JP4524185B2

JP4524185B2 - 産業送信機内バス用の低電力物理層

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Publication number: JP4524185B2
Application number: JP2004534489A
Authority: JP
Inventors: トゥリンブル，スティーブン，アール．; オース，ケリー，エム．; ネルソン，リチャード，エル．; タイソン，デビッド，ジー．
Original assignee: ローズマウントインコーポレイテッド
Priority date: 2002-09-06
Filing date: 2003-09-03
Publication date: 2010-08-11
Anticipated expiration: 2023-09-03
Also published as: JP2005538452A; RU2005109924A; CN1679061A; DE10393246T5; DE10393246B4; WO2004023423A3; WO2004023423A2; US20040046722A1; CN100392683C; AU2003278758A1; RU2289851C2; US7109883B2

Description

本発明は、一般的には産業プロセス変数送信機に関する。特に、本発明は、そのような送信機内のデジタル通信プロトコル用の物理層に関する。

産業プロセス変数送信機はモジュール式であり得る。所望のプロセス変数出力プロトコル、フィールド配線ハウジング、ローカルディスプレイ、または他のモジュール機能を提供するために、モジュール式送信機は、異なる機能モジュールで組立てられることができる。機能モジュールは、送信機上に直接取り付けられるか、または表示装置の場合には、産業用送信機の約３０メータ以内に設置される。

産業用プロセス変数送信機は、発火性の空気が存在するおそれのある産業用プラントの領域にしばしば設置される。プロセス変数出力プロトコルは、故障状態下で発火性の空気に点火することを回避するためにエネルギを制限している。典型的には、エネルギ制限された２線式４−２０ｍＡのループが使用され、当該ループは送信機の電力エネルギのすべてを供給する。

ループが４ｍＡで作動する時、プロセス変数を感知し、プロセス変数出力を提供する送信機内部の回路は、送信機に利用可能なほぼ最小量の電力を使用する。典型的には１〜２ミリワットの非常に少量の電力が、付属負荷への電力供給、および機能モジュールとのデジタル通信のために利用可能である。

送信機内で利用可能な電力限度を超えることなく、電力供給および機能モジュールとの通信を行うために、非常に低電力の回路が必要とされる。

付属負荷に着脱可能な接続部を含むプロセス変数送信機が開示される。接続部は、バス接点および共通接点を含む。プロセス変数送信機は、さらに共通接点に接続される共通導体を有し、供給導体、シリアル入力およびシリアル出力を有する送信機回路を含む。

プロセス変数送信機内の受信回路は、シリアル入力に接続され、シリアルバスを介してバス接点に接続する。

電力供給リミッタ回路は、電力供給導体から供給電流を引き込み、蓄積エネルギ出力を提供する。電力供給リミッタ回路は、供給電流制限を提供する。

リセッシブドライバ回路は、蓄積エネルギ出力から駆動電流を引き込み、シリアルバスに駆動電流を接続し、リセッシブドライバ回路は駆動電流制限を提供する。

主ドライバ回路は、シリアル出力とシリアルバスとの間に接続される。主ドライバ回路は、駆動電流を導く主状態と、駆動電流を付属負荷に導く不活性状態を有する。

これらおよび様々な他の特徴は、本発明を特徴づける利点と同様に、関連図面に関する後述の説明および検討を参照することによって明らかになるだろう。

以下に記述される実施例において、産業プロセス変数送信機はバスを備えている。このバスは、送信機に結合されたすべての機能モジュールに電力を供給し、さらに送信機と機能モジュールとの間のデジタル通信を実行する。バスは、送信機内で利用可能な電力の限度を超えることなく、同一のバス接点上への電力供給および通信の両方を提供する非常に低電力の回路である物理層を含む。物理層は、物理層が送信機回路から引き込む電力量の限界を設定し、物理層のための蓄積エネルギ出力を提供する第１の電流制限器を含む。物理層は、さらに、蓄積エネルギ出力からそれ自身の駆動電流を引き込み、さらに第２の駆動電力制限を設定するリセッシブバスドライバ（recessive bus driver）を含む。物理層は、さらに、駆動電流が付属負荷に供給される不活性状態を有する主ドライバ回路を含む。送信機は、４−２０ｍＡあるいは他のエネルギ限定プロセス変数出力プロトコルの電力制限内で、プロセス変数感知を邪魔したりプロセス変数出力を発生することなく十分良好に作動する。物理層は通信中のスイッチング損失が低いので、ノイズ耐性をひどく損失することなく２００マイクロアンペアあるいはそれより少ないループ電流で作動する。

静止電力消費を最小限にするために、ＣＭＯＳ論理回路、ＦＥＴ、低電力オペアンプ、および低電力コンパレータが用いられる。電流リミッタ回路は、電流消費のピーク値および平均値を制御する。

図１は、モジュール式差圧送信機１００および機能モジュール１０２の分解斜視図である。送信機１００は、破線で示されたコプラナー（coplanar）フランジ１０６およびフランジアダプタ継ぎ手１０８にボルト締めすることができる圧力感知モジュール１０４を含む。フランジアダプタ継ぎ手１０８は、ネジを切られており、加圧されたプロセス流体を感知用圧力送信機１００へ運ぶネジを切られたパイプに結合する。

送信機１００は、さらに圧力感知モジュール１０４に封止される送信機エレクトロニクスハウジング１１０を含む。このハウジング１１０は、送信機の電子回路（図１に示されない）を収容し、好ましくは密閉して封止される電気的コネクタ１１２を含む。電気的コネクタ１１２は、様々な機能モジュールあるいは付属品のうちのいずれかに送信機１００を接続するためのバス接点１１４および共通接点１１６を含むいくつかの接点を有する。

１つのそのような機能モジュールは、電気的コネクタ１１２にねじ留めされるかはめ込まれる機能モジュール１０２である。機能モジュール１０２は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）回路１２０を含む。ＬＣＤ１２０は、送信機１００によって感知されたプロセス変数の現在値、あるいは送信機１００から受信された他のデータを表示する。ＬＣＤ回路１２０は、バス接点１１４および共通接点（common contact）１１６に接続される。ＬＣＤ表示回路は、バス接点１１４から電力を供給され、さらにバス接点１１４との間でデジタルデータ通信を行う。液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）回路１２０は、接点１１４、１１６に接続される。プロセス変数送信機１００は、液晶ディスプレイ回路１２０に電力を供給すると共に制御する。図示されるように、液晶ディスプレイ回路１２０は、局所的に配置されてもよいし、プロセス変数送信機１００から離して、オペレータによる観察に便利な位置に配置されてもよい。ＬＣＤ１２０は、送信機１００からの１００フィート以内に配置することができる。温度センサモジュールあるいは気圧センサモジュールなどの機能モジュールも、接点１１４、１１６に接続されることができる。

機能モジュール１０２は、さらにコンパートメントカバー１２２によって閉じ込められるフィールド配線コンパートメント（図示されず）を含む。プロセス制御システム（図示されず）からのフィールド配線１２４は、ねじ切りされた電線管開口部１２６を通り、送信機１００の２線式出力インタフェースへ接続する。コネクタ１１２は、さらに２線式出力インタフェースを導く接点を含む。フィールド配線１２４は送信機１００に電力を供給する。

送信機１００は、次には、バス接点１１４および共通接点１１６を介してＬＣＤ表示装置１２０に電力を供給し制御する。いくつかの実例では、共通接点１１６は、バスおよび２線式インタフェースの両方のための帰還導体として使用される。送信機１００の回路は、図３〜８に示される具体例に関連して以下に詳細に説明される。

図２は、ピッグテール（pigtail）接続部１１５、１１７、１１９を有する送信機１０１を示す。図２に使用される符号で図１で使用される符号と同じものは、同一または類似の機能を示す。図２では、送信機１０１はねじ切リされた電気的コネクタを持たないが、その代わりに、バスあるいは他の機能モジュールや付属品に送信機１０１を接続するためのピッグテール接続部１１５、１１７、１１９を有する。図２に示される配列は、例えばラピッドファイア（Rapidfire）バスと共に用いられる。ピッグテール接続部１１５、１１７、１１９は、ワイヤナット、ねじ留め端子ブロック、または他の既知の着脱可能な接続などの簡単な配線接続によって付属負荷との着脱が可能である。

図３は、プロセス変数送信機２００の第１の実施例のブロック図である。送信機２００はプロセス変数２０２を感知する。プロセス変数２０２は、化学プラント、製紙工場、水処理施設あるいは同種の処理プラント内で処理される物質の差圧（図１に示される）、ゲージ圧力、絶対圧、流量、温度、ｐＨ、流体伝導率、密度、化学組成あるいは他の既知のプロセス変数である。

送信機２００は、電気的コネクタ２０６を有するハウジング２０４を含む。電気的コネクタ２０６は、付属負荷（図１に示された機能モジュール１０２など）に着脱可能である。コネクタ２０６は、バス接点２０８、および、いくつかの設備では接地される共通接点２１０を含む。

送信機２００は、共通接点２１０に接続された共通導体２１４を有する送信機回路２１２を含む。送信機回路２１２は、電力供給導体２１６、シリアル入力２１８およびシリアル出力２２０を提供する。送信機２００はプロセス変数センサ２１３を含む。１つの好ましい装置においては、プロセスセンサ２１３は圧力センサからなる。

送信機回路２１２は、図１におけるフィールド配線１２４のような２線式プロセス制御バスから送信機電流２２６を引き込む送信機出力リード２２２、２２４の位置に２線式送信機出力インタフェースを有する。送信機回路２１２は、２線式プロセス制御バスに対して、典型的には約２５ミリアンペアの、送信機電流制限を行う。２線式プロセス制御ループは、送信機の電力エネルギのすべてを供給する。好ましい装置では、２線式送信機出力インタフェースは４−２０ｍＡに制御された電流を行う。ＨＡＲＴデジタル信号も、制御ループを介してデジタル通信を提供するために４−２０ｍＡに制御された電流上に重畳される。

送信機２００は、シリアル入力２１８に接続されると共に、シリアルバス２３２によってバス接点２０８に接続される受信回路２３０を含む。電力供給リミッタ回路２３４は、電力供給導体２１６から電力供給電流を引き出し、蓄積エネルギ出力２３６を提供する。電力供給リミッタ回路２３４は、電力供給導体２１６から引き込むことができる電流総量に電力供給電流制限を施す。電力供給電流制限は、５００マイクロアンペア程度で典型的には非常に少量である。電力供給電流制限は、バスがショートしても、確実に、物理層回路の電力需要が警報ループレベル（典型的には３．５ｍＡ）を超えた送信機出力電流を供給することができないようにする。

送信機２００は、蓄積エネルギ出力２３６から駆動電流２４０を引き込むまたは取得するリセッシブ（recessive）ドライバ回路２３８を含む。リセッシブドライバ回路２３８は、駆動電流２４０をシリアルバス２３２に接続する。リセッシブドライバ回路２３８は、駆動電流２４０の総量に駆動電流制限を施す。駆動電流制限は、典型的には５ミリアンペアである。蓄電コンデンサ２８４（図５に関連して後述される）が消耗されると、電力供給電流リミッタ回路はさらに蓄電コンデンサ２８４の充電率を５００マイクロアンペアに制限する。これにより、４−２０ｍＡのループを警報低レベル内に維持する。代わりに、蓄電コンデンサ２８４がバスの第１のロー状態で完全に放電されるようにするために、リセッシブドライバ回路制限は５ｍＡに設定される。リセッシブドライバ電流制限は、１００フィートのケーブルキャパシタンスとＬＣＤ入力キャパシタンスの和が、２／８ビット時間内でロー（LOW）状態からハイ（HIGH）状態までなるように十分高く設定される。

送信機２００は、さらに、シリアル出力２２０とシリアルバス２３２との間に接続された主ドライバ回路２４２を含む。主ドライバ回路２４２は、駆動電流２４０を共通導体２１４へ導く主状態と、駆動電流２４０がバス接点２０８と共通接点２１０とに接続された付属負荷に導かれる不活性状態とを有する。不活性状態中には、リセッシブドライバ回路２３８は付属負荷に電力を供給する。主ドライバ回路２４２は、付属負荷にデジタルデータを送信するために、主状態と不活性状態とに切り替わる。好ましい装置では、デジタルデータの様々な非ハードウェア層は、コントローラエリアネットワーク（ＣＡＮ）プロトコルによってフォーマットされる。

図４は、プロセス変数送信機３００の第２の実施例のブロック図である。送信機３００は、図３に示された送信機２００と類似しているが、送信機３００には、ある追加機能が含まれる。図４に使用される符号で図３で使用される符号と同じものは、同一または類似の機能を示す。

図４において、送信機出力リード２２２、２２４は、送信機３００のすべての電力を供給する４−２０ｍＡ産業用２線式制御ループ（または遠隔測定ループと呼ばれる）に接続される。２線式４−２０ｍA産業用制御ループは、負荷抵抗器２５２と直列の電圧源または電源２５０として示される。典型的には、負荷抵抗器２５２を通る電圧は、コントローラまたはプロセス制御システムに接続される。

さらに、図４においては、シリアルインタフェース２５４が送信機回路２１２の一部として示される。シリアルインタフェース２５４は、シリアル入力２１８およびシリアル出力２２０を提供する。シリアルインタフェース２５４は、アメリカ合衆国９５１３１カリフォルニア州、サンホセ、オーチャードパークウェイ２３２５（2325 Orchard Parkway, San Jose Calif. 95131 USA）のアトメル社（ATMEL Corporation）が販売する、ＣＡＮコントローラを備えたＡＴＭＥＬ８ビットマイクロコントロールユニット、アトメル（ＡＴＭＥＬ）部品番号Ｔ８９Ｃ５１ＣＣ０１のようなカスタムマイクロプロセッサの一部であるのが望ましい。マイクロチップテクノロジー社（Microchip Technology, Inc.）のＳＰＩインタフェースを備えたＭＣＰ２５１０スタンドアロンＣＡＮコントローラを、例えばラピッドファイア（Rapidfire）構成と共に用いてもよい。

図４では、主ドライバ回路２４２は、受信回路２３０への線２５６を通ってフィードフォワード接続を提供する。レシーバ２３０は、フィードフォワード出力２５６に応答して受信しきい値を調節する。フィードフォワード接続によって、主ドライバ回路２４２によって状態の変化が始められる時に、受信回路出力２１８はシリアルバスのローロジック状態への変化に素早く反応することができる。即応受信回路出力２１８は、線２５８によってリセッシブドライバ回路２３８に接続され、リセッシブドライバ回路２３８は、電力を節約するために、ローレベルへのローロジック状態の間、駆動電流２４０を素早く低減する。レシーバ２３０は、シリアルバスがロー（LOW）状態の時に有効な線２５８上に、駆動低減出力を効果的に生成する。線２５８上の駆動低減出力は、リセッシブドライバ回路に接続する。リセッシブドライバ回路２３８は、線２５８上の駆動低減出力に応答して駆動電流２４０を低減する。主ドライバ回路２４２は、シリアルバス２３２の状態の変化の後に有効なフィードフォワード出力２５６を生成する。

始動回路２６０はシリアルバス２３２に接続する。始動回路２６０は、始動期間中にシリアルバス２３２に電流を供給する。シリアルバス２３２は、シリアルバス２３２とバス接点２０８との間に接続された電圧リミッタ回路を含む。電圧リミッタは、シリアルバス２３２と電源レールの間に接続された２つのクランピングダイオード２６２、２６４からなり、さらにシリアルバス２３２とバス接点２０８との間に直列に接続された電流制限抵抗器２６６を含む。電圧リミッタは、バス接点２０８に放電される静電気を防ぐのに役立つ。

この実施例においては、主ドライバ２４２は、共通導体電圧（ＤＣ電圧共通）以上の０．６ボルトの電圧を提供するためにバイアスがかけられたダイオード２７０に接続される。主ドライバ２４２が有効またはロー状態である時、主ドライバ２４２は本質的にはシリアルバス２３２をダイオード２７０に接続する。したがって、シリアルバス２３２上のロー状態は、０．６ボルトであるか、またはＤＣ電圧共通レベルより高い。ＤＣ電圧共通レベル１６まで下がるまでに、シリアルバス２３２に接続されたコンデンサの放電を回避することによって消費電力が少なくなる。

バス接点と共通接点との電圧差は、作動温度範囲に渡って調整された電圧差であり、受信回路は、調整された電圧差を受け入れるために作動温度範囲に渡って温度補償される。遠隔装置内で使用される場合、この装置は、回路の作動温度範囲に渡って、スイッチング損失（fVppC）が一定であるという利点を有する。このことにより、プロセス変数送信機と遠隔装置（ＬＣＤ）との間を長いケーブルでつなぐことができるようになる。

４．３ボルトの電力供給導体２１６に加えて、送信機回路２１２は、線２８０に３．０ボルトの低電力を供給する。シリアルバス２３２上のハイレベルは、３．０ボルトまたはそれ以下に下げられ、電力消費が低減される。

電力供給リミッタ回路２３４は、電流リミッタ２８２およびエネルギ蓄積部２８４を含む。電流リミッタ２８２およびエネルギ蓄積部２８４によって、リセッシブドライバ回路２３８は、電力供給導体２１６の供給電流の瞬間の大きさより高い電流２４０を瞬間的に提供することができる。

図５〜６は、共にプロセス変数送信機内のバス用の物理層４００の１実施例の概略図を示す。図５の底縁部を図６の上縁部に配置すると完全な図を形成される。物理層４００は、図４に示された送信機３００のバス物理層と類似している。図５、６に使用されている符号の中で図４で使用される符号と同じものは、同一または類似の機能を示す。

レシーバ
この実施例では、レシーバ２３０は、低電力ＣＭＯＳコンパレータ４０２を含む。コンパレータ４０２を用いることによって、抵抗分圧器４０４、４０６を使用して受信しきい値を設定することが可能になる。帰還抵抗４０８は、ノイズ耐性を向上させるために少量の入力ヒステリシスを提供する。この実施例によれば、マイクロプロセッサへの入力のために、高入力許容電圧ＣＭＯＳインバータ（high input tolerant voltage CMOS inverter）４１０が、受信コンパレータ出力を線２１８で４．３ボルトから３．０ボルトにレベルシフトする。

主ドライバ回路
図６を参照すれば、主ドライバ回路２４２内の低オン抵抗ＦＥＴ４２０によって、シリアルバス２３２がリセッシブ（ハイ）状態から主（ロー）状態へ変化する。ＦＥＴ４２０は、高いインピーダンス入力で駆動電流消費を最小限にする高インピーダンス入力４２３を有する。消費電流を制御するために、いくつかの機能が主ドライバ回路２４２に含まれる。受信コンパレータ４０２がシリアルバス２３２のロー状態を感知すると、主状態である間中、リセッシブドライバ回路２３８は、全駆動電流が主ドライバ２４２を流れるのを止めるために少なくとも部分的に閉じられる。これにより、通信中の電力損失が最小になる。さらに損失を低減するために、シリアルバス２３２上の低電圧レベルを２１４における電流コモン電圧よりダイオード降下電圧（０．６ボルト）だけ高くなるようにクランプするために、ＦＥＴ４２０の電源リード線４２２は、ダイオード２７０と直列に接続される。これにより、シリアルバス２３２上の出力電圧振動が低減され、シリアルバス２３２上の容量性負荷の充電および放電による通信電力損失を低減する。ダイオードペデスタル（pedestal）２７０は、フル荷重されたバスを駆動する時の通信電流損失を低減するために、シリアルバス２３２上の信号の最大最小振幅の大きさを約３ボルトまでに制限する。ダイオード２７０は、線２８０上の供給電力および受信しきい値の両方を追跡するために、さらに信号レベルを温度補償するのが望ましい。

通信中の電力消費は、シリアルバス２３２に接続された負荷キャパシタンスの充電および放電によって抑えられる。充電電流Ｉは、式Ｉ＝Ｃ＊Ｖｐｐ＊ｆによって近似される。ここで、Ｃは負荷キャパシタンス、Ｖｐｐは最大最小電圧、およびｆは周波数である。電流はＶｐｐを制限することにより低減される。ハイ状態は、始動トランジスタ４３０によって約３．６ボルトに制限されるのが望ましい。容量性負荷を駆動する時の電流消費を最小限にする最大最小電圧は、約３ボルトに制限されるのが望ましい。

ダイオードペデスタル２７０の利点は、それが、バス２３２から線２３６までの信号および受信しきい値を温度補償することである。線２３６の電圧が、線２８０の電圧より１つのベースエミッタ接合電圧降下（Ｖｂｅ）だけ高いことは確かである。また、ロー信号は、接地電圧より１つのダイオード降下電圧だけ高くクランプされ、受信しきい値は、接地電圧より２つのダイオード降下電圧だけ高い抵抗分圧器４０４、４０６によって形成される。

ＦＥＴ４２０は、エッジ上に誘導リンギングを生成するほどに十分速く切り替わるので、誘導リンギングの発生を回避するために、ＦＥＴを遅くし、切り替えエッジを落として丸くする低域フィルタを提供するために、抵抗器４２４およびコンデンサ４２６が付加されている。抵抗器４２８は、リンギングを低減するのにも役立つ小型直列抵抗器である。

主ドライバ・フィードフォワード
１つの実施例では、主ドライバ２４２が主ロービットを送信する時に、リセッシブドライバ２３８を素早くオフに切り替えることによって、切り替え電流損失をさらに低減するために、フィードフォワードコンデンサ４５０が、ＦＥＴ入力４２３と抵抗分圧器４０４、４０６との間に接続される。主ドライバ２４２がロービットを送信する時のスイッチング損失を最小にするために、リセッシブドライバ２３８は、できるだけ早く停止されなければならない。フィードフォワードコンデンサ４５０は、受信コンパレータ４０２の正入力にＡＣパスを提供する。主ドライバ２４２がロービットを送信する時、コンパレータ４０２は、（レベルシフタ４０９から）ＴＸ推移を感知して、シリアルバス２３２がロー状態に遷移する前に、リセッシブドライバ２３８を停止する。

リセッシブドライバ
図５を参照すれば、リセッシブドライバ２３８は同様にノイズを生成する。トランジスタ４３４の動作を遅くし、かつスイッチングノイズを低減するために、抵抗器４３２は、トランジスタ４３４の浮遊容量で動作する。

シリアルバス２３２は、リセッシブドライバ回路２３８内の電流制限ＦＥＴ４３６によって、主ロー状態からリセッシブハイ状態へ駆動される。ＦＥＴ４３６は、入力電流を最小にする高インピーダンス入力４３７を有する。１つの実施例では、リセッシブドライバの電流制限は、ハイ状態からロー状態へ進む時に、大容量蓄電コンデンサ２８４の放電が早過ぎないように、およそ５ｍＡに設定される。リセッシブドライバ２３８は、パルス幅制限回路によってオンに切り替えられる。パルス幅は、通信プロトコルの非ハードウェア層、フィードフォワードコンデンサ４５０に関連したＲＣ時定数、あるいはそれらの組み合わせによって制限される。受信コンパレータ４０２が、シリアルバス２３２上でハイビットを感知する時、シリアルバス２３２へＤＣ電力を供給するために、リセッシブドライバ２３８はＯＮ状態にラッチされる。バスが偶然にショートされる場合、または別の装置がハイ状態に移行しようとする一方で、外部装置がシリアルバス２３２をロー状態に導く時に、２つの機能装置が直ちに通信しようとする場合、主ドライバ２４２は、リセッシブドライバ２３８を制御する。ＣＡＮプロトコルでは、例えば、これはビット調停（arbitration）として定義される。その後、受信コンパレータ４０２は、ロービットを検知し、パルス幅時間制限が終了した後、リセッシブドライバは停止する。これは、ビット調停中（あるいはバスが偶然ショートされる場合）に、接地電圧に分岐される電力量を制限するために行われる。ビット調停が生じると、マイクロプロセッサ内のＣＡＮエンジンは、バスが活動していることを感知し、メッセージ送信を中止し、再送信すべき電流メッセージの終わりまで待機する。

逆行ドライバ電流を使用することによって、通信中にシリアルバス２３２からＤＣ電圧コモン２１４まで流れるピーク電流を制限することによるスイッチング損失が低減する。１つの実施例では、これにより、大容量蓄電コンデンサ２８４から、線２３６上の電圧レベルにかかわらずバスから電力を引込む装置へ流れるピーク電流５ｍＡが可能になる。これにより、主（ロー）ドライバ２４２がシリアルバス２３２を制御することが可能になる。

シリアルバス２３２へＤＣ電力を供給するために、シリアルバス２３２がハイである時、受信部２３０は、リセッシブドライバ２３８をＯＮ状態に保つ。シリアルバス２３２へ流れる電流を止めるために、シリアルバス２３２がロー状態になると、コンパレータ４０２は、リセッシブドライバトランジスタ４３６を停止する。リセッシブドライバ電流制限トランジスタ４３４は、抵抗器４３８を流れる電流を感知し、リセッシブドライブトランジスタ４３６上の駆動電圧を制限する。

リセッシブドライバ２３８は、ビット調停中にシリアルバス２３２に電流が流れることができる時間を制限する。フィードフォワードコンデンサ４５０は、時間制限を設定するために容量が決められる。

（主ドライバ４２３または付属負荷内の主ドライバのような）主ロードライバが、リセッシブドライバ２３８に優先してバス２３２を制御することを可能にするために、リセッシブドライバ２３８は電流制限される。さらに、リセッシブドライバ２３８は、通信中またはビット調停中に接地に流れる電流の量を制限して、スイッチング損失を低減する。リセッシブドライバ２３８内の電流制限は、適切なノイズ耐性を提供し、ドライバが、バス２３２からの電力のすべてを引き込むＬＣＤ１２０（図１）のような付属負荷に、適切な電力を供給することができることを保証するように十分高く設定される。

シリアルバス２３２がＣＡＮバスである時、ＣＡＮプロトコルの非ハードウェア層によって制限されるような、最大５ビット間、バス２３２はロー状態である。ＣＡＮプロトコルは、同期端を提供するために、ハイビットとして挿入される第６ビットを提供する。大容量蓄電コンデンサ２８４はロービットの間に電荷を蓄えるので、物理層は、適切な平均的電力が維持されるのを確実にするために、次のハイビットの間にバス２３２へ電荷を転送することができる。挿入されたハイビットは、電荷を転送する機会を提供する。このことを実行するために、リセッシブドライバは十分なピーク電流を提供することができなければならないので、ＣＡＮプロトコルによって可能となるような５連続のロービット間に給電するために、十分な蓄電電荷が１ビット間に付属負荷に転送される。

さらに、ドライバは、タイミング要求を満たすために、完全に負荷されたＣＡＮバスを、２／８ビット時間未満にハイ状態へ引き上げることができなければならない。

リセッシブドライバ電流は、抵抗器４３８によって感知される。１つの実施例では、抵抗器４３８の両端間の電圧が約０．６ボルトに達する時、ＦＥＴ４３６を流れる電流を制限するために、トランジスタ４３４はオンに切り替わる。

シリアルバス２３２がローの時、電流がシリアルバス２３２を介してグランドに無益に流れ込むのを防ぐために、リセッシブドライバ２３８は、オフに切り替わる。このことは、受信コンパレータ４０２でシリアルバス２３２を監視することにより実行される。シリアルバスがローの時、線２５８上の受信コンパレータ出力はハイであり、リセッシブドライバ２３８はオフに切り替わる。シリアルバス２３２がハイの時、コンパレータ出力２５８はローであり、シリアルバス２３２へ電力を供給するために、リセッシブドライバ２３８はオンに切り替わる。この機能は、抵抗器４４０を介してコンパレータ４０２の出力をリセッシブドライバＦＥＴ４３６のゲートに接続することにより実行される。

物理層がハイビットを示す時、それはリセッシブドライバ２３８を介してバス２３２へ電流を供給する。例えばビット調停中にショート又はバス２３２をロー状態に導く付属負荷によって、バス２３２がロー状態に保たれると、電流はグランドへと流れて無駄になる。この場合の損失を最小にするために、リセッシブドライバ２３８は、制限時間中にバス２３２をハイに引き上げようとする。バス２３２がローのままならば、受信コンパレータ４０２は、リセッシブドライバ２３８をオンに維持するために永続的に切り替わらず、リセッシブドライバ２３８は一定時間後に停止する。抵抗器４２４、４０４、４０６、４０８を有するフィードフォワードコンデンサ４５０は、この目的のためにＲＣ時間制限を設定する。ＴＸハイが示される時、線２２０上の低電圧が、リセッシブドライバ２３８をオンに切り替えるコンデンサ４５０を介して受信コンパレータ４０２の正入力に送られる。バス２３２がローのままならば、受信コンパレータ４０２はリセッシブドライバ２３８を永続的にオン状態に維持しない。コンデンサ４５０が完全に充電されると、コンパレータ４０２の正入力はもはやローではないので、リセッシブドライバ２３８は停止する。完全に負荷されたバスが、コンパレータがタイムアウトする前にハイに引き上げられることができることを確実にするために、時間制限は十分に長く設定されなければならない。

電力供給リミッタおよび大容量蓄電コンデンサ
この実施例では、バス２３２がリセッシブ状態である場合は常に、ＤＣ電力が、バス２３２を介して（ＬＣＤなどの）付属負荷に供給される。主状態中に、電荷が大容量コンデンサ２８４に蓄積され、一旦バス２３２がリセッシブ状態に戻ると、バス２３２へ高電流パルスとして供給される。

物理層電力は、電力供給導体から引き込まれる電流を典型的な５００μＡに制限するように設計された、第１の制限電流源２３４によって供給される。この電力供給リミッタ回路２３４は、過負荷のバス２３２が、その予定された無信号電流の範囲外で送信機を強制的に動作させないことを確実にするのに不可欠である。

過負荷によって４−２０ｍＡ送信機電流ループ上にオンスケール誤差を生成されるのを防ぐために、電力供給リミッタ２３４は、バス２３２に利用可能なＤＣを制限する。バス２３２がローの時、大容量蓄電コンデンサ２８４は電荷を蓄積する。バス２３２がハイの時、バス２３２からの電力供給をオフにされている装置に電荷が転送される。

電力供給リミッタ回路
図５に示されるように、電力供給リミッタ回路２３４は、ＣＡＮ通信を使用する４−２０ｍＡ装置の動作に不可欠である。それによって、過負荷のＣＡＮバスは、設計用に許可された最大ロー警報電流を超える総送信機出力電流を駆動するのに十分な電流を流すことができなくなる。ＯＰアンプ４５２は、電流制限を確立するためにＦＥＴ４５４を制御するレイル・ツー・レイルＩ／Ｏ部品である。抵抗器４５６は検出抵抗器である。抵抗器４５８、４６０は電流制限基準値を作成する分圧器である。送信機の予定された始動シーケンスを保証するために、線２８０と線２１６との間に電流制限回路が設けられる。

効率的な方法でバス２３２上の付属負荷に電力を供給するために、物理層は、バス２３２がロー状態の間に電荷を蓄積し、バス２３２が切り替わってハイ状態に戻るとバス２３２に電荷を転送する。大容量コンデンサ２８４がこれを実行する。

コンデンサ２８４は、電流制限されているＦＥＴ４５４によって充電されるので、バス２３２がコンデンサから高ピーク電流を引き込む時、その電圧は瞬間的に落ちる。１つの実施例では、コンデンサ２８４は、通信中に３．０ボルトの作動電圧を維持するために、十分に大きな値でなければならない。これにより、ＬＣＤのようなＣＡＮ装置が作動するのに十分な供給電圧を有することが確実になる。コンデンサ２８４は、通信パケット間で充電される。
考慮するべき２つのケースがある。第１のケースは、ロービット５連続の後である。リセッシブドライバ２３８は、平均電流を一定に保つためにバス２３２に電流パルスを供給する。より悪い場合の条件は、最大平均電流を引き込むバス上に付属負荷があることである。コンデンサ２８４は約３．６ボルトにクランプされるのが望ましいが、バス２３２にピーク電流を供給するために、電圧は通信パケットの開始時に降下する。コンデンサ２８４は、次のハイビットで蓄積電荷を伝送する前のロービット中に充電するので、電圧降下は受け入れ可能なレベルに制限される。

バスが、１００フィートの長さの遠隔ＬＣＤケーブルなどによって完全に負荷される場合、この状況は少し複雑になる。コンデンサ２８４上の電圧は、通信中に負荷を充電するにつれて降下する。単純にするために、ＬＣＤのようなＣＡＮ装置は、通信パケット中に電力を引込む必要はない。付属負荷は、通信イベントを進行するのに十分な、自身の大容量コンデンサを有する。より悪い場合の条件は、ｌとＯの列が送信されている時である。設計によれば、これ（Ｉｌｏａｄ＝Ｃｌｏａｄ＊Ｖｐｐ＊ｆ）を駆動するのに必要な電流はＣＡＮ電流制限以下であり、コンデンサ２８４上の電圧は降下しない。実際、バスを充電し電力を供給し始めるということは、通信が保存（conservative）通信である間はＬＣＤは電力供給されないという前提を意味する。さらに、最大仕様容量性負荷を駆動するために消費される電流は、メッセージ間にコンデンサ２８４が再充電するのを可能にするのに十分低くなければならない。

考慮すべき第２のケースは、ビット調停によるリップル（ripple）である。この場合、リセッシブドライバ２３８は、フィードフォワードコンデンサ４５０によって設定された固定時間限度の間中、バス２３２に電流を供給する。この場合、コンデンサ２８４の値は、１００ｍＶ以下にリップルを維持するべく十分に大きくされている。調停イベントの間に大容量コンデンサ２８４を再充電する必要がある。イベントはメッセージにつき最大一度だけ起こるので、コンデンサ２８４を充電するのに十分な時間がある。

始動回路
電力が最初に印加される時に適切に始動する、またはショートしたＣＡＮバスが回復するために、バスへ電流を供給する別の経路が必要である。この要求を満たすために、大容量蓄積コンデンサが完全に充電された後、バスへ電力を供給するために、ＰＮＰトランジスタ４３０がオンに切り替わる。始動回路２６０は、始動時、またはバスがグランドにショートされた後故障が回復したら直ちに、ＣＡＮバスをハイへ引き上げる。始動回路２６０は、大容量コンデンサ２８４がバスへのすべての電流を供給する前に完全に充電することを可能にすることによって、整然とした電力供給および効率的電力使用を提供する。電流を保存するためにバス２３２がローである時、ＣＡＮ物理層はリセッシブドライバ２３８をオフに切り替える。このことは、始動時またはバスがグランドへショートされた後に問題を提起する。バスは、これらの場合のどちらかにおいてもローなので、リセッシブドライバがオフに切り替わる。バスを始動したり、ショート状態から回復するために、バスをハイに導くものは何もない。バイポーラＰＮＰトランジスタ４３０は、この機能を果たすめにプルアップ経路を提供する。トランジスタ４３０のエミッタは、抵抗器４３８経由で線２３６に接続される。ベースは線２８０に接続され、コレクタはバス２３２に接続される。この実施例では、線２３６が約３．６ボルトに達すると、トランジスタ４３０はオンに切り替わり、バス２３２へ電流を供給する。これにより、物理層の必要条件に十分な、レール２３６上に３．６ボルトが生成される。レール２３６が３．６ボルトになると、コンデンサ２８４は完全に充電され、他に充電されるべきところはない。メカニズムをプルアップするにつれて、バスへの電流を供給することができるようになる。バスがショートされると、電流はグランドに流れるが、線２２６は３．６ボルトに固定される。バス上にＤＣ負荷がない場合、電流は、再使用されるために、トランジスタ４３０のベース／エミッタ接合を通じて、３．０ボルトレールに流れる。付加的な利点は、物理層が固定電流をいつでも引き込むので、ＤＣ電力制限回路が動的アプリケーション内にはなく、それにより、切り替えられた負荷を、４．３ボルトの内部レールおよび４−２０ｍＡループ規定回路から離れたシリアルバスに接続したままにするということである。このことは、比較的に遅い、低電力ＯＰアンプ４５２の使用を可能にする。

マイクロプロセッサ
１つの実施例では、ＣＡＮエンジンはアトメル社（ATMEL）によって製造されるカスタム・マイクロプロセッサ内を使用できる。それはエラーチェックを行ない、ＣＡＮプロトコルについて送信および受信ポートＲＸ、ＴＸを駆動する。ＣＡＮエンジンは、物理層の一部ではないが、物理層の設計は、ＣＡＮエンジン内の非物理層の特性を考慮に入れている。

図７は、低ＣＡＮ電圧検出診断出力５０２を含む始動回路５００の他の実施例の概略回路図である。好ましい装置では、診断出力は蓄積エネルギを示し、マイクロプロセッサは診断出力を受信する。この回路５００では、蓄積エネルギ出力５０６が約３．６ボルトに達するとトランジスタ５０４はオンに切り替わり、線５０２上のハイレベルの電圧をマイクロプロセッサに送り、安定した電圧が確立されたことを伝える。抵抗器５０８は、線５０６上の電圧を、トランジスタ５０４がオンに切り替わることができるのを確実にするのに十分なほど高くする。抵抗器５０８は、できるだけ３．６ボルト付近に線５０６を維持するために十分に小さい抵抗である。抵抗器５１０は、抵抗器５０８よりはるかに大きな抵抗である。抵抗器５１０は、トランジスタ４３０のベース／エミッタ接合を流れる電流を制限し、トランジスタ４３０がオンに切り替わり、飽和するの確実にする。

図８は、電力供給リミッタ回路６００の代替実施例の概略図である。リミッタ回路６００は、多様化のために、ソフトウェアおよび／またはハードウェアの選択可能なＤＣ電流制限しきい値を提供する。ポート６０２がローの時、トランジスタ６０４はオフであり、増幅器６０６はトランジスタ６０８内の電流をオフに切り替えるためにハイに飽和される。ポート６０２がハイの時、トランジスタ６０４はオンであり、電流制限しきい値は分圧器６１０、６１２によって決定される。２つのしきい値はこの回路内で選択される。追加のポートが利用される場合、追加のしきい値を設けることができる。

本発明の様々な実施例の構造および機能の詳細とともに、本発明の様々な実施例の多くの特性および利点が前述の説明で述べられたが、本開示は単に例であり、本発明の主旨の範囲内で、添付の請求の範囲に明示される用語の広範な一般的な意味によって示される全範囲にまで、詳細において、特に構造および配置の方法において、変更がなされてもよいことは理解される。例えば、特別な要素は、本発明の範囲および精神を逸脱することなく、同じ機能を本質的に維持しながら、プロセス変数送信機用の特別の適用にしたがって変化する。
本発明の内容は、本発明の範囲および精神を逸脱することなく、他のプロセス手段に適用することができる。

モジュール式差圧送信機および機能モジュールの分解斜視図である。ピッグテール接続部を有する送信機を示す。プロセス変数送信機の第１の実施例のブロック図である。プロセス変数送信機の第２の実施例のブロック図である。プロセス変数送信機内バス用の物理層の概略図である。プロセス変数送信機内バス用の物理層の概略図である。始動回路の他の実施例の概略回路図である。電力供給リミッタ回路の他の実施例の概略図である。

符号の説明

１００……モジュール式差圧送信機、１０２……機能モジュール、１０４……圧力感知モジュール、１０６……コプラナー（coplanar）フランジ、１０８……フランジアダプタ継ぎ手、１１０……送信機エレクトロニクスハウジング、１１２……電気的コネクタ、１１４……バス接点、１１５，１１７，１１９……ピッグテール接続部、１１６……共通接点、１２０……液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）回路、１２２……コンパートメントカバー、１２４……フィールド配線、１２６……電線管開口部、

Claims

２線式プロセス制御バスから送信機電流を引き込み、プロセス変数を感知するプロセス変数センサ（２１３）、接地されている共通接点（２１０）に接続された共通導体（２１４）、シリアル入力（２１８）およびシリアル出力（２２０）を有し、前記シリアル出力からプロセス変数を含むデータを出力する送信機回路（２１２）、
付属負荷（１０２）に着脱可能であり、バス接点（２０８）および前記共通接点を含む接続部（２０６）、
前記バス接点にシリアルバス（２３２）によって接続され、前記シリアルバスを経て提供されるデータを受信し受信データを前記シリアル入力（２１８）に接続する受信回路（２３０）、
前記送信機回路に接続された電力供給導体（２１６）から供給電流を引き込み、電流制限された前記供給電流を蓄積して蓄積エネルギ出力を提供する電力供給リミッタ回路（２３４）、
前記電力供給リミッタ回路から前記蓄積エネルギ出力を引き込み、前記蓄積エネルギ出力を電流制限して駆動電流として前記シリアルバスに提供するリセッシブドライバ回路（２３８）、および
シリアル出力（２２０）とシリアルバス（２３２）との間に接続されると共に前記共通導体（２１４）に接続され、前記付属負荷に前記シリアル出力からのデータを送信するために、前記駆動電流を前記共通導体へ導く主状態と、前記駆動電流を前記付属負荷（１０２）へ導く不活性状態とに切り替わり、前記不活性状態中に前記付属負荷に電力を供給する主ドライバ回路（２４２）からなるプロセス変数送信機。
前記送信機回路が、２線式プロセス制御バスから送信機電流を引き込む２線式送信機出力インタフェースを有する請求項１のプロセス変数送信機。
前記２線式プロセス制御バスが前記送信機の必要電力のすべてを供給する請求項２のプロセス変数送信機。
前記２線式プロセス制御バスが４−２０ｍＡに制御された電流を引き込む請求項２又は３のプロセス変数送信機。
前記リセッシブドライバ回路が前記付属負荷に電力を供給する請求項１のプロセス変数送信機。
前記付属負荷にデジタルデータを送信するために、前記主ドライバ回路が主状態と不活性状態との間で切り替わる請求項１のプロセス変数送信機。
前記主ドライバ回路が不活性状態の時に、前記リセッシブドライバ回路が前記付属負荷に電力を供給する請求項６のプロセス変数送信機。
前記デジタルデータがコントローラエリアネットワーク（ＣＡＮ）プロトコルによってフォーマットされる請求項６のプロセス変数送信機。
前記シリアルバスに接続され、始動期間中に前記シリアルバスに電流を供給する始動回路をさらに含む請求項１のプロセス変数送信機。
前記シリアルバスが電圧リミッタ回路を含む請求項１のプロセス変数送信機。
前記プロセス変数センサが圧力センサである請求項１のプロセス変数送信機。
前記受信回路は、前記シリアルバスがロー状態の時に駆動低減出力を生成し、前記駆動低減出力は前記リセッシブドライバ回路に接続され、
前記リセッシブドライバ回路が駆動低減出力に応答して前記駆動電流を低減する請求項１のプロセス変数送信機。
前記主ドライバ回路は、前記シリアル出力のロー状態への変化後にフィードフォワード出力を生成し、前記フィードフォワード出力は前記受信回路に接続され、
前記受信回路は前記フィードフォワード出力に応答して受信しきい値を調節する請求項１のプロセス変数送信機。
前記バス接点と前記共通接点との間の電圧差が作動温度範囲にわたって調整された電圧差であり、前記調整された電圧差を受信するために、前記受信回路が、前記作動温度範囲にわたって温度補償される請求項１のプロセス変数送信機。
前記付属負荷は液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）回路を含み、前記液晶ディスプレイ回路に電力を供給し制御する請求項１のプロセス変数送信機。
前記付属負荷は温度感知モジュールを含み、前記温度感知モジュールと通信し、前記温度感知モジュールに電力を供給する請求項１のプロセス変数送信機。
前記付属負荷は圧力感知モジュールを含み、前記圧力感知モジュールと通信し、前記圧力感知モジュールに電力を供給する請求項１のプロセス変数送信機。
前記始動回路が蓄積エネルギを示す診断出力を生成し、さらに、前記診断出力を受信するマイクロプロセッサを含む請求項９のプロセス変数送信機。
前記電力供給リミッタ回路に接続されるマイクロプロセッサボードを有し、供給電流制限の大きさを制御するマイクロプロセッサを含む請求項１のプロセス変数送信機。