JP2017157024A

JP2017157024A - Field device

Info

Publication number: JP2017157024A
Application number: JP2016040100A
Authority: JP
Inventors: 佐野　孝史; Takashi Sano; 孝史佐野; 潤一滝口; Junichi Takiguchi; 富男増尾; Tomio Masuo; 和法梶本; Kazunori Kajimoto
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2016-03-02
Filing date: 2016-03-02
Publication date: 2017-09-07
Anticipated expiration: 2036-03-02
Also published as: JP6714828B2

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a field device that is small in circuit scale, low in power consumption, and equipped with a low cost isolated transmission part.SOLUTION: A field device for performing insulation transmission of start-stop synchronous serial data within an apparatus includes an IrDA modulation part to perform IrDA modulation of the serial data, a photo-coupler to perform insulation transmission of the modulated data, and an IrDA demodulation part to demodulate the data by the insulation transmission.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、フィールド機器に関し、特に、シリアルデータの絶縁伝送方式に関する。 The present invention relates to a field device, and more particularly to an isolated transmission system for serial data.

フィールド機器では、機器内部でシリアルデータの絶縁伝送が行なわれる場合がある。図４は、絶縁伝送を行なうフィールド機器の一例である温度伝送器４００の構成を示すブロック図である。 In field devices, serial data may be isolated and transmitted inside the device. FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of a temperature transmitter 400 which is an example of a field device that performs insulated transmission.

本図に示すように、温度伝送器４００は、測定部４１０、Ａ／Ｄ変換部４２０、演算部４３０、絶縁伝送部４４０、出力部４５０を備えている。測定部４１０は、熱電対、測温抵抗体等から測定信号を入力し、アナログの測定データとして出力する。Ａ／Ｄ変換部４２０は、アナログの測定データをディジタル測定データに変換する。演算部４３０は、ディジタル測定データに基づいて測定温度値を算出し、シリアルデータとして出力する。絶縁伝送部４４０は、演算部４３０から出力部４５０にシリアルデータを絶縁伝送する。出力部４５０は、シリアルデータとして絶縁伝送された測定温度値を４−２０ｍＡの電流信号に変換して外部に出力する。 As shown in the figure, the temperature transmitter 400 includes a measurement unit 410, an A / D conversion unit 420, a calculation unit 430, an insulation transmission unit 440, and an output unit 450. The measurement unit 410 receives a measurement signal from a thermocouple, a resistance temperature detector, etc., and outputs it as analog measurement data. The A / D converter 420 converts analog measurement data into digital measurement data. The computing unit 430 calculates a measured temperature value based on the digital measurement data and outputs it as serial data. The insulation transmission unit 440 performs insulation transmission of serial data from the calculation unit 430 to the output unit 450. The output unit 450 converts the measured temperature value isolated and transmitted as serial data into a 4-20 mA current signal and outputs the converted signal to the outside.

絶縁伝送部４４０を介した演算部４３０と出力部４５０との間の通信は、調歩同期方式のシリアル通信で行なわれる。調歩同期方式のシリアル通信の絶縁伝送を行なうために、従来は、図５（ａ）に示すようなパルストランス４４１を利用した絶縁伝送部４４０ａ、あるいは、図５（ｂ）に示すようなパルス間隔変調データをフォトカプラ４４４で伝送する絶縁伝送部４４０ｂが用いられている。 Communication between the calculation unit 430 and the output unit 450 via the insulated transmission unit 440 is performed by asynchronous serial communication. Conventionally, in order to perform isolated transmission of asynchronous serial communication, an insulated transmission unit 440a using a pulse transformer 441 as shown in FIG. 5A or a pulse interval as shown in FIG. An insulating transmission unit 440b that transmits modulation data by a photocoupler 444 is used.

パルストランス４４１を利用した絶縁伝送部４４０ａは、パルストランス４４１と復調回路４４２とを備えており、図６（ａ）に示すように、絶縁伝送部４４０ａに入力されるシリアルデータのエッジをパルストランス４４１で伝送し、ロジック回路で構成した復調回路４４２で元のシリアルデータに戻して出力している。本質安全防爆構造とする場合には、例えば、パルストランス４４１の前段にコンデンサを安全保持部品として挿入し、パルストランス４４１に直流成分が混入しないようにすればよい。 The insulating transmission unit 440a using the pulse transformer 441 includes a pulse transformer 441 and a demodulation circuit 442. As shown in FIG. 6A, an edge of serial data input to the insulating transmission unit 440a is converted into a pulse transformer. The data is transmitted at 441, and is returned to the original serial data by the demodulation circuit 442 configured by a logic circuit and output. In the case of an intrinsically safe explosion-proof structure, for example, a capacitor may be inserted as a safety holding component in front of the pulse transformer 441 so that a DC component is not mixed into the pulse transformer 441.

パルス間隔変調データをフォトカプラ４４４で伝送する絶縁伝送部４４０ｂは、パルス間隔変調回路４４３、フォトカプラ４４４、パルス間隔復調回路４４５を備えている。 The insulating transmission unit 440 b that transmits the pulse interval modulation data by the photocoupler 444 includes a pulse interval modulation circuit 443, a photocoupler 444, and a pulse interval demodulation circuit 445.

パルス間隔変調は、図６（ｂ）に示すように、０と１とでパルス間隔（パルス位置）を異ならせる変調方式である。本例では、ビットデータ１のときに間隔Ｄ１とし、ビットデータ０のときに間隔Ｄ２（＜間隔Ｄ１）とし、バイトの区切りは間隔Ｄ１以上の間隔Ｄ３としている。 The pulse interval modulation is a modulation method in which the pulse interval (pulse position) is different between 0 and 1, as shown in FIG. In this example, the interval D1 is set for the bit data 1, the interval D2 (<interval D1) is set for the bit data 0, and the byte delimiter is the interval D3 equal to or greater than the interval D1.

本質安全防爆構造とする場合には、例えば、フォトカプラ４４４の発光側および受光側に電流を制限する抵抗を安全保持部品として挿入すればよい。 In the case of an intrinsically safe explosion-proof structure, for example, a resistor for limiting current may be inserted as a safety holding component on the light emitting side and the light receiving side of the photocoupler 444.

特開２００３−４２８５５号公報JP 2003-42855 A

図５（ａ）に示したパルストランス４４１を利用した絶縁伝送部４４０ａは、変化ビットのエッジを伝送するパルストランスが高周波ノイズも伝送してしまい、復調回路４４２がエッジとして誤検出してしまうおそれがある。また、復調回路４４２を構成するロジック回路の部品点数が多くなり、回路面積が大きくなるという問題もある。 In the isolated transmission unit 440a using the pulse transformer 441 shown in FIG. 5A, the pulse transformer that transmits the edge of the change bit also transmits high-frequency noise, and the demodulation circuit 442 may erroneously detect the edge as an edge. There is. In addition, there is a problem that the number of parts of the logic circuit constituting the demodulation circuit 442 increases and the circuit area increases.

図５（ｂ）に示したパルス間隔変調データをフォトカプラ４４４で伝送する絶縁伝送部４４０ｂは、パルス間隔変調が汎用的でないため、パルス間隔変調回路４４３とパルス間隔変調回路４４３とをゲートアレイで構成している。このため、コスト高になることに加え、回路規模が大きくなってしまう。また、０／１に関わらず、ビット毎にパルス発光するため、消費電力が大きくなる。 Since the isolated transmission unit 440b that transmits the pulse interval modulation data shown in FIG. 5B by the photocoupler 444 is not versatile, the pulse interval modulation circuit 443 and the pulse interval modulation circuit 443 are arranged in a gate array. It is composed. For this reason, in addition to high cost, the circuit scale becomes large. In addition, regardless of 0/1, since pulse emission is performed for each bit, power consumption increases.

そこで、本発明は、回路規模が小さく、低消費電力で低コストな絶縁伝送部を備えたフィールド機器を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a field device including an insulated transmission unit that has a small circuit scale, low power consumption, and low cost.

上記課題を解決するため、本発明のフィールド機器は、機器内部で調歩同期方式のシリアルデータの絶縁伝送を行なうフィールド機器であって、前記シリアルデータに対してＩｒＤＡ方式の変調を施すＩｒＤＡ変調部と、前記変調されたデータを絶縁伝送するフォトカプラと、前記絶縁伝送されたデータを復調するＩｒＤＡ復調部と、を備えたことを特徴とする。
ここで、前記フォトカプラの発光素子と受光素子のそれぞれに、安全保持部品として電流制限用の抵抗が接続されていてもよい。 In order to solve the above-described problems, a field device of the present invention is a field device that performs asynchronous transmission of asynchronous serial data inside the device, and includes an IrDA modulation unit that performs IrDA modulation on the serial data. And a photocoupler for insulatingly transmitting the modulated data, and an IrDA demodulator for demodulating the isolated data.
Here, a current limiting resistor may be connected to each of the light emitting element and the light receiving element of the photocoupler as a safety holding component.

本発明によれば、回路規模が小さく、低消費電力で低コストな絶縁伝送部を備えたフィールド機器が提供される。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the field apparatus provided with the insulated transmission part with a small circuit scale, low power consumption, and low cost is provided.

本実施形態のフィールド機器の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the field apparatus of this embodiment. 本実施形態の絶縁伝送部を説明するブロック図である。It is a block diagram explaining the insulated transmission part of this embodiment. 絶縁伝送部の伝送データを説明する波形タイミング図である。It is a waveform timing diagram explaining the transmission data of an insulated transmission part. 従来のフィールド機器の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the conventional field device. 従来のフィールド機器の絶縁伝送部を説明するブロック図である。It is a block diagram explaining the insulated transmission part of the conventional field device. 絶縁伝送部の伝送データを説明する波形タイミング図である。It is a waveform timing diagram explaining the transmission data of an insulated transmission part.

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態のシリアルデータの絶縁伝送を内部で行なうフィールド機器の構成を説明するブロック図である。本実施形態では、フィールド機器として、２線式の温度伝送器１００を例に説明するが、本発明は、２線式の温度伝送器に限られず、シリアルデータの絶縁伝送を機器内部で行なうフィールド機器全般に適用することができる。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram illustrating the configuration of a field device that internally performs serial data isolated transmission according to the present embodiment. In the present embodiment, a two-wire temperature transmitter 100 will be described as an example of a field device. However, the present invention is not limited to a two-wire temperature transmitter, and a field in which serial data is insulated and transmitted in the device. It can be applied to all devices.

本図に示すように、温度伝送器１００は、測定部１１０、Ａ／Ｄ変換部１２０、演算部１３０、絶縁伝送部１４０、出力部１５０を備えている。測定部１１０は、熱電対、測温抵抗体等から測定信号を入力し、アナログの測定データとして出力する。Ａ／Ｄ変換部１２０は、アナログの測定データをディジタル測定データに変換する。演算部１３０は、ディジタル測定データに基づいて測定温度値を算出し、シリアルデータとして出力する。絶縁伝送部１４０は、演算部１３０から出力部１５０にシリアルデータを絶縁伝送する。出力部１５０は、シリアルデータとして絶縁伝送された測定温度値を４−２０ｍＡの電流信号に変換して外部に出力する。 As shown in the figure, the temperature transmitter 100 includes a measurement unit 110, an A / D conversion unit 120, a calculation unit 130, an insulation transmission unit 140, and an output unit 150. The measurement unit 110 receives a measurement signal from a thermocouple, a resistance temperature detector, etc., and outputs it as analog measurement data. The A / D converter 120 converts analog measurement data into digital measurement data. The calculation unit 130 calculates a measured temperature value based on the digital measurement data and outputs it as serial data. The insulation transmission unit 140 performs insulation transmission of serial data from the calculation unit 130 to the output unit 150. The output unit 150 converts the measured temperature value insulated and transmitted as serial data into a 4-20 mA current signal and outputs the converted signal to the outside.

絶縁伝送部１４０を介した演算部１３０と出力部１５０との間の通信は、調歩同期方式のシリアル通信で行なわれる。調歩同期方式のシリアル通信の絶縁伝送を行なうために、本実施形態の温度伝送器１００では、図２に示すようなＩｒＤＡ変調データをフォトカプラ１４２で伝送する絶縁伝送部１４０が用いられている。 Communication between the calculation unit 130 and the output unit 150 via the insulated transmission unit 140 is performed by asynchronous serial communication. In order to perform isolated transmission of asynchronous serial communication, the temperature transmitter 100 of this embodiment uses an isolated transmission unit 140 that transmits IrDA modulated data as shown in FIG.

本図に示すように、絶縁伝送部１４０は、ＩｒＤＡ変調部１４１と、フォトカプラ１４２と、ＩｒＤＡ復調部１４３と、ＦＥＴ等のスイッチング素子１４４とを備えている。なお、絶縁伝送部１４０内に同じ回路を逆並列に設け、双方向通信を可能としてもよい。 As shown in the figure, the insulating transmission unit 140 includes an IrDA modulation unit 141, a photocoupler 142, an IrDA demodulation unit 143, and a switching element 144 such as an FET. Note that the same circuit may be provided in the anti-transmission unit 140 in antiparallel to enable bidirectional communication.

ＩｒＤＡ変調部１４１は、絶縁伝送部１４０に入力された調歩同期方式のシリアルデータをＩｒＤＡ方式で変調する。ここで、ＩｒＤＡ方式の変調は、赤外線による光無線データ通信として汎用的な変調方式であり、図３の波形タイミング図に示すように、ビットデータが０の場合に所定幅のパルスを出力し、ビットデータが１の場合はパルスを出力しない方式である。ここでは、出力するパルスの幅は、ビット幅の１／１６としている。 The IrDA modulation unit 141 modulates the asynchronous serial data input to the isolated transmission unit 140 using the IrDA method. Here, the IrDA modulation is a general-purpose modulation method for optical wireless data communication using infrared rays. As shown in the waveform timing diagram of FIG. 3, when the bit data is 0, a pulse having a predetermined width is output. When the bit data is 1, no pulse is output. Here, the width of the output pulse is 1/16 of the bit width.

ＩｒＤＡ方式で変調された伝送データでスイッチング素子１４４のオンオフを制御することにより、フォトカプラ１４２の発光素子の発光状態を変化させる。具体的は、パルスが出力されたときにフォトカプラ１４２の発光素子が発光するようにする。 By controlling on / off of the switching element 144 with transmission data modulated by the IrDA method, the light emitting state of the light emitting element of the photocoupler 142 is changed. Specifically, the light emitting element of the photocoupler 142 emits light when a pulse is output.

フォトカプラ１４２の発光素子は、電源Ｖｃｃ１を駆動電圧としており、安全保持部品である電流制限用の抵抗Ｒ１が直列に接続されている。また、電圧安定用のコンデンサＣ１が並列に接続されている。 The light emitting element of the photocoupler 142 uses a power supply Vcc1 as a driving voltage, and a current limiting resistor R1 that is a safety maintaining component is connected in series. A voltage stabilizing capacitor C1 is connected in parallel.

フォトカプラ１４２の受光素子は、電源Ｖｃｃ２を駆動電圧としており、電圧安定用のコンデンサＣ２が並列に接続されている。伝送データは、抵抗Ｒ２１に生じる電圧によって検出され、安全保持部品である電流制限用の抵抗Ｒ２２を介してＩｒＤＡ復調部１４３に入力される。抵抗Ｒ２１は、安全保持部品としても機能する。 The light receiving element of the photocoupler 142 uses a power supply Vcc2 as a driving voltage, and a capacitor C2 for voltage stabilization is connected in parallel. The transmission data is detected by the voltage generated in the resistor R21 and input to the IrDA demodulator 143 via the current limiting resistor R22 which is a safety maintaining component. The resistor R21 also functions as a safety holding component.

ＩｒＤＡ復調部１４３は、図３の波形タイミング図に示すように、ＩｒＤＡ方式で変調された伝送データから調歩同期方式のシリアルデータを復調し、出力データとして出力部１５０に出力する。 As shown in the waveform timing diagram of FIG. 3, the IrDA demodulator 143 demodulates asynchronous serial data from transmission data modulated by the IrDA method, and outputs the demodulated serial data to the output unit 150 as output data.

ＩｒＤＡ方式の変調は汎用的であるため、ＩｒＤＡ変調部１４１、ＩｒＤＡ復調部１４３は、演算部１３０や出力部１５０として温度伝送器１００に実装されているプロセッサに搭載されている機能を流用することができる。このため、独立した回路を設ける必要はなく、容易に省スペース化、低コストを実現することができる。 Since IrDA modulation is general-purpose, the IrDA modulation unit 141 and the IrDA demodulation unit 143 use the functions mounted on the processor mounted on the temperature transmitter 100 as the calculation unit 130 and the output unit 150. Can do. For this reason, it is not necessary to provide an independent circuit, and space saving and low cost can be easily realized.

また、ビットデータが０の場合にビット幅の１／１６という極めて短時間の発光をし、ビットデータが１の場合は発光しないため、消費電力を小さくすることができる。２線式の温度伝送器１００は、消費電力の制約が大きいため、特に有益である。 Further, when the bit data is 0, light is emitted for an extremely short time of 1/16 of the bit width, and when the bit data is 1, light is not emitted, so that power consumption can be reduced. The two-wire temperature transmitter 100 is particularly advantageous because it has a large power consumption limitation.

さらに、フォトカプラ１４２で絶縁伝送を行なっているため、高い耐高周波ノイズ性が得られる。なお、本質安全防爆構造は、フォトカプラ１４２、電流制限用の抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２１、抵抗Ｒ２２で実現することができる。 Further, since the insulation transmission is performed by the photocoupler 142, high high-frequency noise resistance can be obtained. The intrinsically safe explosion-proof structure can be realized by the photocoupler 142, the current limiting resistor R1, the resistor R21, and the resistor R22.

シリアル通信の転送速度は容易に変更することができるため、本実施形態の絶縁伝送部１４０は、多くの機器がその仕様に合わせて採用することができる設計の自由度が高い構成である。 Since the transfer speed of serial communication can be easily changed, the insulated transmission unit 140 of the present embodiment has a configuration with a high degree of design freedom that can be adopted by many devices according to the specifications.

上述の例では、出力するパルス幅をビット幅の１／１６としているが、パルス幅はフォトカプラ１４２の応答性を考慮して任意に設定することができる。このため、部品選定の自由度も高い構成となっている。 In the above example, the output pulse width is 1/16 of the bit width, but the pulse width can be arbitrarily set in consideration of the responsiveness of the photocoupler 142. For this reason, the degree of freedom of component selection is high.

１００…温度伝送器、１１０…測定部、１２０…Ａ／Ｄ変換部、１３０…演算部、１４０…絶縁伝送部、１４１…ＩｒＤＡ変調部、１４２…フォトカプラ、１４３…ＩｒＤＡ復調部、１４４…スイッチング素子、１５０…出力部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Temperature transmitter 110 ... Measurement part 120 ... A / D conversion part 130 ... Calculation part 140 ... Insulation transmission part 141 ... IrDA modulation part 142 ... Photo coupler 143 ... IrDA demodulation part 144 ... Switching Element, 150 ... output section

Claims

A field device that performs asynchronous transmission of asynchronous serial data inside the device,
An IrDA modulator that performs IrDA modulation on the serial data;
A photocoupler for insulatingly transmitting the modulated data;
An IrDA demodulator for demodulating the isolated and transmitted data;
Field device characterized by comprising

2. The field device according to claim 1, wherein a current limiting resistor is connected as a safety holding component to each of the light emitting element and the light receiving element of the photocoupler.