JP4524185B2 - 産業送信機内バス用の低電力物理層 - Google Patents
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Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
Claims (19)
- 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。
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