CN105320024B - 可编程通用io接口 - Google Patents

Abstract

本发明题为可编程通用IO接口。提供了一种系统，包括控制器，该控制器构造成在一个或多个传感器和处理器之间实现通信。该控制器包括多个输入‑输出（IO）端口，每个端口构造成耦合到该一个或多个传感器。此外，每个IO端口构造成耦合到多个传感器类型，使得每个IO端口构造成耦合一个以上的传感器类型。该控制器还包括接口，该接口构造成接收从各对应于传感器类型的多个模式中所选择的模式的选择。此外，该控制器包括具有多个开关的开关块，其中每个开关构造成根据所选择的模式来触发开关块中的连接。

Description

可编程通用IO接口

背景技术

本文所公开的主题涉及在传感器控制系统中的传感器和处理器之间的输入-输出(IO)接口。

在控制系统中，处理器经常耦合到传感器，以接收关于外部设备内部或者外部的情况的测量值。采用这些测量值，处理器控制该外部设备。在许多情形下，包括在控制系统中的传感器的数量和/或类型由控制系统想要的用途来决定。常规地，每个控制系统专门为每个想要的用途来进行设计。在这种控制系统中，每个实现方式的再设计成本比使用多个设定的控制系统要昂贵很多。因此，可将控制系统设计成由多个端子来实现，每个端子专门用于连接特定的传感器类型。然而，具有多个专用端子的控制系统可能浪费连接，这是因为每个连接类型可以不在每个控制系统中使用。此外，在这种控制系统，传感器类型的比可能成不适当比例。换句话说，对于每个传感器类型来说可能不存在足够的连接并且对于其他的传感器类型存在太多的连接。

发明内容

范围与本说明书相当的特定实施方式在下面进行概述。这些实施方式并不旨在限制本说明书的范围，相反，这些实施方式仅仅旨在提供本说明书的可能形式的简要概述。事实上，本说明书可以包括多种形式，其与下面提出的实施方式类似或者不同。

在第一实施方式中，一种系统包括控制器，该控制器能在一个或多个传感器以及处理器之间实现通信。该控制器包括构造成耦合到该一个或多个传感器的多个输入-输出端口(IO端口)。此外，IO端口的每个耦合到该一个或多个传感器中的第一传感器以及该一个或多个传感器中的第二传感器。第一传感器包括该多个传感器类型的第一传感器类型，该第二传感器包括该多个传感器类型的第二传感器类型。此外，该第一传感器类型不同于该第二传感器类型。该控制器还包括接口，该接口构造成接收表示从多个模式中所选择的模式的数据，其中该多个模式中每个模式对应于一个传感器类型。此外，该控制器包括开关块，该开关块包括多个开关。该接口触发开关块中的开关，以根据所选择的模式将该处理器耦合到传感器。

在第二实施方式中，一种集成电路提供了从一个或多个传感器到处理器的信号转换。该集成电路包括输入-输出端口(IO端口)，该IO端口耦合到第一和第二传感器，其中第一传感器采用第一通信方法耦合到该IO端口，第二传感器采用第二通信方法耦合到该IO端口。该集成电路还包括接口，该接口接收表示第一通信方法或第二通信方法的数据。此外，该集成电路包括开关块，该开关块包括多个开关。此外，该接口根据第一通信方法的选择来触发该多个开关的第一子集，并且根据该第二通信方法的选择来触发该多个开关的第二子集。此外，该第一子集构造成将第一传感器耦合到处理器，第二子集构造成将第二传感器耦合到处理器。

在第三实施方式中，一种用于在传感器和处理器之间进行通信的方法，包括通过接口接收表示传感器类型的数据。该方法还包括当接收到表示第一传感器类型的数据时，触发对应于第一传感器类型的多个开关的第一子集。该方法还包括，当接收到表示第二传感器类型的数据时，触发对应于第二传感器类型的多个开关的第二子集。此外，该方法通过第一电压的输入-输出(IO)端口从第一或第二传感器接收传感器信号。此外，该方法包括通过第二电压的通道发送处理器信号给该处理器。

根据本说明书的第一方面，提供一种系统，包括：

构造成能在一个或多个传感器与处理器之间实现通信的控制器，其中该控制器包括：

多个输入-输出(IO)端口，该多个输入-输出端口构造成耦合到该一个或多个传感器，其中IO端口的每个构造成耦合到多个传感器类型，其中每个IO端口构造成耦合到该一个或多个传感器的第一传感器以及该一个或多个传感器的第二传感器，该第一传感器包括该多个传感器类型的第一传感器类型，并且该第二传感器包括该多个传感器类型的第二传感器类型，并且该第一传感器类型不同于该第二传感器类型；

接口，该接口构造成接收表示第一或第二传感器类型的数据，并且如果选择第一传感器类型则选择第一模式，如果选择第二传感器类型则选择第二模式；以及

开关块，与该接口通信耦合，其中该开关块包括多个开关，其中该多个开关中的每个开关构造成在多个状态中操作，该多个状态中的每个状态构造成将该IO端口的一个或多个耦合到处理器，并且当由该接口选择第一模式时，该多个开关根据相应状态中的第一组进行操作，而当由该接口选择第二模式时，根据相应状态中的第二组进行操作。

根据第一方面的该系统，其中该多个状态包括：

断开状态；

闭合状态；以及

“不关心”状态。

根据第一方面的该系统，其中该控制器包括构造成控制电站的可编程逻辑控制器或者分布式控制系统接口。

根据第一方面的该系统，其中该多个模式中的每个模式对应于多个通信方法中的通信方法。

根据第一方面的该系统，其中该多个传感器类型中的每个传感器类型对应于该多个通信方法的相应通信方法。

根据第一方面的该系统，其中该多个传感器类型包括热电偶装置、电阻温度检测器装置以及高速通道可寻址远程换能器(HART)装置。

根据第一方面的该系统，其中至该系统的一个或多个输入包括约4mA到20mA的电流。

根据第一方面的该系统，其中至该系统的一个或多个输入包括约30V或以下的电压。

根据第一方面的该系统，包括故障逻辑，该故障逻辑构造成确定在控制器、该一个或多个传感器、或者其间的通信路径中出现断路。

根据第一方面的该系统，其中该开关块包括：

开关的电流块，构造成触发电流源与该多个IO端口的相应IO端口之间的连接；以及

开关的电压块，构造成触发电压驱动器与该多个IO端口的相应IO端口之间的连接。

根据第一方面的该系统，包括至少一个差动放大器，构造成将来自开关块的信号转换为处理器的接口所用的电平。

根据该说明书的第二方面，提供一种集成电路，该集成电路构造成提供从一个或多个传感器到处理器的信号转换，包括：

输入-输出(IO)端口，该输入-输出端口构造成耦合到第一传感器和第二传感器，其中该第一传感器构造成采用第一通信方法耦合到该IO端口，并且该第二传感器构造成采用第二通信方法耦合到该IO端口；

接口，该接口构造成接收表示该第一通信方法或该第二通信方法的数据；以及

与该接口通信耦合的开关块，其中该开关块包括多个开关，其中该接口构造成当接收到表示第一通信方法的数据时触发该开关块中多个开关的第一子集，而当接收到表示第二通信方法的数据时触发该开关块中多个开关的第二子集，其中该第一子集构造成将第一传感器耦合到该处理器，并且第二子集构造成将第二传感器耦合到该处理器。

根据第二方面的集成电路，包括：

至少一个电压驱动器；

至少一个电流源；以及

至少一个电流吸收器。

根据第二方面的集成电路，其中该至少一个电压驱动器包括可编程电压驱动器，该至少一个电流源包括可编程电流源，并且该至少一个电流吸收器包括可编程电流吸收器。

根据第二方面的集成电路，包括故障逻辑，该故障逻辑构造成确定集成电路的芯片温度，当芯片温度超过阈值温度时，禁用该至少一个电压驱动器或者该至少一个电流源。

根据第二方面的集成电路，其中该接口包括串行外围接口(SPI)总线，以及I²C接口、SMBus接口或者CAN总线接口。

根据第二方面的集成电路，其中该接口构造成传送(transfer)16位数据帧。

根据第二方面的集成电路，其中该接口构造成响应于在集成电路输出端确定的期望信号性质而从状态机接收作为表示第一通信方法的数据的选择。

根据该说明书的第三方面，提供一种用于在传感器与处理器之间进行通信的方法，包括：

通过接口接收表示传感器类型的数据；

响应于表示对应于第一传感器的第一传感器类型的数据，触发对应于第一传感器类型的多个开关的第一子集；

响应于表示对应于第二传感器的第二传感器类型的数据，触发对应于第二传感器类型的多个开关的第二子集；

通过第一电压的输入-输出(IO)端口从第一或第二传感器接收传感器信号；以及

通过第二电压的通道发送处理器信号给该处理器。

根据第三方面的方法，包括：

通过第一电流的IO端口从该第一或第二传感器接收传感器信号；

确定第一电流对应于第一传感器类型；

响应于该确定，选择第一传感器类型；以及

通过第二电流的通道发送处理器信号给该处理器。

附图说明

当参考附图阅读下面的详细描述时，本说明书中这些以及其他特点、方面以及优点将更好理解，在附图中，相同的特征在整个附图中表示相同的部件。其中：

图1示出具有传感器和处理器的传感器控制的系统的一个实施方式的框图；

图2示出图1的具有转换单元的传感器控制的系统的一个实施方式的框图；

图3示出了图2的具有I/O增益与切换(I/O Gain and Switching)的转换单元的一个实施方式的框图；

图4示出图3的可与图1的传感器控制的系统一起使用的I/O增益与切换的一个实施方式的框图；

图5示出图3的具有一个通道的I/O增益与切换的一个实施方式的示意图；

图6示出图3的具有两个通道的I/O增益与切换的一个实施方式的示意图，其中该两个通道连接到四线电阻温度检测器(RTD)；以及

图7示出一种用于在图1的传感器和处理器之间进行通信的方法的一个实施方式的流程图。

具体实施方式

下面描述本说明书的一个或多个特定实施方式。为了给这些实施方式提供一个简要的说明，实际实现方式中的所有特征可不必在该说明书中描述。应该清楚，在任何这种实际实现方式的形成中，例如在任何工程或设计项目中，大量的实现特征的确定必须形成为实现开发者特定的目标，例如与系统相关以及商务相关的限制协调，其可以从一个实现方式变化为另一个实现方式。此外，应该清楚，这种开发的努力可以是复杂并且耗时的，但是仍然是具有本发明效果的本领域技术人员在设计、构建以及制造中的方向性理解。

当介绍本发明各个实施方式的元件时，术语“一个”，“该”，“所述”旨在表示存在一个或多个该元件。术语“包括”、“包含”以及“具有”旨在包含并且表示除所列的元件之外还存在其他的元件。

本发明的各个实施方式包括传感器控制系统中的通用IO端口。该传感器控制的系统包括一个或多个传感器，其可通过一个或多个IO端口连接到控制器箱。该一个或多个传感器可包括采用一个或多个通信方法的多个传感器类型。例如，该传感器的某些实施方式可包括外部/内部降阻触点(wetted contact)输入；毫安级(milliamp)输入；HART输入；具有两个、三个或者四个线路连接的电阻温度检测器(RTD)；热电偶，电压输入；电压输出；脉冲输入；和/或其他合适的传感器类型。在特定实施方式中，某些传感器可采用一个或多个通信方法来进行通信。例如，某些传感器可在HART协议，其他调制通信方法，各种电流和/或电压，或者，某些其他合适的通信方法之间改变(例如，基于用户选择)。通用IO端子使得传感器在通信方法之间改变，而该控制器箱不需要在IO端子之间移动该传感器。由于包括通用IO端子，与具有专用IO端子的专门设计的传感器控制的系统相比，该传感器控制的系统可以更加有效地进行设计和/或实现。此外，通过提供采用各种传感器类型的通用IO端子，该传感器控制的系统可组合多个传感器类型中的任何传感器类型的其他传感器，只要合适数量的IO端子提供给该传感器即可。由于包括通用IO端子，该传感器控制的系统可减小浪费的端子数量，通过使得任何IO端子可用于连接任何期望的传感器类型，因而这些浪费的端子在特定应用中保持为不使用。换句话说，一个控制器箱可用于多个传感器控制的系统中，通过在多个系统中重复使用该控制器箱设计，而不包括在某些传感器控制的系统中不使用的浪费IO端子，因此减小了生产成本和/或设计成本。

图1示出了传感器控制的系统10的一个实施方式。在某些实施方式中，该传感器控制的系统10可以是工厂或其他合适系统中的电源管理系统。在特定实施方式中，该传感器控制的系统10包括一个或多个传感器12，该一个或多个传感器12通过一个或多个IO端子16耦合到控制器箱14。在特定实施方式中，该一个或多个传感器12可检测温度(例如，热电偶，电阻温度检测器(RTD))，特定信号的电气性质(例如，电流，电压)，或者其他合适的特性，并且可将所感测的信息以多个形式中的一个传递给每个IO端子16。例如，IO端子16的各个实施方式可从各种类型的传感器12接收信息，该各种传感器12发送采用各种电压的信息，该各种电压诸如2.5到5V、-10V到10V、30mV到10V、-100mV到100mV或者其他合适的电压。此外，或者可替换地，IO端子16的某些实施方式可从传感器12接收采用各种电流的信息，该各种电流诸如4-20mA、10mA或者其他合适的电流。此外，传感器12的特定实施方式可采用高速通道可寻址远程换能器(HART)协议或者其他类似的协议。

在某些实施方式中，控制器箱14可以安装在单个物理外壳(例如，个人计算机，服务器，或者其他合适的控制器系统)中，或者可包括多个外壳(例如，分布式控制系统)。在各个实施方式中的每个实施方式中，该一个或多个IO端子16在该一个或多个传感器12和控制器箱14之间提供连接。如下面详细描述的那样，该一个或多个IO端子16在传感器16和处理器18之间提供链接。在某些实施方式中，处理器18可包括微控制器、微处理器、可编程逻辑控制器(PLC)，或者另一合适的处理器。因此，通过该一个或多个IO端子16，处理器18可从该一个或多个传感器12接收信号，该一个或多个传感器感测传感器控制的系统10内的各个测量值。此外，该一个或多个IO端子16可在通道内成组，以便通过一个以上的IO端子从该一个或多个传感器12接收所感测的参数。此外，通道中IO端子16的一个或多个可用于将信息返回到一个或多个传感器12。例如，在某些实施方式中，传感器12(例如，RTD)可通过1、2、3、4个或者更多的IO端子16连接到控制器箱14。例如，在特定实施方式中，一个通道可包括2个IO端子16，但是其他的实施方式可包括包含3、4个或者更多IO端子16的通道。此外，在某些实施方式中，每个传感器12可连接到单个通道，但是其他的实施方式可包括跨越2个或者更多通道的传感器12。

在各个实施方式中，一旦处理器18已经从该一个或多个传感器12接收到所感测的参数(例如，温度)，那么该处理器18可采用该感测的参数来控制一个或多个受控设备20和/或为所连接的传感器12选择一种传感器类型。在该传感器控制的系统10中，受控设备20可包括依赖或者产生该一个或多个传感器12的测量值的任何设备。例如，在特定实施方式中，该受控设备20可以包括电厂内的一个或多个设备(例如，压缩机，燃烧室，涡轮机等等)。

正如我们所知道的，来自该一个或多个传感器12的信号可包括电压和/或电流，该电压和/或电流是处理器18在没有首先将那些信号转换成新的电压和/或电流时不能从该一个或多个传感器12直接接收的。因此，图2示出了一种包括传感器转换系统22的传感器控制的系统10。在所示出的实施方式中，该传感器控制的系统10包括两个传感器12，但是其他实施方式可包括1、3、4个或者更多的传感器。此外，所示出的传感器控制的系统10的实施方式包括第一通道24，该第一通道将控制器箱14耦合到每个传感器12。所示出的传感器控制的系统10的实施方式还包括第二通道26，该第二通道26将控制器箱14耦合到每个传感器12。尽管所示出的实施方式中第一通道24和第二通道26分别包括两个IO端子16，但是传感器转换系统22特定的实施方式包括具有1、3、4个或者更多IO端子16的通道。所示出的传感器转换系统22的实施方式还包括转换部件28，该转换部件28将传感器12的信号转换成适合由处理器18处理的电压和/或电流。如下面详细描述的那样，转换部件28可从一个或多个传感器12接收输入，而不管每个传感器12的传感器类型。该转换部件28然后将每个传感器12的信号转换成适合于处理器18来处理的信号，而不管传感器的类型。例如，传感器12可以是任何传感器类型，例如发送4-20毫安信号的传感器12、热电偶、RTD、HART设备或者其他合适的传感器类型。换句话来说，转换部件28(与IO端子16一起)提供了通用IO点，其使得使用各种传感器类型均能连接到控制器箱14以及处理器18，而不需要对每个传感器类型实现专用的IO端子16。由于增加IO端子16在控制器箱14中的通用性，通过提供可耦合到各种传感器12和/或传感器类型的单个控制器箱14，控制器箱14的生产和设计成本降低，因此使得控制器箱14可使用在多种设置中，而不需再为每个想要的用途设计该控制器箱14或者浪费额外的专用IO端子16。

在某些实施方式中，转换部件28可包括电压和/或电流转换电路，该电压和/或电流转换电路可采用专用集成电路(ASIC)或者其他合适的电路来实现。此外，在某些实施方式中，转换部件28还可包括处理电路，该处理电路可对来自传感器12的所感测信号执行其他的操作。例如，转换部件28的特定实施方式可包括数模转换器(DAC)和/或模数转换器(ADC)。

图3示出了转换部件28的一个实施方式，该转换部件28具有电压/电流块30、DAC块32以及ADC块34。在特定实施方式中，转换部件28可采用集成电路、单独的电气部件和/或其组合来实现。尽管进一步的描述涉及采用ASIC来实现转换部件28，但是其他的实施方式可包括以其他合适的硬件实现来实施的转换单元28。

在特定实施方式中，电压/电流块30可包括一个或多个I/O增益和开关单元36。例如，电压/电流块30的特定实施方式可通过采用ASIC的四个I/O增益与切换单元36来实现。在其他实施方式中，电压/电流块30可包括1、2、3个或者更多的I/O增益与切换单元36。此外，在所示出的实施方式中，每个I/O增益与切换单元36可包括两个通道，每个通道包括两个IO端子16，其合起来是每个I/O增益与切换单元36包括四个IO端子16。然而，该I/O增益与切换的各个实施方式可包括1、2、3、4个或者更多的通道，该通道以1、2、3、4个或更多的IO端子16来实现。例如，该I/O增益与切换36的特定实施方式可包括三个通道，每个通道在相应IO端子16上实现，其他实施方式可包括三个通道，每个通道在三个IO端子16上实现，合计九个IO端子16。

所示出的转换部件28的实施方式还包括DAC块32，其包括多个DAC单元38。DAC单元38构造成将到或来自处理器18、外部电路和/或电压/电流块30的数字信号转换为模拟信号。DAC单元38采用任何合适的DAC方法来实现，诸如一个或多个ASIC。尽管所示出的实施方式示出了DAC块32与电压/电流块30分开，但是转换部件28的特定实施方式可包括ASIC，该ASIC包含电压/电流块30、DAC块32和/或ADC块34。此外，每个DAC单元38可包括一个或多个通道。在所示出的实施方式中，每个DAC单元38包括一个通道，但是DAC单元38其他的实施方式可包括2、3、4个或者更多的通道。如所示出的那样，DAC单元38的数量可选择成与包括电压/电流块30的通道数量匹配，使得电压/电流块30中的每个通道在DAC块32中具有对应的通道。换句话说，如果电压/电流块30包括八个通道，DAC块32也应该包括八个通道，从而为每个通道提供数模转换。因此，所示出的DAC块32的实施方式包括八个DAC单元38，每个DAC单元38包括单个通道，从而为电压/电流块30提供数模转换的八个通道。

所示出的转换部件28的实施方式还包括ADC块34，该ADC块34包括一个或多个ADC单元40。每个ADC单元40构造成将到和来自处理器18、外部电路和/或电压/电流块30模拟信号转换为数字信号。此外，每个ADC单元40可采用任何合适的ADC方法来实现，例如ASIC。尽管所示出的实施方式示出ADC块34与电压/电流块30和DAC块32分开，但是转换部件28其他的实施方式可以是包含电压/电流块30、DAC块32和/或ADC块34的一个或多个ASIC。此外，与DAC块32类似，ADC块34可包括任何数量的ADC单元40，其可提供与电压/电流块30中的通道数量匹配的多个通道。例如，所示出的实施方式里面的ADC单元40包括八个通道，每个通道对应于电压/电流块34中八个通道的每一个通道。

图4示出了I/O增益与切换36作为ASIC的一个实施方式。所示出的I/O增益与切换36包括四个IO端子16以及耦合到负载电阻器(burden resistor)44的四个负载电阻器端子42。此外，IO端子16和负载电阻器端子42中的每个端子耦合到开关块46。如下所述，开关块46包括多个开关，其可根据连接到IO端子16的传感器类型来触发。在信号在开关块46中正确路由之后，该信号或者部分信号(例如，所感测的电压)直接到每个差动放大器48。差动放大器48构造成根据通信方法和/或传感器类型的选择来削弱/放大该信号。该传感器类型和/或通信类型可采用接口50来选择，其中接口50确定连接到IO端子16的传感器12的类型。在某些实施方式中，传感器类型可由用户采用输入设备(例如，鼠标、键盘、触板、触屏以及选择器按钮)来进行选择并且显示在显示器上。在其他实施方式中，I/O增益与切换36可确定来自传感器的各种性质，诸如感测来自传感器12和/或通道输出52的电压和/或电流，以确定应在通道输出52上哪个执行通信方法。在这种实施方式中，电压/电流范围可本地存储或者远程存储在设备中，其中该设备通过接口50与I/O增益与切换36进行统一，使得在该范围内的所感测电压和/或电流可实现与所连接的传感器12的传感器类型对应的通信方法。一旦信号已经由差动放大器48衰减/放大到期望等级，该信号通过通道输出52进行发送。

接口50可包括在I/O增益与切换36与外部设备之间的各种类型的互连和通信方法，该外部设备例如处理器、微控制器、PLC、计算机、服务器、其他计算设备和/或输入设备。例如，接口50可包括串行外围接口(SPI)总线、I2C接口、或者控制器局域网总线(CAN-bus)接口、或者其他合适的接口。在某些实施方式中，接口50可构造成以可变位帧接收数据，但是接口50的某些实施方式可构造成以固定位帧接收数据。例如，接口50的某些实施方式可构造成接收4、8、16、32、64位或者更多位帧。如下所述，接口50可接收或者确定传感器类型连接到IO端子16。

在特定实施方式中，接口50可为开关块46选择操作模式，其根据传感器的传感器类型和/或通信方法将每个开关设置在一种操作状态。例如，接口50可在断开和闭合状态之间改变开关块56中的开关。此外，在某些实施方式中，一个或多个操作模式可具有“不关心”状态，其忽略一个或多个被忽略开关的状态。在这种实施方式中，该一个或多个操作模式并不包括所忽略的开关和/或所忽略开关的状态在该一个或多个操作模式中对于开关块46的操作并不明显。换句话说，当接口50使得开关块46中的某些开关可以触发时，所忽略的开关留下来保持它们在触发之前的那种状态。此外，每个操作模式可包括一组相关开关的每个状态。例如，操作模式可包括闭合第一、第二以及第四开关；断开第三和第五开关；以及对第六开关“不关心”状态。另一模式可包括闭合第一和第五开关；断开第二、第四以及第六开关；以及对第三开关“不关心”状态。

此外，I/O增益与切换36可包括用于每个通道的一个或多个电流吸收器54，当特定传感器类型连接到IO端子16时，该一个或多个电流吸收器可连接到一个或多个IO端子16。例如，在某些实施方式中，当每个IO端子16耦合到外部的降阻触点时，电流吸收器54可耦合到IO端子16，其中有该外部电源通过该触头提供的电流在触头闭合时被调节到约7.5mA或者更少。

I/O增益与切换36可进一步包括HART模块56，其可从HART设备/调制解调器接收信号。HART模块56还可包括HART电压驱动器和/或其他合适的HART部件，其他合适的HART部件可使得I/O增益与切换36将用于由处理器18处理的HART信号进行转换。此外，I/O增益与切换36可包括芯片温度控制58。在某些实施方式中，芯片温度控制58可包括芯片温度传感器和/或在所感测的温度超过阈值温度时禁用开关块46内的一个或多个开关的逻辑。

I/O增益与切换36所示出的实施方式还包括高侧开关60以及低侧开关62。每个开关60、62分别包括故障逻辑61，该故障逻辑61包括定时器设置和/或温度传感器输入，该定时器设置和/或温度传感器输入可在开关60、62之间共用。每个开关的故障逻辑61可确定I/O增益以及开关36内的各种故障。例如，故障逻辑61可确定输出电流超过定时阈值的时间段超过特定的时间段。故障逻辑61还可确定输出电流超过更高阈值任何时间段，其中更高阈值大于定时阈值。换句话说，故障逻辑61可跟踪与两个阈值相关的电流：最大值以及允许短时间段的值。此外，故障逻辑61可通过确定当开关断开时开关两端没有电压降而确定开关已经短路。此外，故障逻辑61可通过确定开关关闭时开关两端的电压降太高而确定开关被不正确地断开。此外，故障逻辑61可确定控制器逻辑36的温度已经超过特定阈值。此外，故障逻辑61可确定过/欠压。一旦检测到任何上述故障，高侧开关60以及低侧开关62可完全禁用I/O增益与切换36或者禁用I/O增益与切换的各个部分。

图5示出I/O增益与切换36的一个实施方式，其示出了开关块46。如图所示，I/O增益与切换36包括具有两个IO端子16的单个通道。特别的是，I/O增益与切换36包括Pin1输入端子64以及Pin2输入端子66。在所示的实施方式中，I/O增益与切换36还包括两个负载电阻器端子68和70以及通道输出52。此外，开关块46包括多个开关SW1、SW2、SW3、SW6、SW7、SW9、SW10、SW11、SW13、SW15、SW16、SW18以及SW19。每个开关可包括不同的电电阻或者基于期望电路生质的电电阻组合。例如，在特定实施方式中，开关SW1、SW2、SW7、SW15以及SW16可包括10欧姆电阻，开关SW6、SW9、SW10、SW11以及SW18可包括100欧姆电阻，开关SW19可包括20欧姆电阻。在其他实施方式中，任何开关可包括任何合适的电阻，诸如5、10、15、20、25、30欧姆或者更大。如下所述，这些开关可成组为多个开关的子集，每个子集对应于一种传感器类型和/或通信方法。

如图所示，每个开关可根据所选择的通信方法和/或传感器类型来触发电气连接。换句话说，接口50可使得开关块46中的多个开关的一个子集触发。例如，SW1触发负载电阻器端子70和节点72之间的连接，并且最小化在模拟功能中使用的开关上的电压降。同样，SW2触发节点72和DAC输出74之间的连接，并且最小化SW13两端的电压降。同样，SW3触发Pin2输入端子66和内部地76之间的连接。此外，SW3可以根据所选择的模式和/或用户端子错误连线而可以进行双向电压阻断和电流流动。SW6触发负载电阻器端子68和内部地76之间的连接。SW6根据电压检测来允许切换，以保护免于由于不正确的结构和/或用户连线而导致的高电流故障。SW7触发负载电阻器端子68和节点78之间的连接，SW9触发节点78和DAC输出80之间的连接。SW10触发DAC输出74和DAC感测82之间的连接，其中DAC感测85感测每个DAC单元38的电压，DAC单元38可从处理器18，内部电源和/或其他合适的电源接收电压。此外，在某些实施方式中，接口50可用于选择通过DAC感测82发送的功率。SW11触发节点78和负载电阻器端子70之间的连接。SW13触发电流吸收器54和节点72之间的连接。SW15触发Pin1输入端子64和节点72之间的连接。SW16触发Pin2输入端子66和节点78之间的连接。SW18触发DAC感测82和Pin1输入端子64之间的连接。SW19触发HART模块56和负载电阻器端子68之间的连接。

除了开关块46之外，I/O增益与切换36包括Pin1 MUX(引脚1复用)84和Pin2 MUX86。Pin1 MUX 84接收输入V_pin1 88，该输入模拟或包含出现在Pin1输入端子64上的电压。Pin1 MUX 84还接收V_CR1，其模拟或包含出现在负载电阻器端子70上的电压。此外，Pin1MUX 84可接收内部地76的连接，测试电压，和/或HART信号。如所知道的那样，Pin1 MUX 84多路传输每个所接收的信号，并将Pin1多路传输的信号92引导到差动放大器48，该差动放大器48提供可编程放大或衰减。与Pin1 MUX 84类似，Pin2 MUX86接收V_Pin294(例如，Pin2输入端子66的电压)，V_CR2 96(例如，负载电阻器端子68的电压)，内部地76，和/或其他合适的输入(例如，测试电压，HART信号，等等)。Pin2 MUX 86然后多路传输所接收的信号，以产生Pin2多路传输信号98，该信号98发送到差动放大器48。此外，在特定实施方式中，差动放大器可发送调节电压100以及反向调节电压102给输出驱动器104。在其他实施方式中，差动放大器48可仅发送调节电压100给输出驱动器104。此外，在某些实施方式中，输出驱动器104或者其他电路可从调节电压100产生反向调节电压102。输出驱动器104的输出然后直接被引导至通道输出52。尽管通道输出52所示出的实施方式仅仅示出一个端子，但某些实施方式可包括电压通道输出52以及反向电压通道输出，其中该反向电压通道输出将电压通道输出52的电压反向。

I/O增益与切换36可进一步包括比较器106，其比较通道输出52以及DAC输出74。比较器106可比较通过DAC感测82外部设置的阈值电压。在其他实施方式中，比较器106可接收所产生的阈值源(例如，电流或者电压源)作为替代DAC输出74的输入。在特定实施方式中，该阈值源可通过接口50响应于用户选择和/或所感测的信号特性(例如，电流和/或电压)来进行设置。此外，I/O增益与切换36可包括计数器108，该计数器108可跟踪通道输出52发出高于阈值的信号的同时已经过去的时间段，其中当比较器确定通道输出52超过阈值时通道输出52发出超过阈值的信号。例如，如果通道输出52的电流超过定时阈值(例如，DAC输出74)高于10个时钟周期，计数器108将计数到10。在特定实施方式中，当计数器108超过时间极限值(例如，12个时钟周期)，I/O增益与切换36禁止一个或多个开关阻断电压损坏I/O增益与切换36或者处理器18。比较结果和/或存储在计数器108中的信息可通过比较器管脚PINC1 110进行访问。最后，I/O增益与切换36还可包括电压保护112，当感测到电压保护112上的阈值电压时，电压保护112可断开开关SW3。

每个开关可根据传感器类型和/或通信方法进行触发。例如，如果具有外部降阻触点输入的传感器12连接到Pin1 64以及Pin2 66输入端子，接口50可触发开关SW3、SW10、SW13和SW15闭合，从而为外部降阻触点输入提供恰当的连接。然而，如果传感器12与内部降阻触点输入连接后连接到Pin1 64，则接口50可触发开关SW2、SW3、SW10以及SW15闭合。此外，如果具有毫安级输入的传感器12连接到Pin1 64以及Pin2 66输入端子，开关SW1、SW7、SW15以及SW16触发闭合(并且SW3可随意触发闭合)。同样，如果具有HART输入的传感器12连接到Pin1 64以及Pin2 66输入端子，开关SW1、SW15、SW16以及SW19可触发闭合(SW3随意闭合)。类似，如果所连接的传感器12是热电偶，那么在检测过程中所有的开关断开，除了开关SW2、SW6、SW7、SW10、SW15以及SW16可仍然保持闭合。此外，如果所连接的传感器12是RTD(2线)，开关SW2、SW3以及SW15可触发闭合。

如果传感器12包括超过用于I/O增益与切换36的通道连接的数量，那么它可连接到I/O增益与切换36的两个或更多通道，这样将一个传感器12连接到两个或更多的通道。例如，如果4线RTD作为传感器12连接，每条线路可耦合到I/O增益与切换36的每个IO端子16，即使每个通道仅仅包括两个IO端子16，如图6所示。图6示出I/O增益与切换36耦合到作为传感器12的4线RTD120的一个实施方式。在特定实施方式中，4线RTD可耦合到两个通道，每个通道包括两个IO端子16。特别的是，4线RTD 120可通过Pin1 64以及Pin2 66输入端子耦合到第一通道24，并且该4线RTD 120可通过Pin3 122以及Pin4 124输入端子耦合到第二通道26。在其他实施方式中，单个通道可组合1、3、4个或者更多的IO端子16。

在特定实施方式中，第二通道26可复制第一通道24。在其他实施方式中，第二通道26的实现与第一通道24的实现不同。例如，第二通道26可省略第一通道24中的各个开关，诸如开关SW9和SW11。如图所示，第二通道24包括Pin3 122和Pin4 124输入端子以及负载电阻器端子126和128，负载电阻器端子126和128与第一通道24中的负载电阻器端子68和70类似。此外，第二通道26包括DAC输出130和132，其对应于第一通道24中的每个DAC输出74和80。此外，第二通道26包括DAC感测134，其与第一通道24中的DAC感测82类似。

第二通道26还包括Pin3 MUX 136，其接收电压V_Pin3 138(Pin3 122输入端子的电压)、V_CR3 140(负载电阻器端子128的电压)以及内部地76。此外，Pin3 MUX 136的特定实施方式可接收测试电压、HART输入或者其他合适的信号。如我们所知道的，Pin1 MUX 84多路传输每个所接收的信号并将Pin3多路传输信号142引导到差动放大器144，该差动放大器144提供可编程放大或衰减。与Pin3 MUX 136类似，Pin4 146接收V_Pin4 148(例如，Pin4124输入端子的电压)、V_CR3 140(例如，负载电阻器端子126的电压)、内部地76和/或其他合适的输入(例如，测试电压、HART信号等等)。Pin4 MUX 146然后多路传输所接收的信号，以产生Pin4多路传输信号152，信号152发送给差动放大器144。此外，在特定实施方式中，差动放大器144可发送调节电压154以及反向调节电压156给输出驱动器158。在其他实施方式中，差动放大器144可仅发送调节电压154给输出驱动器158。此外，在某些实施方式中，输出驱动器158或者其他电路可从调节电压154产生反向调节电压156。输出驱动器158的输出然后被引导至通道输出160。尽管通道输出160所示出的实施方式仅仅示出了一个端子，但是某些实施方式可包括电压通道输出160以及将电压通道输出160的电压反向的反向电压通道输出。

第二通道26可进一步包括比较器162，比较器162比较通道输出160和DAC输出130。比较器162可比较通过DAC感测134外部设置的阈值电压。在其他实施方式中，比较器162可接收所产生的阈值源作为替代DAC输出130的输入。在特定实施方式中，该阈值源可以通过接口50响应于用户选择和/或所感测的信号特性(例如，电流和/或电压)来进行设置。此外，第二通道26可包括计数器164，该计数器164可跟踪通道输出160发出高于阈值的信号的同时已经过去的时间段(例如时钟脉冲)，其中当比较器162确定通道输出160超过阈值时通道输出160发出超过阈值的信号。例如，如果通道输出160的电流超过定时阈值(例如，DAC输出130)高于10个时钟周期，计数器164将计数到10。在特定实施方式中，当计数器164超过时间极限值(例如，12个时钟周期)，I/O增益与切换36禁止一个或多个开关阻断电压损坏I/O增益与切换36或者处理器18。比较结果和/或存储在计数器108中的信息可通过比较器管脚PINC2 166进行访问。

如我们所知道的，I/O增益与切换36采用第一通道24来提供电流通过4线RTD 120，并且可以形成感测电流量的返回路径，以识别DAC 38的设置。I/O增益与切换36还采用第二通道26来感测RTD两端的电压。如图所示，为了实现这些功能，第一通道24触发开关SW2、SW6、SW15以及SW16闭合，并且第二通道26触发所有的开关断开。

图7是用于在传感器和处理器之间进行通信的方法170的一种实施方式的流程图。方法170包括通过接口接收表示传感器类型的数据(框172)。在某些实施方式中，该数据可包括用户的选择、状态机选择、从传感器的感测电压进行的自动确定、从传感器的感测电压进行的自动确定，和/或其他表示传感器类型的合适数据。响应于显示与第一传感器对应的第一传感器类型的数据，该接口触发对应于该第一传感器类型的多个开关的第一子集(框174)。该多个开关的该子集设置开关块内的电连接，以使得传感器正确地与处理器进行通信。类似，响应于表示对应于第二传感器的第二传感器类型的数据，该接口触发对应于第二传感器类型的多个开关的第二子集(框176)。因此，该接口切换开关块内的电连接，以确保各种类型的传感器可连接到IO端口，并在各种传感器类型和处理器之间通过单个IO端口建立正确的电连接。在接口设置开关块正确的结构之后，该开关块从传感器(任何兼容类型的)接收第一电压的传感器信号(框178)。通过开关块中电气网络的设置，将该传感器信号转换成处理器信号，其中该处理器信号以第二电压发送给处理器(框180)。在某些实施方式中，将处理器信号通过其他的电气设备进行发送，该其他的电气设备诸如ADC、DAC、滤波器和/或其他合适的信号调节设备。该处理器接收处理器信号，并可使用这些信号来实现特定的任务(例如，涡轮机系统的管理操作)。

本发明的技术效果包括通用前侧转换单元，从而在传感器12和处理器18之间提供通用IO点，其中传感器12和处理器18可使用在各种传感器控制的系统10中。通过提供可以使用各种传感器类型的前侧转换单元，该前侧转换单元的适用性使得一个控制器箱14可用于各种应用中，其中每个应用要求各种类型的传感器。如我们所知道的，通过提供单个通用IO点转换单元设计，控制器箱14的涉及可用于各种传感器控制的系统10中，而不要求对每个传感器控制的系统10进行重新设计。通过提供通用控制器箱14，控制器箱14的生产和涉及成本通过减小/消除控制器箱14的重新设计工艺以及减小/消除新设计的控制器箱14的重组制造而减小。此外，通过提供通用IO端子和/或通道，许多不同的传感器类型可互换连接到每个IO端子，而不包括通过减小用于实现多个传感器类型的连接的端子和/或通道数量而出现的浪费端子。

所撰写的说明书采用包括最好模式的实施例来公开该发明，并且还用于使得本领域技术人员来实现该发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何组合的方法。发明的可专利范围由权利要求书来限定，并且可包括本领域技术人员出现的其他实施例。如果它们具有与权利要求的文化语言没有不同的结构性元件，或者如果它们包括与权利要求的文化语言没有本质差别的等效结构元件的话，这种其他实施例旨在处于权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种传感器控制系统，包括：

构造成能在一个或多个传感器与处理器之间实现通信的控制器，其中所述控制器包括：

多个输入-输出(IO)端口，所述多个输入-输出端口构造成耦合到所述一个或多个传感器，其中所述IO端口的每个构造成耦合到多个传感器类型，其中每个IO端口构造成耦合到所述一个或多个传感器的第一传感器以及所述一个或多个传感器的第二传感器，所述第一传感器包括所述多个传感器类型的第一传感器类型，并且所述第二传感器包括所述多个传感器类型的第二传感器类型，并且所述第一传感器类型不同于所述第二传感器类型；

接口，构造成接收表示所述第一或第二传感器类型的数据，并且如果选择所述第一传感器类型则选择第一模式，以及如果选择所述第二传感器类型则选择第二模式；以及

开关块，与所述接口通信耦合，其中所述开关块包括多个开关，其中所述多个开关中的每个开关构造成在多个状态中操作，所述多个状态中的每个状态构造成将所述IO端口的一个或多个耦合到处理器，并且当由所述接口选择所述第一模式时，所述多个开关根据相应状态中的第一组进行操作，而当由所述接口选择所述第二模式时，根据相应状态中的第二组进行操作。

2.如权利要求1所述的传感器控制系统，其中所述多个状态包括：

断开状态；

闭合状态；以及

“不关心”状态。

3.如权利要求1所述的传感器控制系统，其中所述控制器包括构造成控制电站的可编程逻辑控制器或者分布式控制系统接口。

4.如权利要求1所述的传感器控制系统，其中所述多个模式的每个模式对应于多个通信方法中的通信方法。

5.如权利要求4所述的传感器控制系统，其中所述多个传感器类型的每个传感器类型对应于所述多个通信方法的相应通信方法。

6.如权利要求4所述的传感器控制系统，其中所述多个传感器类型包括热电偶装置、电阻温度检测器装置以及高速通道可寻址远程换能器(HART)装置。

7.如权利要求1所述的传感器控制系统，其中至所述系统的一个或多个输入包括约4mA到20mA的电流。

8.如权利要求1所述的传感器控制系统，其中至所述系统的一个或多个输入包括约30V或以下的电压。

9.如权利要求1所述的传感器控制系统，包括故障逻辑，所述故障逻辑构造成确定在所述控制器、所述一个或多个传感器、或者其间的通信路径中出现断路。

10.如权利要求1所述的传感器控制系统，其中所述开关块包括：

开关的电流块，构造成触发电流源与所述多个IO端口的相应IO端口之间的连接；以及

开关的电压块，构造成触发电压驱动器与所述多个IO端口的相应IO端口之间的连接。

11.如权利要求1所述的传感器控制系统，包括至少一个差动放大器，构造成将来自所述开关块的信号转换为所述处理器的接口所用的电平。

12.一种集成电路，所述集成电路构造成提供从一个或多个传感器到处理器的信号转换，包括：

输入-输出(IO)端口，所述输入-输出端口构造成耦合到第一传感器和第二传感器，其中所述第一传感器构造成采用第一通信方法耦合到所述IO端口，并且所述第二传感器构造成采用第二通信方法耦合到所述IO端口；

接口，所述接口构造成接收表示所述第一通信方法或所述第二通信方法的数据；以及

与所述接口通信耦合的开关块，其中所述开关块包括多个开关，其中所述接口构造成当接收到表示所述第一通信方法的数据时触发所述开关块中所述多个开关的第一子集，而当接收到表示所述第二通信方法的数据时触发所述多个开关的第二子集，其中所述第一子集构造成将所述第一传感器耦合到所述处理器，并且所述第二子集构造成将所述第二传感器耦合到所述处理器。

13.如权利要求12所述的集成电路，包括：

至少一个电压驱动器；

至少一个电流源；以及

至少一个电流吸收器。

14.如权利要求13所述的集成电路，其中所述至少一个电压驱动器包括可编程电压驱动器，所述至少一个电流源包括可编程电流源，并且所述至少一个电流吸收器包括可编程电流吸收器。

15.如权利要求13所述的集成电路，包括故障逻辑，所述故障逻辑构造成确定所述集成电路的芯片温度，当所述芯片温度超过阈值温度时，禁用所述至少一个电压驱动器或者所述至少一个电流源。

16.如权利要求12所述的集成电路，其中所述接口包括串行外围接口(SPI)总线，以及I²C接口、SMBus接口或者CAN总线接口。

17.如权利要求16所述的集成电路，其中所述接口构造成传送16位数据帧。

18.如权利要求12所述的集成电路，其中所述接口构造成响应于在所述集成电路输出端确定的期望信号性质而从状态机接收作为表示所述第一通信方法的所述数据的选择。

19.一种用于在传感器与处理器之间进行通信的方法，包括：

通过接口接收表示传感器类型的数据；

响应于表示对应于第一传感器的第一传感器类型的数据，触发对应于所述第一传感器类型的多个开关的第一子集，其中，所述多个开关的第一子集响应于所述第一传感器类型，以及所述多个开关的所述第一子集的触发是基于指示所述第一传感器类型的至少一部分数据；

响应于表示对应于第二传感器的第二传感器类型的数据，触发对应于所述第二传感器类型的多个开关的第二子集，其中，所述多个开关的第二子集响应于所述第二传感器类型，以及所述多个开关的所述第二子集的触发是基于指示所述第二传感器类型的至少一部分数据；

通过第一电压的输入-输出(IO)端口从所述第一或第二传感器接收传感器信号；以及

通过第二电压的通道发送处理器信号给所述处理器。

20.如权利要求19所述的方法，包括：

通过第一电流的所述IO端口从所述第一或第二传感器接收所述传感器信号；

确定所述第一电流对应于所述第一传感器类型；

响应于所述确定，选择所述第一传感器类型；以及

通过第二电流的所述通道发送处理器信号给所述处理器。