CN107208993B

CN107208993B - 通用输入和输出接口

Info

Publication number: CN107208993B
Application number: CN201480084604.7A
Authority: CN
Inventors: A.C.洛弗尔; B.亨德森
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co PLC
Priority date: 2014-12-03
Filing date: 2014-12-03
Publication date: 2019-11-01
Anticipated expiration: 2034-12-03
Also published as: EP3227630A4; US10014872B2; US20170366196A1; EP3227630A1; EP3227630B1; CN107208993A; WO2016089384A1

Abstract

提供的是用于与现场装置对接的可编程电路。该电路包含仅一个模数转换器（ADC），其配置成从现场装置接收来自包含电流信号和电压信号的组的一个信号。接收的一个信号具有叠加在其上的频移键控音（FSK），ADC配置成从接收的一个信号和FSK音中同时提取信息。还包含的是仅一个数模转换器，其配置成驱动输出信号到现场装置，输出信号（i）包含来自包含电流信号和电压信号的组的一个信号，以及（ii）与FSK调制信号求和。

Description

通用输入和输出接口

技术领域

本公开一般涉及装置之间的通信。更具体地，本公开涉及用于现场装置和控制或主机装置之间的通信的接口。

背景技术

工业控制系统和分布式控制系统（DCS）与多种现场（或输入）装置对接。从控制或主机装置的角度来看，输入装置（例如，作为换能器和传感器）是将信号传送到控制或主机装置的装置。另一方面，诸如致动器、线圈和螺线管的输出装置从控制或主机装置接收信号。现场装置可以使用两个，有时三个或四个线将信号传送到控制装置或从控制装置接收信号。它们可以传送或接收处于离散电平的形式的模拟或数字信号、模拟信号或调制信号（例如频移键控（FSK）调制信号）。根据高速通道可寻址远程换能器（HART）通信协议调制FSK信号。

在实际应用中，大量现场装置具有多种架构。在历史上，为了与此类大量完全不同的现场装置对接，要求同样大量的I/O模块。

发明内容

在一个说明性实施例中，本公开提供了一种用于与现场装置对接的可编程电路。该电路包含仅一个模数转换器（ADC），其配置成从现场装置接收来自包含电流信号和电压信号的组的一个信号。接收的一个信号具有叠加在其上的频移键控音（FSK），ADC配置成从接收的一个信号和FSK音中同时提取信息。还包含的是仅一个数模转换器，其配置成驱动输出信号到现场装置，输出信号（i）包含来自包含电流信号和电压信号的组的一个信号，以及（ii）与FSK调制信号求和。

以下参考附图详细描述各种实施例的附加特征、优点以及结构和操作。注意到，本公开不限于本文所描述的特定实施例。仅为了说明性目的而呈现实施例。基于本公开的教导，附加实施例对于相关领域的技术人员将是显而易见的。

附图说明

说明性实施例可以具体化（take form in）各种组件以及组件的布置。附图中示出了说明性实施例，整个附图中，相似的参考数字可以指示各种图中的对应或类似的部分。附图仅用于图示实施例的目的，并且将不被解释为限制本公开。因此，给定附图的以下使能描述，本公开的新颖方面对于相关领域的普通技术人员应该变得明显。

图1是根据说明性实施例的接口装置的一部分的简图。

图2是根据说明性实施例的接口装置的另一部分的简图。

图3图示根据说明性实施例的配置成与一种类型的现场装置对接的接口装置。

图4图示根据说明性实施例的配置成与另一类型的现场装置对接的接口装置。

图5图示根据说明性实施例的分布式控制系统。

图6图示根据说明性实施例的用于在现场装置和主机装置之间提供接口的方法。

具体实施方式

尽管本文针对具体应用描述了说明性实施例，但是应当理解，本公开不限于此。可以得到本文提供的教导的相关技术领域的技术人员将认识到其范围内的附加修改、应用和实施例以及其中本公开可能具有显著效用的附加领域。

在一些应用中，DCS机柜可以包含用于与多种现场装置对接的多种I/O采集模块。在历史上，每个模块为了唯一的目的而优化：模块用于输出模式，或它们用于输入模式。并且每个模块是模拟或数字的。

本文公开的实施例允许在没有手动开关或跳线（jumper）的情况下单个模块与所有常见的I/O类型对接。根据本公开的示范实施例，可以通过两个或更多接口装置构建DCS。在此种DCS中，布线可以直接端接在DCS机柜中，而不是首先将线路由到分散集中编组（marshaling）机柜，如在相关技术中通常所做的。根据本公开的通用I/O平台允许混合I/O类型直接连接到DCS端子。能够编程I/O平台以匹配陆地上的现场布线。能够在任何时候更改I/O类型以匹配要求。

实施例为诸如HART调制解调器或专用运算放大器的关键部分提供了较低组件报废的风险。此外，实施例在功能上为I/O提供了减少数量的部件。因此，在工业DCS应用的库存中可能需要更少的部件，从而最小化未使用的I/O模块并且由此引起增加的节省。

此外，实施例提供了相关领域中空前的诊断功能性，因为用于输入模式的相同硬件用来验证输出模式。实施例还促进推迟所需的I/O接口类型的决定，因为预期的I/O模式能够简单地使用相同的硬件来编程。

此外，在实际应用中，典型的I/O系统可以连接到数千个现场装置。在这些情形中，人员通常不会先验地知道包含大量在数千个现场装置中的每种类型的传感器（或致动器）的故障。为了规避此问题，对于预计的每种类型的现场装置包含额外的I/O模块，每个I/O模块仅专用于一种类型的传感器。此方法创建了增加的部署成本以及测量方面的增加的复杂度。

本文所公开的实施例通过包含对于任何类型的现场装置可编程的通道来减少成本和I/O系统复杂度，所述任何类型的现场装置具有路由到可编程通道的线。在本公开的实施例中，不要求对于一种类型的模块交换另一种类型的模块。因此，消除了发起工程更改命令所要求的关联人力成本，以及要求用于将线从一个端接点集合移动到另一集合的要求。也就是说，所公开的通用I/O装置的所有通道可重新编程以支持新的传感器类型。

此外，目前公开的实施例包含单个模数转换器和单个数模转换器，其简化了I/O编组（即，I/O通道的重新编程以支持特定现场装置）。

在实施例中，提供可编程接口以容纳不同类型的输入和输出装置（I/O模式）。该接口与工业I/O和DCS应用中常见的信号兼容。例如，支持的模式包含但不限于模拟电压输入、模拟电流输入、离散触件（电压）输入和离散电流输入HART。

支持的模块还包含电流输出、电压输出、组合的电流输出和电压输入（RTD和热电偶测量）、继电器输出和24V数字输入和输出。此外，该接口提供电流隔离以将控制与现场布线隔离，并且从商业上可用集成电路或从专用电路（ASIC）可实现。因此，该接口能够被认为是通用I/O接口。

为了便于理解本文讨论的说明性实施例的操作和结构，术语“输入”和“输入信号”用来表示从图1的“现场侧”流动到“控制侧”的信号。相反地，术语“输出”和“输出信号”用来表示从图1的“控制侧”流动到“现场侧”的信号。然而，本领域技术人员中的一个将容易地理解，指配给这些术语的含义仅是按照惯例，并且在不脱离本公开的范围的情况下，可以采纳不同于本文所使用的惯例的惯例。此外，输入和输出信号可以包含一个或多个信号分量。

信号分量可以是例如4-20毫安电流信号、0-5伏单极信号、0-10伏单极信号、+/- 5伏双极或+/- 10伏双极电压信号。这些信号分量可以是非调制信号。另一信号分量可以是调制信号，也就是FSK调制信号，例如HART信号。输入信号可以起源于现场装置，例如电阻温度检测器（RTD）和热电偶。注意到，可以预期其它现场装置。因此，一般来说，在本公开中，现场装置可以是根据示范实施例的可以通信地耦合到现场电路的任何装置。

图1和图2图示根据说明性实施例的接口装置100的两个部分（100a和100b）。图1图示第一部分100a。接口装置100可以包含可编程逻辑装置（PLD）。虚线表示将现场的电路（即在图1和图2中的“现场侧”上的）与控制器/处理器的电路（即在图1的“控制侧”上的）划分，并且可能地与现场侧上的电路的其它实例（未示出）划分的隔离边界33。第一部分100a可以是与边界33的控制侧上的控制器或装置对接的控制电路。另一方面，第二部分100b可以是与边界33的现场侧上的现场装置对接的现场电路。

边界33可以或可以不提供电流隔离，这取决于由手头应用所规定的控制需要。在一些实施例中，边界33可以是可编程的，以实现连接于此的装置的隔离或非隔离通道。此外，边界33可以包含使用变压器（具有设置在隔离边界33的每个侧上的其绕组）实现的功率供应30。

功率供应30可以用来提供隔离的功率供应到现场侧上的电路，该功率从设置在控制侧上的控制功率供应29得到。此外，边界33可以包含数字隔离器31和32，其功能是要提供用于传输来自边界33的任一侧的输入和输出串行数据的隔离通道。一般来说，边界33可以包含多个隔离屏障（barrier）。此外，本领域技术人员将容易理解，在本公开的一些实施例中，起源于边界33的任一侧的串行数据可以被传输而不经过数字隔离器31或32;例如，这可以通过可以被编程以旁路数字隔离器31和32的数字开关来完成。

仍然参考图1，元件20-28构成PLD的第一部分，第二部分是图2中所示的可编程电路和元件。PLD的第一部分包含数模转换器20（DAC）、带通滤波器（BPF）21、低通滤波器（22）、复用器（MUX）28、解复用器（DEMUX）27、调制器23、解调器25和可以使用通用异步接收器传送器（UART）电路（表示为Tx UART 24）来实现的传送器。此外，PLD的第一部分可以包含使用UART电路（表示为Rx UART 25）实现的接收器。在一些实施例中，数据流41和42可以是HART信号，调制器23和解调器25可以配置成执行其它类型的基于FSK的调制协议。此外，尽管调制器23和调制器25示出为离散块，但是它们可以使用诸如调制解调器40的单个组件来实现。

PLD的第一部分具有由元件20-28指示的主要功能。然而，PLD的第一部分或PLD整体可能具有在图1中或图2中未示出的附加功能性。此种附加功能性可以是例如用于解复用和复用数据的时钟生成和配置设置。

配置PLD可以涉及编程诸如开关7或14（在图2中的）或者可以在图1和图2的各种元件内部的开关的元件、调整可编程增益放大器（PGA）（图2中的元件16）的增益、选择DAC 20（图1）的操作模式以及选择模数转换器（ADC）（图2中的元件17）的操作模式。

现在参考图2，其图示接口装置100的第二部分100b，现场装置1a连接到端子4a和5a以与接口装置100对接。除了端子4a和5a之外，第二部分100b还包含可选功率引脚2、功率返回引脚3 、偏压9和10、电流感测电阻器8、电压调制器（VM）13、开关7和14、电流吸收器（sink）6、复用器（MUX）15的输入15a，15b，15c以及15d、PGA 16、ADC 17、低通滤波器（LPF）18和求和结点19。ADC 17可以实现为Σ-Δ（ΣΔ）ADC，但是也可以预期本领域已知的其它架构。这些其它架构可以是例如闪存ADC架构等或双斜率转换器架构等。

图3和图4分别图示接口装置100和200，其配置成与表示为“现场装置1b”（图3）的三线电阻器温度检测器（RTD）和与表示为“现场装置1c”（图4）的四线RTD对接。接口装置200尽管没有全部示出，但是其为接口装置100的实例。第一电路的实例在本文中可以被定义为具有与第一电路基本类似的架构的另一个电路。第一电路的实例可以包含提供第一电路的所有功能性所必需的至少相同的硬件或等效硬件。相关领域的普通技术人员中的一个将容易地理解，第一电路本身和第一电路的实例可以或可以不以不同方式实现或编程，这取决于手头的应用。

因此，图3图示第一部分100a的实例和第二部分100b的实例。也就是说，在架构上与第一部分100a类似的第一部分200a和在架构上与部分100b类似的部分200b，其中示出端子4b和5b。现在参考图4，现场装置1c连接到端子4a、5a、4b和5b，有效地将现场装置1c与接口装置100和200对接。

在图2和图3中，现场装置连接可以在端子2、3、4a、5a、4b和5b处进行。在图2中，端子4a和5a是可以使用两线信令的大多数现场装置类型的主要连接点。在图3中，端子5b是使用三线信令的现场装置的辅助连接点。此种装置可以是例如三线RTD，并且它可以在接口装置100和接口装置200之间共享。在图4中，端子4b和5b是四线信令现场装置（例如四线信令RTD）的辅助连接点。端子4a和5a是根据示范实施例的连接到具有接口装置的许多类型的现场装置所要求的端子的最小集合。端子2和3可以配置成使用功率供应29和30从现场侧而不是从控制侧向接口装置100供应功率。

诸如瞬态抑制器、电阻器和电容器、电感器和铁氧体的信号调理组件可以插入在接口装置100的输入/输出电路与现场端子之间。本领域技术人员中的一个将容易地认识到此类调理组件可以或可以不包含在接口装置或其实例中，这取决于由手头应用所规定的约束。

现在转到图1和图2，提供了通过接口装置100的输出信号的流动的描述。功率供应30提供大量功率以生成对于包含在第一部分100a和第二部分100b中的电路元件的所有必需的供应。在一些实施例中，可以利用功率供应30从控制侧提供大量功率以生成供应。生成的供应可包含双极模拟轨（例如+ 15V，-15V）、低电压模拟供应（例如5V）和根据需要的数字供应（例如3.3V、2.5V、1.2V、1V）。

数字隔离器31可以重复数据位到现场侧DEMUX 27。隔离器31可以是光耦合器、电感耦合器、电容耦合器和RF耦合器中的一个。由隔离器31设置的通道的带宽可以是至少10M位/秒。

DEMUX 27可以配置成将一个时间复用数字通道分离成包含数据流41的数据和数字输出值数据流，使得可以使用仅一个隔离器通道（隔离器31）。数据流41经由Tx UART 24路由到调制器23。在一些实施例中，调制器23可以配置成使用FSK协议或HART协议来调制传入信号。

元件20-28的实现可以跨一个或多个PLD装置扩展。在一些实施例中，这些元件和第一部分100a全部可以部分地位于隔离器（或非隔离通道）31和32的控制侧内以及部分位于边界33的现场侧内。这些设计选择可以基于在控制侧可能已经存在的PLD资源以及基于其它因素（例如现场侧内的通用I/O点的数量以及I/O点是否要求点对点隔离或组隔离）而进行。

在一些实施例中，调制解调器40可以是商业上可用调制解调器。然而，在其它实施例中，调制解调器40可以在PLD中实现。在PLD中实现调制解调器而不是使用商业上可用模块的优点在于PLD已经在接口装置中存在，从而允许利用减少数量的组件的实现。

Tx UART 24传送器可以使用PLD或ASIC来实现。传送器Tx UART 24可以位于边界33的任一侧上。TX UART 24的目的是要以一个速率从控制器接收数据，并将其一次一位分配给调制器23，调制器23可配置成将二进制0或1转换到FSK编码信号。调制器23将FSK信号转换成脉冲流，其被路由到第二部分100b并且使用位于其中的低通滤波器18进行滤波（参见图2）

数模转换器（DAC）20从DEMUX 27接收二进制数据字，并将其线性转换为电压，并缓冲电压。缓冲的电压可以直接驱出或转换到电流输出并馈送到第二部分100b。可以在解复用之前使用复用数据中包含的控制字来进行电压或电流输出的选择。可以通过编程从控制侧发出信号的控制器来变更控制字。

在图2中，尽管低通滤波器18示出为无源组件集合，但是它可以通过有源组件来实现，并且其传输特性可以被数字地编程。低通滤波器18去除在调制期间由调制器23引入的中频（IF）。然而，在低通滤波器18的输出处，FSK音被保留。

可以使用求和结点19将先前描述的FSK音叠加到由DAC 20生成的电压上。在一些实施例中，可以使用求和运算放大器电路来实现求和结点19。

电压至电流源11a将求和的电压线性地转化成电流。例如，可以由线性传递（pass）晶体管提供转化。在备选实施例中，可以使用降压或升压调节器来实现从电压到电流的转化。

尽管元件11a、19和20在图1和图2中示出为分立块，但是它们可以集成到单个IC中。例如，可以发现这些元件被预封装成当前可用的商业DAC。

当接口装置100被编程用于输出模式时，由DAC 20输出的电流或电压在电流感测电阻器8处和端子4a处存在，其中电流返回或电压参考在端子5a处。因此，此电流（在电流感测电阻器8处的电流）是输出信号，并且其经由与现场装置1a连接的现场环路传送到现场装置1a。对于输出模式编程，闭合开关14以提供输出信号的返回电流路径。

当接口装置100被编程用于输入模式时，DAC 20的电流和电压输出可以与第二部分100b隔离，以防止任何输入信号的电流泄漏恶化(corruption)。可以使用设置在第一部分100a和第二部分100b之间的开关（图1和图2中未示出）来提供隔离。在一些实施例中，可以使用分立组件来实现开关。在其它实施例中，它们可以包含在包含DAC 20的IC中。

在断开、损坏或丢失现场布线连接的情况下，图2中的明线（open wire）偏压供应9、1确保条件的检测，并提供DC路径到接地，由此提供高输入阻抗到PGA 16。

在图2中，现场装置1a可以将电流引导到端子4a、电流感测电阻器8和电压调制器（VM）13（下面描述的）中;电流通过端子5a返回到现场装置1a。除了标准的4-20 mA电流之外，电流信号可还包含符合HART协议的FSK电流信号，，其为过程电流。过程信号电流分量和FSK分量保留在第二部分100b的整个随后元件中。可以提取两个电流分量的谱，并且可以将两个电流分量进一步调理并传送到控制侧，如稍后所描述的。

在图2中，当接口装置100被编程用于4-20mA电流输入模式时，VM 13可用来为输入电流信号提供加载阻抗。VM 13的阻抗将来自现场装置1a的电流转换为可测量电压信号。同时，VM 13可以从低通滤波器18接收参考信号，并且VM 13可以施加增益或衰减、缓冲，并且最终将缓冲的电压跨其自己的两个信号端口叠加。缓冲的电压信号在MUX 15的输入15a-15d上存在。缓冲的电压信号也可以跨端子4a和5a传递（impress），使得它也可以由现场装置1a感测。

输入电流信号跨电流感测电阻器8产生电压。此“感测的”电压因此在MUX 15的输入15a-15d处存在。因此，过程电流信号和FSK信号在MUX 15的输入端子处存在。此外，MUX15可以配置成使用输入端子15a、15b、15c和15d来选择双向电流测量，或者其可以配置成选择双极电压信号。在任一情况下，它将预期的信号引导到PGA 16。

本公开的实施例可以允许在电流或电压测量之间进行选择或者对两个测量进行时间复用的可编程I/O模式。因此，可以连续地观察到一种类型的信号（电流或电压），或者可以在交替的时间段中观察到两个信号。

PGA 16衰减或放大接收的输入信号。 PGA 16可以配置成去除信号的共模，并且能够在将其输出到ADC 17之前缓冲处理的输入信号。PGA 16具有足够的带宽以保留输入信号的完整性。具体来说，PGA 16的带宽能够从DC直到包含在输入信号中的FSK信号的带宽而变动，其中FSK信号的带宽由HART协议指定。

PGA 16输出驱动具有连续采样前端的ADC 17的输入，ADC 17可以是∑△类型ADC。如前面提到的，本公开不限于∑△架构。ADC 17可以提供单个位输出或预滤波输出。在后一情况下，ADC 17滤波器的输出速率必须比感兴趣的FSK信号的带宽高得多（10倍）。

ADC 17（图3）的数字输出被引导到数字BPF 21和LPF 22（图1）。LPF 22输出的输出由解调器25进一步处理，解调器25的输出被馈送到表示为Rx UART 26（参见图1中的调制解调器40）的UART接收器。Rx UART 26接收器与Tx UART 24传送器类似地起作用。滤波的路径由MUX 28组合以产生引导到数字隔离器32的串行数据。总之，BPF 21、LPF 22、解调器25和Rx UART 26形成处理电路，其配置成将在AD17的输出处的转换的信号分开在两个信号路径中，也就是数据流42和数字输入值，其都被输入到MUX 28。

数字隔离器32是通过将来自现场侧的二进制编码数据传送到控制侧来补充数字隔离器31的单个通道。换句话说，隔离器32接收来自MUX 28的数据并将数据位重复到控制侧。隔离器32可以是光耦合器、电感耦合器、电容耦合器和RF耦合器中的一个。通道的带宽在10M位/秒数量级或更大。

如从先前的讨论能够看出的，当可编程I/O电路处于输出模式中时，除了提供输入信号测量和处理功能性之外，输入路径（即现场侧电路）还可用来测量输出信号。

到此已经一般地描述了图1和图2来图示接口装置100的输入信号和输出信号处理和测量功能性，现在将讨论图1、2、3和4，以图示可如何以各种I/O模式编程根据本公开的接口装置以支持不同类型的现场装置。也就是说，在各种实施例中，接口装置100和200可以配置成支持以各种以及截然不同的操作模式操作的现场装置。

在一个实施例中，例如，示范接口装置可以配置成支持以4-20mA输入模式操作的现场装置。现场装置1a可以配置成将4-20mA输入信号电流传送到控制侧。此外，现场装置1a还可以配置成接收和/或传送FSK调制信号。如配置的，现场装置1a可以与接口装置100一起使用（参见图1和图2）。

在一个实施例中，在现场装置1a的功率供应在接口装置100外部的情况下，电流通过现场装置1a引入（source）到端子4a中，从而创建正电流流动。电流遵循由元件8、13和端子5a（图2）定义的路径。在备选实施例中，在功率供应由端子2和3提供的情况下，电流遵循由元件8、13和14定义的路径。

在任一情况下，如果现场装置1a是HART使能并且正在传送，则现场装置1a可以传送在频率方面从DC（基本为0赫兹）到几赫兹变动的输入电流，输入电流具有叠加在其上的FSK电流调制。在由HART协议定义的时候，现场装置1a FSK调制端子电压来传送信号。第二部分100b配置成保留并提取DC过程信号和FSK信号，并且随后，第二部分100b可以将两个信号分量传送到在控制侧上的控制器。

在又一实施例中，示范接口装置可以配置成支持以4-20mA输出模式操作的现场装置。现场装置1a可以配置成从控制侧接收4-20mA的输出信号。现场装置1a还可以配置成传送FSK调制信号。如配置的，现场装置1a可以与接口装置100一起使用。

在此实施例中，DAC 20可以使用来自端子2和3的现场功率或隔离功率供应30来调节到现场环路中的电流并将其引入到现场装置1a。第一部分100a可以用来控制电流信号，并且第二部分100b可以用来在现场环路中形成4-20mA电流。

起源于控制侧的串行输出可以具有两个分量。第一分量可以是到达DAC 20并被转换成到求和结点19中的缓冲的电压参考的数字输出值。一般来说，求和结点19是求和电路，其配置成将DAC的输出信号与第二信号分量叠加。第二分量可以是到达Tx UART 24并且每次将一个二进制值0或1分配给调制器23的FSK / HART数据。

调制器23首先将二进制值首先转化为连续相位FSK信号，并且随后将其转化为调制位流。LPF 18去除由调制器23引入的时钟调制，从而使预期的模拟电压信号留到求和结点19中。将两个分量求和，并且得到的信号控制电流源11a。因此，电流源11a是有源的，并且输出信号电流流动到包含元件11a、7、8、4a、1、5a和14的环路。

在一些实施例中，示范接口装置可以配置成支持以热电偶输入模式操作的现场装置。现场装置1a可以是提供输入信号到接口装置100的热电偶装置。在那个情况下，现场装置1a是通过Seebeck效应产生双极电压电位的双线热电偶。双极电压可由接口装置100感测和线性化，以确定热电偶结点温度。

在此模式中，DAC 20、元件11a和19被禁用。VM 13也被禁用并处于高阻抗模式中。DAC 20可以被隔离以最小化泄漏电流。来自现场装置1a的双极电压从端子4a和5a传送，并克服高阻抗偏压供应9和10。因此，双极电压出现在MUX 15的输入15b和15d处。

可以将PGA 16的增益设置成预定电平（取决于连接到接口装置100的热电偶的类型）。此热电偶类型可以经由起源于在控制侧上的控制器的信号作为配置设置来提供。PGA16的输出被馈送到ADC 17，在所述点处，接口装置100以与上面讨论的相同的方式操作。

一个或多个示范接口装置可以配置成支持以RTD 3线模式操作的现场装置。现场装置可以是三线RTD。在这些实施例中，可以使用多于一个接口装置。如图3中所示的，接口装置100和200容纳连接到端子4a、5a和5b的三线RTD装置（现场装置1b）。尽管接口装置200未全部示出，但是本领域普通技术人员中的一个将容易地认识到接口装置200是接口装置100的实例，即两个接口装置具有基本上相同的架构。

现场装置1b可以配置成向接口装置100和200传送两个相等的激励电流（每个在0.1mA至1mA数量级）以跨现场装置1b的端子产生单极电压。现场装置1b感测产生的电压以补偿线电阻来消除测量误差。因此，RTD三线模式是输出模式和输入模式两者。

DAC 20使用来自端子2和3的现场功率或隔离功率供应30来调节到现场装置1b中的电流。对于三线模式，接口装置100和200协同地起作用以控制电流信号、形成电流信号并感测RTD电压。

可以以两种可能的方式创建第一电流信号。在一个实施例中，电流值可以由控制侧上的控制器来控制。在另一个实施例中，第一电流可以是由像电流源11a的恒定电流源创建的固定值。

当第一电流起源于控制侧时，控制器的串行输出可以包含到达DAC 20（在接口装置100中的）的数字输出值。数字输出值转换成到求和结点19中的缓冲的电压参考，其中求和结点19的第二分量输入为空。将两个分量求和，并且得到的信号控制电流源11a。备选地，第二部分200b中的固定电流源变得使能，并创建预期的恒定电流。

在任一实施例中，现场装置1b的电流源被调节以匹配源11a及位于接口装置200中的其对应物的电流。调节器可以是电流镜或电流分路器（图3中未示出）。

第一电流流过包含元件11a、7（或接口装置200的电流源）和元件8、4a、1、5b和14b的环路。第二电流（即来自现场装置1b的电流）流过包含接口装置200的电流源、节点5a、5a/ 5b分支、节点5b和开关14b的环路。尽管图3描绘了两个接口装置，端子5b也可以是专用于接口装置100的端子。

也就是说，端子5b通过接口装置200的开关14b连接到电路公共端（circuitcommon），或者它可以直接连接到电路公共端。在任一情况下，第一电流流过端子4a，并且第二电流流过端子5a。电流在现场装置1b（线5a和5b的结点）处组合，并且电流总和经由端子5b返回（或使用开关14b将其分流到电路公共端，或者简单地经由接口装置200到端子5b）。

从现场装置1b传送到端子4a和5a的电压等于跨现场装置1b的电压，因为匹配的第一和第二电流流过相等长度的第一和第二线。因此，由现场线电阻引起的电压的误差分量消去。从现场装置1b传送到端子4a和5a的电压克服高阻抗偏压供应9和10。装置电压出现在MUX 15的输入15a和15d处。适当地设置PGA 16的增益用于取决于连接的RTD类型的信号电平。如前面一样，RTD类型可以是由控制器/处理器提供的配置设置。 PGA 16的输出被馈送到ADC 17，在所述点处，接口装置100以与上面讨论的相同的方式操作。

在一些实施例中，一个或多个示范接口装置可以配置成支持以RTD四线模式操作的现场装置。现场装置可以是具有Kelvin连接的四线RTD。在这些实施例中，可以使用多于一个接口装置。

如图4中所示的，接口装置100和200容纳连接到端子4a、5a、4b和5b的四线RTD装置（现场装置1c）。尽管接口装置200未全部示出，但是本领域普通技术人员中的一个将容易地认识到接口装置200是接口装置100的实例，即两个接口装置具有基本上相同的架构。

在这些实施例中，接口装置100将激励电流（在0.1mA至1mA数量级）传送到现场装置1c，以跨装置产生单极电压。接口装置200感测跨现场装置1c的电压，消除由于Kelvin连接的对线补偿的需要。因此，RTD四线模式是输出和输入模式。

DAC 20使用来自端子2和3的现场功率或来自功率供应30的隔离功率来调节到现场装置1c的电流输出信号。接口装置100和200形成并控制电流信号，将其引入到现场装置1c，并感测RTD电压。

可以以两种可能的方式创建第一电流信号。在一个实施例中，电流值可以由控制侧上的控制器来控制。在另一个实施例中，第一电流可以是由恒定电流（例如电流源11a）创建的固定值。

当第一电流起源于控制侧时，控制器的串行输出可以包含到达DAC 20（在接口装置100中的）并被转换为到求和结点19中的缓冲的电压参考的数字输出值，求和结点19的第二分量输入为空。将两个分量求和，并且得到的信号控制电流源11a。备选地，第二部分200b中的固定电流源变得使能，创建预期的恒定电流。

在任一实施例中，现场装置1b的电流源被调节以匹配源11a的电流。调节器可以是电流镜或电流分路器（图4中未示出）。

当电流源11a或接口装置200的电流源是有源的时，电流流过包含元件11a、7（或接口装置200的电流源）以及元件8、4a、1、5a和14的环路。尽管图4描绘了使用的两个接口装置，在一些实施例中，端子4b和5b可以是专用于接口装置100的端子。在任一情况下，第一电流流过4a和5a的现场线，并且没有电流流过4b和5b的现场线。

由于Kelvin连接，从现场装置1c传送到端子4b和5b的单极电压等于跨装置的电压。从现场装置1c传送到端子4a和5a的电压克服高阻抗偏压供应9和10。装置电压出现在MUX 15的输入15a和15d处。适当地设置PGA 16的增益用于取决于连接的RTD类型的信号电平。RTD类型是由控制器/处理器提供的配置设置。PGA 16的输出被提供到ADC 17，在所述点处，接口装置100以与上面相对于处理输入信号所讨论的相同的方式操作。

在一些实施例中，接口装置可以配置成支持以电压输入模式操作的现场装置。现场装置可以简单地提供电压输入信号。输入信号可以是单极或双极电压，并且可以从端子4a和5a（考虑图1和图2）传送以克服高阻抗偏压供应9和10。因此，电压出现在MUX 15的输入15a和15d处。适当地设置PGA16的增益用于响应于现场装置的电压输出范围的信号电平。电压输出范围是可由控制器/处理器提供的设置。 PGA 16的输出被提供到ADC 17，在所述点处，接口装置100以如上面描述的方式操作。

在一些实施例中，接口装置可以配置成支持以电压输出模式操作的现场装置。现场装置可以配置成接收单极电压信号或单极双极电压信号。如配置的，根据本公开的接口装置可以用来将预期的电压信号输出到现场装置。

在此种实施例中，再次考虑图1和图2，DAC 20可以使用隔离功率30将电压信号传送到现场装置1a。第一部分100a和第二部分100b可以协同地起作用以完成此任务。

在第一部分100a中，DAC 20将控制器/处理器的串行输出转换成由开关12d中继的缓冲的电压。另一方面，在第二部分100b中，开关12d和14被闭合。缓冲的电压跨端子4a和5a传递。假设现场装置1a正确连接，感测命令电压所需的感测电流将从端子4a流过现场环路并返回到端子5a。

在一个实施例中，接口装置可以配置成支持以离散电平输入操作模式操作的现场装置。与接口装置100对接的现场装置可以是能够施加24V或0V离散电平到接口装置100的24V湿触件。当触件被闭合时，24V输入信号出现在图1中的端子4a处。在此模式中，电流吸收器6由来自DAC 20的电压控制，以吸收具有在1mA至10mA范围中的幅度的电流。

电流在端子5a处退出并返回到使触件变湿的现场供应。跨电流吸收器6产生取决于被吸收的电流的电压。当此电压出现在MUX 15的输入15c和15d处时，其被感测到。适当地设置PGA 16的增益用于来自吸收器的信号电平。PGA 16的输出馈送到ADC 17，在所述点处，接口装置100以如上面讨论的方式操作。

在又一实施例中，可以提供离散电平输出模式。现场装置可以从图1中的接口装置100接收24V或0V离散电平。为了方便起见，这些电平下面将被称为“导通”或“关断”，“导通”状态对应于24V电平并且“关断”对应于0V电平。

在此实施例中，DAC 20可以使用现场功率（来自端子2和3）或隔离功率（来自功率供应30）。第一部分100a和第二部分100b可以协同地起作用以将导通或关断信号输出到现场装置1a。

控制器/处理器的串行输出包含设置为对应于导通或关断状态的最大参考或零参考的数字输出值，其到达DAC 20并转换为到求和结点19中的缓冲的电压参考。到求和结点19中的第二输入为空。该参考（当被设置为最大值时）将使电流源11a增加其输出电压，直到到达最大电流或达到DAC 20的顺从（compliance）电压极限。

因此，在导通状态下，存在电流受限和电压受限的输出信号。参考在设置成最小值（零）时，将使电流源11a将其电压和电流输出降低到零。因此，在关断状态中，输出信号在0V处。这些离散状态实际上是DAC 20的两个顺从轨，其可以是24V以及电路公共端（0V）。注意到，本公开不限于这些顺从轨值;取决于所采用的DAC设计，也可以使用顺从轨的其它值。

在通过DAC 20的处理后，电流源11a是有源的。这创建了流过包含元件11a、12a、7、8、4a、1、5a和14的环路的电流。

已经阐述了接口装置100（和200）的各种操作模式，下面相对于图5讨论 DCS 500（其中使用多个接口装置）。在此说明性实施例中，接口装置在架构上可以类似于先前相对于图1-4讨论的那些。

此外，尽管图5中示出仅接口装置100、200和300，但是本领域技术人员中的一个将容易地意识到，在分布式控制系统500中可以使用多于三个接口装置。此外，分布式控制系统500可以配置成与比所示的那些现场装置（1d，1e和1f）更多的现场装置对接。

此外，尽管接口装置100、200和300分别被示出为直接连接到控制器50a、50b和50c，但是本领域技术人员中的一个将容易地意识到，控制器50a-50c可以与包含在分布式控制系统500中的任何接口装置静态或者动态地对接。控制器50a-50c可以各具有多个通道。此外，分布式控制系统500可以包含配置成控制接口装置100、200和300的至少一个计算机处理器。

第一部分100a、200a和300a可以配置成从现场装置1d、1e和1f接收信号的第一集合。信号的第一集合能够包含输出信号，即起源于控制器50a-50c的信号。信号的第一集合可以是模拟或数字电压或电流信号。尽管对于现场装置1d、1e和1f示出了具体的连接模式（pattern），但是本领域普通技术人员中的一个将容易地理解，可以实现到分布式控制系统500中包含的任何接口电路的任意连接模式。连接模式可以是静态的或动态的，后者使用例如一个或多个可编程逻辑装置实现。备选地，现场装置1d、1e和1f可以连接到通信地耦合到第一部分100a、200a和300a的现场环路。

分布式控制系统500还可以配置成将信号的第二集合传送到控制器50a-50c，或传送到现场环路。信号的第二集合是模拟或数字电压或电流信号。此外，分布式控制系统500可以配置成调制起源于现场环路的信号的第三集合，信号的第三集合是模拟或数字电压或电流信号。此外，分布式控制系统500可以配置成解调起源于现场环路的信号的第四集合。信号的第四集合可以是模拟或数字电压或电流信号。并且信号的第四集合可以是根据FSK协议调制的信号。

在其它实施例中，图5可以是包含多个现场电路（例如，100b、200b、300b）的分布式接口装置500。现场电路可以配置成与以截然不同的模式操作的多个现场装置（例如，1d、1e、1f）进行通信。分布式接口装置500可以包含多个控制电路（例如，100a、200a、300a）。控制电路可以配置成使用与现场电路的截然不同的模式关联的格式将控制信号通过现场电路传送到现场装置。此外，在一些实施例中，截然不同的模式可以包含与基于FSK协议（也就是HART协议）调制的信号关联的至少一种模式。

公开的通用I/O接口中的一个或多个可以用来执行分布式控制方法。此种方法的说明性实施例在图6中示出。具体来说，方法600可用于将分布式接口装置与耦合到现场环路的多个现场装置对接。分布式接口装置可以是多个接口装置，例如上面相对于图1-5讨论的接口装置。

方法600可以包含从来自多个现场装置中的至少一个现场装置接收模拟信号（步骤1000），模拟信号包含过程信号和调制控制信号。该方法可以包含通过分布式接口装置将模拟信号转换（步骤2000）成包含数字过程信号和数字调制信号的数字信号，其中数字调制信号根据像先前所讨论的HART协议的FSK协议进行调制。

该方法还可以包含由分布式接口装置处理数字信号（步骤3000）以提取与至少一个现场装置关联的信息。此外，方法600可以包含通过分布式接口装置并且基于所提取的信息向现场环路传送（步骤4000）控制信号集合，该控制信号集合是模拟或数字电压或电流信号，并且其中来自该控制信号集合的至少一个信号根据FSK协议进行调制。

将会仍由本公开涵盖的备选实施例、示例和修改可以由本领域技术人员（特别是根据前述教导）做出。此外，应当理解，用来描述本公开的术语旨在是描述性的而不是限制性的。相关领域的技术人员还将意识到，在不脱离本公开的范围和精神的情况下，能够实现上面描述的实施例的各种适配和修改。因此，要理解，在所附权利要求的范围内，本公开可以不同于如本文具体描述的那样实施。

Claims

1.一种用于与现场装置对接的可编程装置，电路包括：

转换器模块，配置成作为模数转换器和数模转换器中的仅一个来操作;

其中当所述转换器模块作为模数转换器操作时，所述模数转换器配置成（i）从所述现场装置接收来自包括第一电流信号和第一电压信号的组的一个信号，接收的一个信号具有叠加在其上的频移键控音，并且（ii）从所述接收的一个信号和所述频移键控音中同时提取信息;以及

其中当所述转换器模块作为数模转换器操作时，所述数模转换器配置成驱动输出信号到所述现场装置，所述输出信号（i）包括来自第二电流信号和第二电压信号的组的一个信号，以及（ii）与频移键控调制信号求和。

2.根据权利要求1所述的电路，其中所述频移键控音表示高速通道可寻址远程传输信号。

3.根据权利要求1所述的电路，其中所述频移键控调制信号是高速通道可寻址远程传输信号。

4.根据权利要求1所述的电路，其中所述现场装置是电阻温度检测器。

5.根据权利要求1所述的电路，其中所述现场装置是热电偶。

6.根据权利要求1所述的电路，其中从包括4-20 mA电流信号、0-5伏单极信号、0-10伏单极信号、+/- 5伏双极和+ /- 10伏双极电压信号的组中选择接收的一个信号。

7.根据权利要求1所述的电路，其中从由4-20 mA电流信号、0-5V单极信号，0-10V单极信号、+/- 5V双极和+/ - 10伏双极电压信号的组中选择所述输出信号。