场效应晶体管(T2’)的栅极位于基本恒定的电位，选择该电位以使得当所述电流控制器(5，18)没有被供应电流并且不提供所述电流控制信号(4，19)时，所述场效应晶体管(T2’)向所述流控晶体管(T1)输送足以启动现场设备的基极电流；以及
-所述电流控制器(5，18)经由所述场效应晶体管(T2’)的源极-漏极电流路径馈送所述电流控制信号(4，19)。
11.根据权利要求10所述的现场总线单元，其中，现场设备包括物理-电子传感器元件；并且所述信号是该物理-电子传感器元件的测量信号。
12.根据权利要求10或11所述的现场总线单元，其中，当电流控制器没有被供应电流并且不提供电流控制信号时，场效应晶体管(T2’)向流控晶体管(T1)提供基极电流，该基极电流的大小足以令流控晶体管(T1)导通并且向现场设备供应电流。
13.根据权利要求10～12之一所述的现场总线单元，其中，场效应晶体管(T2’)是结型FET，简称为JFET，当栅极接头与电路零点GND相连时，该JFET的源极-漏极路径导通。
14.根据权利要求10～12之一所述的现场总线单元，其中，流控晶体管(T1)的基极通过场效应晶体管(T2’)的源极-漏极路径和限流电阻(R3)而与现场总线单元的电路零点相连。
15.根据权利要求10～12之一所述的现场总线单元，其中，场效应晶体管(T2’)的栅极接头与电路零点相连。
16.根据权利要求10～12之一所述的现场总线单元，其中，场效应晶体管(T2’)的漏极接头经由限流电阻(R3)与电路零点相连。
17.根据权利要求10～12之一所述的现场总线单元，其中，电流控制器(5，18)向场效应晶体管(T2’)的漏极接头提供电流控制信号(4，19)。
18.现场设备，用于连接至包含两条导线的现场总线，其中该现场设备包括根据权利要求10～17之一所述的现场总线单元。
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