CN209327858U - 用于将现场设备通信地耦合到远程终端单元的装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及用于将现场设备通信地耦合到远程终端单元的装置。该示例性装置包括用于过程控制系统中的远程终端单元的基础机架。该示例性装置还包括第一端接模块，第一端接模块被插入在基础机架的第一端接槽中。通信地耦合到现场设备的接线被端接在第一端接模块上。该示例性装置还包括与第一端接模块分离的第一控制模块，第一控制模块插入在基础机架的第一控制槽中。第一控制模块经由基础机架的背板与第一端接模块通信地耦合。第一控制模块控制与现场设备的通信，其中，当第一端接模块和第一控制模块经由基础机架的背板通信地耦合时，第一端接模块提供识别信号，该识别信号指示第一端接模块的类型。

Description

用于将现场设备通信地耦合到远程终端单元的装置
技术领域
概括地说，本公开内容涉及过程控制系统，并且更具体地说，涉及用于将现场设备通信地耦合到远程终端单元的方法和装置。
背景技术
工业控制系统，如在油气生产行业中使用的那些工业控制系统，通常包括一个或多个远程终端单元(RTU)和/或流量计算机作为控制系统的操作过程单元中的关键部件(例如，在井口石油生产现场)。RTU用于将控制系统主机与现场设备(例如，阀、阀定位器、开关、传感器、变送器等) 相连接，该现场设备被配置为执行控制功能(诸如打开或关闭阀以及测量过程参数)。RTU通过将命令从主机传送到现场设备，并通过将现场设备发送的数据传送回主机来实现这种连接。这种通信可以经由使用任何期望的通信介质(例如，硬连线、无线等)和协议(例如，Filedbus、 等)的模拟、数字或组合的模拟/数字总线中的任何一种来实现。另外或替代地，RTU可以作为独立的设备，其独立于由主机提供的命令(和/ 或不连接到主机)来实现过程控制和数据归档。
实用新型内容
鉴于在通常包括一个或多个远程终端单元(RTU)和/或流量计算机作为控制系统的操作过程单元中的关键部件的工业控制系统中，控制系统人员可能需要访问广泛的不同类型的I/O模块，这可能涉及大量成本的问题，本实用新型提供了一种用于将现场设备通信地耦合到远程终端单元的装置。
公开了用于将现场设备通信地耦合到远程终端单元的装置。示例性装置包括基础机架，所述基础机架用于过程控制系统中的远程终端单元。所述示例装置还包括第一端接模块，所述第一端接模块被插入在所述基础机架的第一端接槽中。通信地耦合到现场设备的接线被端接在所述第一端接模块上。所述示例性装置还包括与所述第一端接模块分离的第一控制模块，所述第一控制模块被插入在所述基础机架的第一控制槽中。所述第一控制模块经由所述基础机架的背板与所述第一端接模块通信地耦合。所述第一控制模块控制与所述现场设备的通信。当所述第一端接模块和所述第一控制模块经由所述基础机架的所述背板通信地耦合时，所述第一端接模块提供识别信号，所述识别信号指示所述第一端接模块的类型。
在一个示例中，当所述第一端接模块对应于第一类型的端接模块时，所述识别信号具有第一值，当所述第一端接模块对应于第二类型的端接模块时，所述识别信号具有第二值，所述第一控制模块包括处理器，以基于所述识别信号来识别所述第一端接模块的类型。
在一个示例中，所述第一控制模块基于所述第一端接模块的类型来自动地生成兼容性信号，所述兼容性信号指示所述第一端接模块是否与所述第一控制模块兼容。
在一个示例中，当所述第一端接模块的类型与所述第一控制模块不兼容时，所述第一控制模块自动地防止所述第一控制模块与所述现场设备之间的信号的通信。
在一个示例中，所述第一类型的端接模块包括用于调节所述现场设备与控制模块之间的信号的第一调节电路，所述第二类型的端接模块包括用于调节所述现场设备与控制模块之间的信号的第二调节电路，所述第二调节电路不同于所述第一调节电路。
在一个示例中，所述第一调节电路是以下各项中的至少一项：浪涌保护电路、高边驱动器、低边驱动器、交流输入电路、交流输出电路、高电压输入电路、毫伏到伏放大器、脉冲放大器、差分放大器、输出熔断器、或冗余块。
在一个示例中，所述第一调节电路与所述第一类型的端接模块的第一通道相关联，所述第一类型的端接模块包括与所述第一类型的端接模块的第二通道相关联的第三调节电路，所述第一调节电路具有与所述第三调节电路不同的电路。
在一个示例中，从所述第一端接槽移除所述第一端接模块将导致由所述第一控制模块监测的信号中的电压升高。
在一个示例中，将所述第一端接模块插入到所述第一端接槽中将导致由所述第一控制模块监测的信号中的电压下降，所述电压下降触发用于验证所述第一端接模块与所述第一控制模块的兼容性的检验过程。
在一个示例中，当所述第一端接模块和所述第一控制模块经由所述基础机架的所述背板通信地耦合时，所述第一端接模块包括识别电阻器，所述识别电阻器与所述第一控制模块中的参考电阻器一起形成分压器，所述识别信号对应于分压器的输出电压。
在一个示例中，所述第一控制模块包括内部集成电路至单线(1-wire) 转换器，以在所述第一端接模块和所述第一控制模块经由所述基础机架的所述背板通信地耦合时，从所述第一端接模块中的电可擦除可编程只读存储器接收所述识别信号。
在一个示例中，所述第一端接模块包括信号调节卡和端子块，所述信号调节卡包括背板连接器以将所述第一端接模块通信地耦合到所述背板，所述端子块包括端接点以从所述现场设备端接所述接线，所述端子块能够与所述信号调节卡分离而不需要从端接点解除所述接线。
在一个示例中，所述装置还包括：第二控制模块，所述第二控制模块被插入在所述基础机架的第二控制槽中，所述第二控制模块提供对所述第一控制模块的冗余备份；以及第二端接模块，所述第二端接模块被插入在所述基础机架的第二端接槽中，所述第二控制模块经由所述基础机架的所述背板与所述第二端接模块通信地耦合，所述通信地耦合到所述现场设备的接线经由端子块来端接在所述第一端接模块上，所述端子块通信地耦合到所述第一端接模块和所述第二端接模块两者，所述端子块将来自所述现场设备的信号拆分到所述第一端接模块和所述第二端接模块两者。
在一个示例中，所述第一控制模块包括处理器，以检测通信地耦合到所述第一端接模块和所述第二端接模块两者的所述端子块，所述处理器自动地将所述第一端接模块配置为以冗余模式与所述第二端接模块操作。
在一个示例中，所述第一控制模块是模拟I/O模块、离散I/O模块或混合模拟/离散I/O模块中的一项，所述第一控制模块基于所述第一端接模块中的调节电路而为特定应用进行调节。
根据本实用新型的装置，可以为期望将现场设备通信地耦合到RTU的工程师或其他个人提供更大的灵活性、更高的效率和降低的成本。这些优点通过在包括端接模块中的专用功能的同时通过包括控制模块中的核心 I/O功能来实现，该端接模块被制造为将经由基础机架或框架的背板进行连接的分离部件。这些部件的分离使得能够替换相对低成本的端接模块，而不需要替换更昂贵的控制模块。此外，在一些示例中，端接模块用电路来实现，以为控制模块提供浪涌保护，以使得常见的故障模式可能仅在损害低成本端接模块的同时增加控制模块的使用寿命。另外，不同类型的端接模块中的电路可以用于以不同的方式对控制模块进行调节或特征化，从而实现不同的应用，而不需要多个独立的I/O卡，这些I/O卡只能用于一个目的，并且比端接模块贵。此外，在一些示例中，当经由背板通信耦合时，控制模块和对应的端接模块形成电路，其使得控制模块能够自动识别端接模块，以确定是否存在任何兼容性问题。
附图说明
图1例示了可以在其中实现本公开内容的教导的示例性控制系统的一部分。
图2例示了用于实现图1的示例性RTU的示例性机架或框架(chassis)。
图3例示了图2的示例性机架的示例性背板的示意图。
图4例示了示例性组件的分解透视图，其示出了具有两个示例性控制模块和两个对应的示例性端接模块的图2的示例性机架。
图5-图8例示了图4的不同类型的示例性控制模块的示例性前端面 (frontface)。
图9是例示了与图4的对应的示例性端接模块通信的图4的示例性控制模块中的一个控制模块的示例性实现的框图。
图10是例示了图9的示例性控制模块和示例性端接模块的电子键控功能单元(keying functionality)的示例性实现的框图。
图11是图9的控制模块的示例性离散I/O块中的一个离散I/O块的示例性电路的示意图。
图12是图9的控制模块的示例性模拟I/O块中的一个模拟I/O块的示例性电路的示意图。
图13例示了作为十通道端接模块的图9的端接模块的示例性实现。
图14例示了作为十六通道端接模块的图4的端接模块中的一个端接模块的示例性实现。
图15例示了作为八通道AC端接模块的图4的端接模块中的一个端接模块的示例性实现。
图16-图22例示了用于实现图13-图15的示例性调节(condition)电路的不同示例性类型的电路。
图23例示了共享公共端子块的图4的两个示例性信号调节卡。
图24是例示了图9的示例性控制模块和示例性端接模块的电子键控功能的另一示例性实现的框图。
图25是表示用于实现图4的示例性控制模块中的一个控制模块以识别对应的示例性端接模块的示例性方法的流程图。
图26是可以被用于和/或编程以执行图25的示例性方法和/或更一般地说实现图4的示例性控制模块中的一个控制模块的示例性处理器平台的示意图。
附图不是按比例绘制的。此外，在任何可能的情况下，贯穿附图和所附的书面描述将使用相同的附图标记来指代相同或相似的部件。
具体实施方式
远程终端单元(RTU)和/或流量计算机使得数据能够在现场设备和/或其它部件、和监督控制和数据采集(SCADA)系统、分布式控制系统(DCS) 或任何其它控制系统之间通信。为了便于说明，如本文所使用的，RTU指代RTU或流量计算机。此外，如本文所使用的，SCADA系统、DCS或过程控制系统可互换使用以指代任何类型的控制系统。在过程控制系统中，操作员和/或其他人员可以经由中央主机监测和/或控制控制系统的各种操作过程单元和/或其它方面。为了使操作员能够以这种方式对控制系统进行监测和/或控制涉及数据在主机与过程单元和/或控制系统的其它方面之间的通信。
通常，RTU包括背板，以将本地处理器与一个或多个通信和/或输入/ 输出(I/O)卡或模块通信地互连，该一个或多个通信和/或I/O卡或模块转而通信地耦合到一个或多个现场设备和/或其它部件。典型地，将在系统中实现的每种不同类型的I/O点(例如，基于所涉及的现场设备的类型和/或应用、功率需求、使用的通信协议等)需要不同类型的I/O模块。因此，控制系统人员可能需要访问广泛的这种I/O模块，这可能涉及大量成本。此外，在一些示例中，不同类型的I/O模块可以是不同产品线的一部分，以使得一些I/O模块可以实现在一种类型的框架或机架上，而其它I/O模块实现在不同的机架上。因此，获取并访问实现不同I/O模块所需的不同类型的机架和 /或其它部件可能招致附加的成本。
此外，已知的I/O模块通常是整装(self-contained)的部件，其包括用于实现指定功能的所有电子设备(electronics)，以及来自现场设备的接线可以直接落在(land)的端接点。因此，如果例如因为电子设备由于电涌而损坏，需要替换特定的I/O模块，则必须招致新的I/O模块的全部成本。此外，由于与对现场设备重新连线和配置新的I/O模块相关联的停机时间，可能招致附加的成本。
本文所公开的示例用框架或基础机架来克服上述限制，该框架或基础机架经由机架的背板将第一组卡(本文称为控制模块)与第二组卡(本文称为端接模块)相连接。在一些示例中，控制模块中的控制模块结合端接模块中的对应的端接模块来操作，以实现由已知的I/O模块执行的类似功能。在一些示例中，控制模块提供对与现场设备的通信的主要控制，而端接模块提供其上来自现场设备的接线落在的端接点。更具体地，在一些示例中，控制模块包括实现对应于传统I/O模块的核心功能和处理的相对高级或通用功能的电子设备。此外，在一些示例中，端接模块包括提供专用功能的调节电路，该专用功能可以特征化或调节用于特定用途的控制模块的通用功能。以这种方式，单个控制模块可以通过与不同类型的端接模块配对而用于多个不同的目的。端接模块的相对特定的功能可以以比更通用的控制模块低得多成本来生产。因此，可以显著降低实现不同类型I/O所招致的成本。
此外，电涌是现场故障的主要原因。因此，在一些示例中，端接模块的特定功能是向控制模块提供浪涌保护。换而言之，当过电压或浪涌可能损坏端接模块的电子设备时，浪涌将不会到达控制模块。因此，只有低成本端接模块可能需要替换，从而进一步降低了在控制系统中操作RTU的成本。此外，在一些这样的示例中，可以保留控制模块的配置以与替换端接模块一起使用，从而减少停机时间并节省附加的成本。
此外，在一些示例中，端接模块包括其上被端接现场接线的端子块，该端子块选择性地与包含调节电路(例如，浪涌保护)的板可分离。因此，在一些示例中，具有附接的所有现场接线的端子块可以从发生故障的板移除并插入到替换板中，从而节省了重新连线现场设备所需的时间(和相关联的成本)。
虽然控制模块与端接模块的分离可以支持不同应用的多个不同组合，但是某些类型的端接模块可能与某些类型的控制模块不兼容。在过去，I/O 部件的匹配已经通过物理键控机制实现(例如，不兼容的部件被构造成不能适配在一起)。这是不同类型的机架和/或其它部件的一个原因，其导致与大型部件清单相关联的显著成本。在本文公开的示例中，每种不同类型的控制模块具有相同的形状规格(form factor)以适配对应机架的任何控制槽。类似地，每种不同类型的端接模块具有相同的形状规格以适配对应机架的任何端接槽。在一些示例中，为了防止不兼容的控制模块和端接模块的错误匹配，模块实现电子键控机制。换而言之，在一些示例中，控制模块不是使用物理键(key)，而是包括能够基于由端接模块提供的信号来独特地 (uniquely)识别控制模块已配对的端接模块的类型的处理器。在一些这样的示例中，如果所识别的端接模块与控制模块不兼容，则生成防止通信的中断信号。
此外，在一些示例中，控制模块被配置为当系统被供电时检测端接模块的插入和/或移除。在一些示例中，控制模块生成中断信号，该中断信号在这样的情况下自动地防止I/O通信，使得在模块替换期间不需要关闭或停止使用RTU，从而进一步减少停机时间。
具体参见附图，图1例示了可以在其中实现本公开内容的教导的示例性控制系统100(例如，SCADA系统)的一部分。示例性系统100包括RTU 102。在所例示示例中，RTU 102与一个或多个现场设备104、106、108通信。另外，如图1所例示，RTU 102还与系统主机110通信，系统主机110 与示例性系统100相关联。在所例示示例中，可以经由任何适当的通信设备和/或介质来实现RTU 102与系统主机110之间的通信。例如，RTU 102 可以包括和/或耦合到无线电装置(wireless radio)。如本文所使用的，术语无线电装置单独地或组合地指代任何无线发射机或无线接收机。
图1的示例性系统主机110允许操作员、工程师和/或其他工厂人员(其中任何一个在本文中可以被称为用户)审查一个或多个操作员显示屏幕和/ 或应用和/或与一个或多个操作员显示屏幕和/或应用进行交互，该一个或多个操作员显示屏幕和/或应用使得用户能够查看与示例性控制系统100相关联的系统变量、状态、条件和/或警报；为示例性控制系统100更改控制设置(例如，设定点、操作状态、清除警报、静音警报等)；配置和/或校准示例性控制系统100内的设备；执行示例性控制系统100内的设备的诊断；和/或以其它方式与示例性控制系统100内的设备交互。
图1的示例性系统主机110可以使用一个或多个工作站和/或任何其它适当的计算机系统和/或处理系统来实现。例如，系统主机110可以使用单处理器个人计算机、单处理器或多处理器工作站、便携式膝上型计算机等来实现。主机110可以被配置有一个或多个应用站以执行一个或多个信息技术应用、用户交互应用和/或通信应用。例如，一个应用站可以被配置为主要执行过程控制相关的应用，而另一个应用站可以被配置为主要执行使控制系统100能够使用任何期望的通信介质(例如，无线、硬连线等)和协议(例如，HTTP、SOAP等)来与其它设备或系统通信的通信应用。
如图1的所例示示例中所示，RTU 102包括具有多个端口、连接器或槽114的至少一个机架或框架112以容纳不同类型的模块，该不同类型的模块包括至少一个中央处理单元(CPU)模块116，通过该CPU模块116 实现RTU 102的功能。在一些示例中，槽114中的其它槽容纳一个或多个输入/输出(I/O)模块118和/或通信(COM)模块120，RTU 102通过该通信(COM)模块120与控制系统100内的其它部件(例如，现场设备104、 106、108)相连接。在一些示例中，槽114中的每一个(以及插入其中的对应模块116、118、120)经由构造在RTU的机架112中的背板彼此进行通信。RTU 102的CPU模块116可以与示例性控制系统100的系统主机110 进行通信(例如，经由无线长程无线电、蜂窝网络、卫星链路等)。
如所例示示例中所示，RTU102通信地耦合到一个或多个现场设备104、 106、108。在一些示例中，示例性现场设备104、106、108中的至少一些可以是智能现场设备(诸如遵从Fieldbus的阀、致动器、传感器等)，在这种情况下，智能现场设备104、106、108经由有线或无线通信媒介中的任何一种使用公知的Foundation Fieldbus协议而经由I/O模块118中的一个来与RTU102进行通信。当然，可以替代地使用其它类型的智能现场设备和通信协议。例如，智能现场设备104、106、108可以替代地是遵循和/或的设备，其使用公知的和通信协议来与RTU 102进行通信。另外或替代地，在一些示例中，现场设备104、106、108可以根据WirelessHARTTM协议在本地无线网络上通信地耦合。在一些这样的示例中，RTU 102可以将来自系统主机110的信息和/或数据透传(passthrough)到WirelessHARTTM接口模块，以与现场设备的本地无线网络进行通信。此外，在其它示例中，现场设备104、106、108中的至少一些可以是非智能现场设备(诸如常规4-20毫安(mA)或0-24伏直流(VDC)设备，其经由相应的硬连线链路与RTU 102进行通信)。
虽然图1例示了示例性过程控制系统100，其中可以实现下文更详细描述的RTU102，但是如果需要，本文所描述的方法和装置可有利地用于其它SCADA和/或具有比图1所例示示例更大或更小复杂度(例如，具有多于一个的RTU，具有其它控制器，具有更多的现场设备等)的过程控制系统。
图2例示了用于实现图1的示例性RTU 102的示例性基础机架或框架 200(类似于图1的机架112)。在一些示例中，机架200没有有源电子设备，并且可以安装在现场外壳内部，直接安装到板或通过DIN导轨安装。如所例示示例中所示，机架200包括八个控制槽201、202、203、204、205、206、 207、208，以接收多达八个控制模块(例如，图4的控制模块402)，其对应于上文在图1中描述的CPU模块116、I/O模块118、或COM模块120 中的任何一个模块。此外，示例性机架200包括两个电源输入连接器210，其向插入在控制槽201-208中的控制模块提供电力。此外，图2的示例性机架200包括八个端接槽211、212、213、214、215、216、217、218，以接收多达八个端接模块(例如，图4的端接模块404)，其结合控制模块中对应的控制模块来操作以提供经由RTU 102将图1的现场设备104、106、108 与主机系统101相连接的功能。在一些示例中，这些槽中的第一槽201被指定为机架200的主槽(master slot)。在一些这样的示例中，主槽201将接收作为CPU模块116的控制模块，以指导和控制RTU 102的功能并与其它槽202-208中的另外控制模块通信。为了解释的目的，插入在主槽201中的 CPU模块116在本文中被称为主CPU模块。
在一些示例中，如下文更全面地描述的，控制模块(插入在控制槽 201-208中)提供核心功能以实现和/或控制与现场设备的I/O通信，并与包括主CPU模块(其转而与系统主机110通信)的机架200上的其它控制模块通信。在一些示例中，端接模块包括用于端接来自现场设备的接线的端接点。在一些示例中，插入在控制槽201-208中的控制模块经由机架200 的背板与插入在端接槽211-218中的对应的端接模块通信地耦合。因此，在一些示例中，控制模块经由背板和端接模块来与现场设备(例如，现场设备104、106、108)间接地通信。此外，在一些示例中，端接模块包括用于为了特定目的来对现场设备与控制模块之间的信号进行调节的专用电路。
在一些示例中，除了将控制模块中的对应模块与端接模块相连接之外，机架200的背板支持在安装在槽201-208中的不同槽中的不同控制模块之间的通信。在一些示例中，背板和相关联的控制模块连接器对于每个控制槽是相同的，使得任何控制模块可以插入在任何槽中。在一些示例中，机架 200的背板使得八个控制槽201-208能够被配置成具有奇数编号的槽(槽号 1、3、5和7)的四个冗余对220、222、224、226，该奇数编号的槽与相邻的偶数编号的槽(槽号2、4、6和8)冗余。在一些示例中，奇数编号的控制槽是冗余对220、222、224、226中的默认的活动的槽，而偶数编号的控制槽是默认的备用(standby)或备份槽，如果在对应的控制槽中的控制模块发生故障，则偶数编号的控制槽变为活动。尽管机架200的背板使得槽 201-208能够被配置成冗余对220、222、224、226，但槽201-208可以替代地以非冗余的方式来实现。换而言之，在一些示例中，所有八个槽201-208 可以包括活动的八个不同的模块。
如所例示示例中所示，机架200包括经由机架200的背板通信地互连的入口连接器228和出口连接器230(通常称为机架到机架连接器)。在一些示例中，第一机架200的出口连接器230可以与第二机架200的入口连接器228互连。换而言之，在一些示例中，多个机架200可以与通信地互连的其相关联的背板串联耦合，从而使得机架中的任何一个上的控制模块能够彼此通信。如本文所使用的，经由入口和出口连接器228、230通信地互连的两个或更多个机架200在本文中统称为面板(panel)。在一些示例中，单个主CPU模块控制插入到面板中的所有模块的操作和功能，而不管模块插入到其中的特定机架200。
图3例示了通信地互连图2的示例性机架200的所有控制槽201-208 的示例性背板300的示意图。如图3所示，背板300提供本地高速串行(HSS) 总线302，HSS总线302在机架200内部(即，本地HSS总线302不通过入口和出口连接器228、230到其它连接的机架)。此外，示例性背板300 包括三个其它通信总线，其包括I/O总线304、信息、设置和诊断(ISD) 总线306以及维护和透传(MPT)总线308。与本地HSS总线302不同， I/O总线304、ISD总线306和MPT总线308中的每一个与入口和出口连接器228、230连接，使得每个总线可以延伸穿过串联连接的多个机架200。因此，I/O总线304、ISD总线306和MPT总线308在本文中统称为机架到机架通信总线。
在一些示例中，I/O总线304用于本文称为I/O数据的输入和输出动态数据的传输。如本文所使用的，I/O数据对应于发送到现场设备104、106、 108的控制信号和/或从与控制系统100的操作和控制相关联的现场设备 104、106、108获得的反馈。I/O数据的传输通常是时间关键的，需要实时或基本上实时的更新。因此，在一些示例中，I/O总线304仅仅专用于I/O 数据的传输，而所有其它类型的数据传输(下文将讨论的)使用总线中的其它总线来传输。这增加了对于实时或基本上实时的I/O数据更新总是有足够的带宽的可能性。
在图3所例示示例中，ISD总线306用于传输不是时间关键的信息，其包括配置或设置数据、诊断数据、产品信息数据、归档数据和/或其它类型的非实时数据。在所例示示例中，MPT总线308用于与固件更新和维护日志检索的传输相对应的维护数据的传输。另外或替代地，MPT总线308用于与直接通过主CPU模块(例如，没有在其干预下)在系统主机110与其它控制槽中的一个控制槽中的控制模块之间传递的数据相对应的透传数据的传输。
如图3所例示示例所示，除了各种通信总线(例如，本地HSS总线302、 I/O总线304、ISD总线306和MPT总线308)之外，背板300还包括电源总线310，以将输入电源(来自图2的电源输入连接器210)分配到插入在控制槽201-208中的控制模块。此外，在一些示例中，示例性背板300包括中断总线312，该中断总线312是当处于上电状态插入控制模块时向主CPU模块116提供信号(中断)的一个信号总线。另外或替代地，在一些示例中，当在控制模块被供电的情况下从控制槽中移除控制模块时，生成中断信号并经由中断总线312传输中断信号。此外，在一些示例中，响应于在被供电时在安装和/或移除的端接模块，生成中断信号并经由中断总线312 传输中断信号。
在一些示例中，背板300支持在模块间链路314上在安装在控制槽201-208的冗余对220、222、224、226中的冗余模块之间的模块到模块通信。在一些示例中，这种通信包括状态信号，该状态信号指示主控制槽中的模块(所示示例中的奇数编号的控制槽)还是次控制槽(偶数编号的控制槽)中的模块具有控制(例如，是活动的)。另外或替代地，在一些示例中，背板300的模块间链路314被实现为通用串行总线(USB)链路，其使得能够维持冗余模块的同步。换而言之，在一些示例中，使用USB链路来同步模块的动态变量和数据库。此外，在一些示例中，USB链路用于基本上实时地比较冗余对模块的I/O值来检测和/或警告偏差。此外，次模块 (例如，次控制槽中的备份模块)可以使用USB链路来监测主模块以确定主模块是否发生了故障并且需要进行切换。
另外，如图3所例示示例所示，背板300包括端接链路316，其提供每个控制槽201-208与对应的端接槽211-218之间的通信接口。以这种方式，使得插入在控制槽201-208中的任一个中的控制模块能够与插入在端接槽 211-218中的对应槽中的端接模块进行通信。在一些示例中，背板上的端接链路316在控制模块和端接模块中的每一个模块的背板连接器上的对应连接器引脚之间的一对一连接。
图4例示了示例性组件400的分解透视图，其示出了具有两个示例性控制模块402和对应的端接模块404的图2的示例性机架200。如上所述，在一些示例中，将被插入在第一槽201中的控制模块402是主CPU模块116，以与系统主机110通信并且指导安装在机架200的其它控制槽中的其它控制模块402的操作。另一个控制模块402(将被插入在所例示示例中的第五控制槽205中)可以是CPU模块116、I/O模块118或COM模块120中的任何一个。如所例示的示例所示，控制模块402具有相同的尺寸并且具有相同的背板连接器配置以适配背板的任何槽，而不管控制模块402是CPU 模块116、I/O模块118还是COM模块120。为了解释的目的，第二控制模块402将被描述为I/O模块118。
如所例示示例所示，CPU模块116包括外部USB端口406和两个以太网端口408，以支持与其它机架中的外部部件和/或其它CPU模块的通信和 /或联网。在一些示例中，CPU模块116可以具有比图4所示更多或更少的 USB端口406和/或以太网端口408。尽管图4中I/O模块118没有外部通信端口，但在一些示例中，I/O模块118或COM模块120还可以具有类似于CPU模块116的USB端口和/或以太网端口。此外，在一些示例中，任何控制模块可以具有其它类型的外部通信端口(诸如，举例来说无线I/O模块的天线连接器)。在一些示例中，COM模块120能够经由相应的端接模块404在物理连接上经由多个协议进行通信。
在一些示例中，控制模块402包括一个或多个闩构件(latch)410，用户物理地按压闩构件以将控制模块402插入到一个控制槽中和/或从一个控制槽移除控制模块402。在一些示例中，闩构件410将控制模块牢固地保持就位在对应的控制槽内。因此，在一些示例中，可以在不使用工具的情况下插入或移除控制模块402。此外，在一些示例中，按下在控制槽中操作的 I/O模块118上的闩构件410触发将被发送到主CPU模块(经由背板)的中断信号，以指示I/O模块118即将被移除。以这种方式，在实际上移除I/O 模块之前，可以停止主CPU模块116与I/O模块118之间的I/O扫描和/或其它通信，以减少收集不良数据的可能性。因此，由闩构件410触发的中断信号使得控制模块能够从对应的控制槽中实时移除(例如，在系统运行处于上电情况下移除)。
与控制模块402一样，在一些示例中，端接模块404独立地与机架200 可分离。在一些示例中，端接模块404经由与机架200的外壳中的孔414 接合的锁定件(lock)或紧固件412(例如，螺钉)被保持就位(与机架200 的背板通信)。端接模块404与控制模块402的分离使得能够隔离和保护可能影响控制模块402内的电子设备的现场连线和瞬变电流。更具体地说，在一些示例中，端接模块404为控制模块402提供浪涌保护。在这种示例中，当电源浪涌可能损坏端接模块404(需要替换)，具有较高级别功能的相对较昂贵的控制模块402得到保护，从而节省成本。
此外，由于端接模块404与控制模块402分离(例如，均具有单独连接到机架200的背板的单独外壳)，故障或损坏的端接模块404可以被移除并被新的端接模块404替换，而无需移除对应的控制模块402。以这种方式，可以显着减少修复时间，这是因为当初始配置由控制模块402保持并且不受端接模块404中的改变影响时，不需要重新配置控制模块402。此外，在一些示例中，端接模块404可以在系统处于上电情况下操作而不是停止服务以进行修复时被移除和替换。在一些这样的示例中，相关联的控制模块 402检测端接模块404的移除以触发传输到主CPU模块的中断信号，以防止I/O扫描和/或其它通信，直到安装新的端接模块404以恢复通信。
如图4的所例示示例中所示，端接模块404中的每一个包括端子块416 和信号调节卡418。在一些示例中，端子块416包括端接点420，以端接来自现场设备(例如，图1的现场设备104、106、108)和/或控制系统100 中的其他部件的接线。在所例示示例中，端子块416包括用于10个I/O通道(每通道2个端接)的20个端接点420。然而，在其它示例中，替代地可以实现不同数量的端接点420(例如，10个、12个、16个、24个等)。在一些示例中，端子块416包括第一模块连接器422，其与信号调节卡418 中的第二模块连接器424通信地耦合。换而言之，在一些示例中，端子块 416选择性地与信号调节卡418可分离。以这种方式，用户可以用新的信号调节卡418移除和替换有故障或损坏的信号调节卡418，而不需要移除在端子块416上端接的接线，从而进一步简化修复过程。
在一些示例中，信号调节卡418包括封装在外壳内的印刷电路板组件 (PCBA)，其可以通信地耦合到机架200的端子块416和背板。在一些示例中，PCBA包括提供上文提到的浪涌保护的电路。浪涌保护电路的特定配置可以基于控制模块402的特定类型(功能)从一个端接模块404到另一端接模块404变化，端接模块404将通信地耦合到控制模块402。另外或替代地，在一些示例中，PCBA包括用于调节在连线到端子块416的现场设备 (或其它部件)与对应的控制模块402(经由机架200的背板)之间传输的信号的电路，以向对应的控制模块402提供增强的功能。例如，一些示例性端接模块404包括具有高电流部件(诸如继电器、高边驱动器、低边驱动器和/或交流的三极管(TRIAC))的调节电路(在信号调节卡418中)，以隔离至控制模块402的透传(pass-through)通信，同时防止高电流信号到达机架200的背板300。另外或替代地，一些示例性端接模块404包括调节电路(在信号调节卡418中)，其提供电压转换、隔离、低电平脉冲输入放大器、多电压电平模拟输入、差分模拟输入前置放大器或缓冲器、熔断或输出电流限制、和/或许可使能的输出。下文更详细地描述不同类型的端接模块404(基于不同类型的调节电路)。
这些不同类型的端接模块404(具有不同类型的调节电路)提供的不同功能用作结合对应的控制模块402来操作的初始数据滤波器和/或隔离器。换而言之，本文公开的每种类型的控制模块402对应于具有相对广泛或通用适用性(例如，模拟I/O、离散I/O等)的部件，其可以基于在对应的端接模块404提供的特定调节电路来特征化不同特定用途，端接模块404经由机架200的背板通信地耦合到控制模块402。因此，在一些示例中，特定类型的控制模块402可以结合若干不同类型的端接模块404来操作，以提供若干不同类型的功能。以这种方式，最终用户可以用相对有限数量的独特模块以降低的成本来实现相对广泛的功能，因为当与相对低成本的特定类型的端接模块404相结合时，可以将单个的控制模块用于多个不同的目的。此外，如果用户期望实现新的和/或另外的功能，而不是招致获得具有所期望功能的整装的控制模块的成本，则用户可以获得与用户已经拥有的通用控制模块402相结合操作的新的端接模块404。
不是所有类型的端接模块404都必然适用于所有类型的控制模块402。因此，在一些示例中，端接模块404和对应的控制模块402(当经由机架背板进行通信时)实现电子键控方法，电子键控方法使得控制模块402能够识别端接模块404的类型(例如，在信号调节卡418的PCBA上提供的调节电路的类型)，以验证特定端接模块404与控制模块402结合的兼容性，和/或验证至控制模块402的现场接线的安全和/或正确连接。下文结合图10 和图24更详细地描述端接模块404的电子键控。在一些示例中，除了检测端接模块404的类型之外，当系统在上电情况下操作时，电子键控电路可用于检测端接模块404的初始插入和/或后续移除。在一些示例中，控制模块402检测端接模块404何时初始插入在机架200的对应端接槽中，以触发防止通信的中断信号，直到控制模块402确认端接模块404的类型是与控制模块402兼容的。
如图4的所例示示例中所示，机架200的组件400包括盖(cover)426。在一些示例中，盖426被构造为覆盖端接模块404以保护落在端接点420 中的任何接线。因此，在一些这样的示例中，控制模块402被暴露，其包括前端面428，前端面428可以包括控制模块402的状态和/或类型的视觉指示器。不同类型的控制模块402的示例性前端面428在图5-图8中更详细地示出，包括示例性CPU模块116(图5)的前端面428和三种不同类型的I/O模块118的前端面428(图6-图8)。如所例示示例中所示，控制模块402的前端面428包括标识每个控制模块402的类型的标签502。所例示示例的示例性I/O模块118包括模拟I/O模块(图6)、高密度离散I/O模块 (图7)和混合模拟/离散I/O模块(图8)。
在所例示的示例中，每个控制模块402包括操作状态指示器504和现场终端状态指示器506。在一些示例中，状态指示器506使用发光二极管 (LED)来实现。在一些示例中，操作状态指示器504提供控制模块状态指示器508、通信状态指示器510和端接模块状态指示器512。控制模块状态指示器508指示控制模块402的状态(例如，绿色＝上电，红色＝故障，关闭＝无电源)。通信状态指示器510指示控制模块402与背板之间的连接的状态(例如，绿色＝背板通信，红色＝故障，关闭＝无)。端接模块状态指示器512指示插入在对应于控制模块402的端接槽中的端接模块404的兼容性和/或存在(例如，绿色＝兼容，红色＝不兼容，关闭＝未安装或未被识别)。现场终端状态指示器506指示I/O连接和/或其它现场通信的状态(例如，绿色＝活动的(用于离散I/O)或可操作的(用于模拟I/O)，黄色＝警报，红色＝故障，关闭＝不活动的(用于离散I/O)或未安装/无信号(用于模拟I/O))。
如所例示示例中所示，不同类型的控制模块402具有不同类型的现场终端状态指示器506。例如，CPU模块116(图5)包括用于与其它控制模块402(在机架200的背板上)和系统主机110的各种通信通道的指示器 506。示例性模拟I/O模块118(图6)包括对应于十个模拟I/O通道的指示器506。数字或离散I/O模块可能是类似的，除了指示器将对应于可替代地用于脉冲输入的十个离散I/O通道。示例性高密度离散I/O模块118(图7) 包括对应于十六个离散(或脉冲)输入通道的指示器506。示例性混合模拟 /离散I/O模块118(图8)包括对应于五个模拟通道和五个离散通道的指示器506。虽然所例示示例性I/O模块118示出了标准实现中的十个通道(图 6和图8)以及高密度实现中的十六个通道(图7)，但是具有更多或更少通道的其它实现也是可能的。此外，在一些示例中，混合模块中的模拟和离散通道的数量可能不相同(例如，一个实现四个而另一个实现六个)。另外或替代地，在一些示例中，I/O模块118可以包括无线电连接接口(具有对应的指示器506)以实现分布式RTU(dRTU)系统。
除了上文描述并在所例示示例中示出的不同I/O模块118之外，可以实现其它类型的I/O模块118，该其它类型的I/O模块118包括串行I/O模块或多变量传感器(MVS)I/O模块，其包括5个RS232/RS485通道。一些这样的示例可以用隔离的电源来实现。另一示例性类型的I/O模块118是可以用于实现四个4线(4-wire)RTD的电阻温度检测器(RTD)模块。另一示例性类型的I/O模块118是可以用于实现8通道热电偶的热电偶模块。可以根据WirelessHART协议来实现其它类型的I/O模块118。
虽然不同类型的控制模块402在其电子设备和相关联的功能和实现中具有一些差异，但是不同类型的控制模块402也可以具有许多共同的特征和/或功能。例如，如上文所描述，在一些示例中，不同类型的控制模块402 可以包括被类似地配置的背板连接器，以插入到机架200的背板的任何控制槽201-208中。在这种方式，任何控制模块402可以通信地耦合到对应的端接模块404，并且还与插入机架200中的其它控制槽中的其它控制模块 402进行通信。另外，在一些示例中，每个控制模块402包括早期移除检测开关，以便如果控制模块402在上电情况下被移除时触发中断信号(例如，由闩构件410触发)。
图9是例示与对应的端接模块404通信的控制模块402的示例性实现的框图。在所例示示例中，控制模块402对应于如图8所示的混合I/O模块 118。如图9所示，示例性控制模块402包括背板连接器902，背板连接器 902包括机架通信连接器904和端接模块I/O信号连接器906。在一些示例中，机架通信连接器904与上文结合图3所描述的机架200上的通信和电源总线相连接。在一些示例中，端接模块I/O信号连接器906包括与端接模块404的背板连接器908上的对应引脚相连接的引脚。换而言之，控制模块402和端接模块404经由如上文所描述的机架200的背板300(为了清楚起见已被省略)进行通信。此外，示例性端接模块404包括现场端接连接器910，其支持将来自现场设备和/或其它部件的接线耦合到端接模块404。在一些示例中，现场端接连接器910对应于可分离的端子块416，端子块 416通信地耦合到上文结合图4讨论的信号调节卡418的模块连接器424。
在一些示例中，控制模块402包括多个I/O块912，其提供与控制模块 402相关联的每个I/O通道的特定功能。在图9所例示的示例中，I/O块912 包括用于控制模块402的每个模拟通道的模拟块914和用于控制模块402 的每个离散通道的离散块916。下文结合图11和图12提供关于模拟块914 和离散块916的实现的进一步细节。其它类型的I/O块914可以包括在其它类型的端接模块404中。例如，模拟I/O模块可以仅包括模拟块914，而离散I/O模块可以仅包括离散块916。此外，如上文所描述的不同类型信号的控制模块402(例如，串行I/O模块、多变量传感器I/O模块、RTD模块、热电偶模块等)可以适当地适应于合适的I/O块912，以实现期望的功能。
如图9所示，I/O块912与端接模块404通信地耦合，以与具有落在端接模块的现场端接连接器910上的接线的现场设备和/或其它部件相连接。如所例示示例中所示，在I/O块912与连接到现场端接连接器910的现场设备之间传输的信号传递经过端接模块404内的信号调节器918。虽然在图9 中用单个块表示信号调节器918，在一些示例中，每个信号路径(对应于控制模块402的每个I/O块912)与单独的信号调节器相关联。在一些这样的示例中，单独的信号调节器包括不同类型的电路，以提供在现场设备与控制模块402之间传输的信号的不同类型的调节。下文结合图16-图22更详细地描述信号调节器918。
在一些示例中，控制模块402(其在图9中是I/O模块118)包括处理器920和对应的电源供应922。因此，尽管CPU模块116可以具有比其它控制模块(例如，I/O模块118或COM模块120)更多的处理能力(power)，在一些示例中，I/O模块118(以及COM模块120)包括相对低成本的处理器(例如，K61系列CPU)。如所例示示例中所示，处理器920和电源供应 922与I/O块912通信，以控制和与对应的I/O块912相关联的特定现场设备的通信。
另外，在一些示例中，控制模块402内的处理器920使得每个控制模块402能够检测机架200中的端接模块404的插入和/或移除，并且能够通过实现电子键控电路来确定端接模块404的兼容性。在一些示例中，处理器920向操作状态指示器504和现场终端状态指示器506(图5-图8)提供指示这种信息(以及其它状态信息)的信号。在一些示例中，用于检测端接模块404和/或确定其与控制模块402的兼容性的电子键控是基于通过控制模块402中的端接模块检测器924与模块类型指示器926相连接而生成的信号的。更具体地，在一些示例中，对于每种不同类型的端接模块404，模块类型指示器926被不同地实现。因此，当模块类型指示器926与模块检测器924相连接时，生成独特的信号并将其提供给处理器920，该处理器 920可以与当控制模块402与不同类型的端接模块404通信耦合时生成的对应信号区分开。因此，如果检测到特定类型的端接模块404与特定类型的控制模块402不兼容，则处理器920可以确定模块402、404的不兼容性并且防止信号在它们之间传输。下文结合图10和图24更详细地描述该电子键控机制。
虽然在图9中例示了实现图4的控制模块402的示例性方式，但是图9 中所例示的元件、过程和/或设备中的一个或多个可以被组合、分割、重新布置、省略、消除和/或以任何其它方式实现。此外，示例性操作状态指示器504、示例性现场终端状态指示器506、示例性I/O块912、示例性处理器920、示例性电源供应922、示例性端接模块检测器924和/或更一般地图 9的示例性控制模块402可以由硬件、软件、固件和/或硬件、软件和/或固件的任何组合来实现。因此，例如，示例性操作状态指示器504、示例性现场终端状态指示器506、示例性I/O块912、示例性处理器920、示例电源供应922、示例性端接模块检测器924和/或更一般地示例性控制模块402 可以由一个或多个模拟或数字电路、逻辑电路、可编程处理器、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑器件(PLD)和/或现场可编程逻辑器件(FPLD)) 实现。当阅读本专利的任何装置或系统权利要求以覆盖纯粹的软件和/或固件实现时，示例性操作状态指示器504、示例性现场终端状态指示器506、示例I/O块912、示例性处理器920、示例性电源供应922和/或示例性端接模块检测器924中的至少一个在本文中被明确地定义为包括有形的计算机可读储存设备或储存盘(诸如储存软件和/或固件的存储器、数字多功能盘 (DVD)、压缩盘(CD)、蓝光盘等)。此外，图9的示例性控制模块402 可以包括除了图9中所例示的那些之外或代替图9所例示的那些的一个或多个元件、过程和/或设备，和/或可以包括任何或所有所例示元件、过程和 /或设备中的一个以上元件、过程和/或设备。具体地，虽然示出和描述了示例性I/O模块118，但是不同的和/或另外的电路或部件可以包括在CPU模块116和/或COM模块120中。
类似地，虽然在图9中例示了实现图4的端接模块404的示例性方式，但图9中所例示的元件、过程和/或设备中的一个或多个可以被组合、分割、重新布置、省略、消除和/或以任何其它方式实现。此外，示例性信号调节器918、示例性模块类型指示器926和/或更一般地图9的示例性端接模块 404可以通过硬件、软件、固件和/或硬件、软件和/或固件的任何组合来实现。因此，例如，示例性信号调节器918、示例性模块类型指示器926和/ 或更一般地示例性端接模块404中的任何一个可以由一个或多个模拟或数字电路、逻辑电路、可编程处理器、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑器件(PLD)和/或现场可编程逻辑器件(FPLD)实现。当阅读本专利的任何装置或系统权利要求以覆盖纯粹的软件和/或固件实现时，示例性信号调节器918和/或示例性模块类型指示器926中的至少一个在本文中被明确定义为包括有形的计算机可读储存设备或储存盘(诸如储存软件和/或固件的存储器、数字多功能盘(DVD)、光盘(CD)、蓝光盘等)。此外，图9的示例性端接模块404可以包括除了图9所例示的那些之外或代替图9所例示的那些的一个或多个元件、过程和/或设备，或者可以包括任何或所有的所例示的元件、过程和设备中的一个以上元件、过程和/或设备。
示例性控制模块402经由背板300与端接模块404通信地耦合，以例示在图10中示出的用于实现端接模块404的电子键控的机制。如所例示示例中所示，端接模块检测器924(在控制模块402中)和模块类型指示器 926(在端接模块404中)各自包括电阻器，所述电阻器在控制模块402和端接模块404经由背板通信耦合时一起形成电阻分压器1002。更具体地，端接模块404包括对应于分压器的低半部分(例如，最接近地)的识别电阻器1004，而控制模块402包括参考电阻器1006，参考电阻器1006对应于分压器的高半部分。在所例示示例中，控制模块402包括处理器920(以及相关联的电源供应922)，其在参考电阻器1006处向分压器1002提供输入或参考电压1012。在所例示示例中，分压器1002生成输出电压1014，其被提供给在处理器920上实现的模数转换器(ADC)1016。在一些示例中，端接模块404提供对应于输出电压1014的识别信号1008，以独特地标识端接模块404的类型。更具体地，在一些示例中，每个不同类型的端接模块404中的识别电阻器1004具有与所有其它类型的端接模块404不同的电阻值。因此，输出电压的特定值基于识别电阻器1004的差异从一种类型的端接模块404到另一种类型的端接模块404而变化，以使得处理器920 可以独特地识别每种类型的端接模块。
更具体地，在一些示例中，ADC1016将模拟输出电压1014转换为16 位(bit)数字值，其对应于65,536个可能的数字值。为了允许输出电压1014 中的一些变化(例如，基于温度效应和/或电阻器1004、1006的电阻值的公差)，在一些示例中，每个不同类型的端接模块404被缩放到512个数字值的范围的中间，从而提供可以被独特地识别的多达128个(65,536/512)不同的端接模块404。在一些示例中，输出电压的128个可能范围基于若干设计考虑而减少。例如，在一些示例中，128个可能电压范围的顶部48个可以在没有端接模块404安装时(即，分压器1002未形成)而保留，而128 个可能的电压范围的底部20个是基于分压器的实际约束来排除。在存在这些限制的情况下，仍然可以独特地识别多达80种不同类型的端接模块404。
在所例示示例中，处理器920可以访问不同类型的端接模块404的数据库和由分压器的输出电压1014产生的期望的16位值，以查找端接模块404的类型。此外，在一些示例中，数据库还可以用于确定已经识别的特定端接模块404是否与控制模块402兼容。一旦处理器920验证端接模块404 与控制模块402兼容，处理器920可以生成使能信号1018，其允许与I/O 块912(在控制模块402中)相关联的通信通过信号调节器918(在端接模块404中)，如图9所示并且在下文更详细地描述的。以这种方式，如果端接模块404不兼容(或以其它方式不被识别)，则防止与控制模块402意外地混合无效端接的潜在不安全情况。
除了识别端接模块404的类型以确定兼容性之外，在一些示例中，图 10所示的分压器1002的布置使得控制模块402能够检测端接模块404何时插入端接槽和/或从端接槽中移除。例如，当端接模块404被移除时，分压器1002的低半部分也被移除，导致引起输出电压1014升高到参考电压1012 的开路。在一些示例中，比较器电路1020检测输出电压1014的这种上升并生成被提供给处理器920的中断信号1022。响应于中断信号1022，处理器920可以禁用至端接模块404的通信(例如，终止使能信号1018)。此外，在一些示例中，处理器920可以将单独的中断信号传输到机架200上的主 CPU模块116，以防止I/O扫描，直到端接模块404被重新插入到对应的槽中。
以相同的方式，当端接模块404被插入到通信地耦合到安装有控制模块402的控制槽的背板300上的端接槽中时，比较器电路1020检测输出电压1014的下降(相对于参考电压1012)并生成另一中断信号1022。在一些示例中，指示端接模块404的插入的中断信号1022触发端接模块404的检验过程，其中处理器920识别和验证如上文所描述的端接模块404的兼容性。因此，在一些示例中，在端接模块404的移除之后的中断信号1022 与端接模块404的插入之后的中断信号1022是可区分的。
图11是对应于示例性I/O模块118的离散I/O点的图9所示的离散I/O 块916的示例性电路的示意图。在一些示例中，每个离散I/O点能够被配置为状态输入、脉冲输入、离散输出或脉冲输出。示例性离散块916包括示例性输入过电压保护1102，以防止对应于输入电压与瞬态吸收器(transorb) 钳位电压到电路电源导轨(例如接地)的差异的过电压。如图11所示，输入过电压保护1102包括至电源供应导轨的限流阻抗和钳位二极管。
在一些示例中，离散块916包括输入电平死区1104，以防止在相同的输入电压电平下发生从高电平到低电平和低电平到高电平的转变。此外，在所例示示例中，离散块916包括滤波器块1106，该滤波器块1106足够灵活以处理相对低频的状态输入和慢脉冲计数以及高达15kHz的脉冲计数。在一些示例中，滤波器块1106可在低频状态输入和其它高频输入之间选择。在其它示例中，为状态输入提供单独的滤波器。
在所例示示例中，离散块916向驱动块916的离散输入功能的处理器 (例如，图9的处理器920)生成多个输出信号。如所例示示例中所示，离散块916输出包括离散输入(DI)状态信号1108、计数器信号1110、输入俘获信号1112和反相输入俘获信号1114。在一些示例中，如果功能可以单独分离和读取，DI状态信号1108和计数器信号1110是在相同的处理器引脚上。在所例示示例中，DI状态信号1108基于“1”或“0”的读取来提供状态指示。在一些示例中，计数器1110是设置在I/O模块118的处理器(例如，K61系列CPU)上的高速计数器。在一些示例中，输入俘获信号1112 连接到I/O模块处理器上的定时器输入中的一个，并用于测量脉冲的逻辑高周期。类似地，输入俘获信号1114可以连接到I/O模块处理器上的定时器输入中的一个，并用于测量脉冲的逻辑低周期。
在所例示示例中，离散块916提供多个处理器输出，其包括离散输出 (DO)状态信号1116、使能DO信号1118、使能DI源/负载信号1120。在所例示示例中，DO状态信号1116基于“1”或“0”的读数来提供状态指示。在所示示例中，经由DO状态信号1116提供脉冲输出信号。在其它示例中，脉冲输出信号可以连接到一个处理器定时器以提供脉冲宽度调制输出。在所例示示例中，使能DO信号1118使能离散输出信号。在一些示例中，当离散输出信号被禁用时，离开板的信号是高阻抗的。在一些示例中，当使能DI源/负载信号1120被使能并且DO状态为高(例如，“1”)时，通过限流电阻器，接触润湿(wetting)电压将存在于输入端上。相比之下，当使能DI源/负载信号1120被使能且DO状态为低(例如，“0”)时，限流电阻器将连接到公共电路，为离散输入提供较低的阻抗。
在一些示例中，离散块916包括DO输出驱动器1122和DI源/负载驱动器1124。在所例示示例中，当离散块916被配置用于输出功能时，DO 输出驱动器1122被允许提供基于DO状态信号1116的状态的输出。在所例示示例中，当离散块916被配置用于输入功能并且接触润湿(或集电极开路))输入被配置时，DI源/负载驱动器1124用DO状态信号1116“1”来使能。相比之下，如果接触润湿未被使能，则DI源/负载驱动器1124用DO 状态信号1116“0”来使能。
在所例示示例中，当使能DO信号1118和使能DI源/负载信号1120被禁用时，离散块916处于不活动的状态或PTS(保护自己)模式，其中没有现场输出是活动的。因此，当处于不活动状态时，离散块916处于无源电压的仅输入模式。在一些示例中，当处于输出模式时，离散块916处于活动状态，以允许关于可以用于错误检测的输出的反馈。在一些示例中，不活动的状态是上电时离散块916的默认状态。此外，在一些示例中，当 I/O模块118确定在对应的端接槽中没有安装端口模块404时，端接模块404 已经被移除时，或已安装的端接模块404是无效的(例如，与I/O模块118 不兼容)时，端接模块404已经被输入。在一些示例中，使用上文描述的电子键控方法进行这些确定。
图12是对应于示例性I/O模块118的模拟I/O点的图9所示的模拟I/O 块914的示例性电路的示意图。在一些示例中，每个模拟I/O点能够配置为电压输入(例如，0至5V)、电流输入(例如，4至20mA)、电压输出(例如，0至5V)或电流输出(例如，4至20mA)。在一些示例中，电流输入和输出具有HART能力。另外或替代地，如果阻抗要求在外部满足，则可以实现HART协议。示例性模拟块914包括示例性输入过压保护1202，以防止对应于输入电压与瞬时吸收器钳位电压到电路电源导轨(例如接地) 的差异的过电压。如图12所示，输入过电压保护1202包括至电源导轨的限流阻抗和钳位二极管。
在一些示例中，模拟块914包括用于实现电压输入的电压缩放和阻抗匹配的输入缓冲放大器1204。在一些示例中，输入缓冲放大器1204在考虑 0至1V电压范围的情况下用作可选择的增益放大器。此外，在所例示示例中，模拟块914包括模数转换器(ADC)1206。在一些示例中，ADC 1206 在I/O模块118的处理器外部，以允许足够的更新速率和分辨率。特别地，在一些示例中，每个模拟通道具有至少16位分辨率(精度为0.01％)。此外，在一些示例中，I/O模块118上的所有模拟块914(例如，所有模拟通道)每10毫秒至少采样一次。在一些这样的示例中，只要实现每个块的采样速率就可以使用多路复用器。
在一些示例中，模拟块914包括集成电路1208，以检测4-20mA信号上施加的频率，将信号转换为数字形式，并呈现HART协议格式的数字信号。对于输出，集成电路1208从I/O模块118处理器获取数字HART信号，并将该信号转换为调频信号并将它们施加在4-20mA输出上。在一些示例中，集成电路1208经由串行外围接口(SPI)总线1210与I/O模块118的处理器相连接。此外，在所例示示例中，模拟块914包括电流负载电阻器 1212，其在模拟块914处于电流模式时通过来自I/O模块118的处理器的负载信号1214来使能。在一些示例中，电流负载电阻器1212用于将电流转换为用于输入到ADC 1206的电压，并为电流/电压输出驱动器1222提供反馈。在所例示示例中，负载信号1214独立于电流/电压选择(经由输出引脚选择器1224)，因为模拟输入可以与外部回路电源(loop supply)和电流电阻器一起在电压模式下使用。
在所示示例中，模拟块914接收驱动块914的功能的多个处理器输出。如所例示示例中所示，处理器输出包括来自数模转换器(DAC)1216的信号、输出使能信号1218和电流/电压选择信号1220。在一些示例中，当模拟块914处于输出模式时，使用DAC信号1216。此外，在一些示例中，当模拟块914处于电流模式时，DAC信号1216用于驱动+T电源。在一些示例中，DAC信号1216在具有至少15位的分辨率的I/O模块118的处理器的外部。在一些示例中，如果集成电路1208支持该功能，则DAC信号1216 可以使用集成电路1208。在所例示示例中，输出使能信号1218使能电流/ 电压输出驱动器1222。在所例示示例中，当禁用输出使能信号1218时，输出线呈现高阻抗。在一些示例中，电流/电压选择信号1220选择或指定电流 /电压输出驱动器1222和输出引脚选择器1224是处于电流模式还是处于电压模式。
在一些示例中，模拟块914包括输出缓冲放大器1226，以从DAC信号1216实现缩放电压和阻抗匹配。在一些示例中，输出缓冲放大器1226 的功能可以包括来自电流负载电阻器1212和/或模拟电压输入级的反馈回路。
在图12所示示例中，模拟块914包括电流/电压输出驱动器1222。输出驱动器的模式(电流或电压)在使能时，是基于电流/电压选择信号1220 的。在一些示例中，当模拟块914处于电压模式下，输出缓冲放大器1226 的输出通过保护电路传递到输出驱动器1222。在一些示例中，当模拟块914 是处于电流模式中时，输出驱动器1222控制输出电流(例如，来自I/O模块118上的24V电源)，其关系到通过输出缓冲放大器1226从DAC信号 1216提供的电压。在一些这样的示例中，输出驱动器1222可以被实现为模拟输入或模拟输出。此外，在一些示例中，当模拟块914处于输入模式时，输出驱动器1222提供了+T回路电源。在一些这样的示例中，电流的信号 DAC信号1216和相关联的电路提供缩放电流到至少22mA。在一些示例中，电流被缩放到至少25mA。
在所例示的示例中，模拟块914的功能取决于(1)模拟块914是处于电流模式还是处于电压模式，以及(2)模拟块914是处于输入模式还是输出模式。因此，模拟块914设置有输出引脚选择器1224，以使得固件以提供适当的对准。如上所述，每个I/O模块118可以与不同类型的端接模块 404耦合，这可能影响(例如，防止)使用电流/电压和输入/输出模式的某些组合。在图12的所示示例中示出的示例性输出引脚选择器1224代表用于实现输出引脚选择器1224的机制，但是其它实现是可能的。例如，输出引脚选择器1224可以经由固态解决方案来实现。在其它示例中，输出引脚选择器1224可以经由一个微型双刀双掷(DPDT)自锁继电器来实现，其中，电流和电压的单独的信号将被提供来管理两个线圈。
在所例示示例中，模拟块914处于在使能信号1218断开时没有现场输出是活动的不活动状态或PTS(保护自己)模式，并且当模拟块914被设置为电压模式时，负载电阻器使能信号断开。因此，模拟块914在处于不活动状态时仅处于没有源电压的模式下。在一些示例中，模拟块914在输出模式时处于活动状态，这允许关于可以用于错误检测的输出的反馈。在一些示例中，不活动状态是在上电时模拟块914的默认状态。此外，在一些示例中，当I/O模块118确定没有端接模块404被安装在对应的端接槽中时，端接模块404已被移除时，安装的端接模块404是无效的时(例如，与I/O模块118不兼容)，进入不活动状态。在一些示例中，使用上文描述的电子键控方法进行这些确定。
图13例示了对应于图4的端接模块404中的一个的示例性十通道端接模块1300。在一些示例中，端接模块1300可适于与图6的模拟I/O模块、图8的混合模拟/离散I/O模块118或另一类型的十通道I/O模块118一起操作。在图13的例示示例中，端接模块1300包括背板连接器1302，其将端接模块通信地耦合到如上文所描述的机架200的背板300。此外，图13的示例性端接模块1300包括端接块1304，其使得来自现场设备和/或其他部件的接线耦合到端接模块1300。在一些示例中，端接块1304对应于可分离的端子块416，其通信地耦合到上文结合图4讨论的信号调节卡418的模块连接器424。
如图13在所例示示例，端接模块1300提供对应于每个具有两个端子 (为正和负两种信号)的十个通道1306的二十个信号。在所例示示例中，在十个通道1306中的每一个上传输的信号通过特定于每个通道1306的调节电路1308在端接块1304与背板连接器1302之间传递。在调节电路1308 内实现的具有不同类型的调节电路的不同端接模块对应于不同类型的端接模块1300，其可以基于如上文所描述的识别电阻器1004的电阻值来识别。一些类型的端接模块1300可以包括针对调节电路1308中的每一个的相同电路。其它类型的端接模块1300可以包括调节电路1308中的不同调节电路的不同类型的电路，其对应于端接模块404上的不同通道。下文结合图 16-图22更详细地描述了调节电路1308。
除了十个通道1306之外，在一些示例中，端接模块1300提供六个附加信号1310，其可以提供模块特定的功能。在图13的所例示的示例中，模块特定信号1310不被使用。此外，在所例示示例中，端接模块1300的背板连接器包括接收使能信号1312连接器。在所例示示例中，使能信号1312 对应于使能信号1018(结合图10描述)，其在端接模块1300被确认为与控制模块402兼容之后由控制模块402生成。在一些示例中，使能信号1312 被用于使能调节电路1308。如在所例示的示例中所示，背板连接器包括用于电压输入的连接器1314，以提供电压给端接模块1300的非隔离电路。另外，如图13所示，示例性端接模块1300包括用于识别信号1316和公共信号路径1318的连接器，该连接器通信地与识别电阻器1004串联耦合，该识别电阻器1004形成分压器1002的低半部分以独特地识别如上文结合图 10所描述的端接模块1300。换而言之，在所例示示例中，识别信号1316 对应于结合图10讨论的识别信号1008。
图14例示了对应于图4的端接模块404中的一个的示例性十六通道端接模块1400。在一些示例中，端接模块1400可以适于使用图7的高密度离散I/O模块118来操作。在图14的所例示示例中，端接模块1400包括背板连接器1402，其将端接模块1400通信地耦合到如上文所描述的机架200的背板300。此外，图14的示例性端接模块1400包括端接块1404，其使来自现场设备和/或其它部件的接线耦合到端接模块1400。在一些示例中，端子块1404对应于可分离的端子块416，其通信地耦合到上文结合图4讨论的信号调节卡418的模块连接器424。
在一些示例中，图14的十六通道端接模块1400的背板连接器1402被配置为类似于图13的十通道端接模块1300的背板连接器1302。换而言之，在图13和14中示出的两个背板连接器1302、1402包括十个通道1306的正和负信号路径、六个模块特定信号1310的连接器、以及使能信号1312、电压输入1314、识别信号1316和公共信号路径1318的连接器。在一些示例中，图13和图14所示的不同端接模块1300、1400的背板连接器1302、 1402被类似地配置，以使得用于机架200中的端接槽211-218的单一设计可以接收端接模块1300、1400中的任何一个(和/或其它类型的类似配置的端接模块)。
虽然不同端接模块1300、1400(以及相关联的信号)的背板连接器1302、 1402是相似的，但图14的背板连接器1402与端子块1404之间的内部电路和对应的信号路径不同于如图13所示的情况。例如，根据本文公开的教导构造的十六通道端接模块用于高密度离散输入或离散输入和离散输出的高密度混合。更具体地，在图14的示例性端接模块1400中，十个通道1306 中的前八个被配置为与可以支持离散输入、脉冲输入和/或离散输出的离散块(例如，图9的离散块916)相连接，而十个通道1306中的剩余两个以及模块特定信号1310用于离散输入。在其它示例中，相对于独占离散输入的通用离散块的数量可能与所例示示例中所示的不同。
如所例示示例中所示，在十个通道1306中的每一个上传输的信号通过特定于每个通道1306的调节电路1406在端子块1404与背板连接器1402 之间传递。此外，模块特定信号透传对应于每个信号其它信号调节电路 1406。在所例示示例中，与模块特定信号1310相关联的调节电路1406(编号11-16)和与通道9或10中的一个相关联的负信号配对。具体地，前三个模块特定信号(MS1-MS3)与通道9的负信号路径配对，而后三个模块特定信号(MS4-MS6)与通道10的负信号路径配对。如所例示示例中所示，端接模块1400的十六个通道在端子块1404处共享公共端接，其中每四个通道一个公共端接。
图15例示了对应于图4的端接模块404中的一个的示例性八通道AC 端接模块1500。在一些示例中，端接模块1500可以用于交流(AC)输入和输出。与图13和图14的端接模块1300、1400一样，图15的示例性八通道AC端接模块1500包括背板连接器1502，其可以被配置为类似于图13 和14的背板连接器1302、1402。图15的示例性八通道AC端接模块1500 包括端子块1504。在一些示例中，端子块1504对应于可分离的端子块41，其通信地耦合到上文结合图4讨论的信号调节卡418的模块连接器424。在一些示例中，端子间隔要求导致端子块1504上的每个其它端接点被使用，导致用于现场接线的十个端子。如所例示示例中所示，十个端子对应于由端接模块1500、AC电源端子和中性端子提供的八个通道。此外，与图13 和图14的端接模块1300、1400一样，图15的示例性八通道AC端接模块 1500包括用于每个通道的调节电路1506。
尽管端接模块1300、1400、1500的示例性实现在图13-图14所例示的示例中示出，但是不同类型的端接模块(例如，具有用于相同或不同目的的不同数量的可用通道)可以替代地根据本文公开的教导来实现。
图16-图22例示了实现图13-15的调节电路1308、1406、1506的不同示例类型的电路。如上文所述，端接模块404提供特定的电路来特征化和/ 或调节经由端接模块404的每个通道传输的信号。以这种方式，根据端接模块404的具体类型(例如，基于调节电路1308、1406、1506的类型)控制模块402可以实现用于多个不同的目的，每个控制模块402与端接模块 404的具体类型配对(经由机架200的背板300)。此外，如果端接模块内的电路发生故障，则将某些功能和/或电路从控制模块402分离成单独的端接模块404可以保护控制模块402的电子设备的其余部分。此外，这种方法降低了终端用户的替代成本，因为只有端接模块需要替换，而相对较昂贵的控制模块402仍然可以被使用。
具体参见附图，图16例示了示例性浪涌保护电路1600，其可以对应于图13-图15的调节电路1308、1406、1506中的不同调节电路。示例性浪涌保护电路1600提供过电压或浪涌保护，使得没有过电压状况可以到达背板 300(或控制模块402)。典型的电压可以在12伏至24伏之间，但可能会上涌(例如，从不正确布线、雷电感应等)高达5000伏。在一些示例中，浪涌保护电路将背板300和/或控制模块402的电压限制到30伏或更小，并且还可以提供附加的电流限制。
图17例示了示例性常开继电器1700，并且图18例示了示例性常闭继电器1800，其可以对应于图13-图15的调节电路1308、1406、1506中的不同调节电路。示例性继电器1700、1800与离散输出一起使用并提供隔离。在所例示的示例中，当移除电路的电源时，继电器1700、1800还提供已知状态。
图19例如示了示例性高边驱动器1900(有时称为固态继电器)，并且图20例示了示例性低边驱动器2000，其可以对应于图13-15的调节电路 1308、1406、1506中的不同调节电路。在一些示例中，高边驱动器1900是光隔离的。在一些示例中，当在相对较大的电流下需要快速切换时，高低边驱动器1900、2000用于离散输出或慢脉冲输出。示例性高边驱动器1900 在负载的高边或正极侧切换电源，而示例性低边驱动器2000在负载的低边或负极侧切换电源。
图21例示了示例性AC输入电路2100，并且图22例示了示例性AC 输出电路2200，其可以对应于图13-15的调节电路1308、1406、1506的不同调节电路。在一些示例中，AC电路可以被实现为光隔离的固态AC输入和输出驱动器。在一些示例中，AC电路可以用于控制应用(例如，预设) 中。在一些示例中，AC输入电路2100与离散输入一起使用以检测现场终端上的AC电压的存在(或不足)。在一些示例中，AC输出电路2200与离散输入一起使用以将AC电压切换到负载。
另外的示例性调节电路1308、1406、1506包括高电压(例如，大于 30VDC)输入电路，其使用用于离散输入或慢脉冲输入的高电压输入转换器，用于模拟输入的毫伏到伏放大器，用于放大来自直接拾取装置的低电平脉冲信号的脉冲放大器，通过提供高共模信号的前端来允许将模拟输入到标准模拟I/O模块的差分放大器，用于高电流输出的熔断器(例如，一次性或可重设)，除非被激活防止任何输出通信的允许输入，或冗余信号调节卡(下面结合图23所描述)中的冗余块，以将现场输入路由到在冗余模式下配置的两个控制模块并且基于活动的控制模块来管理输出切换。其它示例性调节电路可以包括环境传感器，其测量和/或检测整装物质中的环境温度、湿度、压力和/或气体(例如，不与外部设备连线)。一些调节电路可以提供电动机控制功能(诸如，举例来说，用于AC感应电动机、DC电动机或步进电动机的的驱动器)。此外，示例性调节电路可以提供位置检测功能，其包括例如旋转变压器、线性编码器、旋转编码器和/或传感器接口，以检测倾斜、俯仰和/或角度。在一些示例中，调节电路提供与应变计和/或相关联的放大器的接口。在一些示例中，调节电路为多轴加速度计提供接口(例如，以监测和/或检测振动)。另外或替代地，在一些示例中，调节电路提供视频/静态照相机接口，其可以实现位置(例如，上、下、左、右)和/或其它形式的控制(例如，变焦(zoom))。在一些示例中，调节电路提供音频检测功能(诸如，举例来说，从基线声级检测偏差(爆炸声，不存在声音等)以生成适当的报警和/或其它相关反馈)。
另外或替代地，可以在期望与对应的CPU模块116或COM模块一起使用的端接模块404中实现其它类型的调节电路。例如，COM模块120具有逻辑电平信号(Tx，Rx，RTS)，其可以通过通信地耦合用于特定类型的通信(例如：RS232，RS485，RS422)的端接模块404来转换。在一些示例中，通过端接模块404内的调节电路来完成电平转换。
如上文所述，在一些示例中，当控制模块402被放置在冗余对220、222、 224中的一个中时，两个不同的控制模块402可以以冗余模式与用作另一个控制模块的备份的控制模块一起使用。在一些示例中，为了促进将现场设备耦合到两个模块，两个相同类型的端接模块404的两个信号调节卡418 的电路被组合以形成如图23所例示的冗余信号调节卡2302。如所例示示例中所示，冗余信号调节卡2302包括两个背板连接器部分2304，其被构造成装配在机架200的两个相邻的端接槽中，但仅包括与对应的模块连接器422 通信耦合的单个模块连接器组424。在一些示例中，每个背板连接器部分 2304容纳与上文描述的各个信号调节卡418类似的电路。
此外，在一些示例中，冗余信号调节卡2302包括附加电路，以将来自现场设备的输入信号(经由端子块416通信地耦合到信号调节卡2302)分成两个，从而将相同的信号提供给每个背板连接器部分2304中的电路。以这种方式，冗余对模块的活动控制模块接收必要的信号以实现控制，而备份控制模块接收相同的信号以监测活动模块的错误并准备就绪在检测到故障时接管。在一些示例中，冗余信号调节卡2302包括指示器2306(例如， LED)，以指示哪个背板连接器部分2304当前与活动控制模块402相关联。此外，在一些示例中，冗余信号调节卡2302包括开关2308，以测试和/或启动故障切换。
另外或替代地，对于输出信号，示例性冗余信号调节卡2302可以包括基于哪个控制模块402处于活动模式在两个冗余控制模块402(可通信地耦合到冗余卡2302)之间切换的继电器。例如，如果奇数编号的控制槽(例如，默认活动槽)中的控制模块是活动的，则继电器将不活动(常闭)以将来自主控制模块402的输出信号(奇数编号的控制插槽中的活动模块) 连接到现场终端。相比之下，在一些示例中，如果偶数编号的控制槽中的控制模块是活动的(例如，次模块是活动的)，则模块将使用使能信号激活继电器，从而将来自次控制模块的输出信号连接到现场终端。在一些示例中，冗余信号调节卡2302中的附加电路还通过在不活动模块上提供负载和反馈来使得存在故障切换时能够在模块进行无扰动转换，以使得在两个控制模块402上的输出在切换之前是相同的。
在一些示例中，每种不同类型的冗余信号调节卡2302包括独特的识别电阻器1004，以区分信号调节卡的类型与其它信号调节卡，无论它们是否是冗余的。因此，在一些示例中，与冗余信号调节卡2302通信耦合的两个冗余控制模块402中的每一个中的处理器自动检测冗余信号调节卡2302。在一些这样的示例中，每个冗余控制模块中的处理器自动将控制模块402 配置为以冗余模式操作(例如，自动将一个控制模块指定为主模块，而将另一个模块自动指定为次模块或故障切换模块)。
图24是例示了图9的示例性控制模块和示例性端接模块的电子键控功能的另一示例性实现的框图。如上文所描述，结合图10，端接模块检测器 924(在控制模块402中)和模块类型指示器926(在端接模块404中)每个包括当控制模块402和端接模块404经由背板300通信耦合时一起形成电阻分压器1002的电阻器。相比之下，在图24所例示的示例中，端接模块检测器924(在控制模块402中)对应于内部集成电路(I2C)至单线(1-wire) 转换器2402，并且模块类型指示器926(在端接模块404中)对应于能够进行单线数字通信的可擦除可编程只读存储器(EEPROM)2404。在这样的示例中，EEPROM 2404包含识别端接模块404的类型的独特代码。该代码可以在端接模块404的制造过程中进行编程。尽管图10的示例性实现能够实现独特识别多达80个端接模块的独特类型(基于不同的电阻值)， EEPROM 2404的存储器应当足以实现独特识别任何实际数量的端接模块。此外，在一些示例中，EEPROM 2404还可以包含特定于每个单独的端接模块404的其它识别信息(诸如，举例来说，制造信息(例如，序列号、制造日期、制造地点、批号、版本号等))。
在图24的所例示示例中，控制模块402的处理器920经由转换器2402 连续地、周期地或非周期性地读取EEPROM 2404上的识别码，以识别和验证端接模块404与控制模块402的兼容性。如果端接模块404被确定为不兼容，则处理器920可以防止通信(例如，禁用使能信号1018)和/或生成适当的错误消息。此外，如果确定模块是兼容的，则处理器920可配置控制模块402和/或使能与端接模块404的输出通信。
除了识别端接模块404的类型以验证兼容性之外，所例示示例的控制模块402还可以处于上电状态时检测端接模块404的初始插入或移除。如图24所示，控制模块402和端接模块404包括连接到处理器920的中断引脚的专用信号或中断2406。当端接模块404与背板300分离时，控制模块 402上的中断信号2406由于跨电阻器2410的电压2408而被拉高。然而，如所例示示例中所示，当端接模块404经由背板300电耦合到控制模块402 时，中断信号2406经由端接模块404被连接到电路公共端2412或大地。在所例示示例中，处理器920能够检测中断2406处的上升沿或下降沿。
当端接模块404被移除时，中断2406不再连接到大地，使得其将上升到拉高的电平，导致上升沿中断。响应于检测到上升沿，处理器920可以禁用到端子块的I/O信号并停止I/O扫描。在一些这样的示例中，处理器 920还可以生成警报以指示检测到的端接模块404的移除。
相比之下，当端接模块404最初被插入到背板300中时，中断2406(先前被拉到高电平)将被连接到大地，引起下降沿中断。响应于检测到下降沿，处理器920可以开始校验过程以识别端接模块404，来确认其是与控制模块402兼容的类型。在一些示例中，如果移除了第一端接模块404并且在控制模块402处于上电状态时插入第二端接模块，则处理器920比较每个端接模块的类型。如果新安装的端接模块404与所移除的模块为相同类型，则处理器920可以自动使能与端接模块404的通信并返回到正常的I/O 扫描。然而，在新安装的端接模块被确定为与先前移除的模块不同的示例中，在使能通信之前，处理器920可以生成请求操作员输入的报警，以配置控制模块402和/或端接模块404。
图25中示出了表示用于实现图4的示例性控制模块402中的一个以识别图4的端接模块404中的一个的示例性方法的流程图。在该示例中，该方法可以使用机器可读指令来实现，该机器可读指令包括用于由处理器(诸如下文结合图26讨论的示例性处理器平台2600中所示的处理器2612)执行的程序。该程序可以体现在软件中，该软件储存在有形计算机可读储存介质(诸如CD-ROM、软盘、硬盘驱动器、数字多功能盘(DVD)、蓝光盘或与处理器2612相关联的存储器)，但是整个程序和/或其部分可替代地由除了处理器2612之外的设备执行和/或体现在固件或专用硬件中。此外，尽管参照图25所例示的流程图描述了示例性程序，但是可以替代地使用实现示例性控制模块402的许多其它方法。例如，可以改变块的执行顺序，和/或可以改变、消除或组合所描述一些块。
如上所述，可以使用经编码的指令来实现图25的示例性方法，该经编码的指令储存在有形计算机可读储存介质(诸如硬盘驱动器、闪存、只读存储器(ROM)、压缩盘(CD)、数字多功能盘(DVD)、高速缓存、随机存取存储器(RAM)和/或任何其它储存设备或储存盘)上，其中，信息在任何持续时间上(例如，在延长的时间段上、永久地、短暂地、用于临时缓冲和/或用于缓存信息)被储存在该有形计算机可读储存介质。如本文所使用的，术语有形计算机可读存储介质被明确地定义为包括任何类型的计算机可读储存设备和/或储存盘，并且排除传播信号并排除传输介质。如本文所使用的，“有形计算机可读储存介质”和“有形机器可读储存介质”可互换使用。另外或替代地，可以使用储存在非暂时性计算机和/或机器可读介质(例如硬盘驱动器、闪存、只读存储器、压缩盘、数字多功能盘、高速缓存、随机存取存储器和/或任何其它储存设备或储存盘)上的经编码的指令(例如，计算机和/或机器可读指令)来实现图25的示例性方法，其中，信息在任何持续时间上(例如，在延长的时间段上、永久地、短暂地、用于临时缓冲和/或用于缓存信息)被储存在非暂时性计算机和/或机器可读介质中。如本文所使用的，术语非暂时性计算机可读介质被明确地定义为包括任何类型的计算机可读储存设备和/或储存盘，并且排除传播信号并排除传输介质。如本文所使用的，当短语“至少”用作权利要求的前序部分中过渡术语时，其以与术语“包括”开放式相同的方式是开放式的。
在图25的示例性方法中，假设控制模块402已经被安装在机架200中并且处于上电状态。图25的方法从块2502开始，其中，控制模块402检测端接模块404插入到机架200的对应端接槽中。在一些示例中，控制模块402的比较器电路1020基于在控制模块402与端接模块404之间形成的分压器1002的输出电压1014中检测到的下降来检测端接模块404的插入。在其它示例中，当端接模块404将信号连接到大地时，控制模块402的处理器920基于中断信号2406中的电压降的检测来检测端接模块404的插入。在框2504处，比较器电路生成插入中断。在一些示例中，插入中断被提供给控制模块的处理器920，以指示端接模块404已被安装。在框2506处，示例性处理器920将控制模块402设置为不活动状态。在一些示例中，处理器920通过去激活对端接模块404的调节电路的使能信号(例如，图10 的使能信号1018或图13的使能信号1312)，并将所有通道设置为输入模式而进入不活动或仅输入模式。在这种状态下，禁止来自端接模块404的现场端子的通信。在一些示例中，在硬件上使用上拉(或下拉)来去激活使能信号1018，并且在处理器920上电时将所有通道设置为输入模式。在一些示例中，如结合图24所描述的那样，经由处理器920直接检测端接模块404，处理器920自动将控制模块402设置为不活动状态。
在框2508处，示例性处理器确定端接模块404的识别值。在一些示例中，识别值是对应于由ADC 1024转换的分压器1002的输出电压1014的 16位数字值。在一些示例中，基于在每种类型的端接模块404中提供的不同的识别电阻器1004，不同类型的端接模块404之间的识别值不同。在一些示例中，识别值基于从端接模块404的EEPROM 2404获取的数据。在框2510处，示例性处理器920确定识别值是否有效(例如，对应于可识别类型的端接模块)。如果不是有效的，则控制前进到块2512，其中示例性处理器920生成端接模块错误。在一些示例中，端接模块错误通过端接模块状态指示器512指示。此后，图25的示例性方法结束。
返回到框2510，如果示例性处理器920确定识别值有效，则控制前进到框2514，其中示例性处理器920确定端接模块是否与控制模块402兼容。如果不是有效的，则控制前进到块2524，其中示例性处理器920生成兼容性错误。在一些示例中，通过端接模块状态指示器512指示兼容性错误。此后，图25的示例性方法结束。
返回到框2514，如果示例性处理器920确定端接模块与控制模块402 兼容，则控制前进到框2518，其中示例性处理器920配置控制模块402以与端接模块404进行通信。在框2520处，示例性处理器920在运行时间期间实现控制模块402。
在框2522处，示例性处理器920确定是否是时间检查端接模块404的标识值了。在一些示例中，在周期性或非周期性的基础上检查识别值。如果不是检查识别值的时间，则控制进入框2524，其中控制模块402确定端接模块402是否已经被移除。在一些示例中，比较器电路1020基于检测到的在控制模块402与端接模块404之间形成的分压器1002的输出电压1014 的上升来检测端接模块404的移除。在一些示例中，处理器920基于中断信号2406被拉到如结合图24所描述的高电平来检测端接模块404的移除。如果控制模块402确定端接模块404尚未被移除，则控制返回到框2520以执行控制模块402。如果控制模块402确定端接模块404已经被移除，则控制前进到块2526，其中比较器电路生成移除中断。在其它示例中，如上文结合图24所述的，控制模块的处理器920可以基于中断信号2406直接确定端接模块404已经被移除。在I2C设备2402检测到不存在端接模块404 的示例中，处理器920被通知通过连续轮询I2C设备2402来移除。在框2528 处，示例性处理器920将控制模块402设置为不活动状态，于是控制返回到框2502以检测另一端接模块的插入。
返回到框2522，如果示例性处理器920确定是到了检查标识值的时间了，则控制前进到框2530，其中示例性处理器920确定端接模框404的识别值(例如，基于分压器1002的输出电压1014的读取或从EEPROM 2404 获得的数据的读取)。在框2532处，示例性处理器920确定识别值是否匹配先前的识别值。如果匹配，则控制返回到框2524。如果不匹配，则控制前进到框2534，其中示例性处理器920生成端接模块错误。此后，图25的示例性方法结束。
图26是能够执行图25的方法以实现图4的任何控制模块402的示例性处理器平台2600的框图。处理器平台2600可以是例如服务器、个人计算机、移动设备(例如，手机、智能电话、诸如iPadTM的平板电脑)、个人数字助理(PDA)、互联网设备、DVD播放器、CD播放器、数字录像机、蓝光播放器、游戏机、个人录像机、机顶盒或任何其它类型的计算设备。
所例示示例的处理器平台2600包括处理器2612。所例示示例的处理器 2612是硬件。例如，处理器2612可以由来自任何期望系列或制造商的一个或多个集成电路、逻辑电路、微处理器或控制器来实现。
所例示示例的处理器2612包括本地存储器2613(例如，高速缓存)。所例示示例的处理器2612经由总线2618与包括易失性存储器2614和非易失性存储器2616的主存储器通信。易失性存储器2614可以由同步动态随机存取存储器(SDRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、RAMBUS动态随机存取存储器(RDRAM)和/或任何其它类型的随机存取存储器件。非易失性存储器2616可以由闪存和/或任何其它所期望类型的存储器器件实现。通过存储器控制器来控制对主存储器2614、2161的访问。
所例示示例的处理器平台2600还包括接口电路2620。接口电路2620 可以通过任何类型的接口标准(诸如以太网接口、通用串行总线(USB) 和/或PCI Express接口)来实现。
在所例示示例中，一个或多个输入设备2622连接到接口电路2620。输入设备2622允许用户将数据和命令输入到处理器2612中。输入设备可以通过例如音频传感器、麦克风、相机(静止或视频)、键盘、按钮、鼠标、触摸屏、轨迹板、轨迹球、等距点(isopoint)和/或声音识别系统来实现。
一个或多个输出设备2624还连接到所例示示例的接口电路2620。输出设备2624可以例如通过显示设备(例如，发光二极管(LED)、有机发光二极管(OLED))、液晶显示器、阴极射线管显示器(CRT)、触摸屏、触觉输出设备、发光二极管(LED)、打印机和/或扬声器)来实现。因此，所例示示例的接口电路2620通常包括图形驱动器卡、图形驱动器芯片或图形驱动器处理器。
所例示示例的接口电路2620还包括通信设备(诸如发射机、接收机、收发机、调制解调器和/或网络接口卡)，以促进经由网络2626(例如，以太网连接、数字用户线(DSL)、电话线、同轴电缆、蜂窝电话系统等)与外部机器(例如，任何类型的计算设备)进行数据交换。
所例示示例的处理器平台2600还包括用于储存软件和/或数据的一个或多个大容量储存设备2628。这种大容量储存设备2628的示例包括软盘驱动器、硬盘驱动器盘、光盘驱动器、蓝光盘驱动器、RAID系统和数字多功能盘(DVD)驱动器。
用于实现图23的方法的经编码的指令2632可以储存在大容量储存设备2628中，在易失性存储器2614中，在非易失性存储器2616中和/或在可移动的有形计算机可读储存介质(例如CD或DVD)上。
由上可知，应当理解，上文所公开的方法、装置和制品可以为期望将现场设备通信地耦合到RTU的工程师或其他个人提供更大的灵活性、更高的效率和降低的成本。如上文所描述，这些优点通过在包括端接模块中的专用功能的同时通过包括控制模块中的核心I/O功能来实现，该端接模块被制造为将经由基础机架或框架的背板进行连接的分离部件。这些部件的分离使得能够替换相对低成本的端接模块，而不需要替换更昂贵的控制模块。此外，在一些示例中，端接模块用电路来实现，以为控制模块提供浪涌保护，以使得常见的故障模式可能仅在损害低成本端接模块的同时增加控制模块的使用寿命。另外，不同类型的端接模快中的电路可以用于以不同的方式对控制模块进行调节或特征化，从而实现不同的应用，而不需要多个独立的I/O卡，这些I/O卡只能用于一个目的，并且比端接模块贵。此外，在一些示例中，当经由背板通信耦合时，控制模块和对应的端接模块形成电路，其使得控制模块能够自动识别端接模块，以确定是否存在任何兼容性问题。
尽管本文已经公开了某些示例性方法、装置和制品，但是该专利的覆盖范围不限于此。相反，该专利覆盖的所有方法、装置和制造品完全落入本专利权利要求书的范围内。

Claims (15)

1.一种用于将现场设备通信地耦合到远程终端单元的装置，其特征在于，包括：
基础机架，所述基础机架用于过程控制系统中的远程终端单元；
第一端接模块，所述第一端接模块被插入在所述基础机架的第一端接槽中，通信地耦合到现场设备的接线被端接在所述第一端接模块上；以及
与所述第一端接模块分离的第一控制模块，所述第一控制模块被插入在所述基础机架的第一控制槽中，所述第一控制模块经由所述基础机架的背板与所述第一端接模块通信地耦合，所述第一控制模块控制与所述现场设备的通信，其中，当所述第一端接模块和所述第一控制模块经由所述基础机架的所述背板通信地耦合时，所述第一端接模块提供识别信号，所述识别信号指示所述第一端接模块的类型。
2.根据权利要求1所述的用于将现场设备通信地耦合到远程终端单元的装置，其特征在于，当所述第一端接模块对应于第一类型的端接模块时，所述识别信号具有第一值，当所述第一端接模块对应于第二类型的端接模块时，所述识别信号具有第二值，所述第一控制模块包括处理器，以基于所述识别信号来识别所述第一端接模块的类型。
3.根据权利要求2所述的用于将现场设备通信地耦合到远程终端单元的装置，其特征在于，所述第一控制模块基于所述第一端接模块的类型来自动地生成兼容性信号，所述兼容性信号指示所述第一端接模块是否与所述第一控制模块兼容。
4.根据权利要求2所述的用于将现场设备通信地耦合到远程终端单元的装置，其特征在于，当所述第一端接模块的类型与所述第一控制模块不兼容时，所述第一控制模块自动地防止所述第一控制模块与所述现场设备之间的信号的通信。
5.根据权利要求2所述的用于将现场设备通信地耦合到远程终端单元的装置，其特征在于，所述第一类型的端接模块包括用于调节所述现场设备与控制模块之间的信号的第一调节电路，所述第二类型的端接模块包括用于调节所述现场设备与控制模块之间的信号的第二调节电路，所述第二调节电路不同于所述第一调节电路。
6.根据权利要求5所述的用于将现场设备通信地耦合到远程终端单元的装置，其特征在于，所述第一调节电路是以下各项中的至少一项：浪涌保护电路、高边驱动器、低边驱动器、交流输入电路、交流输出电路、高电压输入电路、毫伏到伏放大器、脉冲放大器、差分放大器、输出熔断器、或冗余块。
7.根据权利要求5所述的用于将现场设备通信地耦合到远程终端单元的装置，其特征在于，所述第一调节电路与所述第一类型的端接模块的第一通道相关联，所述第一类型的端接模块包括与所述第一类型的端接模块的第二通道相关联的第三调节电路，所述第一调节电路具有与所述第三调节电路不同的电路。
8.根据权利要求1所述的用于将现场设备通信地耦合到远程终端单元的装置，其特征在于，从所述第一端接槽移除所述第一端接模块将导致由所述第一控制模块监测的信号中的电压升高。
9.根据权利要求1所述的用于将现场设备通信地耦合到远程终端单元的装置，其特征在于，将所述第一端接模块插入到所述第一端接槽中将导致由所述第一控制模块监测的信号中的电压下降，所述电压下降触发用于验证所述第一端接模块与所述第一控制模块的兼容性的检验过程。
10.根据权利要求1所述的用于将现场设备通信地耦合到远程终端单元的装置，其特征在于，当所述第一端接模块和所述第一控制模块经由所述基础机架的所述背板通信地耦合时，所述第一端接模块包括识别电阻器，所述识别电阻器与所述第一控制模块中的参考电阻器一起形成分压器，所述识别信号对应于分压器的输出电压。
11.根据权利要求1所述的用于将现场设备通信地耦合到远程终端单元的装置，其特征在于，所述第一控制模块包括内部集成电路至单线转换器，以在所述第一端接模块和所述第一控制模块经由所述基础机架的所述背板通信地耦合时，从所述第一端接模块中的电可擦除可编程只读存储器接收所述识别信号。
12.根据权利要求1所述的用于将现场设备通信地耦合到远程终端单元的装置，其特征在于，所述第一端接模块包括信号调节卡和端子块，所述信号调节卡包括背板连接器以将所述第一端接模块通信地耦合到所述背板，所述端子块包括端接点以从所述现场设备端接所述接线，所述端子块能够与所述信号调节卡分离而不需要从端接点解除所述接线。
13.根据权利要求1所述的用于将现场设备通信地耦合到远程终端单元的装置，其特征在于，还包括：
第二控制模块，所述第二控制模块被插入在所述基础机架的第二控制槽中，所述第二控制模块提供对所述第一控制模块的冗余备份；以及
第二端接模块，所述第二端接模块被插入在所述基础机架的第二端接槽中，所述第二控制模块经由所述基础机架的所述背板与所述第二端接模块通信地耦合，所述通信地耦合到所述现场设备的接线经由端子块来端接在所述第一端接模块上，所述端子块通信地耦合到所述第一端接模块和所述第二端接模块两者，所述端子块将来自所述现场设备的信号拆分到所述第一端接模块和所述第二端接模块两者。
14.根据权利要求13所述的用于将现场设备通信地耦合到远程终端单元的装置，其特征在于，所述第一控制模块包括处理器，以检测通信地耦合到所述第一端接模块和所述第二端接模块两者的所述端子块，所述处理器自动地将所述第一端接模块配置为以冗余模式与所述第二端接模块操作。
15.根据权利要求1所述的用于将现场设备通信地耦合到远程终端单元的装置，其特征在于，所述第一控制模块是模拟I/O模块、离散I/O模块或混合模拟/离散I/O模块中的一项，所述第一控制模块基于所述第一端接模块中的调节电路而为特定应用进行调节。
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