CN1023176C - 现场传感器的通信方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一通信系统中，有多台通信设备连接在一公共的双线式传输线路上，它们与连接在该传输线路一端的现场传感器通信。该通信设备确认该传输线路上在规定时间内无信号时向该现场传感器发一信号。现场传感器根据信号，再回送出应答信号之前，往传输线路发送比上述规定时间间隔短的、表明传输线路处于使用状态的信号。由此，不需要在多台通信设备之间设置特别装置，而可防止发生信号冲突。

Description

本发明涉及现场传感器的通信，特别涉及多个现场传感器或者适合于与通信设备之间进行收发信号的现场传感器的通信方法及其装置。

一般，所谓的现场传感器是指这样一类传感器，其内部包含有各种各样的传感元件，它检出各式设备中诸如压力、流量、温度等物理量，将其数值转换成电信号，通过双线式传输线路送往接收器。对这类电信号的传输，统一规定了标准，即现场传感器向双线式传输线路输出4～20mA的模拟信号电流，由接收器或通信设备接收此种模拟信号电流。

近年来，随着半导体集成电路技术的发展，内部装有微处理器的现场传感器得到开发，并进入了实用阶段。它利用双线式传输线路，除了进行单方向的模拟信号通信外，还可以进行双方向的数字信号通信，并能通过遥控操作来设定现场传感器的量程和自诊断等。

图9上示出了周知的例如美国专利U.S.P.4737787号中双线式现场传感器装置。图中，现场传感器1由外部电源4供电，将检测出的与物理量相对应的电流通过信号传输线路5输出，这是恒流源的模拟信号输出。接收器3接收该模拟信号，得出现场传感器1的物理量指示值。通信设备2接在现场传感器1与接收器3及外部电源4之间，与现场传感器1进行数字信号通信。

在双线式传输线路上传输信号的方法，已知的例如有特开昭59-201535号专利公报中所给出的方法，是将数字信号叠加在模拟信号上，可不影响模拟信号值而进行数字信号通信。还有特开昭58-48178号专利公报中给出的方法，是将模拟信号与数字信号进行切换，再进行信号传输。

可是，上面的先有技术没有考虑到有多个现场传感器和通信设备连接在信号传输线路上时的情 况。也就是，比如多台通信设备非同步地与1个现场传感器进行通信时，由于在信号传输线路上会发生信号冲突，因而一系列的通信工作会发生中断的问题。另外，当通信设备向现场传感器发出信号后，在现场传感器对该信号回送出应答信号之前的时间内，即传输线路空闲的时间内，若有其它通信设备向该现场传感器发送出别的信号，则现场传感器与通信设备之间的通信工作就会发生混乱。

解决这类问题的方法，通常是对连接在公共线路上的数台装置预先确定它们通信的优先次序。然而，这种方法使系统结构复杂，成本增高。

另外，现场传感器是安装在车间设备中的，从安全角度考虑，其功耗必须小。因此，不能采用大、中型的处理装置，并且一系列的通信工作必须简便。

本发明的主要目的是提出一种新的现场传感器的通信方法及其装置，使得当连接在信号传输线路上的现场传感器和通信设备至少有一方为多个时，不需要有特别的装置而可在现场传感器与通信设备之间进行非同步的通信。

本发明的另一个目的是提供出对实现这种通信适用的现场传感器和通信设备。

对具有一个或多个用于检测所处理的物理量的现场传感器，以及具有一台或多台用于通过信号传输线路与上述现场传感器间进行收发信通信的通信设备，对于这样的通信系统，本发明的主要特征在于：当从上述现场传感器及通信设备的任一方，向对方收发信号时，只要在规定时间内该传输线路上无信号，发信端就往该传输线路发送信号，而收信端在接收到该信号后回送出应答信号之前的时间内，发送出一个上述规定时间间隔更短的信号，表明传输线路处于使用状态。

虽然，上述收信端发出的、表明上述传输线路处于使用状态的信号是一种不能作为实际数据使用的无效信号，但达到了这样的目的，使发信间隔在回送出上述应答号之前的时间内连续起来。

本发明的其它特征在于：当根据现场传感器或通信设备中任一方发出的信号，另一方在开始回送出应答信号之前的时间内，要求有规定的应答时间时，只要上述信号传输线路上在上述应答时间内无信号则上述现场传感器或通信设备就可发送信号。

本发明的其它特征还在于，根据需要，可将别的现场传感器或通信设备连接到信号传输线路上，与该信号传输线路上已连接着的装置进行通信。因此，只要现场传感器和通信设备自身内具有那些功能，通信中它们就可随意地连接上或脱离开信号传输线路。

图1是本发明的现场传感器通信装置的整体构成图;

图2是根据本发明在信号传输线路上接有多个现场传感器时的构成图;

图3示出收信端发送出比规定时间间隔短的无效信号时本发明的一个流程图例子;

图4是图3的时序图;

图5是收信端连续发送出无效信号时的流程图;

图6是图5的时序图;

图7是发信端的接收信号监视时间比收信端的应答时间更长时的流程图;

图8是图7的时序图;

图9是先有技术双线式现场传感器装置的构成图。

下面，参照图1和图2说明本发明的一个实施例。

图1示出根据本发明的现场传感器通信装置的整体构成图。图中，现场传感器1的输出为4～20mA的模拟信号电流，利用叠加在该模拟信号电流上的数字信号来进行通信。这里，示出的是只有一个现场传感器连接在信号传输线路5上。本实施例中，信号传输线路5上还连接有一台通信设备2a，并在接收器3中内藏有一台通信设备2b。如果再接有其它多台通信设备，情况也一样，现场传感器1由外部电源4供电而进行工作，它检测出各种设备中的压力、流量、温度等物理量，将对应于这些物理量的信号输出到信号传输线路5上。接收器3中内藏有与后述的通信设备具有相同功能的通信设备2b，该接收器3通过信号传输线路5接收从现场传感器1送来的对应于上述物理量的信号;与此同时，它还与现场传感器1进行通信对现场传感器1设置自诊断和设定量程等处理。通信设备2a跨接在信号传输线5上，位于现场传感器1与接收器3及外部电源4之间，借助数字信号与现场传感器1进行通信，以实现现场传感器1的输出调整及输入、输出信号监测和校正等处理。

下面，详细说明图1中各部分的详细工作情况。现场传感器1的内部，按照ROM103中的编程信息作信号处理，整个传感器由微处理器（MPU）101进行控制。复合传感器108例如是由压差传感元件、流量传感元件和温度传感元件等多种传感元件组成的，将各个传感元件输出的信号馈入多路复用器109。通过I/O接口106输出的切换信号，对送往A/D转换器105的传感元件信号进行选择。微处理器101把从A/D转换器105依次送来的上述复合传感器108的信号与贮存在ROM103或RAM102中的各种校正系数相比较，作出校正运算，以求得正确值。然后，根据RAM102中事先设定的输出量程。将归一化的输出值送往D/A转换器107。另外，微处理器101可设定信号传输线路5上接收信号的监视时间，还可以任意设定由后述的收发信电路（UART）104输出的、表明信号传输线路5处于使用状态的无效信号之发信间隔和发信时间。

另外，在调制器110中，D/A转换器107的输出与调制电路112的数字信号输出相调制后馈入V/I转换器111。在V/I转换器111中，得出与其输入信号相适应的电流（通常在4～20mA范围内），输往信号传输线路5。

在进行数字信号通信时，从收发信电路（UART）104输出的发信数据及表明信号传输线路5处于使用状态的无效信号，通过调制电路112进行例如调频的调制，将数字信号的“1”、“0”变换成对应的两种频率的信号。如前面所述，该信号在调制器110中与模拟信号输出相调制（加法），然后通过V/I转换器111，将叠加在模拟信号的数字信号发送到信号传输线路5上。这里，如果调制电路112的输出信号为正、负方向等幅的方波或正弦波，则即使在输出数字信号时，也只是使V/I转换器111的输出电流发生瞬时变化，对模拟信号的值几乎没有影响。

其次，在接收数字信号时，由通信设备2a、接收器3发送出的信号，与上述调制的信号电流一样地也是数字信号。这里，向信号传输线路5供给电压的外部电源4的电压值是恒定的，所以，通过信号传输线路5的电流值变化时，接收器3中检测模拟信号用的电阻30两端的电压也与之相应地变化。因此，加在现场传感器1上的电压必然会发生与上述电压变化相反的变化。在解调电路113中，获取到这种变化而进行解调，成为“1”、“0”的数字信号。收发信电路（UART）104可接收这种数字信号。另外，与发送数字信号时一样，上述的现场传感器1在当流过信号传输线路5的电流变化时，它通过解调电路113可接收自己发送出的信号。

又，对于信号传输线路5上接收信号的监视，是通过上述的解调电路113和收发信电路104接收到信号后，由微处理器101来判断它是有效信号还是无效信号。

下面，说明接收器3的工作情况。串联在信号传输线路5中的电阻30，其阻值通常为250Ω。由放大器31将该电阻两端的电压放大后输出，使信号传输线路5中流动的模拟信号电流（4～20mA）变换为1～5V的电压，送往大型计算机等上一级系统。通信设备2a是由与现场传感器1内的微处理器、收发信电路和调制、解调电路等相同的电路构成的，它通过使信号传输线路5中流过信号电流来发送数字信号，又可根据电阻30两端电压的变化来接收数字信号。又，在接收器3中也与上面所述一样，也能接收自己发送出的信号。

至于通信设备2a，它也由与现场传感器1内的微处理器、收发信电路和调制、解调电路等相同的电路构成的，通过使信号传输线路5中流过信号电流来发送数字信号，并根据信号传输线路5的线间电压变化来接收数字信号。在通信设备2a中，也与前面所述一样，可接收自己发送出的信号。

图2是信号传输线路5上连接有1a～1n多个现场传感器时依照本发明的一个构成图。图中，各个现场传感器1a～1n的输出全是数字信号。在输出数字信号时，最好使图1中现场传感器1内D/A转换器107的模拟信号输出为零。除此之外，现场传感器1a～1n、通信设备2及接收器3的工作情况与图1中的完全相同，不再详述。

又，图2中示出的例子在信号传输线路5上仅连接有1台通信设备2，连接多台通信设备也是可以的。

下面，通过图3～图8上示出的流程图及时序图来说明图1和图2的构成图中信号的收发工作。

图3和图4示明收信端发送的无效信号时间比回送出应答信号之前的规定时间间隔短时，通信工 作的流程图和时序图。

图3（a）是发信端通信工作的流程图。发信端在开始发信前，对于收信端接收到发信端发出的信号之后到回送应答信号之前的这段时间，也即规定时间，就传输线路上的接收信号进行监测（步骤41）。如果有接收信号，等待一定时间后（步骤43），再次监测接收信号（步骤41），直至没有接收信号。这样，当确认无接收信号，信号传输线路不处于使用状态时，便进行发信;同时，接收自己发送出的信号，以监测是否发生信号冲突（步骤44）。此后，继续监测接收信号，如果有无效信号，在接收到收信端发出的应答信号（步骤48）之前，再次监测接收信号（步骤46）。另外，当发生发送的信号冲突时，必定是最初的信号发生冲突;因此，监测发送的信号冲突时，无需对发送的全部信号进行监测。于是，只监测最初发送的信号，确认无冲突后再发送该信号。

图3（b）是收信端通信工作的流程图。收信端对发到本方一侧来的信号进行监测（步骤51）。无接收信号时，再次对接收信号进行监测（步骤51）。有接收信号时，在回送应答信号之前的时间内，发送出表明信号传输线路处于使用状态的、时间上比上述发信端的接收信号监测时间间隔短的无效信号（步骤53），可利用在实际数据中不使用的控制码，例如SYN码等。然后，在收信端完成应答准备阶段后，发送出其应答信号（步骤56）。

图4是接收器3与通信设备2a为发信端、现场传感器1为收信端时通信工作的时序图。

图4（a）表示接收器3在发送信号SD期间，通信设备2a开始发信的例子。通信设备2a在第三个接收信号监测期间M3内，确认无接收信号，即确认信号传输线路是空闲的，便发送信号SD。

图4（b）表示在现场传感器1接收到信号后，在回送出其应答信号AS之前的时间内通信设备2a开始发信的例子。现场传感器1发送出表明信号传输线路处于使用状态的无效信号ND，其时间长度比监测周期M₁的时间间隔短，故而该监测期间M₁可确认无效信号ND。因此，实际上通信设备2a的发送出信号SD，是在接收器3与现场传感器1之间的一系列通信工作完成之后。为此，在一系列通信工作中，通信设备2a并不插进去发送信号。

图4（c）表示发信端的接收器3与通信设备2a同时开始发信的例子。当两者同时发出信号C时，信号发生冲突;两者同时检测出该冲突，然后进行信号的再发送处理。这里，使发送信号进行再发送处理前的等待时间，做到不同的装置有不同的时间，就能避免在再发送处理后再次发生信号冲突。图4（c）中，示出对信号进行再发送处理的例子，在确认两者发生信号冲突时，使通信设备2a等待一定时间，然后再监测接收信号。另外，如图所示，由于信号的冲突发生在发送信号的初期数据处，现场传感器1不会接收到一个有效的数据，所以现场传感器1不会因发信端发生信号冲突而出现误动作。

以本实施例而言，收信端在接收到信号后到回送出应答信号之前的信号传输线路空闲时间内，收信端保持发送无效信号，从而可确保它占有信号传输线路的优先权。因此，从发信端开始发送信号到收信端回送出其应答信号而完成一系列通信工作的时间内，从其它设备看来，信号传输线路一直处于使用状态，因而一系列的通信工作不会因其它设备的插入发信而中断，可在最短时间内完成这一系列通信。

另外，收信端无需经常监视信号传输线路上的信号，只需做到抽取出有效信号，并回送出其应答信号那样简单的工作，就可进行通信。

又，图5～图8示出根据本发明的通信方法作出的发信端和收信端的其它实施例。

图5和图6是收信端连续发送无效信号时通信工作的流程图和时序图。

图5（a）示出发信端通信工作的流程图。图中，发信端在发信开始前先监测规定时间的接收信号（步骤61）。如果有接收信号，则等待一定时间后（步骤63），再次监测接收信号（步骤61），直至监测出没有接收信号。当确认无接收信号而信号传输线路处于空闲状态时，便发送信号;同时，接收自己发送出的信号，以监测是否发生信号冲突（步骤64）。如果不发生冲突，则接收从收信端连续发出的无效信号以及紧接着发送来的应答信号（步骤68）。

图5（b）的收信端通信工作的流程图。收信端监测向本方发送来的信号（步骤71）。如果没有 接收信号，就再次监测接收信号（步骤71）。如果有接收信号，则在发送出应答信号之前的时间内，连续发送出表明信号传输线路处于使用状态的无效信号ND（步骤73），在应答准备未完成时，连续发送无效信号ND（步骤73），直至完成应答准备。应答准备完成后，就发送出其应答信号（步骤75）。

图6（a）给出接收器3在发送信号SD期间通信设备2a开始发送信号的例子。在第3个监测期间M₃内，确认无接收信号，通信设备2a便紧接着发送信号SD。

图6（b）给出现场传感器1在回送出应答之前、连续发送无效信号ND期间，通信设备2a开始发送信号的例子。通信设备2a根据最初监测期间M₁中连续送来的无效信号，确认信号传输线路处于使用状态中。

图6（c）给出接收器3与通信设备2a同时开始发送信号的例子。与图4（c）的情况相似，接收器3与通信设备2a在发送信号C处发生冲突，便再次进行接收信号监测，当确认无信号冲突时，就发送信号SD。

以本实施例而言，在收信端连续发送无效信号是容易的，可使装置简单，故而能实现可靠性高的通信。此外，由于信号传输线路空闲时间内一直有连续的无效信号，所以不会有其它设备来的信号插入，从而可得到与前述的短时间间隔发送无效信号的情况相同的效果。

图7和图8是发信端的接收信号监视时间比收信端的应答时间长时通信工作的流程图和时序图。

图7（a）是发信端的流程图。在发信开始前，发信端以比收信端的应答时间长的时间监测接收信号（步骤81）。当确认无接收信号，信号传输线路处于空闲状态时，就发送信号;同时，接收自己发送出的信号，以监视是否发生信号冲突（步骤84）。如果没有冲突就接收由收信端送来的应答信号（步骤86）。

图7（b）是收信端的流程图。收信端监测向本方送来的信号（步骤91）。等待所发送其应答信号的准备工作完成（步骤93）然后发送应答信号（步骤94）。

图8（a）给出在接收器3发送信号SD期间，通信设备2a开始发送信号的例子。图8（b）给出在现场传感器1回送出应答信号期间，通信设备2a开始发送信号的例子。无论上面哪一种情况，通信设备2a都不能在接收器3与现场传感器1进行一系列通信时插进去发送信号。图8（c）是接收器3与通信设备2a同时开始通信工作的例子。与图4（c）的情况相似，发生信号冲突时通过再发送处理，就不再发生冲突，从而可进行通信。

以本实施例而言，收信端可以不发生无效信号，因而可省去无效信号发生装置。所以，可使装置简单，成本降低。

如上面的说明，以本发明而言，当信号传输线路上连接有多个现场传感器和多台通信设备时，我不需要用以设定通信优先顺序的特殊装置，就可防止在信号传输线路上发生信号冲突，从而简便地进行通信。因此，可以避免将构成现场传感器和通信设备的处理装置做成大型化，而能实现非常实用的现场传感器的通信。

Claims (16)

1、一种用以在通信系统内且在现场传感器与通信单元之间进行信号通信的方法，所述的通信系统设有一个或多个用以检测一个过程的物理量的现场传感器和一个或多个用以通过一条传输线路向或从上述现场传感器发送或接收信号的通信单元，该方法其特征在于包括以下步骤：

发送侧确认上述传输线路上在一预定的监视周期内无信号之后，从上述发送侧向一接收侧发送一个发送信号；及

上述接收侧在比上述预定监视周期短的一个时间间隔内把一些代表该传输线路正处于占用状态的信号发送到该传输线路上，直到上述接收侧准备发送一个响应信号时为止。

2、一种用以在通信系统内且在场场传感器与通信单元之间进行信号通信的方法，所述的通信系统设有一个或多个用以检测一个过程的物理量的现场传感器和一个或多个用以通过一条传输线路向或从上述现场传感器发送或接收信号的通信单元，该方法其特征在于包括以下步骤：

发送侧确认在一个预定的监视周期内在上述传输线上无信号之后，从上述发送侧向接收侧发送一个传输信号;及

上述接收侧在小于上述预定监视周期的一个时间间隔内把一些代表上述传输线路正处于占用状态的信号发送到上述传输线路上，直到上述接收侧准备发送一个响应信号时为止;

在上述接收侧刚收到一个信号以后，从上述接收侧发送一个代表上述传输线路正处于占用状态的持续信号发送到上述传输线路上，直到上述接收侧准备发送一个响应信号时为止。

3、一种用以在通信系统内且在现场传感器与通信单元之间进行信号通信的方法，所述的通信系统设有一个或多个用以检测一个过程物理量的现场传感器和一个或多个用以通过一条传输线路向或从上述现场传感器发送或接收信号的通信单元，该方法其特征在于包括以下步骤：

在接收侧收到了一个信号之后的一个预定周期内，从上述接收侧把一个响应信号发送到上述传输线路上;

在上述发送侧确认在上述传输线路上无信号的周期比上述预定周期长之后，从上述发送侧把一个发送信号发送到上述传输线路上。

4、根据权利要求1、2或3所述的信号通信方法，其特征在于所述的从发送侧发送一个发送信号的步骤还包括确认上述的发送信号不与其它通信单元或现场传感器发送的信号发生冲突的步骤。

5、根据权利要求1、2或3所述的信号通信方法，其特征在于，从所述的发送侧发送一个发送信号的步骤包括以下步骤：

接收从所述的发送侧发送的上述发送信号这个步骤的本身;及

当上述的已接收的信号内含异常性时，再次发送出与上述接收到的发送信号相对应的一个发送信号。

6、一个位于通信系统内、在现场传感器与通信单元之间的一个信号通信系统，所述的通信系统包括一个或多个用以检测一个过程的物理量的现场传感器和一个或多个用以通过一条传输线路向或从上述的现场传感器发送或接收信号的通信单元，其特征在于，在发送侧确认在上述传输线路上在一个预定的监视周期内无信号之后，把一个发送信号从上述的发送侧发送到接收侧;以及把代表上述传输线路正处于占用状态的信号在一个比上述预定监视周期短的时间间隔内从上述接收侧发送到上述传输线上，直到上述接收侧准备发送一个响应信号时为止。

7、一个位于通信系统内且在现场传感器与通信单元之间的信号通信系统，所述的通信系统包括一个或多个用于检测一个过程的物理量的现场传感器，和一个或多个用以通过一条传输线路向或从上述的现场传输器发送或接收信号的通信单元，其特征在于，在发送侧确认在上述传输线路上在一个预定的监视周期内无信号之后，把一个发送信号从上述的发送侧发送到接收侧;以及在上述接收侧刚收到一个信号之后将一个代表上述传输线路正处于占用状态的持续信号发送到上述传输线路上，直到上述的接收侧准备发送一个响应信号时为止。

8、一个位于通信系统内在现场传感器与通信单元之间的信号通信系统，所述的通信系统包括一个或多个用以检测一个过程的物理量的现场传感器，和一个或多个用以通过一条传输线路向或从上述的现场传感发送或接收信号的通信单元，其特征在于，在接收侧已收到一个信号之后的一个预定的周期内，从上述的接收侧把一个响应信号发送到上述传输线路上;以及在上述发送侧确认在上述传输线路上无信号的周期比上述预定的周期长之后从上述发送到把一个发送信号发送到上述的传输线路上。

9、根据权利要求6、7或8所述的信号通信系统，其特征在于，在上述发送侧已经发送了上述发送信号之后，上述发送侧确认上述发送信号未与从其它的通信单元或现场传感器发送的信号发生冲突。

10、根据权利要求6、7或8所述的信号通信系统，其特征在于，上述发送侧接收从上述发送侧本身发送的上述发送信号;以及在上述收到的发送信号内含异常性时，上述发送侧再发送一个与上述已收到的发送信号相对应的一个发送信号。

11、一个现场传感器，用以检测一个过程的物理量和用以通过一条传输线向或从一个通信单元发送或接收一个信号，其特征在于包括：一个发送装置，用以在上述现场传感器刚收到一个信号之后把一个代表上述传输线路正处于占用状态的信号发送到上述传输线路上，直到一个响应信号从上述现场传感器发送时为止。

12、根据权利要求11所述的现场传感器，其特征在于，所述的传输线路是一种双线式传输线路;所述的现场传感器由上述通信单元里设置电源通过上述传输线路供电。

13、一个通信单元，该通信单元含有：接收装置用以接收一条传输线路上的信号，以及发送装置用以把信号发送到上述传输线，该通信单元用以向或从一个现场传感器发送或接收信号，以检测一个过程的状态，其特征在于：上述接收装置检测出上述传输线路上无信号的周期比一个响应周期长，所述的响应周期限定为从上述现场传感器接收一个信号起直到上述现场传感器发送一个响应信号时为止，在上述接收装置检测出上述传输线上无信号的周期比上述响应周期长之后，上述发送装置把一个发送信号发送到上述传输线。

14、根据权利要求13所述的通信单元，其特征在于，上述的传输线路是一种双线式传输线路，所述的通信单元通过上述传输线路向上述现场传感器供电。

15、根据权利要求13所述的通信单元，其特征在于，所述的发送装置确认所述的被发送信号不会与从其它通信单元或现场传感器发送的信号发生冲突。

16、根据权利要求13所述的通信单元，其特征在于，所述的接收装置接收从上述发送装置发送的信号，在上述接收信号内含异常性时上述发送装置发送一个与上述接收信号相对应的信号。

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