CN1829994A

CN1829994A - 有诊断自测试模式的现场发射器

Info

Publication number: CN1829994A
Application number: CNA2003801053468A
Authority: CN
Inventors: 约翰·P·舒尔特; 汪荣泰
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 2002-12-31
Filing date: 2003-12-15
Publication date: 2006-09-06
Anticipated expiration: 2023-12-15
Also published as: US20040128110A1; WO2004062170A3; EP1611536A2; AU2003294686A8; EP1611536A4; RU2359281C2; AU2003294686A1; JP5173115B2; WO2004062170A8; US6834258B2; CN100524328C; EP1611536B1; RU2005121914A; WO2004062170A2; JP2006512679A

Abstract

现场发射器(10)用于发射表示过程变量的信号，该现场发射器(10)有正常操作模式和诊断自测试模式两种模式。现场发射器(10)具有物理传感器(12，14)，用于检测过程变量并产生表示过程变量的物理检测信号。信号处理电路(22，24)把传感器信号转换为测量值，该测量值传被送到控制室。现场发射器(10)还具有代用传感器(16，18)，用以产生与过程变量无关的代用检测信号。在诊断自测试模式期间，代用传感器连到信号处理电路(22，24)，以代替物理传感器(12，14)。若信号处理电路(22，24)的输出与期望值不对应，则产生诊断代码。

Description

有诊断自测试模式的现场发射器

技术领域

本发明涉及过程控制系统。具体地说，涉及一种具有正常运行或测量模式和诊断自测试模式的现场发射器。

背景技术

现场发射器是一种换能器，它利用检测元件响应被测过程变量，并将过程变量转换成作为被测过程变量函数的标准传输信号(如电信号或光信号)。术语“过程变量”指特质的物理或化学状态或能量的转换。过程变量的例子包括压力、温度、流量、电导性、pH，以及其它的性质。

在化学、石油、气体、医药及其它流体处理厂内，现场发射器通常用于监视过程变量和返回控制室的测量值。这些现场应用通常要承受苛刻并多变的环境条件。

各种电子部件，包括现场发射器的物理传感器和信息处理电路，都有潜在的可能，会发生故意或者失效。这样的故障可能会导致错误的测量值，这种错误的测量值要由现场发射器发送到控制室。此外，电路的漂移也会伤及所述发射器的可靠性。由熟练的技术人员进行的日常测试可能检测到发射器的问题，但这需要技术人员实际接近所述发射器。在具有相当大数目的分配式现场发射器的设备中，存在实际的限制，即技术人员如何能不断地观察和测试每个发射器。

发明内容

本发明涉及一种现场发射器，用于发送表示过程变量的信号。这种现场发射器具有物理传感器，用以检测过程变量，并产生表示过程变量的物理检测信号。现场发射器还具有代用传感器，用于产生与过程变量无关的代用检测信号。还包括信号处理电路，用以将所述物理检测信号或代用检测信号转换为测量值。现场发射器具有正常操作模式和诊断自测试模式。在正常操作模式期间，物理参数传感器与信号处理电路相连，在诊断模式期间，代用传感器与信号处理电路相连。如果诊断模式期间的测量值不是由代用传感器所产生的期望值，则发射器进行检测，并且能够报告故障。

附图说明

图1是现场发射器的方块图，包括本发明诊断自测试特征的第一实施例；

图2是现场发射器的方块图，包括本发明诊断自测试特征的第二实施例；

图3是图2现场发射器之电容-数字式(C/D)调制器的方块图；

图4是图2现场发射器之电压-数字式(V/D)调制器的方块图；

图5是图2现场发射器数字部分的方块图。

具体实施方式

图1表示现场发射器10，这个现场发射器10的特征在于具有本发明的诊断自测试模式。本实施例中的现场发射器10是差值压力发射器，包括差值压力传感器12、温度传感器14、代用传感器16和18、微处理器20、电容-数字式(C/D)转换器22、电压-数字式(V/D)转换器24、开关控制器26和接口28。微处理器20连接到电容-数字式(C/D)转换器22、电压-数字式(V/D)转换器24和开关控制器26。在微处理器20的命令的控制下，开关控制器26控制开关SW1、SW2、SW3、SW4、SW5、SW6，以选择正常操作模式或者诊断自测试模式。在正常操作模式期间，开关SW1、SW2将压力传感器12连接到电容-数字式(C/D)转换器22，而在诊断自测试模式期间，开关SW3、SW4将代用传感器16连接到电容-数字式(C/D)转换器22。开关SW5在正常操作模式期间将温度传感器14连接到电压-数字式(V/D)转换器24，开关SW6在诊断模式期间将代用传感器18连接到电压-数字式(V/D)转换器24。C/D转换器22和V/D转换器24当中的每一个，通常都包含一个∑Δ式模拟-数字转换器电路。

微处理器20接收由C/D转换器22和V/D转换器24产生的数字测量值。在正常操作模式下，微处理器20利用数字测量值产生经温度校正的差值压力信号，通过接口28，将所述差值压力信号在通信媒介30上发送出去。可将这个差值压力信号作为模拟电流值、模拟电压电平或数字信号发送出去。微处理器20还可以通过接口28按数字方式发送二次参数值(温度)以及诊断代码。

在正常操作模式下，通过由开关控制器26选择开关SW1和SW2，可以实现压力测量。这将使压力传感器12的主电容器CH和CL连接到C/D转换器22。压力传感器12包括一个可偏转的检测膜片和两个传感器电极，它们形成电容器CH和CL。所述膜片为一导电的伸长膜，在响应加于膜片相对两侧上的压力的情况下，它可以偏转。在电容器电极和膜片间，使用一种介电填充流体。所述填充流体与面对过程流体相接的隔离膜一起使用，可以防止过程流体与检测元件的部件相互作用，并且有可能损伤所述部件，所述过程流体经常可能是干硬而有腐蚀性的、肮脏的或者有污染的。每个电容器CH、CL的电容与电容器板和膜片之间距离的倒数成正比。于是，在膜片响应所加压力而发生偏转时，每个电容器CH、CL的电容都会改变。压力传感器12在膜片上接收一个传感器激励信号SENEX，并且分别向C/D转换器22的输入端CHIN和CLIN提供模拟信号，所述信号分别是CH和CL的函数。C/D转换器22将所述模拟信号转换成数字信号，所述数字信号是在C/D转换器22的输入端接收的CHIN和CLIN模拟信号差值的函数。标称的传输函数是

\frac{CH - CL}{CH + CL}

利用开关控制器26选择开关SW5，可以实现在正常操作模式下的温度测量。这将把温度传感器14连接到V/D转换器24。温度传感器14包括偏置电阻器RB和温度敏感电阻器RTD。温度敏感电阻器RTD的电阻随着温度的变化而变化。在V/D转换器24的输入端VIN可检测到这些变化。V/D转换器24将输入电压VIN转换成数字值，这个数字值是所检测到的温度的函数。

利用开关控制器26选择开关SW3、SW4、SW6，可以实现诊断模式操作。根据所存储的调度计划表，或者根据通信媒介30上接收的命令，微处理器20选择了诊断模式。

闭合开关SW3和SW4，选择代用传感器16，并用代理电容器CSH和CSL代替主传感电容器CH和CL。C/D转换器产生的数字输出是CSH和CSL的函数，而不是CH和CL的函数。与代用传感器16连接的C/D转换器22的输出用作确定C/D转换器22是否正确起作用的基础。微处理器20比较C/D转换器22在诊断模式的输出与所存期望值(期望值通常是在制造过程中测试发射器10期间确定的)。如果存在差异，微处理器20将产生一诊断代码，接口28在通信媒介30上将这个诊断代码发送到控制室。

也可以利用代用传感器16在压力传感器12上进行半传感器测量。例如，如果微处理器通过开关控制器26选择开关SW1和SW4，由于电容器CSL的电容为已知，所以可以确定CH的电容值。类似地，如果选择开关SW2和SW3，由于电容器CSH的电容为已知，所以可确定CL的电容值。可以使用这个信息来推测静态管道压力和设备的环境温度。有些情况下，这对于从平分一个单元所得到的两个半单元中的之一来检测油的损耗可能是有益的。具体来说，如果由于导电的过程流体被插在电容器电极之一与膜片之间而使两个半单元之一(如CH)短路，而另一半单元(在此例中是CL)示出正常读数，则可以推论出油的损耗。

在诊断模式下，开关SW6把代用传感器18的输出连接到V/D转换器24。代用传感器18包括两个电阻器RS1和RS2。与代用传感器18相连的V/D转换器24的数字输出用为确定V/D转换器24是否正常操作的基础。微处理器20比较V/D转换器24的数字输出与存储的期望值，并在存在太大偏差的条件下产生诊断代码。

还可能向所述系统附加更多的开关和基准电阻(图中未示出)，用以模拟零或全标度输入条件，这将允许在各种输入条件下实现V/D转换器24和微处理器20的自动测试功能。

现场发射器100(图2-5)

图2表示的差值压力发射器100包括本发明诊断自测试特征的另一实施例。发射器100是基于电容的差值压力发射器，它包括：主传感电容器CH和CL、环形电容器CHR和CLR、温度传感器RTD、电容-数字式(C/D)调制器110、电压-数字式(V/D)调制器112、数字部分114、微处理器116和接口118。通过接口118在通信媒介120上提供发射器100和控制室之间的通信。图2中，将通信媒介120表示为一个双线的回路，在这个回路上提供模拟的数字通信，或者模拟与数字组合的通信。

C/D调制器110、V/D调制器112和数字部分114都包含在混合信号专用集成电路(ASIC)芯片130中。

压力传感电容器CH、CL、CHR、CLR表示具有一个导电的中心膜片、两个主电容器板和两个环形电容器板的差值压力传感器。在Frick等人的美国专利US 6,295,875中表示出这种类型的压力传感器。

传感电容器CH、CL、CHR、CLR模拟输入到C/D调制器110。由C/D转换器产生传感器激励(SENEX)信号，并将它提供给传感电容器CH、CL、CHR、CLR的公共板(即中心膜片)。C/D调制器110将传感电容器的输入电容比转换成一个比特的数据流PDATA。

C/D调制器110还包括一开环检测器，用于检测环形电容器CHR、CLR的开路引线。C/D调制器110的输出信号CHOR表示高端环形电容器CHR是否开路。输出信号CLOR表示低端环形电容器CLR是否开路。

C/D调制器110从数字部分114接收时钟信号PCLK和几个控制信号。控制信号LH和LL为高端和低端传感器选择可编程线性化电容器的数值。控制信号KH和KL分别为高和低端环形电容器的输入选择可编程的增益因子。控制信号SMOD和DMOD选择C/D调制器110在正常操作模式操作还是在诊断自测试模式操作。

温度传感器RTD是电阻型温度传感器，它向V/D调制器112提供正的输入电压VPEFP和负的输入电压VPEFN。此外，基准电压VPEFP和VPEFN作为输入提供给V/D调制器112。

V/D调制器112从数字部分114接收调制器时钟信号TCLK和模拟复位信号ARST。此外，V/D调制器112接收控制信号VDBIT，这个信号确定V/D调制器112是操作在正常操作模式下，还是操作在诊断自测试模式下。

V/D调制器112的输出是一个比特的数据流TDATA，这是一个脉冲代码调制的信号，这个信号表示输入电压降ΔVIN＝VINP-VINN(为温度传感器RTD两端的电压降)和差值基准电压ΔVREF＝VREFP-VREFN之间的输入电压比。

数字部分114提供C/D调制器110、V/D调制器112的模拟电路和微处理器116之间的接口。在一种优选实施例中，调制器110和112以及数字部分114是在一个专用集成电路(ASIC)芯片130中实施的。

数字部分114向调制器110和112提供时钟和控制信号，并且分别从调制器110和112接收一个比特的数据流信号PDATAT和TDATA。数字部分114对于一个比特的数据流进行滤波，使其成为较高分辨率的数据，并将其存储在可由微处理器116访问的寄存器内。

数字部分114还包括配置寄存器，配置寄存器由微处理器116设置，并为C/D调制器110和V/D调制器112确定操作参数。这个配置寄存器中包括用于选择操作模式的数值，因此微处理器116能够选择正常操作模式的操作或诊断自测试模式的操作。

微处理器116与数字部分114相接。微处理器116设置基本的操作参数，并且将从数字部分114接收的数据映射成压力和温度读数。

微处理器116通过接口118和通信媒介120与控制室通信。例如，微处理器116根据压力读数和温度读数产生一个输出，这个输出表示对于温度校正过的差值压力。微处理器116使接口118可以改变通过双线回路(通信媒介120)流动的电流，使这个电流可以表示差值压力输出。微控制器116还可以通过接口118利用数字通信协议与控制室通信。如果使用这个协议，微处理器116就可以发送有关二次参数(温度)以及诊断代码的信息和其它信息。虽然通信媒介120表示为双线回路，但也可以通过无线传输或其它类型的传输线路来通信传感器读数、诊断代码、和其它数据。

在一种优选实施例中，调制器110和112同步地操作为低频测量应用设计的二阶∑-Δ模拟调制器。每个调制器110、112从换能器接收低电平输入信号并产生串行的数字输出。对于C/D调制器110，换能器是由CH、CL、CHR、CLR形成的基于电容的金属单元差值压力传感器。对于V/D调制器112，换能器是电阻型温度传感器RTD或者是非电阻型电压输出温度检测设备，比如是一个二极管的结。通过包含在数字部分114内的芯片上数字滤波器来处理调制器输出PDATA和TDATA。这些滤波器是可编程的，因此可以调节数字滤波器的陷波频率、截止频率和输出数据速率。

C/D调制器110工作的频率速率范围约为23kHz到66kHz。C/D调制器110从金属单元差值压力传感器接收4个电容输入CH、CL、CHR、CLR。每个输入信号所占电容范围为10pF-100pF。C/D调制器110根据4个电容CH、CL、CHR、CLR产生一个比例测量值。C/D调制器110向4个电容器的公共板极提供传感器激励信号SENEX。传感器激励信号SENEX在两个电压电平VP和VN之间进行切换。

V/D调制器112是全差分式的，并且连接到RTD型温度-电压传感器上。RTD传感器的激励是在外部从专用集成电路芯片130产生的。V/D调制器112的工作频率范围是10kHz到20kHz。V/D调制器112向数字部分114提供TDATA信号形式的串行PCM数据。

数字部分114分别从调制器110和112接收PDATA和TDATA信号的PCM串行数据，并使用Sinc滤波技术进行滤波。Sinc滤波器是可编程的，允许在变换器分辨率和数据更新速度之间进行折衷。数字部分114还向调制器110和112提供调制器时钟和配置设定值。经过变换的C/D和V/D数据字可由微处理器116利用，以便通过SPI串行接口实行读出。

利用微处理器116通过支持SPI接口的串行通信端口可以访问数字部分114的数据和配置寄存器。微处理器116可以对数字部分114中的配置寄存器进行读/写访问，并且对状态/中断、CD数据和VD数据寄存器实现读出访问。

在发生加电复位后，微处理器116在数字部分114内建立配置寄存器。这使数字部分114能向调制器110、112提供调制器时钟和配置设定值，并开始处理通过数字滤波器从调制器110、112接收的数据信号PDATA和TDATA。当更新的数据可被利用时，数字部分114中断微处理器116，微处理器116变换数据并清除中断。然后，微处理器116等待下一次中断，以便在可用的时候读出新的变换数据。数字部分114只返回有效的数据；因此，第一次中断的时间比随后的中断时间要长些。

发射器100有几个诊断特征。C/D调制器110和V/D调制器112具有诊断自测试特征，以核实正确的操作。此外，C/D调制器110包括的电路可以确定环形电容器引线是否开路，并因此而不能连接到C/D调制器110。数字部分114中的配置寄存器利用冗余方案进行保护，用于提醒微处理器116是否有任何寄存器比特遭到破坏。可以从数字部分114的一个数字测试端口输出调制器时钟和数字比特流，以便可以作出预先诊断。

在所选的时间，微处理器116在数字部分114的寄存器内设置配置比特，从而可以发生C/D调制器110和V/D调制器112的自测试。

在C/D调制器110的情况下，通过来自数字部分114的DMOD控制信号选择诊断自测试模式。当选择诊断自测试模式时，断开传感器主电容器CH、CL，并且用位于C/D调制器110内部的已知数值(CR＝35pF)的芯片上电容器代替传感器环形电容器CHR、CLR。CR用作输入到C/D调制器110的代用传感器。C/D调制器110继续工作，但是代理电容器CR通过调制器时钟信号供电。结果，C/D调制器110的PDATA输出信号是高和低增益因子K_H和K_L、线性补偿电容C_Llin和C_Hlin及代用传感器电容器CR的函数。根据包含在数字部分114的寄存器中的配置信息，可以选择增益因子和线性补偿电容值。这将允许诊断自测试模式利用几个不同组的增益因子和线性补偿电容值测试C/D调制器110。于是，C/D调制器110的数字输出的特征是与压力传感器的条件无关，也与所加的压力无关。可供选择的增益和线性补偿电容的多个数值提供一种能力，即在表示输入压力范围的多种不同已知输入条件下测试C/D调制器110和数字部分114的能力。

在制造专用集成电路芯片130和发射器100期间，使用与在现场操作期间使用的方式类似的诊断自测试模式。在成形车间使用诊断自测试模式测试专用集成电路芯片130。因为可以只使用芯片上产生的代用检测信号进行测试，所以测试更迅速、更准确且更可靠。由微处理器116存储在制造发射器100期间自测试模式的结果，使得在现场进行诊断自测试模式时，可将此结果用于比较。如果在自测试模式期间数字部分114的寄存器中所存的自测试模式数据的结果处于制造测试期间产生的存储值的可接受限值之外，则微处理器116产生差错标志。可将差错条件作为诊断差错代码，通过接口118和通信媒介120通信，以返回到控制室。

在诊断自测试模式期间，数字部分114还用控制信号VDBIT控制V/D调制器112。在诊断自测试模式下，利用V/D调制器112内的开关，使温度传感器RTD与V/D调制器电路断开。将来自传感器的差值输入电压ΔVIN设定为已知值，例如0伏，这表示代用检测信号用在自测试当中。即使调制器112对于0输入条件产生0输出，也可通过代用检测信号(ΔVIN＝0)进行测试，因为它是∑-Δ式的电荷抵消体系结构。为了使其能产生0输出，必须积分并抵消电荷，这时抵消的数量与在抵消非0输入条件中积分的电荷数量类似。V/D调制器112的任何功能块的失效将阻止它测量0输入条件。

在诊断自测试模式期间，还可以向V/D调制器112提供作为代用检测信号的其它已知输入电压值，以便提供多个测试电平，这与在自测试期间C/D调制器110的操作类似。如果数字部分114返回到微处理器116数值表示在自测试模式期间V/D调制器112的故障，则微处理器116通过接口118和通信媒介120通信交换这次失效的测试，即一个诊断代码。

可以在通过微处理器116维持的调度下，周期性地执行诊断自测试模式。此外，自测试可由控制室启动，控制室在通信媒介120上发送适当的信号，由接口118接收这个信号，并将它提供给微处理器116。不管在哪种情况下，发射器100都能完成对它的重要部件的测试，不需要实际访问发射器100的个性化服务。这就允许实现比其它实际可行的方式更加频繁的周期性测试。

图3表示C/D调制器110的方块图。如图3所示，C/D调制器110包括：计时器150、第一级积分器152、第二级积分器154、量化器156、激励信号发生器158、反向激励电路160、主输入控制器162、环形输入控制器164、线性电容器控制器166、增益控制器168、开环检测器170、和偏置电路172。

计时器150为定时信号发生器，它从数字部分114接收PCLK时钟信号和ARST复位信号，并产生8个定时信号：i、id、z、zd、smp1、smp2、smp3、Rest。

i和id信号分别是积分相位信号和经过延迟的积分相位信号。z、zd分别是准备相位信号和经延迟的准备相位信号。信号smp1是比较器确定触发信号；smp2是比较器闩锁信号；smp3是比较器输出同步信号。Rest是C/D转换器的复位信号。

第一级积分器152提供输出电压VOUT1，这个输出电压VOUT1是通过主输入电容器控制器162、线性电容器控制器166和环形电容器增益控制器168连接到积分器152的输入电容之和的函数。主电容器CH、CL向主控制器162提供入电容，主电容器CH、CL由传感器激励信号SENEX驱动。通过信号LH和LL选择由线性电容器控制器166提供的线性补偿电容，线性电容器控制器166由线性电容激励信号驱动。由增益控制器168提供的电容是根据信号KH和KL选择的，增益控制器168是由反向激励信号REVEX驱动的，反向激励信号REVEX是环形电容CHR、CLR的函数。

第二级积分器154的主要功能是执行一种操作，以便能对第一级积分器152的输出电压的当前值VOUT(n)进行积分，积分权重为负1/2，并且可对第一级积分器152的输出电压的前一个值VOUT(n-1)进行积分，积分权重为正1/4。第二级积分器154的输出是电压VOUT2，电压VOUT2提供给量化器156的输入端。

量化器156的功能是将第二级积分器154的模拟输出转换成1比特的数字信号。量化器156的主要部件是比较器和触发器。比较器比较VOUT2与中点电压VMID。如果电压VOUT2小于VMID，则比较器输出是“1”，否则是“0”。D触发器用于同步比较器输出信号。

量化器156具有两个从D触发器导出的输出端。激励信号发生器158利用量化器输出y确定激励信号的极性。此外，主控制器162、环形控制器164和增益控制器168也要使用逻辑输出y。

输出信号PDATA与y的极性相反。PDATA是作为C/D调制器110的输出提供给数字部分114的1比特的数字信号。

激励信号发生器158产生3个激励信号：传感器激励信号SENEX、线性补偿电容器激励信号LINEX，以及诊断自测试激励信号DGNFEX。这些激励信号中的每一个都在两个电压电平VP和VN之间切换。VP是大于VMID的电压，VN是小于VMID的电压。

由激励信号发生器158给出的3个激励信号当中的每一个都可作为正激励或者作为负激励。正激励信号随着定时信号id之后，负激励信号随着定时信号zd之后。

在正常操作模式期间产生传感器激励信号SENEX。在诊断自测试模式期间激励信号SENEX无效。如果量化器逻辑输出y＝1，则下一次激励的SENEX信号一定为正。如果量化器逻辑输出y＝0，则下一次激励的SENEX信号一定为负。

在正常操作模式和诊断自测试模式这两种模式下，LINEX信号都是有效的。LINEX信号的下一次激励是正还是负，确定与量化器逻辑输出y和线性电容代码LH和LL的符号位有关。如果量化器逻辑输出y＝1并且LH代码的符号位等于0，则LINEX信号的下一次激励一定为负。如果量化器逻辑输出y＝0并且LH的符号位等于1，则LINEX信号的下一次激励一定为正。如果量化器逻辑输出y＝0并且LL代码的符号位等于0，则LINEX信号的下一次激励一定为正。如果量化器逻辑输出y＝0并且LL的符号位等于1，则LINEX信号的下一次激励一定为负。

只有在诊断自测试模式(当DMOD＝1时)下，诊断激励信号DGNEX才是有效的。如果量化器逻辑输出y＝1，则DGNEX的下一次激励一定为负。如果量化器逻辑输出y＝0，则DGNEX的下一次激励一定为正。

反向激励信号发生器具160产生反向激励信号REVEX。REVEX的激励极性与传感器激励信号SENEX相反。REVEX的大小与环形控制器164提供给反向激励信号发生器160输入端的输入电容成比例。作为输入，REVEX信号提供给增益控制器168和开环检测器170这二者。

主控制器162用作主传感电容器的输入路径控制器。主控制器162可以根据所选模式以及当前的量化器逻辑输出y的状态有选择地将主传感电容器CH、CL连接到第一级积分器152的输入端。

在正常操作模式下，如果y＝1，则在下一采样周期传感电容器CH通过主控制器162连接到第一级积分器152的输入端。传感电容器CL从第一级积分器152的输入端上断开。

在正常操作模式，如果y＝0，则在下一个采样周期传感电容器CL通过主控制器162连接到第一级积分器152的输入端。传感电容器CH从第一级积分器152的输入端上断开。

如果发射器100处于诊断自测试模式(DMOD＝1)，则主控制器162使CH、CL这二者都与积分器152断开。换句话说，在诊断自测试模式期间，不使用主传感器电容器CH和CL。

环形输入控制器164用作环形电容器的输入路径控制器。环形输入控制器164的输入是环形电容器CHR和CLR，输出是信号RMUX，这个信号RMUX被提供给反向激励发生器160的输入端。

在正常操作模式和诊断自测试模式这两种模式下，环形输入控制器164都工作。在正常操作模式下，传感器激励信号SENEX是有效的，诊断激励信号DGNEX是无效的。如果当前的量化器输出y＝1，则在下一采样周期，环形电容器CHR被连到反向激励单元160，而环形电容器CLR与反向激励单元160断开。如果当前的量化器输出y＝0，则在下一采样周期，环形电容器CLR被连到反向激励单元160，而环形电容器CHR从与向激励单元160断开。

在诊断自测试模式下，诊断激励信号DGNEX是有效的，传感器激励信号SENEX是无效的。环形输入控制器164断开环形电容器CHR和CLR。通过环形输入控制器164连接由DGNEX驱动的代用传感器电容器CR，以此代替所述环形电容器CHR和CLR。

线性补偿电容器输入控制器166包括由4个线性补偿电容器组成的阵列，线性补偿电容器的电容值为0.5pF、1.0pF、2.0pF和4.0pF。电容器阵列有一个公共板，公共板与线性激励信号LINEX相连。通过开关逻辑并根据当前量化器输出信号y以及高端、低端线性电容器代码LH、LL，选择与第一级积分器152连接的一个或多个特定电容器。

还可以利用在模拟配置寄存器中所存的5位数字代码单独编程线性补偿电容器。该5位代码中的最高位用于符号控制，并由激励信号发生器158使用；最低的4位用于设置线性电容器的数值，并且由线性电容器控制器166使用。如果符号位是1，则线性电容器值是负的。如果符号位是0，则线性电容器值是正的。在优选实施例中，用于选择电容器值的4位产生16个不同电容值，范围是从0.0pF到7.5pF。

在正常操作模式和诊断自测试模式下，所述线性电容器阵列都是有效的。如果当前的量化器输出y＝1，则高端线性电容器代码LH用作开关控制信号，以确定哪个线性补偿电容器将要连接到第一级积分器152的输入端。如果当前的量化器输出y＝0，则低端线性电容器代码LL用作开关控制信号，以确定哪个线性补偿电容器将要连接到第一级积分器152的输入端。

增益控制器168是可编程电容器阵列形式的可编程输入控制单元。在一种优选实施例中，数值为44.75pF、1.25pF、2.50pF、5.0pF和10.0pF的5个电容器形成所述可编程增益级电容器阵列。连接5个电容器当中每一个电容器的一个板，使它能够接收反向激励信号REVEX。一个开关阵列按照高端增益代码KH或者低端增益代码KL有选择地将每个电容器的另一相对的板连接到第一级积分器152的输入端。如果当前的量化器输出y＝1，则将高端增益代码KH选择为开关控制信号。如果当前的量化器输出y＝0，则将低端增益代码KL选择为开关控制信号。在正常操作模式和诊断模式这两个模式下，增益控制器168内的增益级电容器阵列都是有效的。

以数字部分114存储的模拟配置寄存器中的4位数字代码，可使环形电容器增益因子KH和KL被独立地编程。利用该4位的代码可以选择16个不同的增益因子。在一种优选实施例中，这些增益因子从0.39变到0.54。

开环检测器170接收来自反向激励发生器160的REVEX。开环检测器170的功能是检测环形电容器CHR、CLR的开路的引线。如果环形电容器的引线之一开路，则环形电容将要下降到某个阈值水平。在高端采样期间，当环形输入控制器160选择CHR的时候，如果在积分阶段结束时，REVEX信号的电压V_REVEX大于阈值电压V_TH，则高端环形电容器CHR开路。这将使信号CHOR置位成“1”。

在低端采样期间，通过环形输入控制器164，将CLR连到反向激励发生器162。如果在积分阶段结束时电压V_REVEX小于低端阈值V_TH，则低端环形电容器CLR开路。使信号CLOR置位成“1”。

C/D调制器110有两种操作模式，即正常操作模式和诊断自测试模式。由逻辑信号SDOM和DMOD选择所述操作模式，这两种逻辑信号被存储在数字部分114的模拟配置寄存器内。当SDOM＝1并且DMOD＝0的时候，C/D调制器110处于正常操作模式下工作。当SDOM＝0并且DMOD＝1的时候，C/D调制器110处于诊断自测试模式下工作。对于这两种操作模式的传输函数有如下的规定：

在正常操作模式下，测量中的电容之比是

η_{S} = \frac{(C_{H} - k_{H} C_{HR} - C_{Hlin}) - (C_{L} - k_{L} C_{LR} - C_{Llin})}{(C_{H} - k_{H} C_{HR} - C_{Hlin}) + (C_{L} - k_{L} C_{LR} - C_{Llin})}

其中，k_H是高端环形电容器增益因子，k_L是低端环形电容器增益因子，C_Hlin和C_Llin是高端和低端的线性补偿电容。在正常操作模式下工作的C/D调制器的传输函数的规定如下：

\frac{(C_{H} - k_{H} C_{HR} - C_{Hlin}) - (C_{L} - k_{L} C_{LR} - C_{Llin})}{(C_{H} - k_{H} C_{HR} - C_{Hlin}) + (C_{L} - k_{L} C_{LR} - C_{Llin})} = 2 \frac{N_{1}}{N} - 1

其中，N₁是C/D SINC滤波器的输出，N＝2²⁴。这个比例的范围是[-1，1]，N₁的范围是[0，N]。

在诊断模式下，主传感器电容器断开，用一个芯片上电容(C_R＝35pF)代替传感器环形电容器。在测量中的电容之比是

η_{d} = \frac{(k_{H} C_{R} - C_{Hlin}) - (k_{L} C_{R} - C_{Llin})}{(k_{H} C_{R} - C_{Hlin}) + (k_{L} C_{R} - C_{Llin})}

通过选择不同的增益因子k_H，K_L或线性补偿电容C_Hlin和C_Llin，可以实现不同的电容之比。

在诊断自测试模式下工作的C/D调制器的传输函数的规定如下：

\frac{(k_{H} C_{R} - C_{Hlin}) - (k_{L} C_{R} - C_{Llin})}{(k_{H} C_{R} - C_{Hlin}) + (k_{L} C_{R} - C_{Llin})} = 2 \frac{N_{1}}{N} - 1

图4表示V/D调制器112的方块图，V/D调制器112包括四个功能块：积分器190、量化器192、计时器194、偏置电路196，以及测试多路转换器198。

V/D调制器112是二阶∑-Δ调制器。积分器190根据输入值VINP和VINN以及基准值VREFP和VREFN完成两级积分。将积分器190的输出提供给量化器192。量化器192的功能是用作1比特的模拟-数字转换器。它的输出是脉冲代码调制的信号TDATA，这个信号是ΔVIN除以ΔVREF之比的函数。

在诊断模式下，积分器电路190短路输入端，因此ΔVIN＝0，数字输出端将要送出数据，就好像输入是0的一样。如果在诊断自测试模式期间的数字输出为非零的数值，这表明V/D调制器112的一个误动作。

V/D调制器112还具有测试多路转换器198，测试多路转换器198允许积分器190的第一级和第二级的积分器输出发送给模拟测试插针。这使得能够由技术人员完成现场的诊断。

图5表示数字部分114的方块图。数字部分114包括：时钟发生器200、C/D Sinc^x滤波器202、V/D Sinc^2滤波器204、寄存器206A-206K、CPI接口208、诊断和测试插针多路转换器210，以及杂项芯片电路212。

时钟发生器200从主时钟输入插针I_CLK导出数字部分114所用的时钟信号。数字部分114使用时钟信号。时钟发生器200向调制器110和112提供时钟信号PCLK和TCLK以及复位信号ARST。

C/D Sinc^x滤波器202与C/D转换器110结合使用，以测量电容之比，最终目的是导出高分辨率压力读数。Sinc^x滤波器是可充分编程的。这些Sinc滤波器与∑-Δ式调制器一起使用，以提高数据转换器的分辨率，同时降低它的输出数据速率。滤波器202从C/D转换器110取出串行数据流PDATA，过滤这个数据，并且在C/D数据寄存器206A中存储这个24位的结果。

V/D Sinc^2滤波器204与C/D调制器112结合使用，以提供低分辨率电压测量值。V/D Sinc^2滤波器202按抽取速率和标度是可编程的。V/DSinc^2滤波器204的输出是一个存储在VD数据寄存器206B中的24位的结果。

寄存器206A-206K是可以由微处理器116通过SPI接口208访问的7个寄存器。这些寄存器包括：两个数据寄存器(CD数据寄存器206A和VD数据寄存器206B)、4个配置寄存器(CD配置寄存器206C、VD配置寄存器206D、杂项配置寄存器206E、模拟配置寄存器206F)、4个阴影寄存器(CD阴影寄存器206G、VD阴影寄存器206H、杂项阴影寄存器206I、模拟阴影寄存器206J)，以及状态/中断寄存器206K。

微处理器116可对配置寄存器206C-206F以及阴影寄存器206G-206J实行读出和写入。微处理器116可以只从CD数据寄存器206A和VD数据寄存器206B以及状态/中断寄存器206K读出。

CD数据寄存器206A包含一个来自C/D压力通道的24位结果。当可以得到新值的时候，通过C/D Sinc^x滤波器202自动更新CD数据寄存器206A的数值。如果微处理器116在可以下一数据利用之前未能读出新的数据，通过状态寄存器206K置位CD-Overrun状态位。如果在微处理器116正在读出CD数据寄存器206K时发生更新，则丢弃这个新的数据，使正在读出的数据不被破坏。构成所述CD数据寄存器206A，使其决不会返回到全0或全1的状态。如果微处理器116读出这两个值(全1或全0)当中的任何一个，表明微处理器116出现串行通信的问题。

VD数据寄存器206B包含一个来自V/D温度通道的24位结果。当可以得到新值的时候，通过V/D Sinc^2滤波器204自动更新VD数据寄存器206B的数值。如果微处理器116在下一数据可被利用以前未能读出新的数据，通过状态寄存器206K置位VD-Overrun状态位。如果在微处理器116正在读出VD数据寄存器206K时发生更新，则丢弃这个新的数据，使正在读取的数据不被破坏。与CD数据寄存器206A类似，构成所述VD数据寄存器206B，使它决不会返回全0或全1状态。如果微处理器116从VD数据寄存器206B读出这两个值当中的任何一个，则由微处理器116测得一个串行通信的问题。

CD配置寄存器206C控制C/D滤波器202的工作。寄存器206C的内容包括：含有滤波器202抽取信息的一个字段、含有滤波器202比因子的一个字段、将滤波器202的滤波器价数设置为Sinc^3滤波器或者为Sinc^2滤波器的一个比特，以及用以确定滤波器202在更新CD数据寄存器206A之前是自动平均两个C/D数据值还是不平均这两个C/D数据值的一个比特。平均将使C/D通道的两次更新之间的周期加倍。

VD配置寄存器206D控制V/D滤波器204的操作。VD配置寄存器206D包含用于确定V/D Sinc^2滤波器204抽取速率的一个字段和用于确定滤波器204比例因子的一个字段。

杂项配置寄存器206E包含：为确定CD调制器时钟PCLK速率时钟发生器200所用的一个字段、为确定时钟PCLK占空比时钟发生器200所用的一个字段、以及设定VD调制器时钟TCLK所用时钟速率的一个字段。此外，杂项配置寄存器206E还包括：用于确定向微处理器116提供中断的时间的多个比特、以及允许多路转换器210的数字测试插针进行操作的一个比特。

模拟配置寄存器206F包含用于控制C/D调制器110和V/D调制器112工作的配置比特。寄存器206F包括一些用于设置高端和低端环形增益KH、KL以及高端和低端线性电容器值LH、LL的字段。寄存器206F还包括：一些用于确定高端和低端线性电容器和符号的比特；为选择正常操作模式或诊断自测试模式，一些用来确定向调制器110、112提供的SMOD、DMOD，以及VDBIT模式选择信号状态的比特，以及一些用来确定在测试点允许利用内部模拟信号的模拟测试模式的比特。最后，模拟配置寄存器206F还包括一个滤波器复位字段，这个字段可以复位C/D调制器110和V/D调制器112，以及它们的对应的滤波器202、204。

对于每个配置寄存器206C-206F而言，都存在一个对应的阴影寄存器206G-206J，阴影寄存器206G-206J应该包含对应的配置寄存器的反向拷贝。微处理器116负责向配置寄存器和它的阴影寄存器内正确地写入数据。使阴影寄存器的内容与对应的配置寄存器的内容进行连续的比较。如果在任何时间检测到差异，则在状态/中断寄存器206K中出现一个冗余差错。

状态中断寄存器206K包含一个芯片识别字段，用于识别专用集成电路芯片130的当前版本。状态中断寄存器206K还包括多个状态或中断比特。这些比特表示：新的V/D和C/D数据可以利用的时间、由于以新数据重写寄存器尚未内读取而发生V/D和C/D数据溢出的时间、一旦冗余检查测得一个冗余差错而设定的冗余差错比特、表示开环检测器170在高端或低端传感器上是否已经测到开环状态的状态比特。

微处理器116通过SPI接口208与寄存器206A-206K通信联系。当微处理器116启动一次诊断自测试时，微处理器116通过在模拟配置寄存器206F中设置适当的比特，以实现诊断自测试。然后，在C/D调制器110和V/D调制器112这二者中执行诊断自测试模式，并且微处理器116从CD数据寄存器206A和VD数据寄存器206B中读出这个结果。然后，微处理器116将这个结果与工厂测试期间存储的期望值比较。如果诊断自测试的结果在可接受的限制值之外，则微处理器116发出差错条件的标志，并且通过接口118与控制室通信。

在完成诊断自测试模式时，微处理器116还要根据诊断自测试之前刚进行过的正常操作模式的测量值继续在通信媒介120上发送输出。于是，对于控制室来说诊断自测试模式是一目了然的，它是在没有向控制室提供代用传感器读数的条件下实现的。

最好把实现诊断自测试模式的调度计划表存储在微处理器116中。这将使得能够周期性地实行诊断自测试模式，不需要任何来自控制室的干预或指示。微处理器116报告诊断自测试的结果，在自测试过程中不需要涉及控制室电路。

作为另一种可供选择的方式，可以通过在通信媒介120上发送给微处理器116的控制指令，从控制室启动诊断自测试模式。

总之，本发明的诊断自测试模式给出一种能力，可以规则地检查现场发射器精度及性能而不需要技术人员在场测试。诊断自测试模式可以识别作为差错源的信号处理电路(如专用集成电路芯片130)，因此方便了修理和替换。此外，在车间制造专用集成电路芯片130期间，以及在制造现场发射器期间，自测试模式都是一项有价值的测试。

虽然已经针对电容差值压力发射器的内容描述过本发明，然而，可将本发明应用到任何现场发射器上。比如，在另一种实施例中，现场发射器使用电阻性压力传感器，如应变计，以提供一个电压，这个电压是被检测的压力的函数。通过∑-Δ式电压-数字变换器或者通过其它类型的模拟-数字转换器将这个电压变换成数字。产生代用检测信号，产生的方式与以上参照发射器10和100描述的方式类似。

虽然已经参照优选实施例描述了本发明，然而本领域的普通技术人员应能理解，在不偏离本发明构思和范围的情况下，可以在形式上和细节上产生许多的变化。

Claims

1.一种现场发射器，用于发射表示过程变量的信号，所述现场发射器包括：

物理传感器，它检测过程变量并产生表示过程变量的物理检测信号；

代用传感器，它产生与过程变量无关的代用检测信号；

信号处理电路，它将输入信号转换为测量值；

用于在正常操作模式期间向信号处理电路提供作为输入信号的物理传感器参数，并在诊断模式期间向信号处理电路提供作为输入信号的代用传感器参数的装置；

用于在通信链路上发送作为正常操作模式期间所产生测量值函数的输出信号的装置；

用于根据诊断模式期间所产生测量值实现诊断评估的装置。

2.如权利要求1所述的现场发射器，其中，还包括：

用于在正常操作模式期间向物理传感器并在诊断模式期间向代用传感器提供激励信号的装置。

3.如权利要求1所述的现场发射器，其中，所述物理传感器为电容式压力传感器。

4.如权利要求3所述的现场发射器，其中，所述代用传感器为一个基准电容器。

5.如权利要求3所述的现场发射器，其中，所述代用传感器包括多个基准电容器。

6.如权利要求1所述的现场发射器，其中，所述物理传感器为温度传感器。

7.如权利要求6所述的现场发射器，其中，所述代用传感器为一个基准电压源。

8.如权利要求7所述的现场发射器，其中，所述代用传感器产生零电压输入信号。

9.如权利要求1所述的现场发射器，其中，所述物理传感器产生作为过程变量函数的可变电容。

10.如权利要求9所述的现场发射器，其中，所述信号处理电路包括电容-数字(C/D)转换器。

11.如权利要求10所述的现场发射器，其中，所述C/D转换器包括∑-Δ式调制器。

12.如权利要求1所述的现场发射器，其中，所述物理传感器产生作为过程变量函数的可变电压。

13.如权利要求12所述的现场发射器，其中，所述信号处理电路包括电压-数字(V/D)转换器。

14.如权利要求13所述的现场发射器，其中，所述V/D转换器包括∑-Δ式调制器。

15.如权利要求1所述的现场发射器，其中，还包括：

用于在诊断模式期间存储测量值的期望值的装置。

16.如权利要求15所述的现场发射器，其中，用于实现诊断评估的装置根据在诊断模式期间的测量值与期望值的比较结果产生诊断代码。

17.如权利要求1所述的现场发射器，其中，所述信号处理电路和用于提供的装置被结合在集成电路内。

18.如权利要求17所述的现场发射器，其中，所述代用传感器也包含在所述集成电路内。

19.一种现场发射器，包括：

传感器；

信号处理器，它产生作为传感器的输入的函数的测量输出；

通信接口，提供作为测量输出函数的发射器输出；

诊断自测试电路，用以在诊断模式期间向信号处理器提供诊断输入以代替来自传感器的输入；以及

用于响应诊断输入并根据信号处理器的测量输出提供诊断输出的装置。

20.如权利要求19所述的现场发射器，其中，所述传感器向信号处理器提供可变电容输入，作为检测参数的函数。

21.如权利要求20所述的现场发射器，其中，在诊断模式期间，所述诊断自测试电路向信号处理器提供基准电容输入。

22.如权利要求21所述的现场发射器，其中，所述诊断自测试电路包括多个可选择的增益和线性电容器。

23.如权利要求20所述的现场发射器，其中，所述信号处理器包括∑-Δ式电容-数字(C/D)调制器。

24.如权利要求19所述的现场发射器，其中，所述传感器向信号处理器提供作为检测参数的函数的可变电压输入。

25.如权利要求24所述的现场发射器，其中，在诊断模式期间，所述诊断自测试电路向信号处理器提供基准电压输入。

26.如权利要求19所述的现场发射器，其中，所述信号处理器和诊断自测试电路被合并在集成电路内。

27.如权利要求26所述的现场发射器，其中，所述诊断自测试电路在集成电路内产生诊断输入。

28.一种现场发射器，具有正常操作模式，在正常操作模式下面，传感器产生作为检测参数的函数的传感器信号，信号处理器将传感器信号转换成测量值，通信接口发送作为测量值函数的发射器输出，其特征在于，还包括：

诊断自测试电路，在诊断模式期间，该电路使代理信号代替传感器信号；和

在诊断模式期间用于根据信号处理器产生的测量值产生诊断输出的装置。

29.如权利要求28所述的现场发射器，其中，所述信号处理器和诊断自测试电路被合并在集成电路内。

30.如权利要求29所述的现场发射器，其中，所述诊断自测试电路在集成电路内产生代理信号。

31.一种现场发射器，具有正常操作模式和诊断自测试模式，所述现场发射器包括：

传感器，它检测参数和产生传感器信号；

∑Δ式调制器，在正常操作模式期间产生作为传感器信号函数，并在诊断自测试模式期间作为代理信号函数的数据信号；

数据处理器，它选择正常操作模式和诊断自测试模式，控制作为在正常操作模式期间产生的数据信号的函数的发射器输出的传输，以及在诊断自测试模式期间产生的数据信号表明出现故障的条件下产生诊断代码的传输。

32.一种操作现场发射器以提供诊断自测试的方法，所述方法包括如下步骤：

启动诊断自测试模式，其中代理输入替换对现场发射器的信号处理电路的传感器输入；

比较信号处理电路的输出与根据代理输入，得到的期望输出。

33.如权利要求32所述的方法，其中，还包括：

根据信号处理电路的输出与期望输出的比较结果，产生表示诊断自测试结果的诊断代码。

34.一种现场发射器中用的集成电路，所述现场发射器产生的输出作为传感器检测参数的函数，所述集成电路包括：

信号处理器，它产生作为传感器输入的函数的检测输出；和

诊断自测试电路，在诊断模式期间对信号处理器产生诊断输入以代替来自传感器的输入，从而在诊断模式期间信号处理器的测量输出是诊断输入的函数。

35.如权利要求34所述的集成电路，其中，所述诊断自测试电路在集成电路内产生产生诊断输入。