CN1124535A - 环路供电的过程控制发送机 - Google Patents

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Abstract

一种用于过程控制变量的环路供电的智能型发送机，能在超过在环路(A，B)中流过的电流的最小值的平均电流上操作。为了将平均电流保持下拉到实际环路电流上，将该发送机中的一个微处理器(2)的控制程序的执行减慢到将发送机的电流需求降低到可获得的电流的程度。减慢由装置(24)完成的，其用于感测何时出现电流不足并将微处理器置于睡眠模式以降低电流消耗，直到补充了不足。在微处理器的时间关键操作期间，可推迟进入睡眠模式。

Description

说明书 环路供电的过程控制发送机
本发明涉及环路供电的双线智能型过程变量发送机。
过程变量发送机广泛地用于感测或测定一个过程变量，并将如此生成的数据发送到一个远程地点。用于发送这种数据的一种普通装置是采用一个电流环路，由通过该环路的电流值表示过程变量的值，该电流值位于预定的最小与最大值，通常为4ma与20ma之间。这种电流环路具有高度的抗噪声性及广泛的工业认可性。
发送机通常有其本身的电力要求，并且从环路中经过的电流满足这些电力要求通常是方便的。这种环路供电的发送机的限制为它们必须能在通常为4ma的最小环路电流上工作。近年来，已研制出若干种“聪明”或“智能”型发送机，它们利用微处理器或徼控制器(此后总的采用微处理器一词)来控制过程变量的感测或测定，并将所生成的数据转换成环路中适当的电流水平。
许多微处理器及其它电子数字部件，尤其是利用CMOS技术制造的那些器件的一种特征是它们的耗电量随操作速率的增加而增加。发送机中可能需要的其它操作也具有取决于它们的操作速率的电流需求。例如，当发送机包含一个脉冲回波声学测距系统时，所利用的各个脉冲或声能发射包含消耗一定的电能量，而发射的重复率必须保持低到足以使提供必要的能量所需的平均电流能够在整体上在供给发送机电力的电流范围内被供给。这一限制的后果便是使某些智能型发送机只能在比所希望的低的速率上进行测定。
智能型发送机的实例可在公布的国际申请WO88/01417(Rosemount公司)及WO89/02578(Square D公司)；以及美国专利号4607247；4691328；4729125(Sterling)；5083288(Somlyody等人)；4494183(Bayer等人)；4520488(Houns等人)；4926340(Goetzinger)；及4742574(Smith等人)中找到对它们的描述。这些设备中的某些是利用蓄电池或外部电源；其它的则采取措施来限制平均功耗。而Goetzinger既利用低功率微处理器又利用能量存储与管理电路来满足临时的电路额外功率需求。Smith等人描述了利用可在高与低功率模式之间切换的一个运算放大器的电路。美国专利4823600号示出了在一个4-20ma路上提供输出的超声波传感器的形式的发送机，但该传感器是单独供电的。
本发明的一个目的为提供改进的在一个环路供电的智能型发送机中的功率管理。
本发明所涉及的一种环路供电的智能型发送机包括：一个微处理器；存储一个供微处理器执行的程序的存储器；用于在微处理器按照所述存储的程序的控制下测定过程变量的电路元件；受徼处理器控制的一个电流控制电路，该电路将电流环路中流过的电流幅值确定在与该过程变量的测定值具有预定关系的最大与最小有限值之间；以及一个功调电路，在所述微处理器与所述测定电路元件所要求的受控电位上供电。按照本发明，该稳压电路是与一个电路相关联的，后一电路配置成感测其提供微处理器及测定电路元件的总体功率要求的能力的不足，并响应感测到这一不足而充分延迟所述存储的程序的执行以减少所述总体功率需求而克服该不足。在一种配置中，利用了一种微处理器，该微处理器除了其正常操作模式之外还具有一种低功耗的“睡眠”模式，在该模式中停止程序执行。一次功率不足导致程序执行停止，从而停止微处理器控制的测量过程，直到补足欠缺而使程序间歇执行，间歇现象的程度取决于正常操作的功率需求超过可获得的功率的程度。在另一种配置中，利用了其功耗与其时钟速率成正比的一种微处理器(例如大多数CMOS徼处理器)，并且这种微处理器能在广范围的时钟速率上令人满意地操作，并且时钟速率响应功率不足条件而从正常的最大值向下递减。在微处理器所控制的某些操作必须实时进行的情况中，第一种配置较为理想。
这些配置能使从环路得到的功率更有效地加以利用。如先有技术美国专利4607247号等所指出的，不是发送机的功耗需要限制在最小环路电流所能提供的功耗上，而是它可具有到达或者甚至超过最大环路电流所能提供的功耗。通常的情况是，在发送机的有效范围的一端的测量值比在另一端上更为关键，而通过将有效范围的这一端安排成用最大环路电流来表示，便能保证发送机会在有效范围的这一端上在最大速率上进行测量。在有效范围的另一端上，程序执行较慢，但执行的平均速率不得慢于先有技术的发送机，其中的功率需求总是限制在最小环路电流所能提供的功率上。
图1为按照本发明的示例性环路供电过程控制发送机的示意性方框图；以及
图2为该发送机的一部分的更详细的示意图。
本发明是具体参照一个包含脉冲回波声学测距设备的发送机描述的，但应理解，它也能推广到测定其它过程变量的发送机，并且所利用的脉冲回波测距技术的细节广义上并不构成本发明的一部分。这些技术在先有专利与申请中有所描述，其中示范性的为美国专利4831565与5267219。
诸如Matorala的68HCIIA1等徼处理器2与为该微处理器存储一个控制程序的只读存储器4相关联，随机存取存储器6提供工作存储器及变量的暂时存储，以及非易失性存储器8用于在停电状态下存储操作参数。这一微处理器是用CMOS技术制造的，并提供一种“睡眠”模式，在这一模式中，其内部时钟停止并且停止执行指令，同时保存其所有内部寄存器直到接收到一个“唤醒”信号时。
所接收的信号首先在接收机中受到增益控制及对数放大，然后被抽样及数字化以供处理器2处理，采用并不构成本发明的一部分的已知技术(除外它们是按照所存储的程序执行的并在执行中占用可观的时间)来识别与验证回波及计算目标表面的距离。该微处理器还通过一个电流限制阻挡层电阻器电路22控制一个显示器及按钮控制板20。
从处理器将表示所希望的环路电流并进而表示测定的目标表面的距离的数字数据输出到一个电平移位器14并从而到一个电路15，该电路将其转换成模拟形式并驱动一个对通过接线端A与B之间的环路的电流进行稳压的晶体管Q11，该晶体管连接在一个与24伏电源(未示出)串联的远程电流传感器上。它通过感测电阻器R50两端上产生的电位并将其与该模拟信号进行比较而做到这一点，电阻器R50连同晶体管Q11及一个储存电容器C8一起位于环路中。
为了避免在一个内在的安全应用中电路内部生成的过高电位强加在电流环路的外部部分上的任何可能性，在邻接接线端A处包含一系列二极管D2、D3、D4，它们也保护发送机对抗偶然发生的逆向连接，以及齐纳二极管D1与D5防止在发送机上产生过高的电位。
储存电容器C8与一个开关电源18及微处理器的XIRQ线并联，连同微处理器所提供的一个端口的输入线P，用于控制其操作模式。当微处理器正常操作时，经常监视线P来判定微处理器是否应执行一条将微处理器置于“睡眠”模式中的指令。例如，可用一个在预定的时间间隔上执行的实时中断服务例行程序来监视该端口。当这一特定微处理器处在“睡眠”模式中时，XIRQ线上的转换将唤醒它并使其返回到正常操作模式。因此，XIRQ线与P线的接连转换可用于将微处理器带进与带出“睡眠”模式。对于拥有“睡眠”模式的其它微处理器，可以按照所采用的微处理器的公布的特性作出符合它们的要求的修正以保证适当的模式转换。
微处理器通过在诸如55KHZ的适当重复频率上将一个脉冲串输出到一个发送机驱动器上而起动一次距离测量，该驱动器示意性地表示为一个与下面要进一步讨论的升压变压器T1的初级绕组及一个10伏电源串联的单一晶体管Q5。变压器的次级绕组连接在一个压电变换器10上，使得在该变换器上作用一个由该脉冲串导出的高频能量的高振幅的(通常500伏峰间值)信号。变换器以发射一个超声波声脉冲来响应，该信号通过一个要确定其距离的目标表面作为回波反射回该变换器。该变换器所拾取的返回能量通过一个限制电路作用在接收机12上，该限制电路包含一个电阻器R1及反向二极管D9与D10，并且其作用为既限制作用在接收机输入端上的信号波幅又抑制变换器的高振幅振荡。
一个箱位电路24通过导通一个晶体管Q13而将跨越电容器C8产生的电位限制在10伏上。这将一个电阻器R53设置成与该电容器并联以排放过量的充电电流。箝位电路24还控制徼处理器2的XIRQ线，这将在下面参照图2进一步讨论。
来自电容器C8的10伏供电作用在开关电源18上，后者向微处理器2、显示器20、接收机12及存储器4、6与8以及反相器26提供稳压的5伏供电，反相器26产生相对于低接线端上建立的公共地线COM的-5伏供电到电容器C8。为了向发送机供电，10伏与-5伏供电一起提供15伏供电到变压器T1的初级绕组。
在微处理器处于正常模式中操作时的发送机操作期间，微处理器及其相关的电路(除了Q5)将抽取相对平稳的电流，该电流在很大程度上取决于微处理器的时钟速率。每当驱动变换器来生成一个声能脉冲时，将产生一个短促但很高的电流抽取。作为一个整体的电路的综合平均电流抽取不能超过表示最近测量的值的环路电流，但是根据所测定的值，这一电流当然可以取4与20毫安之间的任何值。在上述特定实例中，在一般情况下，连续工作的发送机的总平均电流抽取大约为16ma，显然在由小于16ma的环路电流表示所进行的测量时，这是不能持久的，并且在由16ma以上的环路电流表示所进行的测量时，将有过剩。
图2中更详细地示出的箝位电路24处理这种情况。电容器C8上的电位作用在由电阻器R4与R5构成的一个分压器上，在其结点上的电位作用在放大器28的一个输入端上，而将来自一个基准30的基准电位作用在另一端上。当跨接C8的电位上升至10伏以上时，晶体管Q13被导通而使过剩的电流绕过电容器C8。当电位降至10伏时，晶体管Q13关断，并当电位继续下降时，放大器28的输出电位将继续下降而经过基准32作用在比较器34的基准输入端上的电位，这时比较器作用在线XIRQ与P上的输出的状态将从逻辑低改变到逻辑高。线P的这一状态表示应尽可能快地将微处理器置于睡眠模式中。当程序例如用上面提到的实时中断例行程序探测到线P的这一状态时，它可执行一条停止指令将徼处理器置于“睡眠”模式中。这便将它的以及与它相关联的电路的电流消耗依次降低到一个非常低的水平，这便容许电容器C8重新充电直到XIRQ的逻辑状态再度改变到逻辑低状态，从而重新起动微处理器。如果电流需求仍超过供给，则重复整个过程，而微处理器则以一负载比在接通与断开之间循环使其平均电流消耗降低到可从环路中得到的电流消耗。这将程序的执行减慢，在例如环路电流为4ma时与其为16ma或以上时相比，每一次测量要占用五倍长的时间。
该程序应构成为使它在一个有可能受延时不利影响的例行程序的执行过程中不将微处理器置于睡眠中。例如，当微处理器在诸如生成声能的发射或脉冲、及采样、模数转换以及返回的回波信号的存储等“实时”操作期间，必须保持全面的可操作性，即使后继的处理可安全地为不连续。为了达到这一点，如果输入线P是由一个实时中断服务例行程序监视的，则可以通过在程序的关键部分期间截止这一例行程序而方便地做到这一点。另外，可在程序的关键部分期间设置一个标志，测试该标志来确定是否可以安全地将处理器置于睡眠中，从而必要时能够推迟睡眠状态。
当智能型发送机的操作不需要控制程序的实时操作并且程序中不包含依赖于时钟速率的例行程序时，则可采用一种简化的技术来控制CMOS技术徼处理器的功耗，这一技术应用放大器28的输出来控制一个电压控制的振荡器，而后者为微处理器提供一个主时钟，并且在跨接电容器C8的电压降至10伏以下时减慢执行速度。
C8的值应高到足以避免微处理器出入睡眠状态的循环不必要地过于快速，并且如上所述允许推迟睡眠状态而在实时例行程序的执行期间不损害对微处理器维持足够的电力。假定在测量周期中任何一处都能应用充分的延时来将总的平均电流降低到环路所带有的电流，则必要时这种例行程序中的平均功耗可以超过最大环路电流。可以通过经由用一个低值串联电阻器与一个高值并联电容器构成的另一个滤波器元件向变压器T1馈电而协助在微处理器中维持足够的电力。
所讨论的用于控制微处理器的睡眠模式及实现箝位电路或其等效电路的装置只是能用于这一目的的示范性技术，尽管它们代表了申请人当前所知的最佳模式。
应能理解本发明的一个特征在于在由一个低电流表示的一个有效范围的端上的测量可能显著地慢于在该有效范围的另一端上的测量。在许多实际应用中，在有效范围的一端上的快速测量比在另一端上更为关键，在这些情况中，应将发送机配置成这样操作，使得有效范围的关键端由高电流表示，从而容许在实质上增进性能。在许多其它应用中，通常操作是在范围的中间部分上进行的，本发明在这一区域中将会提供比电流消耗必须限制在能在环路中通过的最低电流上的发送机明显地更好的性能。

Claims (4)

1、一种环路供电的智能型发送机，包括：一个微处理器(2)；存储供该微处理器执行的一个程序的存储器(4)；用于在该微处理器按照所述存储的程序的控制下测定一个过程变量的电路元件(10，12)；由该微处理器控制并将在一个电流环路(A，B)中通过的电流的幅值确定在对该过程变量的测定值具有预定关系的最大与最小有限值之间的一个电流控制电路(16)；以及在所述微处理器及所述测量电路元件所要求的受控电位上提供电力的一个功率调节电路(18)，其特征在于该调节电路是与一个电路(图2)相关联的，该电路配置成感测环路提供该微处理器(2)及测量电路元件(10，12)的总体功率需求的能力中的不足，并响应感测到这一不足而将一个控制信号(XIRQ)作用在该微处理器上以充分延迟所述存储的程序的执行，而降低所述总体功率需求以克服该不足。
2、按照权利要求1的一种发送机，其特征在于该徼处理器(2)具有一种睡眠模式，以及该不足感测电路(图2)是配置成在感测到不足时将该微处理器置于睡眠模式中，而在不足终止时则唤醒该微处理器。
3、按照权利要求2的一种发送机，其特征在于该存储的程序是配置成在程序的时间关键部分的执行期间推迟将徼处理器(2)置于睡眠模式中。
4、按照权利要求2或3的一种发送机，包含一个与调节电路(18)的一个输入端并联的储存电容器(C8)，其特征在于该不足感测电路(图2)感测跨接该电容器的电位，以及包括一个第一阈值检测器(28)来确定何时跨接电容器(C8)的电位超过一个第一值，及由该第一阈值检测器控制的装置(Q13)将一个电阻性分流器设置成跨接所述电容器，以及一个第二阈值检测器(34)确定何时跨接该电容器的电位降至低于一个第二值，所述第二阈值检测器生成一个信号(XIRQ)，用于发信号通知所述微处理器(2)进入与离开所述睡眠模式。
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