CN104584498A

CN104584498A - 用于信号传输和用于电流隔离的电路

Info

Publication number: CN104584498A
Application number: CN201380044400.6A
Authority: CN
Inventors: 马蒂亚斯·布鲁德曼; 丹尼尔·科尔默; 克里斯托夫·韦勒
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2012-08-24
Filing date: 2013-07-26
Publication date: 2015-04-29
Also published as: EP2888848A1; US20150222241A1; DE102012107818A1; WO2014029585A1

Abstract

本发明涉及一种在第一和第二数字信号处理单元(S1、S2)之间传输信号和电流隔离的电路，在第一和第二信号处理单元(S1、S2)之间提供第一信号路径(Q1)，第一信号路径(Q1)具有第一部分(A1)，其包括正和负信号线(L1+、L1-)并且用于在第一和第二信号处理单元(S1、S2)之间传输差分信号，在正信号线(L1+)中提供至少一个电容器(C11、C12)，并且在负信号线(L1-)中提供至少一个电容器(C21、C22)，所述电容器(C11、C12、C21、C22)用于第一信号处理单元(S1)和第二信号处理单元(S2)之间的电流隔离，并且电容器(C11、C12、C21、C22)每个根据点火保护类型本质安全的规范被设计。

Description

用于信号传输和用于电流隔离的电路

技术领域

本发明涉及一种用于第一和第二数字信号处理单元之间的信号传输和电流隔离的电路。而且，本发明涉及过程自动化技术的现场设备、以及用于第一和第二信号处理单元之间的信号传输和电流隔离的方法。

背景技术

现今，用于信号传输的例如是差分信号，诸如，例如所谓的LVDS信号。LVDS代表低压差分信令。该类型的差分数据传输经由正和负信号线发生，其中，经由正信号线发送的是正信号，并且经由负信号线发送的是负信号。在这样的情况下，负信号与正信号相等，但是具有相反极性。这种差分数据传输例如在Fairchild半导体公司的数据表单AN-5048中被记录。

从欧洲专利EP 0811217 B1已知用于差分信号的接口的电隔离的电路。电容器被集成在其正和负信号线中。

除了电流隔离之外，在爆炸危险区域中感兴趣的是履行用于避免爆炸或者用于使爆炸的后果尽可能小的保护措施。除了主要爆炸保护之外，在避免使用易燃材料的情况下，辅助爆炸保护涉及避免潜在着火源。而且，在例如使用抗爆炸构件的情况下，存在所谓的结构爆炸保护。例如已知点火保护类型本质安全(ignition protection type,intrinsicsafety)，其应用至电气或电子装置。在EN60079-11中限定还被已知为Ex I的这种点火保护类型。

而且，从美国专利申请US 20100054345 A1已知用于差分信号传输的电流隔离接口。

另外，从过程自动化已知用于监测和/或控制工厂中的过程的现场设备。这些现场设备使用所谓的现场总线协议，例如，用于被测量值传输。这些现场总线协议之一是所谓的Profibus协议。例如所谓的Profibus DP现场总线的现场总线特别在爆炸危险环境中被使用。然后，必须设计与过程环境对应的现场设备的电子设备。在这样的情况下，通常是在关于能量供应的主要电路和辅助电路中的隔离、以及可用能量的限制。在这样的情况下，通常经由光学隔离器或者经由变压器发生电流隔离。然而，由于Profibus协议可以发送达到12MBaud的频率，要求相对昂贵的光学隔离器，或者这样的光学隔离器不满足点火保护类型之一的要求。

发明内容

从而，本发明的目标在于提供具有良好效率的成本有效信号传输、以及充分高的可实现数据速率。

该目标通过用于信号传输和电流隔离的电路，以及通过过程自动化技术的现场设备，以及通过用于信号传输和电流隔离的方法，根据本发明被实现。

关于电路，该目标通过用于在第一和第二数字数据处理单元之间的信号传输和电流隔离的电路被实现。

在这样的情况下，在第一和第二信号处理单元之间提供第一信号路径，其中，第一信号路径具有第一部分，该第一部分包括正和负信号线。在这样的情况下，具有其正和负信号线的第一信号路径用于在第一和第二信号处理单元之间传输差分信号。在这样的情况下，差分信号由经由正信号线发送的正信号和等于正信号线但是具有相反极性的负信号构成。

而且，在正信号线中提供至少一个电容器，并且在负信号线中提供至少一个电容器。在这样的情况下，在正信号线或负信号线中的电容器用于在第一和第二信号处理单元之间的电流隔离。这些电容器在每种情况下都根据点火保护类型本质安全的规范被实施。在这样的情况下，对应于点火保护类型本质安全来选择被利用电容器的空气中的爬电距离、或在保护层下的爬电距离。用于空气中的爬电距离、在保护层下的爬电距离的对应值分别在标准EN60079-11中被阐述为电压的函数。所要求的电容器构造的相对大形式使得可以保持爬电距离或电流分离的电流电路之间的空气路径，其中，该电流分离的电流电路包括例如第一和第二信号处理单元。

在所建议电路的实施例的形式中，在第一和第二信号处理单元之间的第一信号路径中提供第二部分和第三部分。在这样的情况下，在每种情况下，第二和第三部分用于在第一和第二信号处理单元之间发送非差分信号。在第二和第三部分之间布置第一部分。在这样的情况下，通过非差分信号和差分信号，分段地进行在第一和第二信号处理单元之间的数据传输。从而，数字数据，优选地二进制数据，经由第二部分以非差分信号的形式被发送。然后，该数据经由第一部分作为差分信号被传输，并且最后，经由第三部分作为非差分信号被再次发送。

在所建议的电路的实施例的形式中，第二部分用于将从第一信号处理单元输出的非差分信号发送到传输单元。传输单元用于将从第一信号处理单元发送的非差分信号转换为差分信号，并且用于经由第一部分传输该差分信号。从而，在第一信号路径的第二和第一部分之间布置该传输单元。

在所建议电路的实施例的附加形式中，提供接收单元，其用于接收由传输单元经由第一部分传输的差分信号，并且将其转换为非差分信号。然后，非差分信号经由第三部分被发送到第二信号处理单元。从而，在第一信号路径的第一部分和第三部分之间布置该接收单元。

在所建议电路的实施例的附加形式中，在第二和第一信号处理单元之间提供第二信号路径。第二信号路径具有第四部分，其用于在第二和第一信号处理单元之间传输差分信号。第二信号路径的第四部分包括用于传输差分信号的正和负信号线。在这样的情况下，在正信号线中提供至少一个电容器并且在负信号线中提供至少一个电容器，其中，电容器用于第二信号处理单元和第一信号处理单元之间的电流隔离。在每种情况下，根据点火保护类型本质安全的规范实施电容器。从而，第一信号路径用于将信号从第一信号处理单元传输到第二信号处理单元，同时第二信号路径用于将数据从第二信号处理单元传输到第一信号处理单元。

在所建议电路的实施例的附加形式中，在第二和第一信号处理单元之间的第二信号路径中提供第五和第六部分。在每种情况下，第五和第六部分用于在第二和第一信号处理单元之间发送非差分信号，其中，在第五和第六部分之间布置第四部分。

在所建议电路的实施例的附加形式中，第五部分用于将由第二信号处理单元输出的非差分信号发送到传输单元，同时在第二信号路径中存在的传输单元用于将由第二信号处理单元输出的非差分信号转换为差分信号，并且经由第四部分发送该差分信号。从而，在第四和第五部分之间布置第二信号路径中的传输单元。

在所建议电路的实施例的附加形式中，在第二信号路径中提供接收单元，该接收单元用于经由第四部分接收由传输单元传输的差分信号，并且将其转换为非差分信号。该非差分信号经由第六部分被发送到第一信号处理单元。从而，在第四部分和第六部分之间布置第二信号路径中的接收单元。

在所建议电路的实施例的附加形式中，第一信号处理单元是现场设备的操作电子设备，特别是微型处理器。

在所建议电路的实施例的附加形式中，第二信号处理单元是用于经由现场总线通信，即数据传输的通信单元。这样的电路使能在工厂中的爆炸危险区域中以高数据速率发送，特别是在9.6KBaud至12Baud的范围，即，达到并且超过20Mbit(Mbit表示百万位)。另外，在经由现场总线的数据传输的情况下，为电流隔离的目的在现场设备中发生数据减少不是必须的。在用于从现有技术已知的数据传输的本质安全电路的实施例的形式的情况下，这是由于在这些爆炸危险区域中，所利用的光学构件通常不可能在数据传输中实现这样的高数据速率。

在所建议电路的实施例的附加形式中，差分信号是所谓的LVDS(低压差分信令)信号。

在所建议电路的实施例的附加形式中，第一信号路径用于从第一信号处理单元向第二信号处理单元发送信号。

在所建议电路的实施例的附加形式中，第二信号路径用于从第二信号处理单元向第一信号处理单元发送信号。从而，数据可以经由第一信号路径从第一信号处理单元发送到第二信号处理单元。而且，数据可以经由第二信号路径从第二信号处理单元发送到第一信号处理单元。从而，在第一和第二信号处理单元之间交换的数据存在于第一和第二信号路径的不同部分中，首先，为非差分形状，然后被转换为差分信号，并且最后被转换回非差分信号。在这样的情况下，以差分信号的形式传输数据的部分用于电流隔离、并且还用于满足用于本质安全，特别用于点火保护类型本质安全的要求。

在所建议电路的实施例的附加形式中，在第一和第二信号处理单元之间提供第三信号路径。在这样的情况下，第三信号路径用于传输下述信号：该信号用于选择在第一和第二信号处理单元之间的信号传输的第一或第二信号路径。从而，通过该第三信号路径和由此传输的信号，可以选择数据传输的方向。

关于现场设备，该目标通过具有根据前述权利要求中的一项所述的电路的过程自动化技术的现场设备实现。如所述，第一信号处理单元然后可以是现场设备的操作电子设备或操作电子设备的一部分，并且用于执行现场设备的功能，并且第二信号处理单元可以是通信单元，用于将由操作电子设备输出的信号置于现场总线上。

关于方法，该目标通过一种用于第一和第二信号处理单元之间的信号传输和电流隔离的方法被实现，其中，在第一和第二信号处理单元之间提供第一信号路径，其中，第一信号路径具有第一部分，该第一部分具有正和负信号线，其中，在正信号线中提供至少一个电容器，并且在负信号线中提供至少一个电容器。电容器用于第一信号处理单元和第二信号处理单元之间的电流隔离，或用于所使用的第一和第二信号处理单元之间的电流隔离。另外，电容器根据点火保护类型本质安全的规范被实施，并且用于特别是在信号路径的第一部分中，经由第一信号路径，将差分信号从第一信号处理单元发送到第二信号处理单元。

附图说明

现在将基于附图更详细地解释本发明，附图如下示出：

图1是所建议电路的实施例的形式的示意图，

图2是所建议电路的实施例的附加形式的示意图。

具体实施方式

图1示出所建议电路的实施例的形式的示意图。在这样的情况下，第一和第二信号处理单元S1、S2经由第一信号路径Q1和第二信号路径Q2、以及第三信号路径Q3相互连接。在这样的情况下，第一和第二信号路径Q1或Q2用于第一和第二信号处理单元之间的数据传输。数据可以例如是现场设备数据，诸如，例如，现场设备的被测量值或者一个或多个参数。第三信号路径Q3用于选择第一或第二信号路径Q1或Q2。例如跨电流屏障PT，经由第三信号路径Q3发送对应的切换信号。电流屏障PT可以是所谓的印刷变压器(print transformer)。对于从第一信号处理单元S1到第二信号处理单元S2的数据的数据传输，经由信号输出Tx1并且经由第一信号路径的第二部分，将对应的信号从第一信号处理单元S1发送到传输单元D1。传输单元D1将由第一信号处理单元输出的非差分信号转换为差分信号。然后，差分信号经由第一信号路径Q1的第一部分A1被传输到接收单元D2。根据图1中的实施例的形式，第一信号路径Q1中的第一部分A1包括正信号线L1+和负信号线L1-，其用于传输差分信号。差分信号的正信号分量经由正信号线L1+被传输，并且差分信号的负信号分量经由负信号线L1-被传输。在正和负信号线L1+、L1-中进一步集成用于电流隔离的电容器C11、C12、C21、C22。从而，正信号线具有两个串联连接的电容器C11和C12，并且负信号线L1同样具有两个串联连接的电容器C12和C22。在这样的情况下，电容器根据点火保护类型本质安全的要求被实施。由接收单元经由第一部分A1接收的差分信号被转换回非差分信号，并且经由第一信号路径Q1的第三部分A3被发送到第二信号处理单元S2的接收信道Rx1。

第二信号路径Q2用于从第二信号处理单元S2到第一信号处理单元S1的数据传输。为了数据传输，经由第二信号路径Q2的第五部分A5，在第二信号处理单元S2的信号输出Tx2上，非差分信号被发送到传输单元D4。传输单元D4用于将非差分信号转换为差分信号，差分信号经由第二信号路径Q2的第四部分A4被传输至接收单元D3。接收单元D3继而将差分信号转换回非差分信号，并且经由第二信号路径Q2的第六部分A6，将其发送到第一信号处理单元S1的接收信道Rx2。对应于第一信号路径Q1，特别是第一信号路径的第一部分，在第二信号路径Q2的第四部分A4的正信号线L2+中并且在负信号线L2-中的第二信号路径的第四部分中相互串联连接的是电容器C41或C42以及电容器C14或C24。如在第一信号路径Q1的第一部分A1中，这些电容器用于电流隔离。而且，电容器C41、C42、C14、C24同样根据点火保护类型本质安全被设计。

所建议的电路可以优选地在自动化技术的现场设备中被应用。从而，例如，第二信号处理单元S2可以是连接至现场总线的现场设备的通信单元。特别优选地，通信单元是所谓的RS485收发器。在本实施例中，第三信号路径Q3可以是用于传输切换信号的信号路径，该切换信号用于在发送和接收之间切换收发器。

在这样的情况下，图1中所示的电路基本上由以传输-接收单元D1、D2、D3和D4的形式的四个低压差分信令芯片构成。在第一或第二信号路径Q1、Q2中的传输单元D1或传输单元D4可以例如通过0或3.3V电压电平传输所谓的TTL信号，该TTL信号通过四个电容器C11、C12、C21或C22被传输到接收单元D2或D3。所应用的电容器使能所建议电路可以在爆炸危险区域中使用。

代替在正或负信号线L1+、L1-、L2+、L2-中的串联连接的电容器，根据点火保护类型本质安全被实施的仅单个电容器可以用于第一和第二信号处理单元之间的电流隔离。接收电路D2或D3将差分信号转换回TTL信号。在LVDS芯片用于信号传输的情况下，在第一信号路径Q1的第一部分或第二信号路径Q2中的第四部分A4中的电阻R1、R2用于信号调节并且适配带宽。对应地，更高数据速率可以通过这些电阻R1、R2的适配实现。在没有降额的情况下，所建议电路使能从第一到第二信号处理单元S1、S2或从第二到第一信号处理单元S2、S1的数据传输，并且在经由现场总线(未示出)的通信的情况下，使用相同数据传输速率。

图2示出所建议电路的实施例的形式，其与图1的实施例的形式基本一致。然而，分别在部分A2和A6中，补充提供经由二极管Z1、Z2，优选齐纳二极管，与地连接的接合点，用于电压限制的目的。代替二极管，其它装置可以被提供用于电压限制。用于电压限制的这些装置被布置在其中存在非差分信号的信号路径的部分中。从而，根据图2，用于电压限制的装置被布置在第一信号处理系统S1和信号处理单元D1或D3之间，或在第一信号处理系统S1和在部分A2或A6中提供的相应接合点之间。

从而，与电容器C11…、C24一起，通过用于电压限制的装置，例如，齐纳二极管Z1、Z2，可能发生经由信号线发送的电能量或功率的能量限制或功率限制。从而，特别是，ATEX或Ex I能量或功率限制可以被实现，使得电路满足点火保护类型本质安全的要求。

特别是，可以假设所建议电路或具有这样的电路的现场设备不具有用于能量或功率限制的附加装置，而是作为代替，通过电压限制，优选齐纳二极管Z1、Z2和电容器C11…、C24排他地实现点火保护类型本质安全的要求。

在故障的情况下，用于电压限制的装置(在此为齐纳二极管Z1、Z2)用于功率限制。例如，齐纳二极管可以具有3.6伏的齐纳电压，以在故障的情况下，将过电流偏转到地，并且从而实现下游构件，诸如，例如，传输/接收单元D1、D2的持久保护。

附图标记的列表

S1 第一信号处理单元

S2 第二信号处理单元

Q1 第一信号路径

Q2 第二信号路径

Q3 第三信号路径

A1 第一部分

A2 第二部分

A3 第三部分

A4 第四部分

A5 第五部分

A6 第六部分

Tx1 第一信号输出

Tx2 第二信号输出

Rx1 第一信号输入

Rx2 第二信号输入

D1 传输单元

D2 接收单元

D3 接收单元

D4 传输单元

C11 电容器

C12 电容器

C21 电容器

C22 电容器

C41 电容器

C42 电容器

C14 电容器

C24 电容器

PT 电流屏障

L1+ 正信号线

L1- 负信号线

L2+ 正信号线

L2- 负信号线

R1 第一电阻器

R2 第二电阻器

Claims

1.一种用于在第一和第二数字信号处理单元(S1、S2)之间的信号传输和电流隔离的电路，

其中，第一信号路径(Q1)被提供在所述第一和第二信号处理单元(S1、S2)之间，

其中，所述第一信号路径(Q1)具有第一部分(A1)，所述第一部分(A1)包括正和负信号线(L1+、L1-)并且用于在所述第一和第二信号处理单元(S1、S2)之间传输差分信号，

其中，在所述正信号线(L1+)中提供至少一个电容器(C11、C12)，并且在所述负信号线(L1-)中提供至少一个电容器(C21、C22)，并且

其中，所述电容器(C11、C12、C21、C22)用于所述第一信号处理单元(S1)和所述第二信号处理单元(S2)之间的电流隔离，并且在每种情况下，所述电容器(C11、C12、C21、C22)根据点火保护类型本质安全的规范被实施。

2.根据权利要求1所述的电路，

其中，第二部分(A2)和第三部分(A3)被提供在所述第一和第二信号处理单元(S1、S2)之间的所述第一信号路径(Q1)中，并且在每种情况下，用于在所述第一和第二信号处理单元(S1、S2)之间发送非差分信号，

其中，所述第一部分(A1)被布置在所述第二和所述第三部分(A2、A3)之间。

3.根据前述权利要求中的一项所述的电路，

其中，所述第二部分(A2)用于将所述第一信号处理单元(S1)的非差分信号输出发送到传输单元(D1)，所述传输单元(D1)用于将从所述第一信号处理单元(S1)发送的非差分信号转换为所述差分信号，并且经由所述第一部分(A1)传输所述差分信号。

4.根据前述权利要求中的一项所述的电路，

其中，提供接收单元(D2)，所述接收单元(D2)用于接收由所述传输单元(D1)经由所述第一部分(A1)传输的所述差分信号，并且用于将所述差分信号转换为非差分信号，并且用于经由所述第三部分(A3)将所述非差分信号发送到所述第二信号处理单元(S2)。

5.根据前述权利要求中的一项所述的电路，

其中，第二信号路径(Q2)被提供在所述第二和所述第一信号处理单元(S1、S2)之间，

其中，所述第二信号路径(Q2)具有第四部分(A4)，所述第四部分(A4)用于在所述第二和所述第一信号处理单元(S1、S2)之间传输差分信号，

其中，所述第二信号路径(Q2)的所述第四部分(A4)包括正和负信号线(L2+、L2-)，

其中，在所述正信号线(L2+)中提供至少一个电容器(C41、C42)并且在所述负信号线(L2-)中提供至少一个电容器(C14、C24)，

其中，所述电容器(C41、C42、C14、C24)用于在所述第二信号处理单元(S2)和所述第一信号处理单元(S2)之间的电流隔离，并且所述电容器(C41、C42、C14、C24)在每种情况下根据点火保护类型本质安全的规范被实施。

6.根据前述权利要求中的一项所述的电路，

其中，第五部分(A5)和第六部分(A6)被提供在所述第二和所述第一信号处理单元(S2、S1)之间的所述第二信号路径(Q2)中，并且在每种情况下，用于在所述第二和所述第一信号处理单元(S2、S1)之间发送非差分信号，

其中，所述第四部分(A4)被布置在所述第五和所述第六部分(A5、A6)之间。

7.根据前述权利要求中的一项所述的电路，

其中，所述第五部分(A5)用于将由所述第二信号处理单元(S2)输出的非差分信号发送至传输单元(D4)，所述传输单元(D4)用于将由所述第二信号处理单元(S2)发送的非差分信号转换为所述差分信号，并且用于经由所述第四部分(A4)发送所述差分信号。

8.根据前述权利要求中的一项所述的电路，

其中，提供接收单元(D3)，所述接收单元(D3)用于接收由所述传输单元(D4)经由所述第四部分(A4)传输的所述差分信号，并且用于将所述差分信号转换为非差分信号，并且用于经由所述第六部分(A6)将所述非差分信号发送至所述第一信号处理单元(S1)。

9.根据前述权利要求中的一项所述的电路，

其中，所述第一信号处理单元(S1)是现场设备的操作电子设备，特别是微型处理器。

10.根据前述权利要求中的一项所述的电路，

其中，所述第二信号处理单元(S2)是用于经由现场总线通信，即数据传输的单元。

11.根据前述权利要求中的一项所述的电路，

其中，所述差分信号是LVDS信号。

12.根据前述权利要求中的一项所述的电路，

其中，所述第一信号路径(Q1)用于将信号从所述第一信号处理单元(S1)发送到所述第二信号处理单元(S2)，并且

其中，所述第二信号路径(Q2)用于将信号从所述第二信号处理单元(S2)发送到所述第一信号处理单元(S1)。

13.根据前述权利要求中的一项所述的电路，

其中，在所述第一和第二信号处理单元(S1、S2)之间提供第三信号路径(Q3)，

其中，所述第三信号路径(Q3)用于传输下述信号：该信号用于选择用于在所述第一和第二信号处理单元(S1、S2)之间的信号传输的所述第一或第二信号路径(Q1、Q2)。

14.一种过程自动化技术的现场设备，具有根据在前述权利要求中的一项所述的电路。

15.一种用于在第一和第二信号处理单元(S1、S2)之间的信号传输和电流隔离的方法，

其中，在所述第一和第二信号处理单元(S1、S2)之间提供第一信号路径(Q1)，

其中，所述第一信号路径(Q1)具有第一部分(A1)，所述第一部分(A1)包括正和负信号线(L1+、L1-)，

其中，在所述正信号线(L1+)中提供至少一个电容器(C11、C12)，并且在所述负信号线(L1-)中提供至少一个电容器(C21、C22)，

其中，所述电容器(C11、C12、C21、C22)用于所述第一信号处理单元(S1)和所述第二信号处理单元(S2)之间的电流隔离，并且其中，所述电容器(C11、C12、C21、C22)在每种情况下根据点火保护类型本质安全的规范被实施，并且

经由所述第一信号路径(Q1)的所述第一部分(A1)，在所述第一和第二信号处理单元(S1、S2)之间传输差分信号。