CN109716312A - 用于数据通信总线上的双线路入站检测的系统、装置和方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于长距离通信和工业应用的输入/输出(I/O)和控制系统，其具有用于在现场设备之间通信的双线总线和总线协议以及用于监控和控制现场设备的通道发生器。通道发生器在总线上产生偏移方波，并在脉冲序列循环中在每个总线扫描循环开始时发送选定持续时间的同步脉冲，以在重复总线扫描循环之前复位现场设备中的计数器，以确保现场设备是同步的，发送器在正确的通道上发送，并且接收机在正确的时间对脉冲循环进行采样。提供了用于总线的两条线中的相应线的高侧和低侧电流检测器以及算法，用以改善通道发生器对有效入站传输的检测以提高抗噪性。

Description

用于数据通信总线上的双线路入站检测的系统、装置和方法

技术领域

本发明涉及用于数据通信总线上的双线路入站检测(dual line inbounddetection)的装置的系统、方法和装置。

背景技术

现代传送带，诸如在采矿和制造操作中采用的那些传送带，在地下的设施可超过4公里(km)并且在陆上设施可超过10公里。沿着整个设施长度监控一般的传送带操作参数，这些参数包括：皮带漂移、皮带撕裂、皮带打滑和轴承温度，这只是仅举几例。考虑到所涉及的距离和缺乏电力，这些参数通常难以监控。此外，在任何传送带设施的操作中，需要安全功能，诸如在紧急情况下停止传送带，以及安全地远程隔离传送带以用于维护目的，以及其它操作。

此外，传送带设施本质上是用于任何可安装在其上部结构上的电气装备和电缆的恶劣环境。装备，尤其是电缆受到振动、灰尘、坠落物质、雨水、极端温度和辐射照射的影响，所有这些都可能导致引入可能损害这些监控系统的完整性和安全性并要求快速反应时间的电气故障(例如，需要控制器完成在沿着传送带部署的远程监控设备处的基本紧急停止和隔离功能)。

SILBUS是现有输入/输出(I/O)和控制系统的示例，其具有在控制器和现场设备之间沿着传送带或其它工业系统部署的数据通信总线，所述其它工业系统具有分布在地理上大区域或长距离上或沿着地理上大区域或长距离分布的用于工业应用并且通常在恶劣环境中的装备和/或受监控的传感器。SILBUS可从Hubbell公司的附属公司Austdac Pty Ltd商业获得，Hubbell在澳大利亚联邦的新南威尔士州和昆士兰州以及美国宾夕法尼亚州的匹兹堡设有办事处。SILBUS是一系列本质安全(IS)现场总线产品，专为在危险区域地下采矿或类似工业应用而设计。SILBUS在例如长达10公里的双绞线上提供用于工业系统中的监控和控制的数据传输和电力，包括与一系列分布式模块(即，输入和输出设备)通信、监视诸如数字信号的一系列信号、安全发送器、电压、电流、温度和频率的控制单元或通道发生器。

Austdac SILBUS传送带监控和控制方法使用一种电缆途径来监控和控制具有例如超过10公里的长距离传输的长距离传送带。SILBUS采用的传输方法允许安全额定(例如，根据国际标准IEC 61508的SIL3或其澳大利亚版AS 61508)的传送带紧急停止信号与用于诸如皮带对齐开关、倾斜开关、皮带撕裂开关的现场设备的监控和控制信号以及与轴承温度和轴承振动相关的模拟值的组合传输。

在SILBUS中，所有安全和标准数字输入均采用下行线路供电，从而无需沿着传送带长度的外部电源。例如，通常沿着传送带部署的一个现场设备是拉键(pull key)，其用于为分布式工厂传送带提供受控的停止功能。Austdac拉键或拉索限位开关类型ESS3在控制分布式工厂(诸如在采矿或材料处理行业中使用的传送带或皮带)方面具有许多应用。拉键可以使用位于中央的前部旋钮或两个位于侧面的柔性拉索(cable-pull)致动器中的每一个来操作。侧拉索致动器可以用在张紧和非张紧的系统中。拉键中的控制和监控发送器是系统供电的，因此不需要沿着传送带的长度连接外部电源。

但是，SILBUS在抗噪声(例如，来自变频驱动器的噪声)方面存在局限性并且关于输入和输出设备的通道数量存在限制，以及存在关于大型陆上传送带的传输距离和向分布式设备供电的线路的限制。例如，许多大型电动机用于向传送带供电；这些电动机被接通和关断、从低到高改变速度并且在过载时断开。还采用了变速电动机驱动器。由于这些活动都是在相对长的供电电缆的末端进行的，因此电气环境的特点是存在大的开关瞬变、一般的电噪声和谐波。

因此，需要一种具有改进的抗噪性的分布式I/O系统。此外，需要一种改进的系统和方法，用于检测来自分布式I/O系统中的双线数据通信总线上的现场设备的入站传输，以即使在存在噪声的情况下也能准确且可靠地检测到有效的入站传输，同时最小化作为入站传输的噪声的错误检测。

发明内容

通过本发明的说明性实施例克服了上述和其它问题，并实现了附加的优点。

根据本发明的说明性实施例，提供了方法和系统以确定设备是否已在使控制单元与连接到总线的多个设备接口的总线上发送了有效的入站传输。总线是具有信号线路和公共返回线路的双线总线。控制单元被配置为生成脉冲序列，包括：用于在总线上传输的多个循环，每个循环包括指定时间段的低电压电平部分和指定时间段的高电压电平部分，以及与作为I/O通道分配给多个设备中的相应设备的各个通道窗口对应的至少一些循环；以及总线扫描循环，每个总线扫描循环包括选定数量的I/O通道，和同步脉冲。同步脉冲被配置为确保该多个设备在其对应的I/O通道上发送和接收，并且控制单元在与多个设备中选定的一个设备对应的正确通道窗口或脉冲处对脉冲序列进行采样。多个设备中的每个设备被配置为通过在其对应循环的低电压电平部分期间将信号线路下拉到指定低电压电平来指示到控制单元的入站传输。该方法包括操作高侧电流检测器以检测信号线路上的电流；操作低侧电流检测器以检测公共返回线路上的电流；指定信号阈值；将每个I/O通道中的低电压电平部分的至少一部分指定为该通道的入站检测时段；确定在通道的入站检测时段期间由高侧电流检测器检测到的电流的指定数量的样本的平均值；确定在通道的入站检测时段期间由低侧电流检测器检测到的电流的指定数量的样本的平均值；以及如果来自低侧电流检测器的样本的平均值和来自高侧电流检测器的样本的平均值都大于信号阈值，则确定入站传输是有效的。

根据本发明的另一个说明性实施例，该方法包括：操作高侧电流检测器以检测信号线路上的电流；操作低侧电流检测器以检测公共返回线路上的电流；指定高侧信号阈值和低侧信号阈值；将每个I/O通道中的低电压电平部分的至少一部分指定为该通道的入站检测时段；确定在通道的入站检测时段期间由高侧电流检测器检测到的电流的指定数量的样本的平均值；确定在通道的入站检测时段期间由低侧电流检测器检测到的电流的指定数量样本的平均值；以及如果包括来自低侧电流检测器的样本的平均值和来自高侧电流检测器的样本的平均值的平均值之一大于高侧信号阈值并且平均值中另一个大于低侧信号阈值，则确定入站传输是有效的。

根据本发明的说明性实施例的方面，当来自低侧电流检测器和高侧电流检测器中的任一个的输出未能满足高侧信号阈值和低侧信号阈值之一时，确定总线上的信号不是有效的入站传输。

根据本发明的说明性实施例的方面，在I/O通道中的高压脉冲期间禁用低侧电流检测器。

根据本发明的说明性实施例的方面，脉冲序列是偏移方波，并且高电压电平脉冲在12VDC和48VDC之间，并且低电压电平部分在2VDC和9VDC之间。

根据本发明的说明性实施例的方面，脉冲序列是包括高电压电平脉冲和低电压电平部分之间的瞬时转换的周期性波形。

根据本发明的说明性实施例的方面，脉冲序列具有可配置的频率。

根据本发明的说明性实施例的方面，总线扫描循环包括具有交替的A和B扫描循环的双扫描总线循环，其中每个A扫描循环和每个B扫描循环包括选定数量的I/O通道和该同步脉冲。

根据本发明的说明性实施例的方面，脉冲序列是具有可配置频率的偏移方波，并且包括被分配给对应数量的I/O通道并且由控制单元生成的选定数量的循环。例如，在控制单元中配置选定数量的I/O通道。

说明性实施例及其各个方面可以与其它说明性实施例一起使用。

本发明的附加和/或其它方面和优点将在下面的描述中阐述，或者将从描述中显而易见，或者可以通过本发明的实践来学习。本发明可以包括具有上述一个或多个方面和/或其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用于形成和操作其的方法。本发明可以包括例如所附权利要求中所述的上述方面的一个或多个特征和/或组合。

附图说明

参考如附图中所示的本发明的说明性实施例将更容易理解本发明，其中：

图1是根据本发明的实施例的采用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是图示根据本发明的实施例的I/O和控制系统的示例物理层的总线信号电压电平的图。

图3是根据本发明的实施例的在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和图5B分别图示了根据本发明的实施例的I/O和控制系统中的示例现场设备的透视外部视图和框图，该示例现场设备诸如其中部署了发送器的拉键壳体。

图6A是根据本发明的实施例的在数据通信总线协议中采用的脉冲序列的图。

图6B是提供图6A的脉冲序列的扫描循环状态和对应的值的表。

图7A和图7B是图示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和图8B是图示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9和图10分别是用于与通道发生器一起使用并根据本发明的实施例构造的高侧电流感测电路和低侧电流感测电路。

图11是用于与和通道发生器相关联并根据本发明的实施例构造的高侧电流感测电路和低侧电流感测电路一起使用的电流感测放大器电路。

图12是图示在没有噪声干扰的情况下I/O和控制系统的数据通信总线信号以及来自高侧电流感测电路和低侧电流感测电路的输出的示例的波形。

图13是图示在没有传输期间并且在存在耦合到数据通信总线的表现在低侧电流感测信号上的瞬态脉冲和噪声的情况下，I/O和控制系统的数据通信总线信号以及来自低侧和高侧电流感测电路的输出的示例的波形。

图14是图示在没有传输期间并且在存在耦合到数据通信总线的表现在高侧电流感测信号上的瞬态脉冲和噪声的情况下，I/O和控制系统的数据通信总线信号以及来自低侧和高侧电流感测电路的输出的示例的波形。

图15是图示根据本发明的实施例的在传输期间并且在存在耦合到数据通信总线的噪声的情况下，I/O和控制系统的数据通信总线信号以及来自高侧电流感测电路和低侧电流感测电路的输出以及用于有效传输检测的单个最小电平的示例的波形。

图16类似于图15，不同之处在于根据本发明的实施例使用了用于有效传输检测的上检测电平和下检测电平。

图17是图示根据本发明的实施例的在传输期间在存在脉冲噪声的情况下，I/O和控制系统的数据通信总线信号以及来自高侧电流感测电路和低侧电流感测电路的输出以及用于有效传输检测的上检测电平和下检测电平的示例的波形。

图18是图示根据本发明的实施例的检测数据通信总线上的有效传输的操作的流程图。

在整个附图中，相同的附图标记将被理解为表示相同的元件、特征和结构。

具体实施方式

现在将详细参考在附图中示出的本发明的实施例。本文描述的实施例通过参考附图举例说明本发明，但不限制本发明。如本领域技术人员将理解的，诸如上、下、底部和顶部的术语是相对的，并且用于帮助说明，但不是限制性的。

结合本发明的说明性实施例的各个方面的以下描述，提供以下定义用于参考：

ADC：模数转换器，

通道脉冲或窗口：包括指定时间段的低电压电平部分和指定时间段的高电压电平部分的循环，

通道带宽：分配给每个通道脉冲的总时间(例如，默认值为2400us)，

通道发生器或控制单元：生成出站波形并接收入站传输的控制器模块，

公共线路：低压(例如，0V)返回线路，

高层(high floor)(或高侧)值或阈值：有效入站信号传输所需的上电流电平(upper current level)，

入站：从线路设备到通道发生器的传输，

低层(low floor)(或低侧)值或阈值：入站信号传输所需的下电流电平(lowercurrent level)，

标记：通道窗口内的入站传输或出站传输，

出站：从通道发生器到线路设备的传输，

脉冲对：两个代表通道的状态的脉冲，

接收器：侦听出站消息的线路设备，

信号线路：具有由通道发生器生成的波形的高侧或电压线路，

间隙：通道窗口内的入站或出站非传输，

发送器：发送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了I/O和控制系统10。如下所述，I/O和控制系统10是有利的，因为通道发生器关于双线总线支持双电流检测并且支持双入站检测算法，以在总线上检测到入站传输时提供显著更高水平的可靠性和防止由于噪声以及其它原因引起的入站传输的错误检测。

I/O和控制系统10包括可编程逻辑控制器(PLC)14和显示单元16，它们被示出连接到控制单元或通道发生器12。PLC 14和显示单元16可以例如经由以太网或RS485MODBUS连接到通道发生器12。控制单元或通道发生器12经由在20处一般指示的总线连接到多个I/O模块。在22处一般指示的I/O模块可以包括但不限于一个或多个拉键发送器(HBTXPK)、网络监视器(HBMON)和其它类型的发送器，诸如双通道数字发送器(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)。如图所示，其中一个模块作为线路终端(EOL)监视器操作。

说明性I/O和控制系统10可以用于目标工业，诸如陆上传送带工业及其相关联的活动，诸如堆垛机回收机和港口煤装载设施。说明性I/O和控制系统10可以用于其它工业和商业应用，诸如停车场(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)设备或模块监控和控制的其它系统。取决于系统10的工业或商业应用，I/O模块在沿着例如传送器或其它线路或图案的位置分布或定位。I/O模块通过总线20彼此连接并且与控制器或通道发生器12连接。

总线20可以是例如允许通信并且在长距离提供电力的任何电缆。总线可以是双线系统。例如，总线可以采用双绞线以改善噪声和串扰抗扰度，因为电缆是抗噪声的关键区域。例如，为总线20部署的电缆的附加规范可以是2.5mm²内核、低电容、被配置用于减少反射和传播延迟，并且在正常情况下没有屏蔽以便于安装，但是应该被提供用于最坏情况的场景。

I/O和控制系统10可以提供足够的电力从控制器12以最小12VDC为线路供电的I/O模块或设备供电，或者提供48VDC以允许所需数量的线路供电设备，这取决于正在使用系统10的特定应用。例如，在控制器12处提供较大的电压电平(例如，48VDC)可以允许在其中线路上可能存在显著的电压降的长电缆线上更好地进行电力分配。取决于系统10的工业或商业应用，可以选择和改变通道带宽，以便为经由总线连接并沿着传送带或其它线路或模式部署的I/O模块或设备提供足够的电力。

由于需要更长的传送带或商业或工业线路长度，还需要更多的I/O模块或设备。说明性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，I/O和控制系统10可以被配置为操作最少512个I/O通道并且例如从总线20为最少320个发送器供电，这表示相对于SILBUS和其它现有的I/O和控制系统显著的改进和优势。此外，I/O和控制系统10是可扩展的，即，它可以经由控制器12被配置为在刷新率降低的情况下增加通道的数量，反之亦然。此外，所有的I/O模块针对通道带宽和通道的数量自动地进行自我配置。

现在将参考图2并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，高电压电平例如是48VDC。例如，低电平的电压电平应为5VDC。另外，例如，没有线路设备(例如，I/O模块)在9VDC或更低的电压下脱离线路。当产生低电平供电电压时，控制器12使电压通过电流感测电路。任何需要在低电压时段期间在其指派的通道中驱动数据的设备都可以在总线20上将信号线路下拉到公共线路。由于在低电压电平(5VDC)上没有负载，因此其输出应该在线路的长度保持在该电平附近。高电平电压侧允许总线信号中的大电压降，并且总线上的设备应低至12VDC保持可操作。在通道发生器12中使用入站电流感测设备相对于SILBUS中使用的电压负载和边缘感测技术提供了显著增加的EMC保护水平。通常可从通道发生器或控制器12获得48VDC下的最小2A。

参考图3和图4，提供了双端口控制器或通道发生器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的传入传输，以及与外部世界接口(例如，经由以太网或RS485接口)。48VDC电源连接到通道发生器12中的供电电源30，供电电源30又为中继器驱动器28提供诸如12VDC的操作电压，并为诸如微控制器36、一个或多个总线接口电路34和通信接口32的其它电子部件提供3.3VDC的操作电压。通道发生器12具有通道逻辑解码，该通道逻辑解码又可以用于驱动中继器以控制或发信号通知外部设备。通道发生器12可以具有LED(未示出)，用于指示控制器、电源和/或总线20的健康状况、以太网活动和本地数字输入。

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(48V)和低(5V)电压保护和监控模块40和42向相应的高压和低压开关44和46提供经调节的高压和低压信号，以根据如下面更详细描述的协议驱动出站总线信号。高侧和低侧电流信号48和50承载来自总线20上的线路设备的经由电流感测电路42和52检测到的传入或入站传输。

图5A和图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I/O模块或线路设备22的拉键发送器(HBTXPK)22。参考图5A，双输入发送器22被装配到拉键(或拉索限位开关)组件中。拉键用于为分布式工厂或传送带提供受控的停止功能。可以使用位于中心的前部旋钮80或两个位于侧面的柔性拉索致动器82中的每一个来操作拉键。侧拉索致动器82可以用在张紧和非张紧系统中。

参考图5B，发送器22具有由无电压触点60驱动的两个输入端62。一个触点60是常开(NO)并且另一个触点60是常闭(NC)。预期触点的转换同时发生，并且仅需要单个输出通道。如果两个输入端都处于相同状态，则认为存在故障条件。微控制器64和总线接口66处理用于在总线20上传输的输入62。供电电源68从总线接收电力(例如，低电压信号)以向发送器22的部件提供电力。可以提供监视电路70，以监视发送器的健康，诸如功率电平。

作为另一个I/O模块或线路设备22示例，双数字输入发送器(HBTX2D)类似于拉键发送器(HBTXPK)。发送器具有由无电压触点60驱动的两个输入端62。双输入发送器在不同通道上输出两个独立的状态，而不是具有冗余的双输入单个输出。八位数字输入发送器(HBTX8D)具有由无电压触点驱动的输入。状态输出在总线20上的8个独立I/O通道上。八通道数字发送器是小型线路供电的发送器，其能够发送八个无电压触点的状态并且可以用于感测远程无电压触点的状态，诸如紧急停止、拉键、皮带漂移、皮带撕裂和长传送带上的堵塞滑槽开关，这只是仅举几例。发送器可以从双线总线20网络电缆进行线路供电，从而降低安装和布线成本。

I/O模块22的附加示例包括但不限于具有0-2VDC或0-20mA输入的四通道模拟发送器(HBTX4A)。诸如0.4V或4mA的任何偏移都不会被移除，而是被发送。在配置数量的通道上经由数据链路协议传输数据(例如，12位+4个CRC位)。四通道模拟接收器(HBRX4A)具有0-2VDC或0-20mA输出。在配置数量的通道上经由数据链路协议传输数据(例如，12位+4个CRC位)。

另一个示例I/O模块22是具有数字(中继器)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数字ON/OFF信号，以直接或经由复杂的多项逻辑功能控制四个中继器输出。数字接收器具有由能够实现OR、AND、NOR、NAND和FLIP逻辑功能的最多六个逻辑解析器(链接到中继器的4个物理的以及2个虚拟的解析器可以用于驱动通道)控制的四个输出中继器。每个解析器都有可独立配置的输出ON和OFF延迟滤波器，以允许实现简单的定时器功能。此外，双通道温度发送器(HBTX2T)具有被设计用于与标准的两线、三线或四线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-10℃至+100℃或-20℃至+200℃两个温度范围之一上操作，这使得该模块特别适合经由总线20网络监控轴承或类似的工厂温度，而无需任何附加电力要求。网络监视器向通道发生器和控制单元12报告各种网络和线路参数，诸如但不限于：线路电压、扭转(slew)速率、反射和接地泄漏。监视器(HBMON)也可以用于隔离网络的各下游部分，以帮助进行故障隔离。

I/O模块(例如，发送器和接收器)的应用不限于传送器设施，而是可以用在例如需要监控远程开关触点或中继器触点的状态的任何应用中。

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用于出站通信(例如，从控制单元12到诸如拉键发送器(HBTXPK)的线路设备)的脉冲宽度调制(PWM)和用于入站通信(例如，从线路设备或I/O模块到控制单元或通道发生器12)的电流检测。通道发生器连续地维持可配置频率的偏移方波，其中多个通道窗口或脉冲中的每一个包括低电压部分和高电压部分。通道窗口或脉冲可以用于表示下面描述的一个I/O通道。替代地，可以使用指定的多个(例如，2个或更多个)通道窗口或脉冲来表示一个I/O通道。可以在通道发生器中配置通道窗口的数量，从而配置通道的数量。典型的通道数量为64、128、256或512(其中1024和2048可用于大型系统)。

I/O和控制系统10是分布式I/O系统，使得并非所有通信都从现场设备22到控制单元12，反之亦然。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将入站通信耦合到出站通信，从而允许多个接收器(例如，现场设备22和控制单元12中的)进行采样或者窃听单个发送器设备，从而提供真正的分布式I/O。在通道发生器对入站电流检测进行采样并立即改变出站脉冲宽度调制以反映入站通道的状态时实现耦合。在一些应用中，入站和出站通信可以是未耦合的并且被称为分离I/O。

现在将参考图6A、6B、7A、7B、8A和8B描述总线20上的脉冲序列中的示例入站通道和出站通道。图6A描绘了总线20的完整扫描，其包括例如脉冲序列的两个完整循环(下文中称为循环A和循环B)。脉冲序列可以包括例如：

·同步脉冲(下文称为同步脉冲)；

·八(8)个控制通道；以及

·64xn个I/O通道，其中n＝1..32(即，64至2048个I/O通道)。

如下面结合图6A和图6B所述，每个I/O通道在交替循环上切换其入站和出站状态，从而允许单元检测(和移除检测)并提供改进的对错误触发的抗噪性。

举例来说，控制通道可以包括8个系统控制位(例如，第1至8位)，其中第1位是循环同步指示符，其被设置为指示电流脉冲序列是A扫描循环还是B扫描循环。可以取消分配一个或多个指定的系统控制位，以允许将来的系统配置或控制设置。例如，第4位和第7位可以是备用位，其可以在以后被分配系统控制功能。第4位和第7位的出站位被设置为对于所有循环都为间隙(space)。第4位和第7位的入站位不由任何线路模块22设置。第5位可以被指定为紧急中断模式使能指示器。换句话说，如果该位由通道发生器12设置，则为发送器启用特殊优先级中断模式以指示紧急情况。如果启用了优先级中断特征，则在A和B扫描循环中都设置第5位。例如，第6位是用于系统诊断目的的强制多链路模式指示器。可以在该模式下从特定寄存器请求信息，诸如，例如，设备22类型、序列号、设备状态等。如果设置了第6位，则任何安全功能都自动进入安全状态。对于在这些地址上编程的所有设备22，第6位可以用于将通道1至16强制为多链路模式，使得除非在多链路协议中被特别寻址，否则这些设备22将不发送，如同由多链路协议寻址的任何其它设备22一样。第2位和第3位可以是数字传输同步位，其标记例如12位数据+4位CRC数字传输的开始，其中第2位指示每循环传输2位，第3位指示每循环传输8位并且第2位和第3位的组合指示每个循环16位的传输，并且因此分别在第8、第2或每个脉冲序列循环上设置为标记状态。第8位可以是故障位，使得在通道发生器12检测到系统故障的情况下，输出故障位被设置为标记以向系统10的其余部分指示故障状况。同样，如果模块22之一检测到主要系统故障(例如，诸如安全功能故障)，则将传入故障位设置为标记，并且通道发生器12进而设置传出位。每个单独的I/O模块也可以通过在传入通道上用标记驱动两个扫描循环来指示故障状态。可以理解的是，在脉冲序列扫描循环A或B中可以使用不同类型的、或多或少数量的控制通道或控制位。

图7A和7B描绘了说明性出站脉冲定时。例如，在通道的开始处，信号从高电压电平下降到低电压电平。在1600μs的通道带宽的剩余时间内返回到高电压电平之前，“间隙”是800μs(例如，或者通道带宽的1/3)的低电压电平。在1200μs的通道带宽的剩余时间(例如，或者通道带宽的1/2)内返回到高电压电平之前，“标记”是1200μs(例如，或者再次通道带宽的1/2)的低电压电平。

图8A和图8B描绘了说明性入站脉冲定时。已经在脉冲序列循环中检测到其通道的发送器(例如，在设备22中)可以或者下拉总线20，或者它可以是无源的。下拉在前500μs期间进行，并且由通道发生器12经由电流测量来检测。对于普通I/O通道，一旦检测到有效下拉，通道发生器12就将使通道脉冲的上升沿延迟附加的400μs(例如，或者脉冲带宽的1/6)。正是这种对脉冲上升沿的附加延迟被其它适当编码的接收器(例如，在设备22中)检测并作用。因为沿着总线20的整个长度存在脉冲序列和调制，因此可以将接收器放置在沿着总线的任何方便的点处以监控用于本地输出的通道。实际上，许多接收器可以监控相同的通道或发送器。

参考图6A和图6B中的表，每个I/O通道在交替循环上切换其入站和出站脉冲对状态，从而允许单元检测(和移除检测)、检测卡住的发送器并提供改进的对错误触发的抗噪性。例如，每个脉冲序列的I/O通道脉冲对携带1位入站和出站数据。如果设置了入站脉冲，则通道发生器12设置该脉冲的出站状态。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脉冲序列或A循环以及B脉冲序列或B循环中的通道状态是反转状态。换句话说，如果在具有间隙标记脉冲对的A脉冲序列中通道2的入站和出站状态为“ON”，则它在B脉冲序列中具有标记间隙脉冲对。同样，如果在具有标记间隙脉冲对的A脉冲序列中通道3的入站和出站状态为“OFF”，则它在B脉冲序列中具有间隙标记脉冲对。例外情况是(1)发送器丢失或发生故障，然后两个脉冲序列中的通道脉冲对都是“间隙”；(2)发送器指示故障状况，然后两个脉冲序列中的通道脉冲对是“标记”；以及(3)承载数据的通道，其每个脉冲序列循环连续地发送(12位加上4位CRC的)2位数据。

继续参考图6A，总线20的完整扫描包括脉冲序列的两个完整循环(例如，循环A和循环B)。为了说明性目的，在图6A中，通道3被示出为发送“OFF”状态，通道2被示出为发送“ON”状态，通道4正在发送故障状态并且其它通道上不存在其它设备。脉冲序列A具有：

·同步脉冲；

·8个控制通道(第一个控制通道是“标记”，以指示循环A)；

以及

·多个I/O通道，每个通道由一对脉冲组成。

·通道3正在发送“OFF”状态，因此它在A循环中具有标记-间隙脉冲对。

·通道2正在发送“ON”状态，因此它在A循环中具有间隙-标记脉冲对。

·通道4正在发送FAULT状态，因此它在A循环中具有标记-标记脉冲对。

·所有其它通道都使发送器关闭。

脉冲序列B具有：

·同步脉冲；

·8个控制通道(第一个控制通道是“间隙”，以指示循环B)；

以及

·多个I/O通道，每个通道由一对脉冲组成。

·通道3正在发送“OFF”状态，因此它在B循环中具有间隙-标记脉冲对。

·通道2正在发送“ON”状态，因此它在B循环中具有标记-间隙脉冲对。

·通道4正在发送FAULT状态，因此它在B循环中具有标记-标记脉冲对。

·所有其它通道都使发送器关闭。

因此，参考图6A和图6B中的表，每个I/O通道在交替循环上切换其入站和出站脉冲对状态，从而允许单元检测(和移除检测)、检测卡住的发送器并提供改进的对错误触发的抗噪性。

无论通道是否已被分配给I/O设备，通道发生器12发出8个控制通道，后面跟着配置数量的I/O通道。在控制和通道脉冲结束时，通道发生器12发送扩展(例如，超宽)脉冲，在重复脉冲序列之前该扩展脉冲将现场设备22中的所有计数器复位回零。长同步脉冲用于确保所有现场设备保持同步，从而确保发送器在正确的通道上发送，并且接收器在正确的时间对脉冲序列进行采样。现场设备22可以简单地对脉冲或通道进行计数，直到在发送或接收之前计数与其分配的地址相匹配。

如上所述，大多数分布式I/O系统使用电压电平或电流检测来确定远程设备是否正在尝试发送到控制单元。虽然电流检测方法比电压电平检测更稳健，但它仍然容易受到来自可能在线路上感应电流的源的噪声的影响，从而导致假阳性(例如，没有传输时的入站检测)或假阴性(例如，控制单元接收器未检测到的入站传输)。

根据本发明的说明性实施例，系统10使用电流检测方法来检测到通道发生器12的传入传输。此外，系统10监控双线分布式网络中的总线20的公共线路和信号线路，并且因此优于其中仅监控双线总线的一条线路的分布式I/O系统。此外，根据本发明的说明性实施例的另一方面，提供了一种双线路入站检测算法，该算法是从系统10测试导出的，该系统10测试比较下面描述的两个电流检测电路84和86的输出，并且能够使用这些输出和一个或多个指定的阈值来区分噪声和从现场设备22到通道发生器12的有效传入传输。双线路入站电流检测电路系统与双线路入站检测算法的组合提供了显著更高的检测入站传输的可靠性水平并防止由于噪声而引起的对入站传输的错误检测。

双线路入站检测电路系统

如上所述，系统10可以采用脉冲宽度调制(PWM)波形，其中每个循环或通道窗口具有低电压电平部分和高电压脉冲，如例如图8A和图8B所示。当系统10被驱动到低电压电平(例如，诸如在2400μs的通道中的标记的1200μs的低电压电平期间，或者至少在具有间隙的通道窗口的前500μs期间，在此间隙期间可以进行下拉以指示标记，从48V被驱动到5V)，所汲取的电流用于确定系统中的设备的状态。该电流在诸如图4中所示的电压保护(5V)和监控模块42以及电流感测电路52的两个单独的电路中被感测到。用于在电压保护(5V)和监控模块42以及电流感测电路52中实现电流感测电路84和86的说明性实施例分别在图9和图10中示出。参考图9，说明性高侧电流检测器84使用具有非常低值感测电阻器90的电流传感器88(例如，Texas Instruments INA 169集成电路)。电压输出为低电平(10-15mV)并且被馈入到放大器电路102中。

参考图10，说明性低侧电流检测器86被配置为测量电缆20的返回电流。这种测量仅在总线信号处于低电压电平时才相关，因为那是进行测量的时间。因此，当总线信号处于高电压电平时，提供MOSFET 96以使感测电阻器100短路。

参考图11，电流检测器84和86都具有10-15mV范围内的电压输出。为了使这些输出由微控制器36处理，它们由运算放大器电路102放大。使用双运算放大器(例如，NationalSemiconductor LMC6482AIM)，其具有相同的用于高侧放大和低侧放大的电路。放大器输出1-3V范围内的信号，以便由微控制器36处理。高侧电流检测器信号被馈入到P通道MOSFET的栅极，用于限制低压供电的电流输出。

双线路入站检测算法

为了提供由微控制器36所采用的算法来监控电流检测器84和86的输出，使用具有各种耦合技术的信号发生器和通过切换信号电缆中的相邻线对中的电负载生成瞬态噪声脉冲来进行大量系统测试以用于建模目的。系统测试有助于指定高侧阈值或检测层(detection floor)和低侧阈值或检测层以及使用两者的效果，但是单个阈值与高侧电流检测和低侧电流检测一起也可以起作用但不那么可靠。

现在将结合图12-17中的波形图示使用高侧和低侧检测层或阈值与使用单个阈值的效果。图12是没有噪声干扰的总线信号(104)和入站高侧电流检测器输出(108)和低侧电流检测器输出(106)的示例波形捕获。如在该示例理想情况中可以看到的，单个信号电平阈值112将足以确定入站状态。

参考图13和图14，已经从上述测试和建模中确定耦合噪声和瞬态脉冲通常倾向于干扰低侧(公共线路)或者高侧(总线信号)入站电流检测，但很少干扰两者。特别地，瞬态噪声可以生成通常持续时间短(例如，<300μs)并且不太可能引起假阳性(假标记)的脉冲。具有与入站电流相反方向的电流的脉冲可以使一侧(即，线路)为低，从而导致假阴性(例如，假间隙)，或者换句话说，未能检测到传入脉冲。同样，耦合噪声可以生成负电流，从而导致假阴性，但仅在非传输间隙期间在单条线路上感应出电流，该非传输间隙不会被拾取为传输。

图12-17示出了后面跟着来自信号发生器的耦合到线路的噪声的瞬态脉冲对低侧和高侧的影响。在图12-17中，电平光标线路(112)表示说明性的单个检测阈值。图13和图14分别图示了在没有传输期间的低侧电流检测器脉冲和高侧电流检测器脉冲。单个检测阈值112在图13和图14中就足够，因为这些信号106和108不难区分。但是，相比之下，单个最小层电平不足以区分有效传入传输和受噪声影响的信号，如图15所示。如果有效传输受到噪声影响，那么设置层高以克服非传输期间线路上的噪声，但是可能导致错过该有效传输。相反，将电平设置得太低会导致受噪声影响的信号被视为有效传输。

根据本发明的说明性实施例，指定上和下检测层或阈值114和116，如图16所示。如经由前述测试和建模所确定的，通常耦合噪声和瞬态脉冲影响一侧比另一侧更多。因此，对于被认为有效的入站信号，那么一侧应该满足上(较高)层电平，而另一线路可以具有其必须满足的减少的层电平。这些电平可经由通道发生器12中的参数设置进行配置。上阈值的典型值或默认值为85％(例如，微控制器36的ADC处的最大可测量值的百分比)并且下阈值的典型值或默认值为60％。另外，例如，下面描述的移动平均的样本的数量被设置为十个样本用于默认配置。使用指定的高侧和低侧检测阈值或层消除了被忽略为噪声的有效入站传输。此外，可靠地忽略由于噪声而引起的无效信号，因为它们不同时满足层电平114和116两者。图16与图15相同，但也示出了使得正确检测入站传输的上层电平和下层电平114和116。

从上述测试和建模中确定，对于设定数量的样本，要求所有样本都高于最小层值114和116并不是最佳的。这是因为，如果任何一个样本低于层114或116，那么将重置并重新启动必要的样本计数。必要的样本计数可以是通道发生器12中的可配置参数设置。测试还确定噪声可能导致低于层电平114或116的瞬间下降，这将使得对于肯定的传入消息满足最小必需数量的样本更难。例如，图17图示了在信号采样期间低电流感测信号(106)如何可以瞬间下降到甚至低于低侧层电平116。在这种情况下，通道发生器12中的微控制器36(例如，MSP430微处理器)以大约12.5us的速率对两条信号线路进行采样。迹线(110)上的转变(例如，从高到低，以及从低到高)指示采样窗口。如图17所示，如果低侧电流检测器迹线(例如106)的所有样本必须高于下检测层116，那么入站传输将被丢弃。因此，双线路入站检测算法可以包括对当前样本求平均以减少伪ADC读数的影响并且消除重新启动最小必需样本计数的需要，这进而减少了有效入站传输被丢弃的可能性。对于图17中的低侧电流检测器迹线(例如，106)的情况，样本的平均值将高于下层并且传输被认为是有效的。

现在将参考图18中的说明性实施例来描述双线路入站检测算法。例如，可以对通道发生器12中的微控制器36进行编程以执行算法，从而指定(诸如动态配置或预先配置)高侧检测阈值和低侧检测阈值，如方框120所示。例如，通道发生器12可以被配置为动态地设置阈值和用于移动平均值的样本的数量。通过监控已知发送入站信号的通道的入站电流，可以在一段时间内确定高阈值。同样，通过监控已知不发送的通道的入站电流，可以确定高于信号线路上任何噪声电平的低阈值。然后可以向微控制器36提供来自电流检测电路84和64的输出的样本，例如，如方框122和124所示。如上所述，可以对样本求平均。

根据双线路入站检测算法的实施例，将由检测器84和86在信号线路和公共线路上检测到的电流与指定的高侧检测阈值和低侧检测阈值(例如，图16和图17中的阈值114和116)进行比较。只要每次方框126在信号线路上检测到的电流超过高侧检测阈值和低侧检测阈值中的一个并且在公共线路上检测到的电流超过高侧检测阈值和低侧检测阈值中的另一个，就检测到有效的入站传输(方框132)；否则，一旦通道的入站检测时段到期，就没有检测到有效的入站传输(方框128和130)。然后重置移动平均信号线路值和移动平均公共线路值，并且微控制器36继续处理下一个I/O通道(方框134)。

如上所述，通道发生器12中的微控制器36根据双线路入站检测算法操作，以通过使用当系统总线20被驱动到低电压电平(例如，在现场设备的指定I/O通道的通道窗口中的高电压脉冲之前的低电压电平部分)时所汲取的电流来确定系统10中的现场设备22的状态。一旦如参考图18中的方框126所描述的那样做出确定，微控制器36就前进到总线20上的脉冲序列中的下一个I/O通道，以从对应的现场设备22中寻找有效的入站传输。另外，如上所述，当总线信号处于高电压电平时，算法可以控制微控制器36以禁用低侧电流检测器86(例如，经由MOSFET 96)。

双线路入站检测算法已经被描述为例如经由通道发生器12中的微控制器36实现。应该理解的是，检测器86和84、放大器102和被编程为实现双线路入站检测算法的处理设备中的一些或全部可以被并入到通道发生器12的一个或多个部件中，或者可以在通道发生器12外部的一个或多个部件中实现。

附加实施例和实现

已经参考在诸如通道发生器12或I/O模块或设备22的可编程设备处的操作，或者用于使用高侧和低侧电流检测器输出和双线路入站检测算法的单独处理设备描述了本发明的说明性实施例。但是，应该理解的是，本发明也可以被实施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其后可以由计算机系统读取的数据的任何数据存储设备。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。可以设想，本发明的各方面可以被实施为载波(诸如经由有线或无线传输路径通过互联网的数据传输)。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式方式存储和执行。

根据本发明的所示实施例采用的说明性设备、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在计算机硬件、固件、软件或它们的组合中实现。例如，这些部件可以例如作为计算机程序产品来实现，诸如计算机程序、程序代码或有形地实施在信息载体中或机器可读存储设备中的计算机指令，用于由诸如可编程处理器、计算机或多个计算机等数据处理装置执行或控制其操作。计算机程序可以用任何形式的编程语言编写，包括编译或解释语言，并且可以以任何形式部署，包括作为独立程序或作为模块、部件、子例程或其它适用于在计算环境中使用的单元。可以部署计算机程序以在一个计算机上或在一个站点处的多个计算机上执行，或者计算机程序可以分布在多个站点上并通过通信网络互连。而且，用于实现本发明的功能程序、代码和代码段可以由本发明所属领域的程序员容易地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，通过对输入数据进行操作和/或生成输出)。例如，方法步骤也可以由专用逻辑电路系统来实现，例如FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路)，并且本发明的装置可以被实现为专用逻辑电路系统，例如FPGA或ASIC。

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、以及任何类型的数字计算机的任何一个或多个处理器。通常，处理器将接收来自只读存储器或随机访问存储器或两者的指令和数据。计算机的基本元件是用于执行指令的处理器和用于存储指令和数据的一个或多个存储器设备。通常，计算机还将包括用于存储数据的一个或多个大容量存储设备，或可操作地耦合以从该一个或多个大容量存储设备接收数据或将数据传输到该一个或多个大容量存储设备或两者，大容量存储设备例如磁盘、磁光盘或光盘。适用于实施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，内部硬盘或可移动盘；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被并入到专用逻辑电路中。

除非在所附权利要求中阐述，否则以上给出的描述和附图仅旨在作为示例，并不旨在以任何方式限制本发明。特别要注意的是，本领域技术人员可以容易地以多种其它方式组合上面已经描述的各种说明性实施例的各种元件的各种技术方面，所有这些方面都被认为是在本发明的范围内。

Claims (12)

1.一种确定设备是否已在总线上发送了有效的入站传输的方法，所述总线使控制单元与连接到总线的多个设备接口，

所述总线是具有信号线路和公共返回线路的双线总线，

所述控制单元被配置为生成脉冲序列，所述脉冲序列包括：

用于在总线上传输的多个循环，每个循环包括指定时间段的低电压电平部分和指定时间段的高电压电平部分，并且所述循环中的至少一些对应于作为I/O通道分配给所述多个设备中的相应设备的相应通道窗口，以及

总线扫描循环，每个总线扫描循环包括选定数量的I/O通道和同步脉冲，所述同步脉冲被配置为确保所述多个设备在其对应的I/O通道上发送和接收，并且确保所述控制单元在与所述多个设备中选定的一个设备对应的正确通道窗口处对所述脉冲序列进行采样，以及

所述多个设备中的每个设备被配置为通过在其对应循环的低电压电平部分期间将信号线路下拉到指定的低电压电平来指示到所述控制单元的入站传输，

所述方法包括：

操作高侧电流检测器以检测信号线路上的电流；

操作低侧电流检测器以检测公共返回线路上的电流；

指定信号阈值；

将每个I/O通道中的低电压电平部分的至少一部分指定为该通道的入站检测时段；

确定在通道的入站检测时段期间由高侧电流检测器检测到的电流的指定数量的样本的平均值；

确定在该通道的入站检测时段期间由低侧电流检测器检测到的电流的指定数量的样本的平均值；以及

如果来自低侧电流检测器的样本的平均值和来自高侧电流检测器的样本的平均值都大于信号阈值，则确定入站传输是有效的。

2.如权利要求1所述的方法，还在来自低侧电流检测器和高侧电流检测器中的任一个的输出未能满足高侧信号阈值和低侧信号阈值之一时，确定总线上的信号不是有效的入站传输。

3.如权利要求1所述的方法，还包括在I/O通道中的高压脉冲期间禁用低侧电流检测器。

4.一种确定设备是否已在总线上发送了有效的入站传输的方法，所述总线使控制单元与连接到总线的多个设备接口，

所述总线是具有信号线路和公共返回线路的双线总线，

所述控制单元被配置为生成脉冲序列，所述脉冲序列包括：

用于在总线上传输的多个循环，每个循环包括指定时间段的低电压电平部分和指定时间段的高电压电平部分，并且所述循环中的至少一些对应于作为I/O通道分配给所述多个设备中的相应设备的相应通道窗口，以及

总线扫描循环，每个总线扫描循环包括选定数量的I/O通道和同步脉冲，所述同步脉冲被配置为确保所述多个设备在其对应的I/O通道上发送和接收，并且确保所述控制单元在与所述多个设备中选定的一个设备对应的正确通道窗口处对所述脉冲序列进行采样，以及

所述多个设备中的每个设备被配置为通过在其对应循环的低电压电平部分期间将信号线路下拉到指定的低电压电平来指示到所述控制单元的入站传输，

所述方法包括：

操作高侧电流检测器以检测信号线路上的电流；

操作低侧电流检测器以检测公共返回线路上的电流；

指定高侧信号阈值和低侧信号阈值；

将每个I/O通道中的低电压电平部分的至少一部分指定为该通道的入站检测时段；

确定在通道的入站检测时段期间由高侧电流检测器检测到的电流的指定数量的样本的平均值；

确定在该通道的入站检测时段期间由低侧电流检测器检测到的电流的指定数量的样本的平均值；以及

如果包括来自低侧电流检测器的样本的平均值和来自高侧电流检测器的样本的平均值的平均值之一大于高侧信号阈值并且平均值中的另一个大于低侧信号阈值，则确定入站传输是有效的。

5.如权利要求4所述的方法，还在来自低侧电流检测器和高侧电流检测器中的任一个的输出未能满足高侧信号阈值和低侧信号阈值之一时，确定总线上的信号不是有效的入站传输。

6.如权利要求4所述的方法，还包括在I/O通道中的高压脉冲期间禁用低侧电流检测器。

7.如权利要求4所述的方法，其中，所述脉冲序列是偏移方波，并且所述高电压电平脉冲在12VDC和48VDC之间，并且所述低电压电平部分在2VDC和9VDC之间。

8.如权利要求4所述的方法，其中，所述脉冲序列是包括高电压电平脉冲和低电压电平部分之间的瞬时转换的周期性波形。

9.如权利要求4所述的方法，其中，脉冲序列具有可配置的频率。

10.如权利要求4所述的方法，其中，所述总线扫描循环包括具有交替的A和B扫描循环的双扫描总线循环，其中每个A扫描循环和每个B扫描循环包括选定数量的I/O通道和该同步脉冲。

11.如权利要求4所述的方法，其中，所述脉冲序列是具有可配置频率的偏移方波，并且包括分配给对应数量的I/O通道并且由所述控制单元生成的选定数量的循环。

12.如权利要求11所述的方法，其中，在所述控制单元中配置选定数量的I/O通道。