CN1132006C - 容错多点控制和数据采集系统 - Google Patents

Abstract

一个多点数据采集系统(图1)，它使用多条并行数据总线将中央控制器(10)连接到可寻址传感器接口上(图4)，用以允许任一传感器(14-16)经由任一条数据总线(12)连接到中央控制器(10)上。每条数据总线(12)的两端连接到中央控制器(10)，允许传感器接口(图4)即使在所有数据总线都被切断的情况下也能被寻址访问。数据总线(12)上的错误以及损坏的传感器接口(图4)可以通过一条或多条旁路总线(406)被旁路掉，该旁路总线如所期望的那样，可以可寻址地切换到使用状态。

Description

容错多点控制和数据采集系统

1.技术领域

本发明涉及到这样的系统：它从多个传感器采集数据并向安装在生产现场周围的各个点的多个控制设备发送控制信号。具体涉及到这样一些系统：其中，所有的传感器和控制设备能够通过一条普通的数据总线被唯一地寻址访问。

2.背景技术

为了避免因设备损坏而引起的代价昂贵并且突然的事故，生产线和加工机械需要被监视。这通常是将加速度计(accelerometer)安装在马达、水泵和其它主要机械的轴承上，通过监视设备的振动情况来做到的。事故往往在设备振动等级改变之后发生。这些改变能够通过定期的监视来检测到，并允许在定期的日常维护期间维修该设备。

一种监视传感器的方法是：由维护人员将一个手提式数据存储单元直接连到每个传感器上采集数据，并定期读取传感器的振动等级。这种方法虽然费时，但有效。

另一种方法是：将传感器分别硬线连接到中央控制站上。在这种装置中，一对独立的线对从每个传感器连接到中央监视站，或者连接到一个与中央监视站相连的多路复接器上。这种设计通过允许从安装在一个便利位置上的中央站采集数据而简化了数据采集工作。

在中央监视站设计中，其它类型的传感器，比如：转速计、压力传感器、温度传感器和其它类似器件也可以添加到系统中。这就允许将生产过程监视和振动监视系统结合在一起。

然而，在大系统中，大量的传感器使得从它们处连接到中央站或多路复接器的单独的线对的花费就成为系统总花费的一个主要因素。此外，用来探测由磨损导致的异常振动的振动传感器，通常仅仅需要在广泛散布的时间间隔内简单地监视。这样，采用连到每个传感器的单对线对的现有系统，就比大多数应用中所要求的有强得多的数据传输能力。因此，使用由所有传感器共享的一条单数据总线是所希望的，以便降低电缆的花费和电路的复杂性。

尽管利用一根普通的数据总线连接数字式可寻址电子元件的技术是众所周知的，但在工厂环境下实现对传感器的监视还是有一定困难的。其中之一就是来自所有传感器的全部数据都通过一条单数据总线。在现实世界中，利用一个散布在整个工厂的传感器网络，一条单数据总线对故障很敏感。总线上的断路会导致从在断路之外的所有传感器来的信息的丢失，而短路又会使和总线上任一个传感器的通讯成为不可能的事。

此外，如果传感器通过电缆供电，那么电缆的电力传输能力也就成了一个要素。加速度计通过传输数据的数据总线导线来被供电。相当尺寸的数据总线导线，不具有足够的电力运载容量来为许多装置所想要的众多传感器进行持续和同时的供电。

因此，本发明的一个目的就是提供一个总线式的数据采集系统，其中该系统包括冗余并行数据总线，用于在任一总线失效时的容错。

本发明的另一个目的是提供一种设计方案，其中，每个传感器连接到几条数据总线上，并且一个中央控制器可将任一传感器电子切换到任一选中的数据总线上。

本发明的再一个目的是提供一种设计方案，其中，多个并行数据总线可以用来同时接收来自不同传感器的数据，以允许实时直接比较传感器的输出。

本发明的又一个目的是提供一种设计方案，其中，即使所有的数据总线在一处被完全切断，每个传感器仍可被寻址访问。

本发明的再另一个目的是提供一种设计方案，其中，一条或多条数据总线的坏的部分或坏的传感器可被旁路，以便保持与传感器的连接。

本发明还有的其它目的和优点，部分是显而易见的，部分是能从说明书上明白的。

发明公开内容

本发明通过使用组成一根普通的电缆的一组冗余并行的两线数据总线，实现容错多点控制和数据采集。中央控制器通过电缆(此电缆连接到相应的多个位于电缆和传感器接口之间的可寻址传感器接口上)和多个传感器连接。中央控制器产生一个数字式地址信号，以确定一个选中的传感器接口和一根选中的用以接收来自选择的传感器接口的模拟信号的数据总线。

在本发明的一个实施方案中，地址信号在数据总线上通过连接在控制器和相应数据总线之间的总线接口被发送。在本发明的另一个实施方案中，地址信号在一根单独的控制总线上被发送。

在这两个实施方案中，每个传感器接口连接到电缆中的所有数据总线上，并且包括一个地址鉴别电路，此电路响应于地址信号，用于识别出其在地址信号中的唯一地址，并把其相应的传感器连接到在地址信号中指定的一条选中的数据总线上。

地址信号由传感器地址部分和总线地址部分组成。这就允许中央控制器指定任一传感器和任一数据总线以供使用。

本发明的第一个实施方案使用这样的方法，即将数字地址信号、传感器电源和来自传感器的模拟信号共享一条单数据总线。在本发明第一个实施方案的最简单的形式中，数字和模拟数据共享一条单数据总线，但在本实施方案的优选设计中，通过使用为容错操作提供冗余的多条并行的总线，共享总线的好处成倍地增加了。中央控制器将来自传感器电源装置的电能沿着选中的数据总线提供给传感器。传感器电源装置给传感器供电，并且传感器使用这些电源产生在精心地控制的并具有预置的上、下限的有限电压范围之内的模拟数据。

用于选择数据总线和想要的传感器的地址信号是一个数字信号，它由总线接口产生，它有比最大传感器电源电压还大的导通电压和比最小电压还小的截止电压。这就把控制信号完全置于可供数据使用的电压范围之外，并根据这个差别允许传感器接口区别这两种信号。

第二种实施方案通过将数字式控制信号和地址信号置于一条独立的控制总线上来消除对模拟数据的电压限制。

在这两个实施方案中，中央控制器通过使用自同步格式将传感器和总线地址编码，其中地址的每一个数据位被异步传送，并跟在一个时钟比特之后。这就使系统对由于使用长的电缆连接控制器和远端传感器而造成的随机传播延时不敏感，并且允许在任意的位置增加传感器。

第一个实施方案的传感器接口包括一个电路设备，用于每当传感器电源从数据总线上被撤去时，就将传感器从选中的数据总线上断开。

在本发明的第二个实施方案中，包括多条数据总线在内的电缆还包括一个用于传送地址信号的独立的控制总线。在这个实施方案中，数据总线上的模拟数据和在控制总线上的数字地址数据分开地传送。在一个具体的改进例中，数据总线有两个可选择地连接到中央控制器的端。即使全部电缆由于不注意而被断成两半，控制器还能够利用电缆两端之一访问任一传感器。

本发明一个特别有利的特征是切换到辅助模式的能力，在该模式中，系统提供从中央控制器到系统中任一可寻址传感器接口位置的直接的两线连接。这就允许系统利用不同类型的现有的控制设备和传感器，而不干扰在正常操作模式下需要恒定电流电源的加速度计。

另一个特征是在沿着电缆的任一点上添加一个遥控器以替代中央控制器的功能的能力。这就允许从系统上任一远距离位置对系统进行控制。

本发明还有另一个特征是提供了一个经由两个可寻址接口连接的旁路总线，旁路总线可通过寻址访问连接到旁路总线末端的两个接口(借助于地址信号)以及命令它们自己连接到指定的一条数据总线而被使用。这两个接口可能与其它传感器接口完全相同，只是没有连接到传感器。当寻址时，它们将旁路总线的末端连接到选中的数据总线，而不是连接传感器。这允许在一条数据总线上的有故障的点附近构成“空中的”一座桥，通过该桥必要时可以传送数据或使数据总线上的损坏部分失效。

在另一个改进例中，系统可配有第二或第三附加电缆，每根电缆配有多条数据总线和一条控制总线，每根电缆和连接到中央控制器的两个端从而形成一个环路，这样就可以在其上增加附加的传感器接口。

第二种实施方案的另一个改进例是允许通过提供带有远端恒流电源的长线驱动器和总线驱动器而使用很长长度的电缆。该实施方案再一个改进例是提供了串行和并行数字式数据输出。

示图简述

图1说明了第一种实施方案的监视系统的总线布局。

图2是显示第一种实施方案的中央控制器的电路方块图。

图3是如图2方块图形式所示的第一种实施方案中中央控制器内一个总线接口的电路图。

图4是在第一种实施方案中使用的一个传感器接口的电路图。

图5a是电压与时间的关系曲线图，显示了在和本发明的第一实施例中出现的相同的总线上从选择的传感器接收模拟数据之后，在数据总线上的数字式地址信号的发送。

图5b是电压与时间的关系曲线图，显示了由地址探测器电路产生的、用来读出地址信号中的自同步数据的脉冲。

图6是适合于和加速度计一起使用的偏压/阻抗转换器电路的电路简图。

图7说明了依据本发明监视和控制系统的第二种实施方案的总线布局，其中使用了一根独立的控制总线。

图8是以方块图形式的电路图，显示了图7中所见的监视和控制系统的第二种实施方案中的中央控制器。

图9是如图8所示的中央控制器中的控制接口的电路图。

图10是图8所示的中央控制器中的一个总线接口的电路图。

图11是传感器接口第一部分的电路图，它与图7中所见的监视和控制系统的第二种实施方案一起使用。

图12是传感器接口第二部分的电路图，它与图7中所见的监视和控制系统的第二种实施方案一起使用。

图13是可任选的线驱动器的电路图，它与图7中所见的监视和控制系统的第二种实施方案一起使用。

图14A，14B和14C是电压对时间的关系曲线图，显示了在控制总线上的信号。图14A显示了清除和复位信号，接着是对于A到D的四条不同数据总线中的每条总线的地址信号。该图中仅表示了每个数据总线上的信号的相对定时。图14B所见的是一条数据总线的数字地址的细节。图14C图示了与图5b类似的自同步数据。

实现发明的模式

参照图1，本发明包括一个中央控制器10，该控制器通过一根电缆12连接到多个专用加速度计14(标记为A)、通用加速度计15(标记为A′)和通用传感器16(标记为S)。正常情况下，中央控制器通常被安装在可收集来自传感器的数据的合适的位置上。它接受用以指定被监视的传感器的输入，它向传感器发出信号使之连接到电缆12内的一条数据总线上，它通过电缆给传感器和相关的地址电路提供电源，以及它还在一个输出端上提供数据。

传感器14，15和16通过在图4上描述的传感器接口被连接到电缆12内的总线上。这些传感器典型地散布在制造设备中，被安放在不同的关键监视点。作为实例，加速度计经常被装在与旋转机器的轴承有震动接触的地方。

每个传感器有它自己的存储唯一地址的传感器接口，允许中央控制器借助于相应传感器接口的地址来指定特定的传感器。在专用传感器类型14中，它在优化设计中包括一些或所有的加速度计，传感器接口位于装有传感器的小盒内。这样就形成了一个合适的单件组件，尤其是对于包括有在许多装置中的大多数传感器在内的加速度计的情况。

通用传感器16可能是某种用途广泛、形式多样的现成的传感器，它可用于测量压力、温度、速度、张力、流速或其它想要的物理参数。这些传感器没有想要的集成的传感器接口，因此它们被单独提供。通用加速度计15同样没有传感器接口，它可以和具有这样的便利条件的系统结合使用，即现有的震动监视系统可以被升级而没有必要取代所有的加速度计。

对于没有集成的传感器接口的传感器，接口就可以安装在多个合适的位置中的任一位置上，如图1所示。一个这样的位置是在模块18(标号M)内，该模块执行传感器接口的功能。电源和信号调节器19(标号PW/COND)也被显示为位于传感器和接口模块之间。它的功能是提供传感器16可能需要的任何专用电源，并且将传感器输出信号转换成与监视系统兼容的形式。电源和信号调节器19的运行依赖于附属在其上的特殊传感器的单独要求，因此这儿就不详述了，但是它产生在与下述的加速度计的输出信号的同样的电压范围内的模拟输出信号。

加速度计类型14，15和许多通用传感器可由在中央控制器10内或连接到中央控制器的电源通过电缆12供电。不管怎样，某些专用传感器可以更方便地由电源调节器19内的电源供电，而这些电源调节器可能需要单独地连接到外部电源上。

对于包含有传感器接口的模块，其它合适的位置是在连接到电缆12的连接器20(标号C/M)内，在终端连接器33(标号T/M)内或者在多传感器分配盒21(标号DISTR.)内。多传感器分配盒通过一单个连接器28与电缆12连接，但是该盒包含多个传感器接口，每个接口都有它自己唯一的地址，并且每个接口对应于和它相连的多个传感器中的一个传感器。

不管传感器接口被安装在何处，传感器最终都要经由连接器通过传感器接口与电缆12连接，该连接器可能取以下的形式：标准连接器28(标号C)，带有集成传感器接口的连接器20(标号C/M)，终端连接器32(标号T)或者带有集成传感器接口的终端连接器33(标号T/M)。

连接器构成到电缆12内的线对的连接，而电缆12充当多条并行总线以便往返于传感器间传递电源和数据。对于系统的优选设计使用了电缆12，此电缆有一条在圆形外部护套内折叠的内部带状电缆。该护套在沿着它长度方向间隔开的有孔的接合点处可被开口，使之露出带状电缆并展开成正常的扁平形状。

到扁平电缆的部分的连接是由标准的绝缘置换(insulationdisplacement)连接器(IDC)来完成的，它的插座部分被连接到扁平带状电缆，它的插头部分被连接到传感器接口。这种安排允许传感器必要时能够在沿着它长度的任一位置快速地连接到电缆上，然后被复位或者置换。

IDC连接器与电缆12内的线对接触，而不中断它们。任何有可能在电缆内产生这样一个与导线的连接的连接器和包含有多个可存取导线的任何电缆配置也是适合的。连接器28，如有必要，可装备有依照传统的总线设计技术的阻抗匹配电路。

扩展连接器30(标号E)提供了一个使电缆12产生分支的装置。它们与连接器28类似，因为它们也是基于IDC的连接器，只不过它们连接的是电缆12的一个分支，沿着它长度方向包含有多个附加传感器而不是单个传感器。终端连接器32(标号T)是类似的，但它包括一个标准的电阻终端网络，用以防止总线上的瞬变过程。

在所显示的优选设计中，电缆12内部的带状电缆包括三对并行线对，它们对外称作为数据总线A，B和C。熟悉该技术的人将会知道，超过三条或少至一条的数据总线都可被用来增加或减少数据采集系统的容错能力。甚至一个单数据总线设计依靠它使用的较少的导线也要优于直接连线的现有技术数据采集系统。

参照图2，数据总线A的数据总线线对包括信号线42和相应的地线43。数据总线B和C的数据总线线对包括信号线44和46以及地线45和47。如下所述，数据总线A，B和C将在地址信号的总线地址部分内由控制器10以数字方式引用。

数据总线A，B和C在中央控制器10上通过对应的总线接口48，50和53连接到数据输出端48，50和52(见图2)。提供这些输出是为了使一个便携式数据存储器单元能够连接到它们的任一个上，以使之能够沿着对应的数据总线接收来自选中的传感器的数据。

在优选设计中，电缆12也包括被设计来作为保持工作的电源总线的至少一对、并且最好是两对的附加线对，以用来为传感器接口供电。它们提供电源使传感器接口中的数字地址电路工作，以便使它们在被选择时，能够识别它们自己的地址，然后将它们的传感器与数据总线连接。传感器本身并不是通过保持工作的电源总线供电，而是通过选中的数据总线供电。

每个传感器接口中的地址电路同时监视所有的数据总线。中央控制器10通过一个地址信号指定接口和数据总线，该地址信号包含所想要的接口和要被使用的总线的地址。这个信号被发送给一个总线接口，在该接口处信号被格式化并被放置在数据总线上。每个传感器接口接收该信号，并且，其内部存储的地址与信号中的地址相匹配的传感器接口将它的传感器连接到由地址信号的总线部分中指定的数据总线上，这样就能开始传送数据。

与传感器相比，地址电路只需要很少的电力，这样许多传感器接口可以在保持工作的总线上被同时供电。第二个保持工作的电源总线可以作为一个备件，或者当某处传感器的数目太大，以至于超过了一条保持工作电源总线的电力传输能力时，传感器就可以在此两条总线之间进行分流。

控制器通过一个标准交流电源连接器38被供电，并且包括一个输入装置34，该装置用来告知控制器要激活哪个传感器和应该用哪条数据总线发送来自此传感器的数据。对于手工操作，输入装置可以是一个数字小键盘34，如图1所示，或者是一个键盘。它们允许手工输入一个传感器地址以及想要的总线。

另一方面，系统可以设置成在一台计算机或一个自动数据存储器单元的外部控制下进行更自动化的操作，在这种情况下，作为输入可以用一个RS-232串口或直接连接到计算机总线上。这些输入可以用来替代或补充数字小键盘或键盘。在每种情况下，输入装置的主要功能是：指定一个为了数据采集而被加电的传感器的地址和一条传送数据的总线。

中央控制器也包括一个标明控制器状态的输出装置。这可以采用如图1所示的液晶显示屏36的形式。它也可包括一个RS-232串行接口，一个计算机监视器，一个与计算机总线或它的任一组合件相连的连接器。此输出用来直接向系统用户或者向自动数据采集器提供信息。信息可包括这样的内容：当前选中的传感器的地址，哪条数据总线正在被使用，总线上的数据是否正在传来，以及数据是否是好的或经过限幅而没有被畸变。

参照图2，微控制器40完成管理系统操作任务以及在输入输出装置34，36和数据采集系统之间担任转换。它执行的功能有：当键入时从数字小键盘接收数据，翻译指定传感器和总线的输入，准备一个数字地址信号，接通某一触发信号以激活总线接口各部分，监视并观察到达的数据是否是好的，向输出端发送状态信息以及其它定时、定序功能以便协调系统运行。

一种可任选的数字输入/输出装置，比如RS-232连接器37，可以用来替代或辅助输入/输出设备34，36，并允许从一台计算机或便携式数据记录器对系统进行自动控制。

那些熟悉普通微控制器电路的人员将会看到，微控制器还包括一些附加支持芯片(未画出)，比如缓冲器，用以储存控制微控制器操作的输入/输出程序的可编程只读存储器(PROM)，和可以是微控制器芯片一部分的或独立的随机存取存储器(RAM)。所有这些支持芯片都包容在中央控制器10的控制部分41内，而基于控制部分41的微控制器的设计完全是常规的。

来自指定的传感器的数据沿着指定的双线数据总线42-43，44-45和46-47中的一条到达中央控制器，然后可以在数据输出端22，24和26供数据记录器或其它设备记录使用。数据总线通过三个基本上相同的总线接口48，50和52连接到中央控制器。

微控制器40通过控制总线58，60和62控制总线接口的操作。控制总线包括多条控制线和状态线(它们将结合图3加以充分地描述)用于发送并接收往返于总线接口的数字信号。

除三条数据总线的六根线外，电缆12包括由直流电源56驱动的保持工作的电源总线54，55的两根线。直流电源也给微控制器40、总线接口48、50、52提供电力，并通过这些接口供电给数据总线上的传感器。附加的双线数据总线和/或保持工作的电源总线被纳入电缆12内，以便提供附加的数据和/或电源通路。

直流电源56至少要产生三种截然不同的电压给电路的不同部分供电，它们是+KPV、+SPV和+DPV。显示电源线57是要强调这样的事实：电力被送到总线接口，再从哪儿沿电缆12送到传感器。尽管有些电源连接器没有画出，但中央控制器的其它部分也以普通的方式供电。

由直流电源56提供的最高电压是保持工作的电源电压(+KPV)。该电压通过保持工作的总线54-55提供给地址电路。如下所述，该电压也被用来作为在数据总线上发送的数字地址信号中的二进制“接通”电压。“关断”电压实际上是零伏。

第二个、也是次低的电压是传感器电源电压(+SPV)。这个电压被用来提供给恒定电流传感器电源86。传感器在数据总线上建立一个低于+SPV的偏压，而交流模拟数据在该偏压附近变动。模拟数据电压决不可以超过+SPV，这个差异用来防止模拟数据和总是0或+SPV的数字数据混淆。模拟数据最低电平的限定使得有效数字数据和有效模拟数据的电压范围各不相同。

最后的、也是最低的电位是数字电源电压(+DPV)。这个电压用来向许多数字集成电路供电。

现在转向总线接口，图3提供了连接到数据总线A的总线接口48的详细电路简图。鉴于此三个总线接口48，50和52是相同的，所以将只详细介绍总线接口48。

来自微控制器40的数字式控制信号，通过标有“A ADDR”68、“A ADDR ON”70、“A OFF”72和“A AUX ON”74的不同的控制线，被发送到总线接口48。来自总线接口的数字状态信号，通过标有“A DATA”76、“A CLIP”78的状态线，被发送到微控制器40。标有“A AUX”80的线是一根辅助直流线，它通过数据总线42连到传感器。它可被用来通过数据总线向任一可能需要非标准电源的传感器供电，或者它可被用作为直流数据输出。

通常，不管怎样，交流数据输出来自于数据总线42并通过一个由电阻64和电容66组成的普通交流输出网络在数据输出端22被提供。它们发送交流数据信号，并在正在传输数据的期间内隔断数据总线上的直流偏压。

此处涉及的控制线和状态线是图2上控制总线58的一部分，并且图3中标示的控制和状态线68-80终结于微控制器40的可寻址的输入和输出端。微控制器40也包括在控制总线60，62内用于其它两个总线接口50和52相应的控制线和状态线。

总线接口48执行下列基本功能：

1.它接收来自微控制器40的指定一个传感器地址和一个数据总线的数字地址信号，通过把地址信号的电压从传统的零到5伏TTL电平转换到零到+KPV电平而把地址信号格式化，以使传感器接口能够将它识别为一个数字地址，然后通过数据总线42-43发送该信号。

2.它安排一个延迟时间间隔，在该间隔内地址信号被发送，然后把一个恒定电流电源加到数据总线42，以便建立偏压和给选中的加速度计接上电源。

3.当数据开始到达数据总线42上时，数据接口48监视和检测该数据，并向微控制器发出如下信号：a)该数据正抵达；b)该数据在工作范围内。

4.在随后的一个时间点上，一旦有来自微控制器的命令，总线接口就从数据总线42上断开电源，并使所有传感器接口复位到一个等待模式，等待一个新的地址信号。

这些功能主要由下列部件执行：一个定时器电路82，一个地址电路84，传感器电源86和两个(2)数据监视电路88和90。

数据采集周期的第一步是：微控制器40通过把A OFFA关断线72切换到低状态来把数据线42上的传感器电源关断。这就使触发器92清零，并打开通过线96与触发器92相连的场效应管电子开关94。触发器输出的清零信号打开了开关94，并使传感器电源86和地址总线42断开。

当传感器电源从数据总线A上被移去时，任一先前选中的传感器(它原先是连接到该数据总线并从该数据总线上提取电源)现在将断开、复位并切换到等待状态。

下一步，随着数据总线清零，微控制器40发信号通知总线接口，将要通过将A ADDR ON(A ADDR接通)线70变成高状态，而在数据总线A上发送一个地址。

把线70状态变高将关闭场效应晶体管电子开关98，使地址电路84和数据总线42将连接起来，并且同时开始定时器电路82的定时周期。

定时器电路82通过一个555定时器100开始计数一个如由电阻108和电容112的RC时间常数设置的预置定时周期。在预置时间周期的末尾，定时器100的输出将使J-K触发器92的状态翻转，闭合开关94，并从传感器电源电路86向数据总线42提供传感器电源。

在由定时器产生的预置时间周期内，微控制器40需要产生一个用以指定想要的传感器的地址信号，并把该信号发送到总线接口，从而使相应的传感器能够被连接到数据总线42上接收电力。在优选设计中，定时器100在切换J-K触发器92的状态之前及在A ADDR ON线70变高之后产生一个至少100毫秒的延迟。

一旦A ADDR ON线70变高，地址信号就经由控制线68从微控制器40发送到地址电路84。由微控制器产生的地址信号包括两部分。第一部分是所连接的采集数据传感器的传感器接口的地址。

第二部分识别用以发送数据的总线。A总线接口48用来发信号通知传感器，指明数据应在A数据总线42-43上传输，B总线接口48也用来发信号通知传感器，指明数据应在B数据总线上传输，等等。

地址电路84基本上是一个电平移位器，在数字地址信号被发送到数据总线42之前，它转换微控制器40产生的地址信号，使之从原始的零(关断)到5伏(接通)电平变换到零(关断)到+KPV(接通)电平。

当定时器100时间结束时，它打开开关98，并翻转触发器92的状态，使开关94闭合，从而断开地址电路84与数据总线的连接，而替之以连接到传感器电源86。

传感器供电电路86包括一个三端电压稳压器102，该稳压器由电阻104和106构成为一个恒流源。由于电源所用电压最大是+SPV，它低于+KPV，所以模拟传感器数据电压不会超过+SPV，并且不会和幅度上是关断或+KPV的数字地址信号混淆。

在加速度计处的偏压/阻抗转换电路(见图6)建立一个标称的偏压，它是传感器电源电路86当前提供的+SPV的50％。该电路也限制来自传感器的数据的最小电压，这样就防止其它传感器接口的地址电路把数据与来自微控制器40的地址信号发生混淆。当传感器电源电路86由开关94断开连接时，偏压的不存在能够在传感器接口内被唯一检测到，从而复位此选中的传感器并使之离线。

恒流源尤其适合于向加速度计供电。对于其它类型的传感器就需要不同形式的电源，假如电源被限制在如先前所述的从最小数据电压到+SPV的电压范围，A AUX线80可以用来提供电源。A AUX线的连接由微控制器通过A AUX ON线74控制。

地址电路84改变A ADDR线68上进入的地址比特的电压电平，从而使数字“接通”为+KPV。来自线68的地址脉冲接通或关断晶体管116。当A ADDR线变高，晶体管116导通，晶体管116的集电极电压变低，使得比较器118反向输入端的电压低于在比较器118非反向输入端由偏压电阻设置的电压，这导致了在开关98变高时比较器118的输出大约能充分达到+KPV电压。

如果下面要叙述的传感器接口运行正常，那么相应于刚刚传输的地址信号中指定的地址的传感器接口将它的传感器连接到A数据总线，并且其上的偏压电路将在A数据总线上建立一个大约是50％+SPV的偏压。当传感器工作时，在最小数据电压和+SPV之间范围内的模拟数据将开始在数据总线A上出现，然后这个数据通过电容66传到数据输出端A。

为了证实正在到达的数据是良好的，数据总线A上的电压受到模块88和90监视。模块88监视直流偏压，而模块90监视交流电压，以证实信号是在有效的范围内并且没有因为限幅或饱和而被畸变。

模块88在线136上通过电阻150监视A数据总线信号线，电阻150和电容151与电阻149组成一个低通滤波器，并且实质上是将信号交流分量短路到地。比较器138和140在期望的偏压附近构成了一个电压窗，一旦偏压是良好的，就通过使A DATA线变高来向中央控制器40发出信号。这就标志A数据总线上的信号是可用的。典型地，微控制器随后接通显示器36中的一个指示器，或向自动数据采集器发出信号以表明现在可以收集此数据。

如果偏压太高，则比较器138把其输出切换到低电平，关断A DATA线76上好数据的信号。如果偏压太低，则比较器140把其输出切换到低电平，关断A DATA线上数据可用的信号。任何一种情况都会向微控制器发出信号以指示不再有可用的好的数据。

除了没有低通滤波器以外，监视电路90以类似于监视电路88的方式运行，它包括两个比较器：152和154，它们通过电阻162和164经过线156连接到数据总线42。比较器152和154构成一个较宽的比较窗，用以监视数据信号的交流特性，而不象在模块88中构成的是直流监视器。电阻158和160是可调节的，以便设定比较器用以关断A CLIP78上的信号的电压。

如果交流信号的振幅大于由比较器152和154设定的宽电压窗，只要电压处在窗之外，则其中一个比较器就把其输出切换到低电平。然后，A CLIP数据线78变成低电平从而发信号通知微控制器40，指明该数据是坏的。

图4提供的是传感器接口168的电路简图。传感器接口168可被安装在以下地方：装有加速度计14的盒内、单独的接口模块18内、终端连接器33内、总线连接器20内，或者多传感器分配盒21内。每个传感器接口都是完全相同的，除了存储在其内部的地址是唯一的。

电源通过载送+KPV的保持工作的电源总线54，55给传感器接口电路供电。这个电压被用来在检测数据总线上的数字脉冲时产生一个参考电压。它也以常规方式被用来产生一个较低电压的电源，+DPV，通过齐纳二极管169以及相关的电阻和滤波电容提供给数字电路。

每个传感器接口168与所有的三根数据总线42-43，44-45和46-47以及保持工作的电源总线54-55相连。数据总线通过二极管172，174和176直接连接到地址检测器170上。

地址检测器首先用比较器178执行电平探测，该比较器只通过由偏压电阻180、182、184和186设定的+KPV数字地址信号。具有+SPV或更低值的电压不能通过比较器178。

由于系统内的各传感器的位置到中央控制器的距离是不一样的，这样在地址信号传播过程中将引入不同持续时间的延迟。为了避免由于这些未知延迟的长度而导致的问题，地址信号中每一个数据比特之前都有一个同步比特。此“自同步”将在后面结合图5作更全面的描述，不管怎样，同步比特用来触发触发器188以产生一个由电阻190和电容192设定的定时输出脉冲，它在紧接在同步比特后的地址比特中被选通。该定时输出脉冲有一个处在紧跟在同步比特之后的数据比特内的下降沿。

从188最后得到的输出脉冲分别通过线198和200从Q输出端馈送到地址比较器194和从非Q输出端馈送到串并转换器196。同步比特之后的地址比特也通过线202和204被馈送到地址比较器194和串并转换器196。来自188的定时脉冲的下降沿使地址比较器194和串并转换器196读取在线202，204上的数据比特。(实际上，如下所述，串并转换器196的输入门仅仅在地址信号的总线地址部分期间打开，因此它将只读取这个部分内的数据比特。)

地址比较器194包括一个用于存储该传感器接口唯一地址的E2ROM。此功能的优选设备是一个可编程的16位编码检测器，比如HC2063。所存储的“码”是此传感器接口唯一地址，并且它能够在控制总线206上以电的方式输入或改变。这通常在传感器被安装、而控制总线没有连接到数据总线上时完成。控制总线典型地包括一条程序线、一条时钟线、一条数据线和用于在E2ROM中读取和修改数据的线。

地址比较器194需要一个起始“接通”比特以开始它的比较，因此在传感器地址区的起始比特总是一。该比特在图5中被标以“比较接通(Compare On)”。

接收到与存储的地址匹配的地址码之后，紧接着地址比较器194把输出线208切换为高状态，使双稳态触发器210把比较(COMPARE(H))线212切换为高状态。比较(H)是一个匹配信号，它表示该传感器已经被选中。它被连接到串并转换器196的A输入端。转换器196的A和B输入端是一个与门的输入端，所以在比较(H)线212变高以前，线204上到达B输入端的地址比特被阻塞。

在16比特地址信号的前8比特(指定匹配的传感器地址)到达后，比较(H)线变高。余下的地址比特(指定所用的数据总线)然后进入串并转换器。

一个完整的地址信号，如图5a所示，包括传感器地址域和总线选择域。在单个数据总线设计中，总线选择域会被排除。每个域包含八个数据比特，每一个数据比特之前都有一个同步比特。同步比特的持续时间是数据比特持续时间的一半。它触发地址检测器170以产生一个脉冲(见图5b)，该脉冲的下降沿处在紧跟着的数据比特的中间部分。这种逐个比特的自同步避免了某些由于长电缆长度而导致的定时方面的问题。

传感器地址域的第一个数据比特被标为“比较接通”(CompareOn)，而总线选择地址的第一个数据比特被标为“SW(H)”。每个域的前几个比特总是接通的，即数字1。把每个域的第一数据比特设置为接通简化了地址电路。每个域余下的七比特就是传感器地址或数据总线地址。在优选的实施方案中，总线地址仅能用七比特中的前三比特。这些比特都被设定得一一对应于三条数据总线。传感器地址的七个比特都是普通的二进制数。

“比较接通”(Compare On)是八位传感器地址的第0比特，它在时间t0和时间t4间产生。同步比特250与在时间t0到t1间产生的那些数据比特相对应，而数据比特252(经常是1)在时间t2到t4间产生。在同步比特之后和数据比特之前的这段期间，电压常常要从同步比特降到零，这就产生了一个明显的下降沿。同步比特250的下降沿将触发触发器188产生定时脉冲254(图5b)，该定时脉冲的下降沿将选通194和196，在大约时间t3，刚好在那个数据比特的中间，读取随后的数据比特。

第一比特(地址域的第二比特和第一个有效地址比特)在时间t4开始。从t4到t5之间有一个前置同步比特256，这是因为前置数据比特是1，它表现为同步比特的延续。然而，每个同步比特的下降沿从188产生定时脉冲(如图5b所示)，并且下降沿总是明显的。在时间t6，脉冲258读取数据脉冲260(另一个数据脉冲)。

第二比特(该域的第三比特)包括同步比特262，同步比特262的下降沿引发脉冲264。脉冲264的下降沿在时间t7读取数据比特(零)。所有剩余比特以同样方式被读取，同步比特在触发器188中产生一个脉冲(如图5b所示)，脉冲的下降沿出现在数据比特的中间。传感器地址域的4-7比特和总线地址域的13-15比特未显示。

跟在SW(H)后面的三个数据比特与三个数据总线相对应。在总线地址域，由于数据比特266是接通的，所以总线A被选中，以及因为与总线B和C相对应的数据比特是关断的，所以总线B和C未被选中。

图5a所示的完整的地址信号包括“比较接通”(Compare On)比特(总是1)，七位二进制传感器地址码，(前三比特是1，0，0，后四比特未显示)，SW(H)(总是1)，总线地址的三个比特(显示为1，0，0，指示数据总线A被使用)，还有四个未使用的比特(但它们可被用于附加数据总线)。

在由总线接口的定时器100设定的时间间隔期间，16比特地址信号被全部传送。这个时间间隔以后，定时器100将暂停，开关94将闭合，传感器电源连到数据总线A上。然后，如图所示数据将开始到达数据总线。如前所述，数据的电压将被限制在最小数据电压和+SPV之间。

我们再回头看图4，在一个匹配地址被地址比较器194识别之前，212上的比较(COMPARE(H))线阻止输入信息进入串并转换器196。串并转换器作为总线选择装置工作。一旦输入被比较(H)上的数字高所打开，则总线地址被切换到196，并依次进入到从QA到QH的八个并行输出。以图5的总线地址为例，一旦总线地址完全进入八比特转换器196，则SW(H)(总是高)将出现在输出端QH，以及和数据总线A相对应的比特将出现在输出端QG。与数据总线B相对应的比特将出现在输出端QF，以及和数据总线C相对应的比特将出现在输出端QE。

SW(H)也在总线与门222，224和226处连接到线214。这样，在全部总线选择地址被输入到转换器196之前，它们阻止总线选择开关216，218和220，使其不能工作。在总线选择地址输入之前，所有的输出端QA到QH将是低的。由于总线地址部分中的第一比特SW(H)总是1，所以当总线选择地址完全进入转换器196时，线214被切换成高。当线214变高时，与门222，224和226允许合适的总线选择线228，230，232触发相应的总线选择开关216，218和220，这样就通过阻抗转换器将传感器234同指定的数据总线连接(如图6所示)。

传感器234继续沿着数据总线发送数据，直到通过响应于从中央控制器来的在A OFF线72上的信号把传感器电源开关94打开，而使传感器电源被移去为止。

传感器电源从数据总线42移去后，由电压比较器238和触发器240组成的复位电路236把OFF线242切换成低。电压比较器238能感受到数据总线上的电压降。一旦数据总线电压低于由分压电阻237和239设定的参考电压，触发器240被触发，从而改变非Q输出，这就使OFF线242变低。

OFF线242触发门244和被构成为反相器的与非门246。然后清零线248将串并转换器196清零，使输出线214变低，并打开所有的数据总线开关220，218和216。然后，传感器接口电路处于等待状态，等待下一个地址信号将它打开并把它的传感器连接到一条数据总线。

传感器234可以是不同种类传感器中的任一种，它通过线300同开关选择数据总线相连。以图6为例，该图展示一个普通的压电式加速度计302它带有一个阻抗转换器和为结合本发明一起使用而加的必要的适配部件。

同标准阻抗转换器设计相比，主要的改变是：在信号耦合到数据总线之前，用二极管来维持最小输出电压。这个最小电压防止复位电路236的不慎操作，避免传感器接口从数据总线上断开而复位到等待模式。

已经知道传感器电源是恒流源，传感器234的偏压电路建立了一个额定的偏压，该偏压是最大传感器电源电压+SPV的50％。来自压电式传感器302的振动信号是加在这个直流偏压的交流信号。信号的上限是由最大电压+SPV控制的，信号的下限由二极管304和306控制。二极管304和306是硅二极管，每个都有额定的0.6伏的压降。

即使输出晶体管308是饱和的，线300的输出电压也不会低于两个串联安装的偏压二极管上的电压。而晶体管308截止时，输出电压不会高于整个的+SPV。如图5所示，在任意一种限制下，电压将在一个限定的范围之内，即高于地址信号中数字零的值(电压关断)，低于数字1的值(+KPV)。

阻抗转换器的其它部分是标准的。当压电式传感器302遭受振动时会产生交流电压。信号通过场效应管322放大，场效应管322通过晶体管310和308调制该恒定电流。电容324和电阻320形成输入负载并使场效应管322产生偏压。电阻318和316可产生附加偏压和负反馈。电阻314是场效应管322的负载。数据总线上的输出电压是晶体管308的集电极到发射极的电压加上二极管304和308上的压降。

如果将电压范围限制在+SPV和最小值之间(该最小值必须足够高于地线电压，以免触发复位电路236)，那么其它种类传感器所需要的其它传感器电路也是适合的。

独立控制总线设计

图7-13说明了本发明的第二个实施方案，在该方案中一个独立的控制总线载送地址信号。这个设计降低了对在数据总线上传输的数据的限制，在第一方案中设计该限制是为了防止数字地址信号和在同一条总线上传输的模拟数据相混淆。在第二个实施方案中，除了用加速度计进行振动监视以外，也可以以辅助方式使用本系统来提供中央控制器和指定数据总线上任一可寻址的传感器接口间的基本两线连接，而不必限制发送信号的类型。

就这点而论，当系统用来进行普遍控制和数据监视应用时，本方案尤其合适。本实施方案提供的修正内容包括：提供多个电缆，其中每个电缆都服务于一组附加的可寻址接口；遥控器，它可以在任意的想要的远方地点执行中央控制器的功能；旁路总线能力；长线改进；和串行及并行数字数据输出。

图7给出了根据本发明的第二实施方案的控制和数据采集系统的总览。如前所述，中央控制器10通过电缆12被连接到多个专用的加速度计14和普通的加速度计15。然而，在该方案中，电缆12形成了连续的环路，该环路在它的第二末端400处返回中央处理器。

中央处理器10也配有两根附加电缆402和404，其中每根电缆各包含一根布置在环路中的附加电缆，该环路的两端同中央处理器相连。所有这些电缆中的每一根都包括多个连接到电缆12的所示类型的可寻址的传感器接口。中央控制器可以用电缆的任一端同附属于电缆的任一传感器通信。这样，如果电缆不慎被断为两半，那么同电缆12的第一端相连的电缆部分上的传感器通过第一端寻址并使用，而断开之外的传感器通过第二端400来寻址和使用。如果第一端断开，第二端400可独立于电缆12的第一端使用。末端的连接和断开由在中央控制器10的指挥下工作的继电器和场效应管开关来完成。类似的可控制的开关被提供在其它两条电缆402和404的两端。

本发明的这种实施方案提供的另一个特征是把附加的容错能力提供给设计方案，也就是说，旁路总线406的两个末端连接到C/M连接器模块408。C/M连接器模块408包括具有唯一地址的传感器接口，并且响应于控制总线上的地址信号，把旁路总线406上接口的各端同指定的一条数据总线相连。这样，中央控制器可以用旁路总线406来替换电缆上的数据总线的损坏部分，或者旁路有问题的传感器网络部分。

图7也分别显示了中央控制器上并行及串行数字数据输出410和412。这些输出端提供的以数字的形式的数据与来自模拟数据输出端22，24和26以模拟形式出现的数据是相同的。

图8是在本发明第二实施方案中使用的中央控制器的方块简图。网络的操作由微控制器40来控制。微控制器40通过电缆12，402和404来操作网络，这三条电缆的每一条的末端分别通过电缆控制模块401，403和405与中央控制器相连。电缆控制模块401，403和405都是一样的，图中仅详细显示了电缆控制模块401。

电缆12，402和404中的每一条都包括多条两线总线，包括：多条数据总线，一条控制总线和一条电源总线。这儿所示的电缆12包括三条独立的数据总线，然而较多或较少的总线也可以被使用，通过举例的方式，描述了图11和12所显示的传感器接口同四条数据总线一起使用的情况。电缆402和404是完全相同的，并且同下述电缆12一样的方式操作。

电缆12包括：一个第一端，此端具有三条数据总线，其头端分别是428，432和436；一条控制总线，其第一端是442；一条电源总线，其第一端是446。电缆12在周围形成环路，使这些总线进入到各个传感器接口，之后电缆12在它的第二端400处返回中央控制器。该端包括：三条数据总线的第二端430，434，438；控制总线的第二端444；电源总线的第二端448。

总线接口414，416和418在微控制器40的控制下操作，地址信号通过控制接口420发送到可寻址的传感器接口。数据总线通过集成开关422，424和426在两端处同对应总线接口相连。微控制器40控制集成开关422，424和426，以便有选择地将数据总线的任一端同对应总线接口相连。

尽管带有场效应管开关的其它配置也可以使用，但更可取的是，集成开关422，424和426都是带有相关的电路并在微控制器40的命令下实现连接的继电器。在辅助模式中，数据输出端22，24和26通过继电器直接电连接到系统上任意可寻址地点。这就给系统上的任意地点提供一个直接线对连接，从而使不同种类的传感器、控制设备等等可被使用。在辅助模式中，整个系统可以用来接通开关、测量温度、激活泵、以模拟和数字两种方式向任意可寻址的地点发送数据或从这些地点接收数据。这样，任一种想要的设备可被放在远的地点并在微控制器的控制下被访问。这些工作是在辅助模式中操作相关数据总线的同时，通过经由数据输出端22，24和26发送和接收数据及控制信号以便和寻址位置的远端设备通信和控制远端设备而完成的。

由微处理器发送的地址信号经由控制接口，沿着控制总线并通过开关模块440。同数据总线的情况一样，形成控制总线的线对具有的第一端442被集成到电缆12里，它具有的第二端444在第二端400处被集成到电缆中。

直流电力经由直流电源56被提供给地址电路，该电源也使用开关模块440。电源线的第一端446被集成到电缆12，它的第二端448通过电缆400返回中央处理器。由于电缆的任一端可被用来发送地址信号和以与使用数据总线任一端的同样方式提供电源，因此这就提供了控制总线和电源线的交替工作。

图8也显示了在微控制器40的控制下，在串行412或并行410数据输出端处如何提供数字式数据。任一数据总线上，到达中央处理器的模拟数据可经过选择模块450被选择，并在滤波模块452中进行反混叠滤波后，被发送到一个模数转换器454。在模数转换器454中被转换成数字形式以后，数据可以从并行输出端410得到，或者在模块456中完成从并行到串行的转换之后，从串行输出端412得到。

从前面的描述中将会明白，本系统具有扩大的容错能力。如果一根单数据总线被中断，则中央控制器可以使用一根替换的数据总线。这之所以可能是因为传感器接口被命令去把它们的传感器同电缆中的多条并行数据总线的任一条总线相连。如果整个电缆被切断，传感器仍然能被寻址到，其所采用的方法仅仅是命令开关模块422，424，426和440使用电缆的第二端而不是第一端，从而通过电缆第二端来访问它们。

此外，区域可能通过配备一个旁路总线(比如图7中所示的旁路总线406)而提供与中央控制器通信的替代装置。在沿着主电缆的不同位置，仅仅通过添加连接到附加总线的附加模块408来提供多条旁路总线。如果在一个提供有一个旁路的部分上发生了故障，中央控制器能通过使用旁路总线继续操作余下的部分。如下所述，旁路总线可被应用来一次旁路一个单数据总线，或可被应用来旁路所有数据总线以及控制总线和电源总线。

图9提供了控制接口420(图8中以方块图形式显示)的电路简图，此接口在总线458上从微控制器取得地址信号，然后通过开关模块440传送此信号，并最后出现在控制总线的相应端。控制接口420与地线462和电源线464相连。控制接口主要具有将数字地址信号从由微控制器40提供的输出范围转换到优选实施方案中适合于传感器接口内地址识别电路的不同的电压范围(0到KPV)的功能。其它类型的数字通信方法也可以被使用。控制接口也为更长的导线和附加传感器提供驱动电流。

图10提供了连同本发明这种实施方案所使用的总线接口的电路简图。连同本发明这种实施方案所使用的总线接口与连同第一种实施方案所使用的总线接口相类似，但是不需要将地址信号加到数据总线上。总线接口414，416和418都是完全一样的，因此，只有总线接口414被显示。如果电缆中提供了第四根数据总线，就将使用第四个总线接口并且需要类似于422，424和426的附加开关模块。

总线接口414包括恒定电流的传感器电源466，该电源沿着连接到总线接口的数据总线，给加速度计提供恒流源。线468和470通过集成开关422连接到相关的数据总线，如图8所示。开关472和474优选为继电器，它们在微控制器40的控制下操作，当进入辅助模式时，它们可以断开恒流源466。在正常工作模式下，恒流电源466为加速度计提供恒定电流电源。在辅助模式中，该电源并不是必须的，并且可能在辅助模式操作期间干扰与它连接的设备。

当进入辅助模式时，开关476和478同样由微控制器40控制。这些继电器允许在数据输出端22和数据总线之间的直接的两线连接，而无需任何到恒流电源466或其它电子电路的连接。微控制器40经由控制器导线472控制总线接口414。

电路480和482监视进入的加速度计数据(这些数据包括直流偏压和交流数据电压)以证实信号是在有效的范围内，并且没有因为限幅或饱和而被畸变。它们基本上对应于数据监视模块88和90，而这些模块在本发明第一个实施方案中已经结合图3描述了，因此，这里就不详述了。触发器484和数据监视电路480一起运行，用以保持任何的出错指示，直到由微控制器40通过线486进行确认和清除为止。

当运行在标准模式时，这种实施方案中总线接口电路的功能是给加速度计提供恒流电源，并且监视进入的数据的有效性。而运行在辅助模式时，总线接口电路断开不必要的线路，以便在中央控制器和在总线系统远处所连接的任意类型设备之间产生一个两线连接。

图8，9和10所示的中央控制器可被复制以形成一个远端控制器，该控制器可被连接在电缆的任何地方以便在一个远端工作位置上提供中央控制的所有特征。当此远端控制器被连接到电缆上，它命令中央控制器通过打开开关模块422，424，426和440中的继电器而将它自己从电缆上断开。

图8，9和10以及对它们的讨论完成了对中央和远端控制器中电子线路描述。图11到13显示的是第二个实施方案中这些控制器使用的传感器接口。这些传感器接口可以在下述单元中找到：单独的C/M模块、分配盒(它起多个C/M模块的作用，并带有一些共享的线路)、旁路总线的末端处的408模块，这些传感器也可被合并入加速度计14本身之中。

图11和12一起显示的是单个传感器接口的电路简图。在与分配模块21有关的叙述中，经常希望在同一个普通位置上放置几个传感器，以便例如监视水泵或其它振动机械上的几个点。通过将传感器连接到单个盒子来做到这一点可使花费不太贵，该单个盒子即分布模块21，其中共同的电路可以被每个传感器共享，而不要为每个传感器复制一个电路。

图11和12被划分为两种电路，一种是可被几个传感器共享的电路(图11)，另一种电路是不能被共享，但它对每个要被寻址访问的传感器来说是必须的(图12)。分配盒21内将会有一个图11中电路的实例，它将被共用并将服务于该盒内的所有传感器接口。然而，图12内的电路将按照盒内传感器接口的数目被复制。图13内的电路是一个长线驱动器，它将在下面描述，对于连接到分配盒的每条数据总线都有这个电路的一个实例。

参照图11，控制总线线对的信号引线442在488处连接到传感器接口，控制总线线对的其它部分连接到地。如前所述，连接到每个传感器接口时，控制总线442和电缆中剩下的总线保持原样。电缆也可选择成返回到中央控制器，在这种情况下，电缆中总线的任一端可被选中并使用。必须注意的是，在同一个时间，所有的总线从一个单端驱动，并且对于正确操作不需要连续的闭环连接。

在490处给传感器接口供电，490与闭环电源总线446和448连接。在490处提供的电源经由电压调整器492调整并转换成恰当的较低的直流电压，然后通过电源引线DPV 494给电路的余下部分供电。电源电路493和继电器495在辅助电源切换期间被使用，从而给有特殊电源需求的辅助设备供电。如下所述，当系统使用辅助模式并且通过546发现了一个传感器接口地址匹配时，继电器495由触发器551通过线553被控制。

电位比较器496被用来识别图14A中所示的地址信号中的清除(CLEAR)信号502。清除信号502先于其它地址信号，它被用来在发送信号之前使所有传感器接口复位，该发送的信号识别与它连接的传感器接口以及它们必须连接的总线。电位比较器496和其相关的电阻和电容经由线498被连接到控制总线488。当负向清除(CLEAR)信号502被加到控制总线时，电位比较器496就在OFF线上产生一个信号。

参照图14A，地址信号中的地址序列由负向清除信号502开头。此脉冲复位对于每个传感器接口的电路，并使之初始化，以便接收随后的四个地址信号部分504，506，508和510。这些地址信号部分中的每一部分包含16个比特。图14A中没有表示出这些地址信号部分中的各单独的比特。图14B表示了一个地址部分，并且详细显示了16个比特。每个地址部分的第一比特通常是数字1，它被用来指示地址部分的开始。后八比特构成了唯一的传感器接口的地址，用以指定一个选中的传感器接口。再后面四比特是总线地址，用以指定传感器应该连接到的总线。再后一比特指定是否使用辅助模式。剩下的比特没有被使用，但如果要使用更多的数据总线，则它们也是可供使用的。很明显，其它形式的比特设置也是可能的。

图11和12所示的传感器接口是想要给包括多达4根独立的数据总线的电缆使用的。图8，9和10所示的中央控制器仅仅结合3根独立的数据总线被加以说明，然而可以毫无困难地加上第4根独立数据总线。如果想要，附加数据总线也可以被包括在内。

地址部分504，506，508和510中的正向比特被图11中的电压比较器512探测。电压比较器512连接到单稳电路514上，此单稳电路在线516上产生时钟脉冲，如图14C所示。同步脉冲在紧跟在每个同步比特之后的地址比特处选通输入，这就和先前在第一个实施方案中结合传感器接口所作的描述一样。来自512的地址信号也被输入到两个8比特的移位寄存器518，520，它们被连接在一起形成一个单个16比特移位寄存器。地址部分504，506，508和510中的每个部分都包括16比特，这些比特被顺序地移入由518和520组成的16比特移位寄存器。象图14B中的比特522所表示的那样，每个地址部分的第一比特总是1。在接收这个比特之前，移位寄存器被清除，因此，当所有16比特被移入寄存器时，寄存器520的QH输出包含第一比特，并在16个同步比特后，该输出从0切换到1用以激活使能(ENABLE)线524。

当使能线524改变状态时，这就表示，现在可以从8比特移位寄存器518和520的输出端有效地读出传感器接口地址和总线地址。移位寄存器520的七个输出QA-QG和移位寄存器518的QH输出包括了传感器接口地址的8比特，它们分别被标记为A0到A7。紧跟其后的是在移位寄存器518的输出QD-QG中的总线地址。在优选实施方案中，跟在传感器地址后的第一比特对应于总线A，第二比特对应于总线B，第三比特对应于总线C，第四比特对应于总线D(如果使用的话)。附加总线可以根据需要增加。然而，既然这种实施方案只使用4根数据总线，到达移位寄存器518输出端QC的随后的比特被用来表示选中的数据总线是否工作在辅助模式下。移位寄存器518的输出端QA和QB没有被使用，但可供在扩展的系统中使用。

参照图14B，传感器接口地址522的第一比特将在移位寄存器520输出端QG处被读出，而传感器接口地址526的最后一比特将在移位寄存器518输出端QH处被读出。如图14B中所示的一例，总线地址在比特528上有一个1，它将到达现在移位寄存器518输出端QG，它表示总线A要被具有匹配的传感器接口地址的传感器接口使用。

触发器530和532形成一个时间窗，在此期间传感器地址和总线地址进入移位寄存器518和520。当上述总是1的第一比特进入移位寄存器时，它同时也进入触发器530并且触发它。当那个比特到达移位寄存器520的QH输出端，它触发触发器532，以使触发器530复位。这样又依次激活单稳电路534，然后使移位寄存器518和520在接收附加的16比特地址之前复位和清零。这个复位操作发生在每个地址部分504，506，508和510中16个比特之间，但是其定时是这样安排的，使得在数据被读入并对前面的地址部分起作用之后，才进行对移位寄存器的复位和清零。

因此，当移位寄存器518，520在进入的地址部分被存满16比特时，标以参考数字540的A0到A7包含选中传感器接口的传感器接口地址，而标以参考数字542的A-D包含总线地址。输出544将包含用于指示是否要进入辅助模式的比特。

参照图12，输出端540上的传感器接口地址比特被连接到一个八比特的比较芯片546上。当使能(ENABLE)线524指示，该地址有效并且已经被装入移位寄存器518，520时，8比特比较芯片546将指定的地址和开关单元548中设定的传感器接口的实际地址相比较。开关单元548为每个传感器接口设定唯一的地址。它可以用机械开关而采取人工设置，或者象第一个实施方案那样，可使用一种可电子设置的地址。

将会理解，图12表现的是连接到总线的每个传感器接口的电路。因此，上述的比较将同时发生在连接到控制总线上的每个传感器接口。只有一个传感器接口有指定的地址，并且只有一个产生与它的8比特比较芯片546的匹配。当由546找到一个匹配时，输出端550改变状态，并且指示芯片552把与该传感器接口有关的传感器连接到总线地址输出端口542中指定的总线地址上。

输出端542指示使用一条数据总线，而且，由芯片552使用那条数据总线来关闭开关554，556，558和560中的一个。这些开关优选地是继电器，它们用来提供在传感器连接点562和连接到点564，566，568和570的指定的数据总线之间的直接机械连接。在不需要带有直接的电连接的辅助模式的地方，这些开关可以是场效应管开关或某些其它类型的电子开关。

从以上说明可以看出，传感器连接点562可以有一个传感器与它连接，比如一个加速度计，或者可以有一个旁路总线与它连接，或者它可以连接到普通的控制设备。由于地址信号部分中指定的传感器接口地址和总线地址，传感器连接点562将被连接到合适的总线A，B，C或D上，而这些总线通常分别与点564，566，568和570相连。

前面给出的对旁路总线的描述已经假定：旁路总线是一个单数据总线，它与一个标准传感器接口的传感器连接点相连，而且通过寻址该传感器接口和命令它旁路一个指定的数据总线而被切换到操作状态。也可以看出到，在旁路总线两端的传感器接口可被分配以同样的地址，这样当寻址时，它们就一起切换。

在一个替代旁路结构中，来自8比特比较芯片546的输出550可被用来切换对于所有数据、控制和电源总线上的多个继电器(或一个多极继电器)，用以在旁路电缆上旁路全部电缆，旁路电缆包含用于每个数据、控制和电源总线的两根独立线对。用于这种旁路电缆设计的继电器有两个位置，一个位置使输入总线连接到通常的输出总线；第二个位置使输入总线连接到旁路电缆中的相应旁路总线。

当图11和12中的传感器接口靠近中央控制器时，本系统正常使用的加速度计可被直接连到数据总线，并且此传感器直接驱动数据总线向中央控制器传送数据。然而，当中央控制器和传感器接口间的距离过大时，加速度计直接驱动数据总线将是困难的。在这种情况下，可以使用图13中所示的长线驱动器来驱动长导线并可靠地向中央控制器传送数据。图13的长线驱动器必须位于连接到传感器连接点562的传感器和数据总线之间。在优选设计中，这是通过将连接点564、566、568和570和相关的数据总线A-D连接起来来完成的。

参照图12和13，当芯片552将传感器连接点562和线564上数据总线A相连接时，它同时也切换与图13中长线驱动器相连的输出574。这就使继电器驱动器576驱动继电器578和580，并且使驱动器582连接在输入564和输出584(它与总线A相连)之间。这样，当选中了某条总线时，该总线的长线驱动器就被切换成使用状态。

当继电器580工作时，它的下面一半接通恒流源二极管586并给驱动器582接上电源。这就允许在局部提供恒流源。此外，也就意味着，在长线驱动器不在使用时，它不消耗电源，这一点，对于如果系统中有大量的传感器就至关重要了。

导线驱动器在分配盒21设计中格外有用，因为4个导线驱动器(每条总线一个)可以被四个以上的传感器共享。图11中的普通电路也以同样的方式被共享。每条数据总线只需要一个导线驱动器，并且不管哪个数据总线被选中，都将会有在适当的时间被连接的其相关的导线驱动器。

从前述明显的描述中，可以看出所提出的发明目的被高效地实现，并且由于在上述结构中可作出某些改动而不背离本发明精神和范围，因此希望将包含在以上描述的或附图所示的所有内容看作为说明性的，而不是限制性的。

Claims (18)

1.一种多点控制和数据采集系统，包括：

形成一根电缆的多条并行数据总线；

包含在电缆中的控制总线；

中央控制器包括：

对应于多条并行数据总线的多个总线接口电路，每个总线接口电路连接到对应的数据总线上，用于接收在对应的数据总线上的数据，

连接到控制总线的控制接口电路，控制接口电路适合于发送地址信号，此信号指定一个传感器接口地址和多条数据总线中所选中的一条数据总线；以及

具有相应传感器接口地址的多个传感器接口，每个传感器接口与一条以上的数据总线相连，每个传感器接口包括一个适合连接传感器的传感器连接点，并且每个传感器接口还包括一个与控制总线相连的地址识别电路，每个传感器接口的地址识别电路响应于控制总线中的地址信号，当传感器接口的相应传感器接口地址被包含在地址信号中时，将传感器连接点连接到地址信号中指定的多条数据总线中所选中的一条数据总线。

2.根据权利要求1的多点控制和数据采集系统，其特征在于，多条数据总线的每条数据总线都有一个第一端和一个第二端，并且每个总线接口电路可选择地连接到相应数据总线的第一端或第二端，用以经由选中的第一或第二端通过相应的数据总线接收数据。

3.根据权利要求1的多点控制和数据采集系统，其特征在于，至少有两个传感器接口通过一个旁路总线连接在一起，而此旁路总线与该至少两个传感器接口的传感器连接点相连，由此，当在地址信号中指定了该至少两个传感器接口的地址时，该旁路总线可以用来传送数据。

4.根据权利要求1的多点控制和数据采集系统，其特征在于，还包括：

形成第二根电缆的第二多条并行数据总线；

包含在第二根电缆中的第二控制总线；

中央控制器还包括：

对应于第二多条并行数据总线的第二多个总线接口电路，每个第二多个总线接口电路连接到第二多条数据总线中的对应的一条数据总线上；以及

连接到第二控制总线上的第二控制接口电路。

5.根据权利要求1的多点控制和数据采集系统，其特征在于，所述的中央控制器还包括一个传感器电源，此电源通过地址信号中指定的多条数据总线中的选中的数据总线，给具有地址信号中指定的传感器接口地址的传感器接口提供电源。

6.根据权利要求5的多点控制和数据采集系统，其特征在于，所述的传感器电源包括一个恒流源。

7.根据权利要求1的多点控制和数据采集系统，其特征在于，所述的中央控制器包括第一多个辅助模式连接开关，它与多条数据总线中的相应数据总线相连，并且多个传感器接口包括第二辅助模式连接开关，此开关也连接到多条数据总线中的相应的数据总线上，第一和第二多个辅助模式开关在中央控制器的控制下操作，以便在以下两个模式之间切换，即一个模式是在选中的数据总线上给指定的传感器接口提供电源的正常操作模式，另一个模式是在选中的数据总线上直接连接到指定传感器的辅助模式。

8.根据权利要求1的多点控制和数据采集系统，其特征在于，所述的中央控制器还包括一个模数转换器，为了从由中央控制器接收到的模拟数据中提供数字式输出数据，该转换器可选择地与多条数据总线中的指定的一条数据总线相连。

9.根据权利要求8的多点控制和数据采集系统，其特征在于，所述的中央控制器还包括一个与模数转换器相连的并行输出端，用以提供并行数字输出数据。

10.根据权利要求8的多点控制和数据采集系统，其特征在于，所述的中央控制器还包括一个与模数转换器相连的串行输出端用以提供串行数字式输出数据。

11.根据权利要求8的多点控制和数据采集系统，其特征在于，所述的中央控制器还包括与模数转换器相连的滤波器，用以在将模拟数据转换成数字数据之前对模拟信号进行滤波。

12.根据权利要求1的多点控制和数据采集系统，其特征在于，还包括多个导线驱动器，它们在远离中央控制器的位置上与多条数据总线中的相应数据总线相连。

13.根据权利要求12的多点控制和数据采集系统，其特征在于，所述的多个导线驱动器包括一个局部恒流电源。

14.根据权利要求12的多点控制和数据采集系统，其特征在于，所述的多个导线驱动器当不在使用时没有接上电源。

15.根据权利要求1的多点控制和数据采集系统，其特征在于，所述的中央控制器还包括用于选择想要的传感器的输入装置。

16.根据权利要求1的多点控制和数据采集系统，其特征在于，还包括遥控器，它适合控制该多点控制和数据采集系统，它在电缆中远离中央控制器一点处与多条并行数据总线和控制总线相连。

17.根据权利要求1的多点控制和数据采集系统，其特征在于，还包括旁路电缆，此电缆包含有多条并行旁路数据总线和连接到两个传感器接口的旁路控制总线，用于将第一多条并行数据总线和第一控制总线切换到旁路电缆。

18.根据权利要求1的多点控制和数据采集系统，其特征在于，所述的中央控制器还包括与多条并行数据总线中的相应的并行数据总线相连的数据输出装置。

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