CN102648459A - 用于连接自动化设备与计算机的通信转换器以及用于控制该通信转换器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于连接具有不同运行电压的自动化设备(14)与主计算机(18)的通信转换器(10)，该通信转换器包括用于转换待传输数据的接口模块(30)和与该接口模块(30)耦合的发送/接收模块(34)以及变压器(44)，其中接口模块(30)在输入侧经由主插头(24)与主计算机(18)的主接口(16)连接并且发送/接收模块(34)经由设备插头(28)与自动化设备(14)的设备接口(12)连接，所述变压器(44)在输入侧经由主接口(16)与运行电压连接并且在输出侧与设备接口(12)的电压供应线路(PS)连接。为了实现通信转换器能够与不同接口标准的设备通信规定，该通信转换器（10）具有用于检测电压供应线路（PS）的电流或电压的第一电流/电压测量装置（48）、用于检测设备接口（12）的控制线路（CTRL）的电流或电压的第二电流/电压测量装置（54）以及用于控制控制线路（CTRL）的阻抗的开关装置（60），变压器（44）构造为可控的变压器，其输出电压借助于集成在通信转换器（10）中的逻辑单元（40）根据施加在控制线路（CTRL）和电压供应线路（PS）处的电流/电压值而能被控制到所连接的自动化设备（14）的运行电压。

Description

用于连接自动化设备与计算机的通信转换器以及用于控制该通信转换器的方法
技术领域
本发明涉及一种用于连接具有不同运行电压的自动化设备与主计算机的通信转换器，该通信转换器包括用于转换待传输数据的接口模块以及与该接口模块耦合的发送/接收模块以及变压器，其中接口模块在输入侧经由主插头与主计算机的主接口连接并且发送/接收模块经由设备插头与自动化设备的设备接口连接，所述变压器在输入侧经由主接口与运行电压连接并且在输出侧与设备接口的电压供应线路连接，以及涉及一种用于控制用来连接具有不同运行电压的自动化设备与主计算机的通信转换器的方法，其中该通信转换器具有用于转换待传输数据的接口模块以及与该接口模块耦合的发送/接收模块以及变压器，并且其中接口模块在输入侧经由主插头与主计算机的主接口连接并且发送/接收模块经由自动化设备的设备插头连接，所述变压器在输入侧经由主接口与运行电压连接并且在输出侧与设备接口的电压供应线路连接。
背景技术
作为数据传输电缆的组成部分的开头所述类型的通信转换器例如在EP-A-1 598 743中描述。构造用于连接移动通信终端与计算机的该数据传输电缆包括可与个人计算机的USB端口连接的USB插头、可与移动通信终端的UART端口连接的终端插头、插头之一中的从USB的信号向UART转换的通信变换器芯片、以及连接USB插头与终端插头的许多传输线路。
在已知的实施方式中，在终端插头中集成有通信变换器芯片以及DC-DC变换器芯片。计算机和通信终端的数据信号经由通信变换器芯片在UART端口和USB端口之间传输。USB端口的电压源与该通信变换器芯片和与该DC-DC变换器芯片连接，其中DC-DC变换器的输出端提供用于UART端口的直流电压。
从上面的内容得出，对于具有不同供应电压的终端设备必须采用不同的数据传输电缆，这在制造、存放和应用方面是不利的。
尤其是在自动化技术的领域中存在其通信接口需要不同的电压电平的自动化产品。
例如，为了在个人计算机和自动化设备之间进行通信，采用网络兼容的接口标准RS485或EIA 485来对自动化设备编程、配置和监视。原则上，为了连接个人计算机与自动化产品需要通信转换器，以便将个人计算机的USB或RS232接口的信号转换到RS485接口上。
RS485标准使用线路对，以便传输1位数据信号的经转化和未经转化的电平。RS485接口标准只规定了接口的电特性而没有定义协议和也没有定义插头占用。可以特定于应用地选择协议。因为不存在RS485插头的统一的管脚占用，所以在使用不同的RS485设备时必须总是注意相应设备的文档，因此必须采用特定于设备的转换器或数据传输电缆。
如果应该传输数据，则使用从RS232接口已知的通用异步接收机发射机协议（UART）。
对于上面已经提到的RS485接口的通信线路补充地，可以对于信号使用接口的其他线路，这些线路可以可选地在设备侧实现。这些线路可以在需求情况下使用，以便将设备例如设置到特定的运行方式或者以便提供特定于设备的电压。
对所述信号的支持是必要的，以便实现与专用设备的通信。原则上，对于电压供应释放所有信号是不可能的，因为必须提供对于相应设备正确的电压值。
对所述信号的管理目前可以通过两种不同的途径实现：
- 经由软件控制调整，由此使软件开发困难，
- 必须设计专门的电缆，以便满足特定设备的需要，其因此只对于该设备类型是兼容的。
US-A-2006/0155908涉及一种用于将现场总线数据耦合到网络的隔离系统。该系统包括将数据转换成USB数据的数据格式转换器。另外，该系统包括耦合器，该耦合器包括以级联方式与转换器连接的第一隔离势垒。主计算机接收USB数据。该主计算机包括数据-服务器接口和网络连接。另外设置变压器，该变压器耦合主计算机和现场总线之间的能量供应，其中该变压器包括第二隔离势垒。
US-A-2009/0070615涉及一种以太网供电系统（Power over Ethernet（PoE））的多重电压供应管理系统。
该PoE通信系统将PoE提供给一个或多个电压运行的设备，所述设备使用一个或多个DC电压供应。为此，PoE通信系统包括变压器，该变压器在使用经由能量带数据接口接收的能量状态指示符的情况下基于一个或多个设备的动态要求监视一个或多个DC电压供应。
发明内容
由此为出发点，本发明所基于的任务在于，这样改进开头提到类型的通信转换器，使得该通信转换器可以与不同接口标准——如RS485和RS232——的设备通信。
该任务根据本发明通过如下方式解决，即变压器被构造为可控的变压器，其输出电压可借助于集成在通信转换器中的逻辑单元根据施加在控制线路和/或电压供应线路处的并且由逻辑单元所检测的信号来控制。
优选地，逻辑单元被构造为由固件控制的微控制器。固件的更新可以经由USB接口进行。
通过优选的方式，通信转换器是连接电缆的整体化组成部分，其中通信转换器可以集成在连接电缆的终端插头之一中或者集成在连接电缆的走向中。
在另一优选实施方式中，主接口可以是USB接口或者火线（Fire Wire）（IEEE-1394）接口，而设备接口被构造为根据RS485或者RS232标准的串行接口。
根据优选的方法，所述任务通过如下方式解决，即借助于集成在通信转换器中的逻辑单元检测设备接口的电压供应线路上的和/或设备接口的控制线路上的信号状态，并且根据控制线路和/或电压供应线路的信号将转换器的输出电压调整到所连接的自动化设备的供应电压。
为了控制通信转换器有必要获得来自自动化设备的反馈，以便标识和选择合适的电压。当设备被供应电压时，反馈参数是该设备的电流消耗。第二反馈参数是控制线路上的CTRL信号，该CTRL信号具有定义的电压电平并且典型地被用于将自动化设备切换到特定的运行方式。
对于这里所述的解决方案，每个设备支持CTRL信号，以便使转换器能够识别该信号并且将该信号用作为反馈信号。定义的CTRL电压值在此与在设备侧需要的标称电压无关。
施加在电压供应线路处的电压值和在控制线路CTRL上激活的电压值之间的关系被用于区分不同的设备类型。
随着升高的供应电压，控制线路上的电压值升高直至达到标称供应电压。控制线路上的电压于是具有其定义的值。
为了探测正确的电压值，通信转换器以最低的电压值开始测试，所述最低的电压值由该通信转换器支持，并且监视控制线路上的电压值，该电压值由转换器在设备侧处测量。
如果控制线路上的电压值达到了定义的电压值，则发现了正确的供应电压。如果控制线路CTRL上的电压值>0伏特并且小于定义的电压值，则通信转换器将供应电压提高到由转换器支持的高一级的电压值。控制线路上的电压值被重新测量并且与定义的电压值比较。根据比较结果，要么发现正确的电压值并且输送给自动化设备，要么继续执行测试序列直至发现正确的电压值。
基于微控制器的解决方案的优点提供了“独立解决方案”，该“独立解决方案”与附加信号的使用无关地与不同的接口实现兼容。为许多设备提供了唯一的通信转换器或具有集成通信转换器的唯一电缆，而不对软件开发产生任何影响。此外，按照“Plug and Play（即插即用）”的应用是可能的，而不必由用户进行变形（Entstellung）。
本发明的核心思想是唯一的通用的和智能的转换器，其识别所连接的设备并且提供相应的电压信号。
附图说明
本发明的另外的细节、优点和特征不仅由权利要求、要从所述权利要求中得悉的（单独的和/或组合形式的）特征得出，而且由下面对要从附图中得悉的实施例的描述得出。
图1示出个人计算机和自动化设备之间的通信连接的示意性框图
图2示出用于控制电压供应和附加信号的状态图，和
图3示出通信电缆的示意图。
具体实施方式
图1纯示意性地示出用于连接串行设备接口12(如自动化设备14的RS485或RS232接口)与主接口16(如主计算机18的USB接口或IEEE1394接口（火线（FireWire））)的通信转换器10。
在所描述的实施例中，通信电缆20的整体化组成部分的通信转换器10在通信电缆20的第一末端22是用于与主计算机18的主接口16连接的主插头24，如USB插头，并且在通信电缆20的第二末端26是用于与自动化设备14的串行设备接口12连接的设备插头28，如RJ45插头。
通信转换器10 包括接口模块30，其可在输入侧与主接口16的数据线路32连接并且可以自动执行完整的USB协议。接口模块30在输出侧与串行的发送/接收机模块34连接，该发送/接收机模块34可经由数据线路36与自动化设备14的串行设备接口12连接。
接口模块30以及串行的发送/接收机模块34都经由主接口16的电压供应线路38被供应电压。
为了实现为连接在通信转换器10处的自动化设备14定义的运行电压的自动调整，通信转换器10具有逻辑单元40，该逻辑单元40优选实施为微控制器。逻辑单元40的输出端42与构造为可控的DC/DC变换器的变压器46的控制输入端44连接。变压器46的输出端可与串行设备接口12的电压供应线路PS连接，以便用合适的电压供应自动化设备14。
同时，变压器46的输出端经由第一电流/电压测量单元48反馈到逻辑单元40的输入端50。
除了可以称为RX/TX线路的数据传输线路36以外，串行设备接口12补充地包括电压供应线路PS以及控制信号线路CTRL，该控制信号线路CTRL与第二电流/电压测量单元54的输入端52连接，该第二电流/电压测量单元54在输出侧与逻辑单元40的输入端56连接，以便检测控制线路CTRL的电流/电压状态。逻辑单元40的另一输出端58与阻抗开关60连接，该阻抗开关60的输出端与控制信号线路CTRL连接并且该阻抗开关经由电流/电压测量单元54反馈到逻辑单元的输入端56。经由如阻抗开关60的开关装置，控制线路60的阻抗可以被控制到高阻抗H或者低阻抗L。
为了控制通信转换器20，需要获得来自自动化设备14的反馈，以便标识和选择合适的电压。当用电压供应设备14时，反馈参数是该设备14的电流消耗。第二反馈参数是控制线路CTRL上的CTRL信号，该CTRL信号具有定义的电压电平并且典型地用于将自动化设备14切换到特定的运行方式。
对于这里所述的解决方案，每个设备支持CTRL信号，以便使转换器能够识别该信号并且将该信号用作为反馈信号。所定义的CTRL电压值在此与在设备侧需要的标称电压无关。
施加在电压供应线路PS处的电压值和在控制线路CTRL上激活的电压值之间的关系被用于区分不同的设备类型。
随着升高的供应电压，控制线路CTRL上的电压值升高直至达到标称供应电压Un。控制线路CTRL上的电压于是具有其定义的值。
为了探测正确的电压值，通信转换器10以最低的电压值开始测试，所述最低的电压值由该通信转换器支持，并且监视控制线路CTRL上的电压值，该电压值由转换器10在设备侧处测量。
如果控制线路CTRL上的电压值达到了定义的电压值，则发现了正确的供应电压。如果控制线路CTRL上的电压值>0伏特并且小于定义的电压值，则通信转换器10将供应电压提高到由转换器10支持的高一级的电压值。控制线路CTRL上的电压值被重新测量并且与定义的电压值比较。根据比较结果，要么发现正确的电压值并且输送给自动化设备，要么继续执行测试序列直至发现正确的电压值。
在电压测试期间，线路CTRL是高欧姆的。当通信转换器10提供供应线路PS上的运行电压时，控制线路CTRL被置到低阻抗L，以便在控制线路CTRL上为所连接的自动化设备14提供信号。经由供应线路PS的电流被监视并且被用于探测通信转换器10是否已经与自动化设备14分开。如果电流下降到0安培，则通信转换器10已经被分开并且通信转换器10重新开始探测过程。
通信转换器10的功能将在下面根据在图2中示出的状态图来阐释。
从起始点以状态0_0出发，在状态S0认为，控制线路CTRL是高阻抗H并且电压供应线路PS上的电压U是0伏特。启动计时器T1。如果线路CTRL和PS的电平不改变，则转换器10保持在状态S0。
在状态S1，对应于由转换器支持的最低电压值的电压值U1经由变压器46被放到电压供应线路PS上并且启动计时器T2。
同时，借助于电流/电压测量单元48、54监视线路PS和CTRL。只要线路PS上的电流>0安培或者线路CTRL上的电压>0伏特，就变换到状态S2。否则返回到状态S0。
在状态S2，线路PS和CTRL上的电压值被探测。所述线路被切换到高阻抗H。
如果线路PS上的电压>0伏特并且线路CTRL上的电压=0伏特或者线路PS上的电压=0伏特并且线路CTRL上的电压>0伏特，则变换到状态S7，在该状态S7中，线路PS被切换到高欧姆（无转换器的电压）并且CTRL被切换到低阻抗L。
如果在状态S2中在供应线路PS处的电压为0伏特，则变换到状态S3。供应线路PS被施加以电压U1，而控制线路CTRL具有高阻抗H。同时，借助于电流/电压测量单元54监视控制线路CTRL的电压。只要该电压=0伏特，电路就转变到状态S7。
如果施加在控制线路CTRL处的电压应该对应于CTRL信号的标称电压Un，则电路变换到状态S5，在该状态S5中，控制线路CTRL被置到低阻抗Z并且供应线路PS被置到供应电压U1上。
如果经由供应线路PS的电流>0安培，则电路保持在状态S5。如果经由供应线路PS的电流应该为0安培，则电路变换到状态S0。
当控制线路CTRL处的电压处于0伏特≤U≤UN（CTRL信号的标称电压）之间时，状态S3变换到状态S4。在状态S4，供应线路PS被施加以电压U2(U2>U1),而控制线路CTRL具有高阻抗Z。
只要施加在控制线路处的电压U对应于标称电压UN，电路就转变到状态S6，在该状态S6中，控制线路CTRL具有低阻抗L并且供应线路PS具有电压U2。只要经由供应线路PS的电流>0安培，电路就保持在状态S6。否则电路转变到状态S0。
状态S4和S6根据所期望的设备电压被执行，其目的是，在供应线路PS处施加对于设备14合适的电压U1、U2…UMAX。
从状态S7——在该状态S7中控制线路具有低阻抗L并且供应线路PS具有状态0伏特，当供应线路PS处的电压>0伏特或者经由控制线路CTRL的电流I>0安培，则电路保持在状态S7。
如果供应线路PS的电压U应该为0伏特并且经由控制线路CTRL的电流I同样应该为0安培，则电路转变到状态S0。探测序列被重新启动。
对于从外部被供应电压、即不经由通信接口10被供应电压的设备，可以在三种不同的设备类型之间进行区分：
1）类型“A”的设备，其本身在符合系统的接口连接处提供电压，
2）类型“B”的设备，其不使用电压供应线路，但是支持设备接口处的附加信号，以及
3）类型“C”的设备，其不支持电压供应并且不支持可选的CTRL信号。
在这三种设备类型的情况下，通过通信转换器10或通信电缆的电压供应不是必要的。在设备类型“A”和“B”的情况下，可以由通信转换器使用存在的电压供应或CTRL信号，以便识别电压供应不是必要的。通信转换器的电压供应能力在该类型的设备的情况下是关断的。
在按照类型“C”的设备的情况下，无反馈信号是供使用的。因此在状态图中所述的状态持续运行。由于在该设备类型的情况下缺少供应线路的内部连接，所有没有电流流动。因此电压测试在施加最小的电压之后停止。

Claims (11)

1.一种用于连接具有不同运行电压的自动化设备(14)与主计算机(18)的通信转换器(10)，该通信转换器包括用于转换待传输数据的接口模块(30)以及与该接口模块(30)耦合的发送/接收模块(34)以及变压器(44)，其中接口模块(30)在输入侧经由主插头(24)与主计算机(18)的主接口(16)连接并且发送/接收模块(34)经由设备插头(28)与自动化设备(14)的设备接口(12)连接，所述变压器(44)在输入侧经由主接口(16)与运行电压连接并且在输出侧与设备接口(12)的电压供应线路(PS)连接,
其特征在于，
通信转换器（10）具有用于检测电压供应线路（PS）的电流或电压的第一电流/电压测量装置（48）、用于检测设备接口（12）的控制线路（CTRL）的电流或电压的第二电流/电压测量装置（54）以及用于控制控制线路（CTRL）的阻抗的开关装置（60），变压器（44）构造为可控的变压器，其输出电压借助于集成在通信转换器（10）中的逻辑单元（40）根据施加在控制线路（CTRL）和电压供应线路（PS）处的电流/电压值而能被控制到所连接的自动化设备（14）的运行电压。
2.根据权利要求1所述的通信转换器，
其特征在于，
逻辑单元（40）的输出端（42）与变压器（46）的控制输入端（44）连接，并且变压器（46）的输出端经由第一电流/电压测量装置（48）在逻辑单元（40）的输入端（50）上反馈。
3.根据权利要求1或2所述的通信转换器，
其特征在于，
控制线路（CTRL）经由第二电流/电压测量装置（54）与逻辑单元（40）的输入端（56）连接。
4.根据前述权利要求中的至少一项所述的通信转换器，
其特征在于，
控制线路（CTRL）能经由通过逻辑单元的输出端（58）控制的开关装置、如阻抗开关（60）而从低阻抗（Z）被控制到高阻抗（Z），反之亦然。
5.一种用于控制用来连接具有不同运行电压的自动化设备(14)与主计算机(18)的通信转换器(10)的输出电压的方法，其中该通信转换器（10）具有用于转换待传输数据的接口模块(30)以及与该接口模块(30)耦合的发送/接收模块(34)以及变压器(44)，并且其中接口模块(30)在输入侧经由主插头与主计算机的主接口连接并且发送/接收模块经由自动化设备的设备插头连接，所述变压器(44)在输入侧经由主接口与运行电压连接并且在输出侧与设备接口(12)的电压供应线路连接,
其特征在于，
借助于集成在通信转换器中的逻辑单元（40）检测设备接口（12）的电压供应线路（PS）和设备接口（12）的控制线路（CTRL）上的信号状态，并且根据控制线路（CTRL）和电压供应线路（PS）的电流/电压值将转换器的输出电压调整到所连接的自动化设备（14）的供应电压。
6.根据权利要求5所述的方法，
其特征在于，
转换器（10）的输出电压被提高，直至控制线路（CTRL）上的电压值达到定义的电压值为止。
7.根据权利要求5或6所述的方法，
其特征在于，
借助于电流/电压测量单元（48）检测经由电压供应线路（PS）的电流。
8.根据权利要求5至7之一所述的方法，
其特征在于，
使用施加在电压供应线路（PS）处的、转换器（10）的输出电压和在控制线路（CTRL）处检测到的电压值之间的关系，以便区分自动化设备（14）的不同类型。
9.根据权利要求5至8之一所述的方法，
其特征在于，
经由逻辑单元（40）和可控的变压器（46），从低电压值出发，连续地提高输出电压，其中同时监视控制线路（CTRL）上的电压值，并且如果控制线路（CTRL）上的电压值达到定义的电压值，则调整对于所连接的自动化设备（14）正确的供应电压。
10.根据权利要求5至9之一所述的方法，
其特征在于，
当控制线路（CTRL）上的电压值大于0伏特并且小于定义的电压值时，将输出电压的电压值提高到高一级的电压值。
11.根据权利要求5至10之一所述的方法，
其特征在于，
监视经由电压供应线路（PS）的电流并且将该电流用于探测通信转换器（10）是否已经与自动化设备（14）分开。
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