CN108430897A - 用于数据通信总线上的通道带宽的同步脉冲控制的系统、装置和方法 - Google Patents

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Abstract

用于长距离通信和工业应用的输入/输出(I/O)和控制系统具有用于现场设备与通道发生器之间的通信的总线和协议，通道发生器用于现场设备的监控和控制。通道发生器在总线上产生可配置的频率的偏移方波，并且在脉冲串周期中在每个总线扫描周期的开始发送选定持续时间的同步脉冲，以在总线扫描周期重复之间重置现场设备中的计数器，从而确保现场设备被同步，发送器在正确的通道上进行发送，并且接收器在正确的时间对脉冲周期进行采样。改变同步脉冲长度对于较短的、噪声较少并且较为稳定的系统增加带宽，并且相反地对于较长的、噪声较多并且较不稳定的系统降低带宽以增加噪声免疫和距离。

Description

用于数据通信总线上的通道带宽的同步脉冲控制的系统、装 置和方法
技术领域
本发明涉及用于将处于经由数据通信总线的通信中的设备自动地重新配置为使用该总线的不同通道带宽进行操作。另外，本发明涉及使用数据通信总线上的通道带宽的同步脉冲控制的方法。
背景技术
现代输送机(诸如在采矿和制造操作中采用的那些)在地下设施中可以超过4公里(km)并且在陆上设施中可以超过10km。沿着设施的整体长度监控总体的输送机操作参数，举几个例子，这些输送机操作参数包括：皮带漂移、皮带撕裂、皮带打滑和轴承温度。考虑到所涉及的距离以及电力的缺乏，这些参数经常难以监控。另外，在任何输送机设施的操作中，存在对于安全功能的需求，诸如在紧急情况下停止输送机，处于维护目的而安全地远程隔离输送机，以及其他操作。
另外，对于可能安装在它们的上层结构上的任何电气装备和缆线布线，输送机设施就其本质而言是恶劣的环境。装备(特别是缆线布线)遭受振动、灰尘、坠料、雨水、极端温度以及辐射暴露，所有这些都可以导致电气故障的引入，电气故障可以危害这些监控系统的完整性和安全性并且需要快速的反应时间(例如，让控制器在沿着输送机部署的远程受监设备处完成基本的紧急停止和隔离功能)。
SILBUS是具有部署在控制器与沿着输送机的现场设备或者具有为了工业应用在地理上大面积或者长距离上或者沿着地理上大面积或者长距离分布并且经常在严酷环境中的装备和/或受监控传感器的其他工业系统之间的数据通信总线的现有输入/输出(I/O)和控制系统的示例。SILBUS可以在市场上从Austdac有限公司(Hubbell公司的附属公司，办公室位于澳大利亚联邦的新南威尔士和昆士兰以及美利坚合众国的宾夕法尼亚州的匹兹堡)买到。SILBUS是设计用于在危险区域地下采矿或者类似工业应用中使用的本质安全(IS)现场总线产品的家族。SILBUS在双绞线上提供数据传输和电力，用于在长度高达10km的工业系统中进行监控和控制，包括与监控诸如数字、安全发送器、电压、电流、温度和频率之类的一系列信号的一系列分布式模块(例如，输入和输出设备)通信的控制单元或者通道发生器。
输送机监控和控制的Austdac SILBUS方法使用单缆线方法进行具有超过10km的长距离传输的长距离输送机的监控和控制。SILBUS采用允许安全级(例如，根据国际标准IEC 61508或者它的澳大利亚版AS 61508的SIL3)输送机紧急停止信号与关于现场设备的监控和控制信号(诸如皮带对齐开关、倾斜开关、皮带损裂开关以及与轴承温度和振动有关的模拟值)的组合传输的传输方法。
在SILBUS中，所有安全和标准数字输入由下线路供电，消除对于沿着输送机的长度的外部电力的需求。例如，通常沿着输送机部署的一个现场设备是拉动钥匙(pull key)，拉动钥匙用来为分布式工厂输送机提供受控的停止功能。Austdac拉动钥匙或者缆线拉动限制开关类型ESS3在控制分布式工厂(诸如在采矿或者材料处理工业中使用的输送机或者皮带)中具有许多应用。拉动钥匙可以使用位于前方位于中央的把手或者位于两侧的柔性缆线拉动致动器中的每个致动器而操作。侧面缆线拉动致动器可以在张拉和非张拉系统中使用。拉动钥匙中的控制和监控发送器由系统供电，使得不需要沿着输送机的长度连接外部电源。
然而，SILBUS由于可变频率驱动而在噪声免疫方面具有限制，并且具有关于用于输入和输出设备的通道数量的限制，以及关于大的陆上输送机上的传输距离和分布式设备的线路供电的限制。例如，使用许多大的马达向输送机提供动力；这些电机打开和关闭，从低速变成高速以及超载时跳闸。也采用可变速度马达驱动。因为这些活动都发生在相对长的供应缆线的端部，电气环境由大型开关瞬态、总体电气噪声和谐波的存在表征。
因此，在容纳可以部署在较大距离上的更多设备并且具有改进的噪声免疫的系统中存在对于数据通信总线的需求。此外，可能难以配置大量的地理上分布的设备。存在如下需求：当与现场的设备通信的控制单元或者通道发生器改变系统参数，诸如通信通道的数量和每个通道使用的带宽时，在现场的设备自动地重新配置自身。
发明内容
上面和其他问题由本发明的说明性实施例克服，并且实现另外的优点。
根据本发明的说明性实施例，提供了实现用于将控制单元接合(interface)到与总线连接的多个设备的总线协议的方法和系统，包括生成用于在总线上传输的包括多个周期的脉冲串，每个周期包括长达指定时间段的低电压电平部分和长达指定时间段的高电压电平部分，并且至少一些周期作为输入/输出(I/O)通道被分派给所述多个设备中的相应设备，其中，脉冲串包括总线扫描周期，每个总线扫描周期包括选定数量的I/O通道和在I/O通道之后的同步脉冲，同步脉冲被配置为根据通道带宽的指定变化而改变持续时间。I/O通道可以包括例如其中一个周期，或者指定的多个周期。
根据本发明的说明性实施例的方面，脉冲串是包括高电压电平与低电压电平之间的瞬时转变的周期性波形。
根据本发明的说明性实施例的方面，脉冲串具有可配置的频率。例如，脉冲串是具有可配置的频率的偏移方波。根据另一个示例，所述可配置的频率能被控制单元在总线的操作期间动态地配置。
根据本发明的说明性实施例的方面，总线扫描周期包括具有交替的A扫描周期和B扫描周期的双重扫描总线周期，其中每个A扫描周期和每个B扫描周期包括所述选定数量的I/O通道和所述同步脉冲。
根据本发明的说明性实施例的方面，脉冲串是具有可配置的频率的偏移方波，并且包括被分派到相应数量的I/O通道并且由控制单元生成的选定数量的周期。例如，I/O通道的选定数量是在控制单元中配置的。
根据本发明的说明性实施例的方面，脉冲串是偏移方波，并且高电压电平在12VDC与48VDC之间，低电压电平在2VDC与9VDC之间。
根据本发明的说明性实施例的方面，所述多个设备的每个设备被分派到每个总线扫描周期中的相应的一个I/O通道并且具有计数器，并且所述多个设备各自响应于同步脉冲重置其计数器，以确保所述多个设备在它们相应的I/O通道上进行发送和接收，并且控制单元在与所述多个设备中的选定设备对应的正确的一个或多个脉冲(例如，取决于用来代表I/O通道的周期数量)处对脉冲串进行采样。
根据本发明的说明性实施例的方面，在高电压电平处生成同步脉冲长达与不同的通道带宽对应的各个不同的持续时间。
根据本发明的说明性实施例的方面，取决于周期被脉冲宽度调制为标记还是间隔，总线扫描周期中的I/O通道的周期中的高电压电平部分可以在周期内的持续时间和周期内的高电压电平部分的上升沿的开始中的至少一项中改变，同步脉冲处于高电压电平长达取决于通道带宽的选定持续时间，并且同步脉冲的检测采用具有在同步脉冲和标记的持续时间与同步脉冲和间隔的持续时间之间的范围的检测窗口，以便在不管最后一个I/O通道具有标记还是间隔的情况下进行同步脉冲的检测。
说明性实施例及其各方面可以与其他说明性实施例一起使用。
本发明的另外和/或其他方面和优点将在下面的描述中陈述，或者将由于描述而清楚，或者可以通过实践本发明而了解。本发明可以包括用于形成和操作具有以上一个或多个方面，和/或一个或多个特征及其组合的I/O和控制系统以及数据通信总线协议和方法。本发明可以包括如例如在所附权利要求书中记载的以上方面的一个或多个特征和/或组合。
附图说明
参考如在附加附图中所示的说明性实施例，将更容易理解本发明，其中：
图1是采用根据本发明的实施例的数据通信总线协议的输入/输出(I/O)和控制系统的框图。
图2是例示了根据本发明的实施例的I/O和控制系统的示例性物理层的总线信号电压电平的图。
图3是在根据本发明的实施例的I/O和控制系统中采用的控制单元的框图。
图4是在图3的控制单元中采用的并且根据本发明的实施例构造的总线接口电路系统的框图。
图5A和5B分别例示了根据本发明的实施例的I/O和控制系统中的示例性现场设备(诸如其中部署有发送器的拉动钥匙外壳)的外部透视图和框图。
图6A是在根据本发明的实施例的数据通信总线协议中采用的脉冲串的图。
图6B是对于图6A的脉冲串，提供扫描周期状态和对应值的表格。
图7A和7B是例示了根据本发明的实施例的数据通信总线协议的出站通道脉冲定时的信号图。
图8A和8B是例示了根据本发明的实施例的数据通信总线协议的入站通道脉冲定时的信号图。
图9A和9B是根据本发明的实施例的分别指示取决于同步脉冲持续时间和相应带宽的示例性脉冲串周期时间和标记/间隔定时的表格。
图10A和10B是根据本发明的实施例的分别指示同步脉冲检测窗口和相关定时的图和表格。
遍及附图，类似的标号将理解为指类似的元素、特征和结构。
具体实施方式
现在将详细参考在附图中例示的本发明的实施例。本文中描述的实施例通过参考附图来例示而非限制本发明。如本领域技术人员将理解的，诸如上、下、底部和顶部之类的术语是相对的，并且用于帮助例示而非限制。
提供下面的定义，连同本发明的说明性实施例的各种方面的以下描述一起用于参考。
ADC：模拟至数字转换器，
通道脉冲或者窗口：包括长达指定时间段的低电压电平部分和长达指定时间段的高电压电平部分的周期，
通道带宽：分配给每个通道脉冲的总时间(例如，2400us的默认值)，
通道发生器或者控制单元：生成出站波形并且接收入站传输的控制器模块，
公用线路：低电压(例如，0V)返回线路，
高地板(或者高侧)值或者阈值：有效入站信号传输所必需的上电流电平，
入站(inbound)：从线路设备(line device)到通道发生器的传输，
低地板(或者低侧)值或者阈值：入站信号传输所必需的下电流电平，
标记：通道窗口内的入站或者出站传输，
出站(outbound)：从通道发生器到线路设备的传输，
脉冲对：代表通道状态的两个脉冲，
接收器：侦听出站消息的线路设备，
信号线：具有由通道发生器生成的波形的高侧或者电压线，
间隔：通道窗口内的入站或者出站的非传输，
发送器：传输入站消息的线路设备。
参考图1，根据本发明的说明性实施例提供I/O和控制系统10。如下所述，I/O和控制系统10是有利的，因为它支持可变通道带宽，等其他原因。通道发生器维持例如可配置的频率的偏移方波，其中一对脉冲代表一个通道(例如，I/O通道)。脉冲的数量以及因此通道的数量可以在通道发生器中配置。例如，典型的通道数量是64、128、256或者512，并且1024和2048个通道可用于大的系统。因此，系统设计者可以如下所述通过利用同步脉冲并且改变同步脉冲长度，对于较短的、噪声较少并且较为稳定的I/O和控制系统增加带宽，并且相反地对于较长的、噪声较多并且较不稳定的系统降低带宽以增加噪声免疫和距离。
I/O和控制系统10包括被示为连接到控制单元或者通道发生器12的可编程逻辑控制器(PLC)14和显示单元16。PLC 14和显示单元16可以经由例如以太网或者RS485MODBUS连接到通道发生器12。控制单元或者通道发生器12经由一般以20指示的总线连接到多个I/O模块。一般以22指示的I/O模块可以包括但不限于一个或多个拉动钥匙发送器(HBTXPK)、网络监控器(HBMON)和其他类型的发送器，诸如两通道数字发送器(HBTX2D)、八通道数字发送器(HBTX8D)、四通道数字接收器(HBRX4D)和四通道模拟接收器(HBRX4A)。如所示出的，其中一个模块作为线路终点(EOL)监控器而操作。
说明性的I/O和控制系统10可以用于诸如地面输送机工业之类的目标工业及其相关联的活动，诸如堆取料机和港口煤炭装运设施。说明性的I/O和控制系统10可以用于其他工业和商业应用，诸如汽车停车场(例如，具有用于停车空间可用性跟踪的停车空间传感器)、照明自动化以及采用许多分布式输入和/或输出(I/O)设备或者模块的监控和控制的其他系统。取决于系统10的工业或者商业应用，I/O模块沿着输送机或者例如其他线路或模式(例如，停车处网格线)分布或者定位于多个位置。I/O模块由总线20相互连接以及连接到控制器或者通道发生器12。
总线20可以是例如允许在长距离上通信并且提供电力的任何缆线。总线可以是双线系统。例如，为了改善噪声和串扰免疫，总线可以采用双绞线，因为缆线是噪声免疫的关键区域。关于为总线20部署的缆线的附加规范可以是例如2.5mm2芯、低电容、为了减少的反射和传播延迟而配置、以及在正常情况下为了易于安装而没有护罩但是对于最差情况场景而提供护罩。
取决于正在使用I/O和控制系统10的具体应用，系统10可以从控制器12提供最小12VDC的充足电力到由供应线路供电的I/O模块或者设备，或者48VDC的供应允许所需数量的线路供电的设备。例如，在控制器12处较大电压电平(例如，48VDC)的供应可以允许线路上可能存在显著电压降的长电缆线路上更好的电力分配。可以选择并且更改通道带宽以提供足够的电力到I/O模块或者设备，I/O模块或者设备经由总线连接，并且取决于系统10的工业和商业应用，沿着输送机或者其他线路或模式部署。
由于需要较长的输送机或者商业或工业线路长度，也需要较大数量的I/O模块或者设备。说明性的I/O和控制系统10可以被配置为例如满足16km的最小传输距离。此外，根据本发明的说明性实施例，I/O和控制系统10可以被配置为例如操作最少512个I/O通道并且从总线20向至少320个发送器供电，这代表优于SILBUS和其他现有I/O和控制系统的显著改进和优点。另外，根据本发明的说明性实施例，I/O和控制系统10是可扩展的，即，它可以被配置为经由控制器12随着刷新速率的降低而增加通道的数量，反之亦然。而且，根据本发明的说明性实施例的另一方面，所有I/O模块自动地关于通道带宽和通道数量自配置。
现在将参考图2并且根据本发明的说明性实施例描述I/O和控制系统10的物理层。为了最大化由系统10覆盖的距离，高电压电平是例如48VDC。低电平的电压电平将是例如5VDC。另外，例如，没有线路设备(例如，I/O模块)在9VDC或者更低时从线路撤走。当产生低电平供应电压时，控制器12通过电流感测电路传递电压。在低电压时间段期间需要在它被分派的通道中驱动数据的任何设备可以在信号线路上下拉到总线20上的公用线路。因为在低电压电平(5VDC)上不存在负载，它的输出应当保持在那个电平附近长达线路的长度。高电平电压侧允许总线信号中有大的电压降，并且总线上的设备应当在降到12VDC时保持能操作。相比于在SILBUS中使用的电压负载和边缘感测技术，在通道发生器12中使用入站电流感测设备提供了显著提高的EMC保护级别。48VDC时2A的最小值通常可以从通道发生器或者控制器12获得。
参考图3和4，提供了双端口控制器或者通道发生器12的示例，其生成总线信号、感测来自总线20上的线路设备22的进入传输，并且(例如，经由以太网或者RS485接口)接合到外部世界。48VDC电力源连接到通道发生器12中的电源30，电源30又为继电器驱动器28提供诸如12VDC的工作电压并且为诸如微控制器36、一个或多个总线接口电路34和通信接口32之类的其他电子部件提供诸如3.3VDC的工作电压。通道发生器12具有通道逻辑解码，通道逻辑解码又可以用于驱动继电器，以便控制或者发信号给外部设备。通道发生器12可以具有用于指示控制器、电源和/或总线20的健康、以太网活动和本地数字输入的LED(未示出)。
图4是根据本发明的说明性实施例的通道发生器总线接口34的框图。高电压(48V)保护和监控模块40和低电压(5V)保护和监控模块42将经调节的高电压信号和低电压信号提供到相应的高电压开关44和低电压开关46，以根据如下面更详细描述的协议来驱动出站总线信号。高侧电流信号48和低侧电流信号50携带经由电流感测电路42和52检测的来自总线20上的线路设备的进入或入站传输。
图5A和5B分别描绘了作为根据本发明的说明性实施例构造的示例性I/O模块或者线路设备22的拉动钥匙发送器(HBTXPK)22。参考图5A，两输入发送器22安装到拉动钥匙(或者缆线拉动限制开关)组件中。拉动钥匙被用于为分布式工厂或者输送机提供受控的停止功能。拉动钥匙可以使用位于前方中央的把手23或者位于两侧的每个柔性缆线拉动致动器25而操作。侧面的缆线拉动致动器25可以在张拉和非张拉系统中使用。
参考图5B，发送器22具有由无电压接触60驱动的两个输入62。一个接触60是常开(NO)并且另一个接触60是常关(NC)。期望的是接触的转接同时发生并且仅需要单个输出通道。如果两个输入处于相同状态，那么认为存在故障状况。微控制器64和总线接口66处理输入62以用于在总线20上传输。电源68从总线接收电力(例如，低电压信号)以将电力提供到发送器22的部件。可以提供监督电路70以监控发送器的健康，例如功率水平。
借助于另一个I/O模块或者线路设备22示例，两数字输入发送器(HBTX2D)类似于拉动钥匙发送器(HBTXPK)。发送器具有由无电压接触60驱动的两个输入62。双输入发送器在不同的通道上输出两个单独的状态，不是具有冗余度的双输入的单个输出。八数字输入发送器(HBTX8D)具有由无电压接触驱动的输入。状态在总线20上的8个单独的I/O通道上输出。八通道数字发送器是能够发送八个无电压接触的状态的小型线路供电的发送器，并且可以用于感测远程无电压接触的状态，举几个例子，诸如紧急停止、拉动钥匙、皮带漂移、皮带损裂和长输送机上受阻的溜槽开关。发送器可以从双线总线20网络缆线被线路供电，由此减少安装和缆线布线成本。
I/O模块22的附加示例包括但不限于具有0-2VDC或者0-20mA输入的四通道模拟发送器(HBTX4A)。诸如0.4V或者4mA之类的任何偏移将不会被移除而是被传输。数据(例如，12位+4CRC位)经由数据链路协议在所配置数量的通道上传送。四通道模拟接收器(HBRX4A)具有0-2VDC或者0-20mA输出。数据(例如，12位+4CRC位)经由数据链路协议在所配置数量的通道上传送。
另一个示例性I/O模块22是具有数字(继电器)输出的四通道接收器(HBRX4D)。HBRX4D可以从控制系统10总线网络接收仅几个到许多个数字开/关信号，以直接地或者经由复杂多项逻辑功能控制四个继电器输出。数字接收器具有由能够实现或、与、或非、与非和翻转逻辑功能的多达六个逻辑解析器(链接到继电器的4个物理以及2个虚拟可以用来驱动通道)控制的四个输出继电器。每个解析器具有可独立配置输出的开和关延迟滤波器，以允许简单定时器功能的实现。而且，双通道温度发送器(HBTX2T)具有设计为与标准的两线、三线或者四线PT100温度传感器一起工作的温度输入。温度发送器可以被配置为在两个温度范围之一(-10℃至+100℃或者-20℃至+200℃)上工作，这使得模块特别适合于经由总线20网络监控轴承或者类似工厂温度，而没有对于附加电力的任何需求。网络监控器将各种网络和线路参数(诸如但不限于线路电压、摆率、反射和接地漏电)回报给通道发生器和控制单元12。监控器(HBMON)也可以用来隔离网络的下游部分以帮助故障隔离。
I/O模块22(例如，发送器和接收器)的应用不限于输送机设施，而是可以在例如需要监控远程开关接触或者继电器接触的状态的任何应用中使用。
现在将根据本发明的说明性实施例描述I/O和控制系统10的数据层。沿着总线20的数据传输的基础是对于出站通信(例如，从控制单元12到诸如拉动钥匙发送器(HBTXPK)之类的线路设备22)的脉冲宽度调制(PWM)以及对于入站通信(例如，从线路设备或者I/O模块22到控制单元或者通道发生器12)的电流检测。通道发生器12连续地维持可配置的频率的偏移方波，其中多个通道窗口或者脉冲均包括低电压部分和高电压部分。可以使用通道窗口或者脉冲代表下面描述的一个I/O通道。作为替代，可以使用指定的多个(例如，2个或者更多个)通道窗口或者脉冲代表一个I/O通道。通道脉冲的数量以及因此通道(例如，下面描述的I/O通道)的相应数量可以在通道发生器中配置。典型的通道数量是64、128、256或者512(1024和2048可用于大的系统)。
I/O和控制系统10是分布式I/O系统，使得不是所有通信都是从现场设备22到控制单元12，或者与之相反。例如，通信可以是从现场设备22到现场设备22。I/O和控制系统10将入站耦合到出站通信，允许多个接收器(例如，现场设备22和控制单元12当中)在单个发送器设备上进行采样或者窃听，因此提供真实的分布式I/O。耦合是在通道发生器12采样入站电流检测并且立即更改出站脉冲宽度调制以反映入站通道的状态时实现的。在一些应用中，入站和出站通信可以是未耦合的并且被称作分裂I/O。
现在将参考图6A、6B、7A、7B、8A和8B描述总线20上的脉冲串中的示例性入站和出站通道。图6A描绘了总线20的完整扫描，其包括例如脉冲串的两个完整周期(在下文中被称作周期A和周期B)。脉冲串可以包括，例如：
●同步脉冲(在下文中被称作sync脉冲)；
●八个(8)控制通道；以及
●64 x n个I/O通道，其中n＝1..32(亦即，64至2048个I/O通道)。如下面将连同图6A和6B描述的，每个I/O通道在交替的周期上切换它的入站和出站状态，允许单元检测(和移除检测)并且提供改进的关于假触发的噪声免疫。
作为示例，控制通道可以包括8个系统控制位(例如，位1至8)，其中位1是周期同步指示符，其被设置为指示当前脉冲串是A扫描周期还是B扫描周期。一个或多个指定的系统控制位可以不被分派，从而允许未来的系统配置或者控制设置。例如，位4和7可以是可以在日后被分派系统控制功能的备用位。关于位4和7的外出位对于所有周期被设置为间隔。关于位4和7的入站位不由任何线路模块22设置。位5可以被指定为紧急中断模式启用指示符。换言之，如果这个位由通道发生器12设置，那么对于发送器启用特殊优先级中断模式以指示紧急情况。如果启用优先级中断特征，那么位5在A和B扫描周期中都设置。位6是用于例如系统诊断目的的强制多链路模式指示符。在该模式中可以从具体的寄存器请求信息，诸如例如设备22类型、序列号、设备状态等。如果位6被设置，那么任何安全功能自动地进入安全状态。位6可以用来强制通道1至16对于在这些地址上编程的所有设备22进入多链路模式，使得这些设备22将不进行发送，除非在多链路协议中具体地寻址，如将由多链路协议寻址的任何其他设备22那样。位2和3可以是标记例如12位数据+4位CRC数字传输的开始的数字传输同步位，其中位2指示每个周期2位的传输，位3指示每个周期8位的传输，并且位2和3的组合指示每个周期16位的传输并且因此分别在第8个、第2个或者每个脉冲串周期上被设置为标记状态。位8可以是故障位，使得如果由通道发生器12检测到系统故障，那么外出故障位设置为标记以向系统10的剩余部分指示故障状况。类似地，如果由模块22之一检测到主要系统故障(例如，诸如安全功能的失效)，那么进入故障位被设置为标记并且通道发生器12继而设置外出位。每个个体I/O模块也可以通过在进入通道上用标记驱动全部两个扫描周期来指示故障的状态。应当理解，可以在脉冲串扫描周期A或者B中使用不同类型的以及更多或者更少数量的控制通道或者控制位。
图7A和7B描绘了说明性的出站脉冲定时。例如，在通道的开始，信号从高电压电平降至低电压电平。‘间隔’是在返回到长达1600μs的通道带宽剩余时间的高电压电平之前的低电压电平的800μs(例如，或者通道带宽的1/3)。‘标记’是在返回到长达1200μs(例如，或者通道带宽的1/2)的通道带宽剩余时间的高电压电平之前的低电压电平的1200μs(例如，或者通道带宽的1/2)。
图8A和8B描绘了说明性的入站脉冲定时。已经在脉冲串周期中检测到它的通道的发送器(例如，设备22中)可以在总线20上下拉或者它可以是被动的。下拉在第一个500μs期间进行并且由通道发生器12经由电流测量检测。对于正常I/O通道，一旦已检测到有效的下拉，通道发生器12将使得脉冲的上升沿延迟另外的400μs。其他适当编码的接收器(例如，在设备22中)正是检测脉冲上升沿的这个另外的延迟并且对其采取动作。因为脉冲串和调制沿着总线20的整个长度而存在，所以接收器可以放置在沿着总线的任何方便的点来监控通道的局部输出。事实上，许多接收器可以监控相同的通道或者发送器。
现在参考图6A以及图6B中的表格，每个I/O通道在交替的周期上切换它的入站脉冲-出站脉冲对的状态，以允许单元检测(和移除检测)、对被卡住的发送器的检测以及提供改进的关于假触发的噪声免疫。例如，每个脉冲串的I/O通道脉冲对运送入站和出站数据的1位。如果入站脉冲被设置，那么通道发生器12关于那个脉冲设置出站状态。通道发生器也可以独立于入站状态设置出站状态。在正常操作中，A脉冲串或者A周期中的通道状态和B脉冲串或者B周期中的通道状态是相反的状态。换言之，如果通道2的入站和出站状态在具有间隔-标记脉冲对的A脉冲串中是“开”，那么它在B脉冲串中具有标记-间隔脉冲对。类似地，如果通道3的入站和出站状态在具有标记-间隔脉冲对的A脉冲串中是“关”，那么它在B脉冲串中具有间隔-标记脉冲对。关于这一点的例外是(1)发送器丢失或者已经故障，那么两个脉冲串中的通道脉冲对都是间隔；(2)发送器指示故障状况，那么两个脉冲串中的通道脉冲对都是标记；以及(3)运送数据的通道，其每个脉冲串周期连贯地发送(12位值加上4位CRC的)数据的2位。
继续参考图6A，总线20的完整扫描包括脉冲串的两个完整周期(例如，周期A和周期B)。为了图6A中的说明性目的，通道3被示为发送‘关’状态，通道2被示为发送‘开’状态，通道4发送故障状态，并且在其他通道上不存在其他设备。脉冲串A具有：
●同步脉冲；
●8个控制通道(第1控制通道是‘标记’以指示周期A)；以及
●许多I/O通道，各自包括一对脉冲。
●通道3正在发送‘关’状态，所以它在A周期中具有标记-间隔脉冲对。
●通道2正在发送‘开’状态，所以它在A周期中具有间隔-标记脉冲对。
●通道4正在发送故障状态，所以它在A周期中具有标记-标记脉冲对。
●所有其他通道关闭发送器。
脉冲串B具有：
●同步脉冲；
●8个控制通道(第1控制通道是‘间隔’以指示周期B)；以及
●许多I/O通道，各自包括一对脉冲。
●通道3正在发送‘关’状态，所以它在B周期中具有间隔-标记脉冲对。
●通道2正在发送‘开’状态，所以它在B周期中具有标记-间隔脉冲对。
●通道4正在发送故障状态，所以它在B周期中具有标记-标记脉冲对。
●所有其他通道关闭发送器。
因此，参考图6A以及图6B中的表格，每个I/O通道在交替的周期上切换它的入站和出站脉冲对状态，以允许单元检测(和移除检测)、对被卡住的发送器的检测以及提供改进的关于假触发的噪声免疫。
通道发生器12发射8个控制通道，紧跟着的是所配置数量的I/O通道，而不管通道是否已经被分派给I/O设备。在控制和通道脉冲的末尾，通道发生器12发送扩展(例如，超宽)脉冲，扩展脉冲在脉冲串重复之前将现场设备22中的所有计数器重置回到零。长的同步脉冲用来确保所有现场设备保持同步，以确保发送器在正确的通道上进行发送并且接收器在正确的时间对脉冲串进行采样。现场设备22可以在发送或者接收之前简单地计数脉冲或通道，直到计数匹配它们被分派的地址。
参考图9A和9B，8ms的同步脉冲指示如下定义的标准通道带宽。更短或者更长的同步脉冲指示替代的通道带宽。虽然通道带宽如图9A和9B中所指示地那样改变，但是信号的标记-间隔比例保持相同。根据本发明的该实施例的有利方面，系统设计者能够对于较短的、噪声较少并且较为稳定的系统增加带宽，并且相反地对于较长的、噪声较多并且较不稳定的系统降低带宽以增加噪声免疫和距离。
参考图9A，标准通道时间分配可以被指定为例如2400μs(2.4ms)。图9A示出了对于具有各种数量的通道和8个控制通道的系统，以秒为单位的反应时间(例如，完整扫描周期)。具有标准数量的通道(例如，256个通道)的列和具有标准通道定时(例如，8ms)的行示出了对于完整的单个周期扫描的标准最大反应时间是1.33秒。
图9B例示了对于标准通道定时为2400μs的入站和出站通道定时，诸如‘标记’和‘间隔’定时。图9B提供了关于如由同步脉冲定时设置的替代通道带宽的定时。如果通道定时落在预期范围之外多于小的误差容限，那么故障已经发生并且发送器被配置为停止发送，并且重新同步到下一个同步脉冲以防止在脉冲串中的错误的通道时隙意外地传输。
现在参考图10A和10B。根据本发明的实施例，总线20上的设备22自动地配置到由通道发生器12生成的正确的通道带宽定时。设备22使用同步脉冲来确定所配置的带宽。由于在扫描周期中同步脉冲跟着最后的通道，最后的通道所告示的标记或者间隔时间贡献了同步脉冲的‘高’时间的长度。例如，8ms的标准同步脉冲以及因此2400μs通道时间可以导致同步脉冲对于标记通道处于高电压电平长达8ms+1200μs(9.2ms)或者对于间隔通道处于高电压电平长达8ms+1600μs(9.6ms)。图9B提供了对于标记或间隔的最后通道时隙，用于同步脉冲的正确检测、具有+/-0.1秒误差的窗口。图10A用图表例示了图10B中的数据。如果同步脉冲的长度落在所强调的时隙之一中，那么已经检测到适当的同步脉冲并且因此已经检测到带宽。
另外的实施例和实现方式
已经参考诸如通道发生器12或者I/O模块或设备22之类的可编程设备处的操作描述了本发明的说明性实施例。然而，应当理解，本发明也可以体现为计算机可读记录介质上的计算机可读代码。计算机可读记录介质是可以存储数据的任何数据存储设备，数据此后可以由计算机系统读取。计算机可读记录介质的示例包括但不限于只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、CD-ROM、DVD、磁带、软盘、光学数据存储设备。设想本发明的方面可以体现为载波(诸如经由有线或者无线传输路径通过因特网的数据传输)。计算机可读记录介质也可以分布在网络耦合的计算机系统上，使得计算机可读代码以分布的方式存储和执行。
根据本发明所例示的实施例而采用的说明性设备、系统和方法的部件可以至少部分地在数字电子电路系统、模拟电子电路系统或者在计算机硬件、固件、软件或者它们的组合中实现。这些部件可以实现为例如计算机程序产品，诸如在信息载体中或者在机器可读存储设备中有形地体现的计算机程序、程序代码或者计算机指令，以便由诸如可编程处理器、计算机或者多个计算机之类的数据处理装置执行或者控制其操作。计算机程序可以以任何形式的编程语言编写，包括编译或者解释语言，并且它可以以任何形式部署，包括作为独立的程序或者作为模块、部件、子例程或者适合于在计算环境中使用的其他单元。可以将计算机程序部署为在一个计算机上或者在位于一个地点或者跨越多个地点分布并且由通信网络互连的多个计算机上执行。而且，用于完成本发明的函数程序、代码和代码段可以由本发明所属领域中的熟练程序员解释为在本发明的范围内。与本发明的说明性实施例相关联的方法步骤可以由执行计算机程序、代码或者指令以执行功能的一个或多个可编程处理器执行(例如，通过对输入数据操作和/或生成输出)。方法步骤也可以由专用逻辑电路系统执行，并且本发明的装置可以实现为专用逻辑电路系统，例如FPGA(现场可编程门阵列)或者ASIC(专用集成电路)。
作为示例，适合于执行计算机程序的处理器包括通用和专用微处理器，以及任何种类的数字计算机的任何一个或者多个处理器。通常，处理器将从只读存储器或者随机存取存储器或者这二者接收指令和数据。计算机的必要元件是用于执行指令的处理器以及用于存储指令和数据的一个或多个存储器设备。通常，计算机也将包括用于存储数据的一个或多个海量存储设备(例如，磁性、磁光盘或者光盘)，或者操作地耦合以从一个或多个海量存储设备接收数据或者传送数据到一个或多个海量存储设备，或者兼而有之。适合于体现计算机程序指令和数据的信息载体包括所有形式的非易失性存储器，作为示例包括：半导体存储器设备，例如EPROM、EEPROM和闪存设备；磁盘，例如内部硬盘或者可移除磁盘；磁光盘；以及CD-ROM和DVD-ROM盘。处理器和存储器可以由专用逻辑电路系统补充或者合并在专用逻辑电路系统中。
上面展示的描述和附图仅打算作为示例并且不打算以任何方式限制本发明，除了如在下面的权利要求书中所陈述的。特别注意，本领域技术人员将容易地以许多其他方法组合已经在上面描述的各种说明性实施例的各种元素的各种技术方面，这些全部都认为在本发明的范围内。

Claims (14)

1.一种实现用于将控制单元接合到与总线连接的多个设备的总线协议的方法，包括：
生成用于在总线上传输的包括多个周期的脉冲串，每个周期包括长达指定时间段的低电压电平部分和长达指定时间段的高电压电平部分，并且所述周期中的至少一些周期作为输入/输出(I/O)通道被分派给所述多个设备中的相应设备，
其中，脉冲串包括总线扫描周期，每个总线扫描周期包括选定数量的I/O通道和在I/O通道之后的同步脉冲，同步脉冲被配置为根据通道带宽的指定变化而改变持续时间。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，脉冲串是包括高电压电平与低电压电平之间的瞬时转变的周期性波形。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，脉冲串具有可配置的频率。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，脉冲串是具有可配置的频率的偏移方波。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述可配置的频率能被控制单元在总线的操作期间动态地配置。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，总线扫描周期包括具有交替的A扫描周期和B扫描周期的双重扫描总线周期，其中每个A扫描周期和每个B扫描周期包括所述选定数量的I/O通道和所述同步脉冲。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，脉冲串是具有可配置的频率的偏移方波，并且包括被分派到相应数量的I/O通道并且由控制单元生成的选定数量的周期。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，I/O通道的选定数量是在控制单元中配置的。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，脉冲串是偏移方波，并且高电压电平在12VDC与48VDC之间，低电压电平在2VDC与9VDC之间。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个设备的每个设备被分派到每个总线扫描周期中的相应的一个I/O通道并且具有计数器，并且所述多个设备各自响应于同步脉冲重置其计数器，以确保所述多个设备在它们相应的I/O通道上进行发送和接收并且控制单元在与所述多个设备中的选定设备对应的正确脉冲处对脉冲串进行采样。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，在高电压电平处生成同步脉冲长达与不同的通道带宽对应的各个不同的持续时间。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，取决于周期被脉冲宽度调制为标记还是间隔，总线扫描周期中的I/O通道的周期中的高电压电平部分能在周期内的持续时间和周期内的高电压电平部分的上升沿的开始中的至少一项中改变，同步脉冲处于高电压电平长达取决于通道带宽的选定持续时间，并且同步脉冲的检测采用具有在同步脉冲和标记的持续时间与同步脉冲和间隔的持续时间之间的范围的检测窗口，以便在不管最后一个I/O通道具有标记还是间隔的情况下进行同步脉冲的检测。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，I/O通道包括所述周期之一。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，I/O通道包括指定的多个周期。
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