DE10393246T5 - Physikalische Schicht für niedrige Energie für einen Bus in einem industriellen Sender - Google Patents

Physikalische Schicht für niedrige Energie für einen Bus in einem industriellen Sender Download PDF

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    • G01D11/24Housings ; Casings for instruments

Abstract

Regelgrößen-Sender mit:
Verbindungen, die mit einem zusätzlichen Verbraucher in Eingriff gebracht und gelöst werden können, wobei die Verbindungen einen Bus-Kontakt und einen gemeinsamen Kontakt aufweisen;
einer Senderschaltung, die einen mit dem gemeinsamen Kontakt gekoppelten gemeinsamen Leiter, einen Versorgungsleiter und einen seriellen Eingang und einen seriellen Ausgang hat;
einer Empfängerschaltung, die mit dem seriellen Eingang und durch einen seriellen Bus mit dem Bus-Kontakt gekoppelt ist;
einer Versorgungsbegrenzer-Schaltung, die einen Versorgungsstrom von einem Versorgungsleiter entnimmt und eine Ausgabe der gespeicherten Energie bereitstellt, wobei die Versorgungsbegrenzer-Schaltung eine Versorgungsstrom-Begrenzung bereitstellt;
einer rezessiven Treiberschaltung, die einen Treiberstrom von der Ausgabe der gespeicherten Energie entnimmt und den Treiberstrom mit dem seriellen Bus koppelt, wobei die rezessive Treiberschaltung eine Treiberstrom-Begrenzung bereitstellt; und
einer dominanten Treiberschaltung, die zwischen dem seriellen Ausgang und dem seriellen Bus gekoppelt ist; wobei die dominante Treiberschaltung einen dominanten Zustand, in dem sie den Treiberstrom zu einem gemeinsamen...

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen industrielle Regelgrößen-Sender bzw. -Geber. Speziell betrifft die vorliegende Erfindung physikalische Schichten für digitale Übertragungsprotokolle in solchen Sendern.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Industrielle Regelgrößen-Sender können modular sein. Modulare Sender können mit unterschiedlichen Hauptmodulen zusammengesetzt sein, um ein gewünschtes Regelgrößen-Ausgabeprotokoll, ein Feldkabelgehäuse, eine lokale Anzeige oder andere modulare Merkmale bereitzustellen. Die Hauptmodule sind entweder direkt auf dem Sender oder im Fall einer Anzeige innerhalb von etwa 30 Metern des industriellen Senders angebracht.
  • Industrielle Regelgrößen-Sender werden häufig in Bereichen einer industriellen Anlage eingebaut, in denen zündgefährliche Umgebungen vorhanden sein können. Regelgrößen-Ausgabeprotokolle sind energiebegrenzt, um das Entzünden der zündgefährlichen Umgebungen bei Störungsbedingungen zu vermeiden. Typischerweise wird eine energiebegrenzte Zweidraht-Schleife für 4–20 mA verwendet, wobei die Schleife die gesamte Speisung des Senders bereitstellt.
  • Die Schaltungstechnik innerhalb des Senders, die die Regelgröße erfasst, und die die Ausgabe der Regelgröße bereitstellt, verbraucht das meiste der minimalen Energiemen ge, die für den Sender verfügbar ist, wenn die Schleife bei 4 mA arbeitet. Sehr wenig Energie, typischerweise 1–2 Milliwatt, ist zum Speisen zusätzlicher Verbraucher und für die digitale Übertragung mit Hauptmodulen verfügbar.
  • Es wird eine Schaltung mit äußerst wenig Energie für die Speisung und die Übertragung mit den Hauptmodulen benötigt, ohne die verfügbare Energiebegrenzung in einem Sender zu überschreiten.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Offenbart wird ein Regelgrößen-Sender, der Verbindungen umfasst, die mit einer zusätzlichen Last bzw. einem zusätzlichen Verbraucher in Eingriff gebracht und gelöst werden können. Die Verbindungen weisen einen Bus-Kontakt und einen gemeinsamen Kontakt auf. Der Regelgrößen-Sender umfasst außerdem eine Senderschaltung, die einen gemeinsamen Leiter hat, der mit dem gemeinsamen Kontakt gekoppelt ist, und der einen Versorgungsleiter, einen seriellen Eingang und einen seriellen Ausgang hat.
  • Eine Empfängerschaltung im Regelgrößen-Sender ist mit dem seriellen Eingang und durch einen seriellen Bus mit dem Bus-Kontakt gekoppelt.
  • Eine Versorgungsbegrenzer-Schaltung entnimmt einen Versorgungsstrom vom Versorgungsleiter und stellt eine Ausgabe der gespeicherten Energie bereit. Die Versorgungsbegrenzer-Schaltung stellt eine Versorgungsstrom-Begrenzung bereit.
  • Eine rezessive Treiberschaltung entnimmt einen Treiberstrom von der Ausgabe der gespeicherten Energie und koppelt den Treiberstrom mit dem seriellen Bus, wobei die rezessive Treiberschaltung eine Treiberstrom-Begrenzung bereitstellt.
  • Eine dominante Treiberschaltung ist zwischen dem seriellen Ausgang und dem seriellen Bus gekoppelt. Die domi nante Treiberschaltung hat einen dominanten Zustand, in dem sie den Treiberstrom leitet und einen inaktiven Zustand, in dem der Treiberstrom für den zusätzlichen Verbraucher verfügbar ist.
  • Diese und verschiedene weitere Merkmale sowie Vorteile, die die vorliegende Erfindung kennzeichnen, werden beim Lesen der folgenden ausführlichen Beschreibung und der Durchsicht der zugehörigen Zeichnungen deutlich.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Es zeigen:
  • 1 eine auseinander gezogene Ansicht eines modularen Differenzialdruck-Senders und eines Hauptmoduls;
  • 2 einen Sender mit Anschlussdraht-Verbindungen;
  • 3 ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels eines Regelgrößen-Senders;
  • 4 ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Regelgrößen-Senders;
  • 56 zusammen eine schematische Darstellung einer physikalischen Schicht für einen Bus in einem Regelgrößen-Sender;
  • 7 einen schematischen Schaltplan eines alternativen Ausführungsbeispiels einer Anlaufschaltung;
  • 8 eine schematische Darstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels einer Versorgungs-Begrenzerschaltung.
  • Ausführliche Beschreibung der veranschaulichenden Ausführungsbeispiele
  • In den unten beschriebenen Ausführungsbeispielen wird ein industrieller Regelgrößen-Sender bzw. -Geber mit einem Bus bereitgestellt. Der Bus speist beliebige Hauptmodule, die mit dem Sender verbunden sind, und führt außerdem die digitale Übertragung zwischen dem Sender und den Hauptmodulen durch. Der Bus weist eine physikalische Schicht auf, die eine Schaltung mit äußerst niedriger Energie ist, die sowohl die Speisung als auch die Übertragung auf dem gleichen Buskontakt bereitstellt, ohne die verfügbaren Energiebegrenzungen in einem Sender zu überschreiten. Die physikalische Schicht weist einen ersten Strombegrenzer auf, der die Begrenzung auf die Energiemenge einstellt, die die physikalische Schicht von einer Senderschaltung entnimmt, und stellt eine Ausgabe der gespeicherten Energie für die physikalische Schicht bereit. Die physikalische Schicht weist außerdem einen rezessiven Bustreiber auf, der seinen Treiberstrom von der Ausgabe der gespeicherten Energie entnimmt und eine weitere, zweite Treiberstrom-Begrenzung einstellt. Die physikalische Schicht weist außerdem eine dominante Treiberschaltung auf, die einen inaktiven Zustand hat, in dem der Treiberstrom für den zusätzlichen Verbraucher verfügbar ist. Der Sender arbeitet völlig in den Leistungsbegrenzungen von 4–20 mA oder einem anderen energiebegrenzten Regelgrößen-Ausgabeprotokoll und ohne das Erfassen der Regelgröße oder das Bereitstellen der Regelgrößen-Ausgabe zu beeinflussen. Die physikalische Schicht kann bei 200 Mikroampere oder weniger des Schleifenstroms arbeiten, da die physikalische Schicht niedrige Vermittlungsverluste während der Übertragung ohne bedeutenden Verlust der Störfestigkeit hat.
  • CMOS-Logik, FET's und Niedrigenergie-Operationsverstärker und -Komparatoren werden verwendet, um den statischen Energieverbrauch zu minimieren. Strombegrenzungs-Schaltungen regeln den Spitzen- und durchschnittlichen Stromverbrauch.
  • 1 veranschaulicht eine auseinander gezogene Ansicht eines modularen Differenzialdruck-Senders 100 und ei nes Hauptmoduls 102. Der Sender 100 weist ein Druckerfassungs-Modul 104 auf, das an einem koplanaren Flansch 106 angeschraubt werden kann, wobei die Flanschadapter-Anschlussstücke 108 in gestrichelten Linien dargestellt sind. Die Flanschadapter-Anschlussstücke 108 sind mit einem Gewinde versehen und werden mit Gewinderohren verbunden, die unter Druck stehende Verfahrensfluide zum Druck-Sender 100 befördern, um sie zu erfassen.
  • Der Sender 100 weist außerdem ein Gehäuse 110 für die Senderelektronik auf, das zum Druckerfassungs-Modul hin versiegelt ist. Das Gehäuse 110 umschließt die elektronischen Schaltungen des Senders (in 1 nicht dargestellt) und weist einen elektrischen Verbinder 112 auf, der vorzugsweise hermetisch versiegelt ist. Der elektrische Verbinder 112 weist eine Reihe von Kontakten einschließlich eines Bus-Kontaktes 114 und eines gemeinsamen Kontaktes 116 auf, um den Sender 100 mit einem beliebigen von verschiedenen Hauptmodulen oder Zusatzgeräten zu verbinden.
  • Ein solches Hauptmodul ist das Hauptmodul 102, das auf den elektrischen Verbinder 112 gedreht oder geschraubt wird. Das Hauptmodul 102 weist eine Flüssigkeitskristallanzeige-Schaltung (liquid crystal display – LCD) 120 auf. Die LCD 120 zeigt den Stromwert der durch den Sender 100 erfassten Regelgröße oder andere vom Sender 100 empfangene Daten an. Die LCD-Schaltung 120 ist mit dem Bus-Kontakt 114 und dem gemeinsamen Kontakt 116 verbunden. Die LCD-Schaltung wird vom Bus-Kontakt 114 gespeist und überträgt außerdem digitale Daten zum und vom Bus-Kontakt 114. Die Flüssigkeitskristallanzeige-Schaltung (LCD) 120 ist mit den Verbindungen 114, 116 gekoppelt. Der Regelgrößen-Sender 100 speist und steuert die Flüssigkeitskristallanzeige-Schaltung 120. Die Flüssigkeitskristallanzeige-Schaltung 120 kann vor Ort angeordnet sein, wie es veranschaulicht ist, oder kann an einer Stelle angeordnet sein, die vom Regelgrößen-Sender 100 entfernt ist und von einem Bediener bequem zu betrachten ist. Die LCD 120 kann bis zu 30 Meter (100 Fuß) vom Sender 100 entfernt sein. Hauptmodule wie ein Temperatursensor-Modul oder ein Luftdrucksensor-Modul können ebenfalls mit den Verbindungen 114, 116 gekoppelt werden.
  • Das Hauptmodul 102 weist außerdem eine Feldkabelkammer (nicht dargestellt) auf, die durch einen Kammerdeckel 122 verschlossen wird. Das Feldkabel 124 von einem Verfahrens-Steuersystem (nicht dargestellt) wird durch eine Gewinde-Einführungsöffnung 126 geführt und mit einer Zweidraht-Ausgangsschnittstelle des Senders 100 verbunden. Der Verbinder 112 weist außerdem Kontakte auf, die die Zweidraht-Ausgangsschnittstelle tragen. Das Feldkabel 124 speist den Sender 100.
  • Der Sender 100 wiederum speist und steuert die LCD-Anzeige 120 durch den Bus-Kontakt 114 und den gemeinsamen Leiter 116. In einigen Fällen kann der gemeinsame Leiter 116 als ein Rückleiter sowohl für den Bus als auch für die Zweidraht-Schnittstelle verwendet werden. Die Schalttechnik des Senders 100 wird unten ausführlicher in Beispielen erläutert, die in 38 veranschaulicht werden.
  • 2 veranschaulicht einen Sender 101 mit Anschlussdraht-Verbindungen 115, 117, 119. In 2 verwendete Bezugsziffern, die die gleichen Bezugsziffern sind, die in 1 verwendet wurden, kennzeichnen die gleichen oder ähnliche Merkmale. In 2 hat der Sender 101 keinen mit Gewinde versehenen elektrischen Verbinder, sondern stattdessen Anschlussdrähte 115, 117, 119, um den Sender 101 mit einem Bus oder anderen Hauptmodulen oder Zusatzgeräten zu verbinden. Die Anordnung gemäß 2 kann zum Beispiel mit einem Schnellfeuer-Bus verwendet werden. Die Anschlussdrähte 115, 117, 119 können mit einem zusätzlichen Verbraucher durch einfache Drahtverbindungen wie Drahtmuttern, Schrauben-Anschlussleisten und anderen bekannten in Eingriff bringbaren und lösbaren Verbindungen in Eingriff gebracht und gelöst werden.
  • 3 veranschaulicht ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels eines Regelgrößen-Senders 200. Der Sender 200 erfasst eine Regelgröße 202. Die Regelgröße 202 kann ein Differenzialdruck (wie in 1 veranschaulicht), ein Messdruck, ein absoluter Druck, eine Strömung, eine Temperatur, ein pH-Wert, die Fluid-Leitfähigkeit, die Dichte, die chemische Zusammensetzung oder eine andere bekannte Regelgröße von Materialien sein, die in einer Verfahrens-Anlage wie einer chemischen Anlage, einer Papiermühle, einer Wasser-Aufbereitungsanlage oder dergleichen verarbeitet wird.
  • Der Sender 200 weist ein Gehäuse 204 auf, das einen elektrischen Verbinder 206 aufweist. Der elektrische Verbinder 206 kann mit einem zusätzlichen Verbraucher, (wie einem in 1 veranschaulichten Hauptmodul 102) in Eingriff gebracht und gelöst werden. Der Verbinder 206 weist einen Bus-Kontakt 208 und einen gemeinsamen Kontakt 210 auf, der in einigen Anlagen geerdet ist.
  • Der Sender 200 weist eine Senderschaltung 212 auf, die einen gemeinsamen Leiter 214 hat, der mit dem gemeinsamen Kontakt 210 gekoppelt ist. Die Senderschaltung 212 stellt einen Versorgungsleiter 216, einen seriellen Eingang 218 und einen seriellen Ausgang 220 bereit. Der Sender 200 weist einen Regelgrößen-Sensor 213 auf. In einer bevorzugten Anordnung umfasst der Verfahrens-Sensor 213 einen Drucksensor.
  • Die Senderschaltung 212 hat eine Zweidraht-Sender-Ausgangsschnittstelle an den Sender-Ausgangsleitungen 222, 224, die einen Senderstrom 226 von einem Zweidraht-Verfahrens-Steuerbus wie einem Feldkabel 124 in 1 entnimmt. Die Senderschaltung 212 stellt eine Senderstrom-Begrenzung von typischerweise etwa 25 Milliampere auf dem Zweidraht-Verfahrens-Steuerbus bereit. Die Zweidraht-Verfahrens-Steuerschleife stellt die gesamte Speisung des Senders bereit. In einer bevorzugten Anordnung umfasst die Zweidraht-Sender-Ausgangsschnittstelle einen geregelten Strom von 4–20 mA. Außerdem kann eine digitale HART-Signalisierung auf dem geregelten Strom von 4–20 mA überlagert werden, um eine digitale Übertragung über die Steuerschleife bereitzustellen.
  • Der Sender 200 weist eine Empfängerschaltung 230 auf, die mit dem seriellen Eingang 218 und außerdem mit dem seriellen Bus-Kontakt 208 durch einen seriellen Bus 232 gekoppelt ist. Eine Versorgungsbegrenzer-Schaltung 234 entnimmt einen Versorgungsstrom vom Versorgungsleiter 216 und stellt eine Ausgabe der gespeicherten Energie 236 bereit. Die Versorgungsbegrenzer-Schaltung 234 stellt eine Versorgungsstrom-Begrenzung in der Strommenge bereit, die sie vom Versorgungsleiter 216 entnehmen kann. Die Versorgungsstrom-Begrenzung ist typischerweise eine äußerst kleine Größe wie 500 Mikroampere. Die Versorgungsstrom-Begrenzung gewährleistet, das die Energieanforderungen der Schaltung der physikalischen Schicht den Ausgangsstrom des Senders nicht über einen Alarm-Schleifenpegel (typischerweise 3,5 mA) hinaus betreiben kann, selbst wenn der Bus kurzgeschlossen ist.
  • Der Sender 200 weist eine rezessive Treiberschaltung 238 auf, die einen Treiberstrom 240 von der Ausgabe der gespeicherten Energie 236 entnimmt oder ableitet. Die rezessive Treiberschaltung 238 koppelt den Treiberstrom 240 mit dem seriellen Bus 232. Die rezessive Treiberschaltung 238 stellt eine Treiberstrom-Begrenzung in der Größe des Treiberstroms 240 bereit. Die Treiberstrom-Begrenzung beträgt typischerweise 5 Milliampere. Wenn ein Speicherkondensator 284 (wird unten in Verbindung mit 5 beschrieben) geleert wird, begrenzt die Versorgungsstrom-Begrenzung noch die Wiederaufladungsrate des Speicherkondensators 284 auf 500 Mikroampere, wobei dadurch die Schleife von 4–20 mA im unteren Alarmpegel gehalten wird. Alternativ wird die Begrenzung der rezessiven Treiberschaltung auf 5 mA eingestellt, damit der Speicherkondensator 284 bei einem ersten Low-Zustand auf dem Bus nicht vollständig entladen wird. Die rezessive Treiberstrom-Begrenzung ist hoch genug eingestellt, um eine Kabel-Kapazität von 30 Metern (100 Fuß) plus einer LCD-Eingangskapazität von einem LOW-Zustand zu einen HIGH-Zustand in 2/8 einer Bit-Zeit zu betreiben.
  • Der Sender 200 weist außerdem eine dominante Treiberschaltung 242 auf, die zwischen dem seriellen Ausgang 220 und dem seriellen Bus 232 gekoppelt ist. Die dominante Treiberschaltung 242 hat einen dominanten Zustand, in dem sie den Treiberstrom 240 leitet, und einen inaktiven Zustand, in dem der Treiberstrom 240 für den zusätzlichen Verbraucher verfügbar ist, der mit dem Buskontakt 208 und dem gemeinsamen Kontakt 210 verbunden ist. Während des inaktiven Zustands stellt die rezessive Treiberschaltung 238 die Speisung für den zusätzlichen Verbraucher bereit. Die dominante Treiberschaltung 242 schaltet zwischen ihrem dominanten und ihrem inaktiven Zustand hin und her, um dem zusätzlichen Verbraucher digitale Daten zu senden. In einer bevorzugten Anordnung werden die verschiedenen Non-Hardware-Schichten der digitalen Daten entsprechend einem CAN-Bus-Netzwerks-Protokoll (controller area network – CAN) formatiert.
  • 4 veranschaulicht ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Regelgrößen-Senders 300. Der Sender 300 ist ähnlich wie der in 3 veranschaulichte Sender 200, wobei jedoch im Sender 300 bestimmte zusätzliche Merkmale vorgesehen sind. In 4 verwendete Bezugsziffern, die mit den in 3 verwendeten Bezugsziffern gleich sind, kennzeichnen gleiche oder ähnliche Merkmale.
  • In 4 sind die Sender-Ausgangsleitungen 222, 224 mit einer industriellen Zweidraht-Steuerschleife von 4–20 mA (auch als Telemetrie-Schleife bezeichnet) verbunden, die die gesamte Speisung des Senders 300 bereitstellt. Die industrielle Zweidraht-Steuerschleife von 4–20 mA wird als eine Spannungsquelle oder Energieversorgung 250 in Reihe mit einem Lastwiderstand 252 veranschaulicht. Die Spannung über den Lastwiderstand 252 wird typischerweise mit einer Steuervorrichtung oder einem Verfahrens-Steuersystem gekoppelt.
  • Außerdem wird in 4 eine serielle Schnittstelle 254 als Teil der Senderschaltung 212 veranschaulicht. Die serielle Schnittstelle 254 stellt den seriellen Eingang 218 und den seriellen Ausgang 220 bereit. Die serielle Schnittstelle 254 ist vorzugsweise Teil eines gewöhnlichen Mikroprozessors wie einer ATMEL 8 Bit Mikro-Steuereinheit mit einer CAN-Steuervorrichtung, ATMEL Teil-Nummer T89C51CC01 von ATMEL Corporation 2325 Orchard Parkway, San Jose CA 95131 USA. Ein selbstständiges MCP2510 CAN-Steuergerät mit SPI-Schnittstelle von Microchip Technology Inc. kann mit einer Schnellfeuer-Konfiguration zum Beispiel ebenfalls verwendet werden.
  • In 4 stellt die dominante Treiberschaltung 242 entlang einer Leitung 256 eine Mitkopplung bzw. Optimalwertsteuerung für die Empfängerschaltung 230 bereit. Der Empfänger 230 reguliert einen Empfänger-Grenzwert in Reakti on auf die Optimalwertsteuerung- bzw. Mitkopplungs-Ausgabe 256. Die Mitkopplung ermöglicht es, dass der Ausgang 218 der Empfängerschaltung schnell auf einen Wechsel auf einen logischen Low-Zustand des seriellen Busses anspricht, wenn der Zustandswechsel durch die dominante Treiberschaltung 242 eingeleitet wird. Der schnell ansprechende Ausgang 218 der Empfängerschaltung wird durch die Leitung 258 mit der rezessiven Treiberschaltung 238 gekoppelt, wobei die rezessive Treiberschaltung 238 den Treiberstrom 240 während des logischen Low-Zustands schnell auf einen niedrigen Pegel reduziert, um Energie zu sparen. Der Empfänger 230 erzeugt wirksam eine Treiberreduktionsausgabe auf der Leitung 258, die aktiv ist, wenn sich der serielle Bus in einem LOW-Zustand befindet. Die Treiberreduktionsausgabe auf der Leitung 258 wird mit der rezessiven Treiberschaltung gekoppelt. Die rezessive Treiberschaltung 238 reduziert den Treiberstrom 240 in Reaktion auf die Treiberreduktionsausgabe auf der Leitung 258. Die dominante Treiberschaltung 242 erzeugt die Mitkopplungs-Ausgabe 256, die nach einem Zustandswechsel des seriellen Busses 232 aktiv ist.
  • Mit dem seriellen Bus 232 wird eine Anlaufschaltung 260 gekoppelt. Die Anlaufschaltung 260 stellt für den seriellen Bus 232 während eines Anlaufs-Intervalls Strom bereit. Der serielle Bus 232 weist eine Spannungsbegrenzer-Schaltung auf, die zwischen dem seriellen Bus 232 und dem Bus-Kontakt 208 gekoppelt ist. Der Spannungsbegrenzer umfasst zwei Klemmdioden 262, die zwischen dem seriellen Bus 232 und den Energieversorgungsschienen gekoppelt sind und weist außerdem einen Strombegrenzungs-Widerstand 266 in Reihe zwischen dem seriellen Bus 232 und dem Buskontakt 208 auf. Der Spannungsbegrenzer hilft, vor einer statischen Elektrizität zu schützen, die in den Buskontakt 208 entladen wird.
  • In diesem Ausführungsbeispiel wird der dominante Treiber 242 mit einer Diode 270 gekoppelt, die vorgespannt wird, um eine Sockelspannung von 0,6 Volt über der Spannung (gemeinsame Gleichspannung) des gemeinsamen Leiters bereitzustellen. Wenn sich der dominante Treiber 242 in einem aktiven oder LOW-Zustand befindet, verbindet der dominante Treiber 242 im Wesentlichen den seriellen Bus 232 mit der Diode 270. Der LOW-Zustand auf dem seriellen Bus 232 befindet sich damit 0,6 Volt oder mehr über dem gemeinsamen Gleichspannungspegel. Durch das Vermeiden, dass sich die mit dem seriellen Bus 232 verbundenen Kapazitäten den ganzen Weg hinunter auf dem gemeinsamen Gleichspannungs-Pegel entladen, wird weniger Energie verbraucht.
  • Eine Spannungsdifferenz zwischen dem Bus-Kontakt und dem gemeinsamen Kontakt ist eine geregelte Spannungsdifferenz über einem Betriebstemperaturbereich, wobei die Empfängerschaltung über den Betriebstemperaturbereich temperaturkompensiert ist, um die geregelte Temperaturdifferenz zu akzeptieren. Wenn diese Anordnung in entfernten Anwendungen verwendet wird, hat sie den Vorteil von gleichförmigeren Vermittlungs-Verlusten (fVppC) über den Betriebstemperaturbereich der Schaltungen. Dies verbessert lange Verlegungen von Kabeln zwischen dem Regelgrößen-Sender und der entfernten Vorrichtung (LCD).
  • Zusätzlich zu einem Versorgungsleiter 216 mit 4,3 Volt liefert die Senderschaltung 212 außerdem eine niedrigere Versorgung auf der Leitung 280 von 3,0 Volt. Der HIGH-Pegel auf dem seriellen Bus 232 wird auf 3,0 Volt oder weniger reduziert, wobei der Energieverbrauch reduziert wird.
  • Die Versorgungsbegrenzer-Schaltung 234 weist einen Strombegrenzer 282 und einen Energiespeicher 284 auf. Die Anordnung des Strombegrenzers 282 und des Energiespeichers 284 ermöglicht es, das die rezessive Treiberschaltung 282 unverzüglich einen Strom 240 bereitstellt, der in der Amplitude höher ist als die augenblickliche Amplitude des Versorgungsstroms auf dem Versorgungsleiter 216.
  • 56 veranschaulichenden gemeinsamen ein Ausführungsbeispiel einer schematischen Darstellung einer physikalischen Schicht 400 für einen Bus in einem Regelgrößen-Sender. Eine untere Kante von 5 kann über einer oberen Kante von 6 angeordnet werden, um ein vollständiges Schaltbild zu bilden. Die physikalische Schicht 400 ist ähnlich wie die physikalische Bus-Schicht des in 4 veranschaulichten Senders 300. In 56 verwendete Bezugsziffern, die die gleichen wie die in 4 verwendeten Bezugsziffern sind, kennzeichnen die gleichen oder ähnliche Merkmale.
  • EMPFÄNGER
  • In diesem Ausführungsbeispiel weist der Empfänger 230 einen Niedrigenergie-CMOS-Komparator 402 auf. Die Verwendung des Komparators 402 ermöglicht die Verwendung eines Widerstandsteilers 404, 406, um beim Empfangen der Grenzwert-Einstellungen eine Flexibilität bereitzustellen. Ein Rückkopplungswiderstand 408 stellt eine kleine Größe einer Eingangs-Hysterese für eine verbesserte Störfestigkeit bereit. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel verschiebt ein CMOS-Wechselstromwandler für eine hohe Eingangs-Toleranzspannung 410 den Pegel für die Empfangs-Komparatorausgabe von 4,3 Volt an 218 auf 3,0 Volt für eine Eingabe in einen Mikroprozessor.
  • DOMINANTE TREIBERSCHALTUNG
  • Mit Bezug auf 6 wird der serielle Bus 232 mit einem niedrigen Ein-Widerstands-FET 420 in der dominanten Treiberschaltung 242 von einem rezessiven (High) Zustand auf einen dominanten (Low) Zustand angetrieben. Der FET 420 hat einen Eingang mit hoher Impedanz 423, der den Verbrauch des Treiberstroms am Eingang mit hoher Impedanz minimiert. Um den Stromverbrauch zu regeln, sind in der dominanten Treiberschaltung 242 verschiedene Merkmale enthalten. Wenn der Empfangs-Komparator 402 einen Low-Zustand auf dem seriellen Bus 232 erfasst, wird die rezessive Treiberschaltung 238 wenigstens teilweise abgeschaltet, um das Fließen des vollen Treiberstroms durch den dominanten Treiber 242 zu unterbrechen, während er sich im dominanten Zustand befindet. Dies hilft, während der Übertragung Energieverluste zu minimieren. Um Verluste weiter zu reduzieren, wird die Source-Leitung 422 vom FET 420 in Reihe mit einer Diode 270 verbundenen, um den niedrigen Spannungspegel auf dem seriellen Bus 232 auf einen Dioden-Abfall (0,6 Volt) über der gemeinsamen Gleichspannung an 214 festzuhalten. Dies reduziert die Schwingungen der Ausgangspannung auf dem seriellen Bus 232, wodurch die Energieverluste bei der Übertragung auf Grund des Ladens und Entladens der kapazitiven Verbraucher auf dem seriellen Bus 232 reduziert werden. Die Sockeldiode 270 begrenzt die Spitzenamplitude des Signals auf dem seriellen Bus 232 auf etwa 3 Volt, um Übertragungs-Stromverluste zu reduzieren, wenn ein vollständig geladener Bus betrieben wird. Die Diode 270 temperaturkompensiert vorzugsweise den Signalpegel, so dass er sowohl die Versorgungsspannung auf der Leitung 280 als auch die Empfangsgrenzwerte verfolgt.
  • Der Energieverbrauch während der Übertragungen wird durch das Laden und Entladen der mit dem seriellen Bus 232 verbundenen Verbraucherkapazität bestimmt. Der Ladestrom I entspricht etwa I = C * Vpp * f, wobei C die Verbraucherkapazität, Vpp die Spannung von Spitze zu Spitze und f die Frequenz ist. Der Strom kann durch das Begrenzen von Vpp reduziert werden. Der High-Zustand wird vorzugsweise auf etwa 3,6 Volt über den Anlauftransistor 430 begrenzt. Die Spannung von Spitze zu Spitze wird vorzugsweise auf etwa 3 Volt begrenzt, wodurch der Stromverbrauch minimiert wird, wenn die kapazitiven Verbraucher betrieben werden.
  • Ein Vorteil der Sockeldiode 270 ist es, dass sie den Signalpegel auf dem Bus 232 zur Leitung 236 und die Empfangs-Grenzwerte temperaturkompensiert. Dies trifft zu, da sich die Leitung 236 einen Spannungsabfall am Basis-Emitter-Übergang (Vbe) über der Leitung 280 befindet, wobei das Low-Signal auf einen Dioden-Abfall über Masse festgelegt wird und die Empfangs-Grenzwerte über einen Widerstandsteiler 404, 406 errichtet werden, auf dem bei 2 Dioden-Abfällen über Masse Bezug genommen wird.
  • Der FET 420 schaltet schnell genug, um eine induktive Eigenschwingung an den Flanken zu erzeugen, so dass ein Widerstand 424 und ein Kondensator 426 hinzugefügt werden, um einen Tiefpassfilter bereitzustellen, der den FET verlangsamt und die Schaltflanken abrundet, um eine Eigenschwingung zu vermeiden. Der Widerstand 428 ist ein kleiner Reihenwiderstand, der ebenfalls hilft, die Eigenschwingung zu reduzieren.
  • DOMINANTE TREIBER-MITKOPPLUNG
  • In einem Ausführungsbeispiel wird ein Mitkopplungskondensator 450 zwischen dem FET-Eingang 423 und dem Spannungs-Widerstandsteiler 404, 406 gekoppelt, um eine zusätzliche Reduzierung der Vermittlungsstromverluste durch ein schnelles Abschalten des rezessiven Treibers 238 bereitzustellen, wenn der dominante Treiber 242 ein dominantes Low-Bit sendet. Um die Vermittlungsverluste zu minimieren, wenn der dominante Treiber 242 ein Low-Bit sendet, muss der rezessive Treiber 238 so schnell wie möglich abgeschaltet werden. Der Mitkopplungskondensator 450 stellt einen Wechselstrompfad für den positiven Eingang des Empfangs-Komparators 402 bereit. Wenn der dominante Treiber 242 einen Low-Wert sendet, erfasst der Komparator 402 den TX-Übergang (vom Pegelumsetzer 409) und schaltet den rezessiven Treiber 238 ab, bevor der serielle Bus 232 die Zeit hatte, auf einen Low-Zustand überzugehen.
  • REZESSIVER TREIBER
  • Mit Bezug auf 5 kann der rezessive Treiber 238 ebenfalls eine Störung erzeugen. Der Widerstand 432 arbeitet mit der parasitären Kapazität des Transistors 434, um die Wirkung des Transistors 434 zu verlangsamen und die Vermittlungs-Störung zu reduzieren.
  • Der serielle Bus 232 wird von einem dominanten Low- auf einen rezessiven High-Zustand mit einem strombegrenzten FET 436 in der rezessiven Treiberschaltung 238 angetrieben. Der FET 436 hat einen Eingang mit hoher Impedanz 437, der den Eingangsstrom minimiert. In einem Ausführungsbeispiel ist die Strombegrenzung des rezessiven Treibers auf annähernd 5 mA eingestellt, um zu verhindern, dass der Volumen-Speicherkondensator 284 beim Übergang vom High- zum Low-Zustand zu schnell entladen wird. Der rezessive Treiber 238 wird über eine impulsbreitenbegrenzte Schaltung angeschaltet. Die Impulsbreite kann durch Non-Hardware-Schichten des Übertragungsprotokolls, durch eine mit dem Mitkopplungskondensator 450 verbundene RC-Zeitkonstante oder einer Kombination von beiden begrenzt werden. Wenn der Empfangs-Komparator einen High-Wert auf dem seriellen Bus 232 erfasst, wird der rezessive Treiber 238 im An-Zustand festgehalten, um Gleichstrom-Energie an den seriellen Bus 232 abzugeben. Wenn der Bus zufällig kurzgeschlossen ist, oder wenn zwei Hauptvorrichtungen versuchen, gleichzeitig zu übertragen, wobei eine äußere Vorrichtung den seriellen Bus 232 auf einen Low-Wert zieht, während die andere Vorrichtung versucht, ihn auf einen High-Wert zu ziehen, dominiert der dominante Treiber 242 oder siegt über den rezessiven Treiber 238. Im CAN-Protokoll wird dies zum Beispiel als Bit-Zuteilung definiert. Dann erfasst der Empfangs-Komparator 402 den Low-Wert, wobei der rezessive Treiber abgeschaltet wird, nachdem die Impulsbreiten-Zeitbegrenzung abläuft. Dies geschieht, um die Energiemenge zu begrenzen, die während einer Bit-Zuteilung zur Masse parallel geschaltet wird (oder wenn der Bus kurzgeschlossen ist). Wenn eine Bit-Zuteilung stattfindet, erfasst die CAN-Maschine im Mikroprozessor, dass der Bus aktiv ist, unterbricht das Senden ihrer Information und wartet bis zum Ende der gegenwärtigen Information, um sie zurückzusenden.
  • Die Verwendung des Treiberstroms, der rezessiv ist, reduziert Vermittlungsverluste durch das Begrenzen des Spitzenstroms, der vom seriellen Bus 232 zur gemeinsamen Gleichstromleitung 214 während der Übertragungen fließen kann. In einem Ausführungsbeispiel ermöglicht dies das Fließen eines Spitzenstroms von 5 mA vom Volumen-Speicherkondensator 284 zu einer Vorrichtung, die Energie vom Bus entnimmt, ungeachtet des Spannungspegels auf der Leitung 236. Dies ermöglicht es dem dominanten (Low) Treiber 242, den seriellen Bus 232 zu steuern.
  • Der. Empfängerabschnitt 230 hält den rezessiven Treiber 238 auf An, wenn sich der serielle Bus 232 auf einem High-Wert befindet, um Gleichstromenergie an den seriellen Bus 232 abzugeben. Der Komparator 402 schaltet den Transistor 436 des rezessiven Treibers ab, wenn sich der serielle Bus 232 auf einem LOW-Wert befindet, um das Fließen des Stroms zum seriellen Bus 232 zu unterbrechen. Der Strombegrenzungstransistor 434 des rezessiven Treibers erfasst den Strom durch den Widerstand 438 und begrenzt die Treiberspannung am Transistor 436 des rezessiven Treibers.
  • Der rezessive Treiber 238 begrenzt die Zeit, in der der Strom zum seriellen Bus 232 während der Bit-Zuteilung fließen kann. Der Mitkopplungskondensator 450 ist so dimensioniert, dass er die Zeitbegrenzung einstellt.
  • Der rezessive Treiber 238 ist strombegrenzt, damit ein dominanter Low-Treiber (wie ein dominanter Treiber 423 oder ein dominanter Treiber in einem zusätzlichen Verbraucher) den rezessiven Treiber 238 übersteuern und den Bus 232 steuern kann. Zusätzlich begrenzt der rezessive Treiber 238 die Strommenge, die während der Übertragungen oder der Bit-Zuteilungen zur Masse fließt, wobei damit die Vermittlungsverluste reduziert werden. Die Strombegrenzung im rezessiven Treiber 238 ist hoch genug eingestellt, um eine adäquate Störsicherheit bereitzustellen und zu gewährleisten, dass der Treiber eine adäquate Energie an den zusätzlichen Verbraucher wie eine LCD 120 (1) bereitstellen kann, die ihre ganze Speisung oder Energie vom Bus 232 bezieht.
  • Wenn der serielle Bus 232 ein CAN-Bus ist, kann sich der Bus 232 für ein Maximum von 5 Bit-Zeiten auf einem Low-Wert befinden, wie er durch die Non-Hardware-Schichten des CAN-Protokolls begrenzt wird. Das CAN-Protokoll bewirkt, dass das sechste Bit als ein High-Bit aufgefüllt wird, um eine Synchronisationsflanke bereitzustellen. Der Volumen-Speicherkondensator 284 speichert die Ladung während der Low-Bits, so dass die physikalische Schicht die Ladung zum Bus 232 während des nächsten High-Bits übertragen kann, um zu gewährleisten, dass die richtige Durchschnittsenergie aufrechterhalten wird. Das aufgefüllte High-Bit stellt eine Gelegenheit bereit, die Ladung übertragen. Um dies zu tun, muss der rezessive Treiber genug Spitzenstrom bereitstellen können, so dass in 1 Bit-Zeit genügend von der gespeicherten Ladung zum zusätzlichen Verbraucher übertragen werden kann, um ihn zu während 5 aufeinander folgenden Low-Bit-Zeiten zu speisen, wie es durch das CAN-Protokoll ermöglicht wird.
  • Zusätzlich muss der Treiber in der Lage sein, einen vollständig geladenen CAN-Bus in weniger als 2/8 der Bit-Zeit auf einen High-Wert zu ziehen, um die Zeitanforderungen zu erfüllen.
  • Der Strom des rezessiven Treibers wird durch den Widerstand 438 erfasst. In einem Ausführungsbeispiel wird der Transistor 434 angeschaltet, um den Stromfluss durch den FET 436 zu begrenzen, wenn die Spannung über den Widerstand 438 etwa 0,6 Volt erreicht.
  • Wenn sich der serielle Bus 232 auf einem Low-Wert befindet, wird der rezessive Treiber 238 abgeschaltet, um zu verhindern, dass der Strom unnötigerweise über den seriellen Bus 232 zur Masse fließt. Dies wird durch das Überwachen des seriellen Busses 232 mit dem Empfangs-Komparator 402 durchgeführt. Wenn sich der serielle Bus auf einem Low-Wert befindet, befindet sich der Ausgang des Empfangs-Komparators an der Leitung 258 auf einem High-Wert, wodurch der rezessive Treiber 238 abgeschaltet wird. Wenn sich der serielle Bus 232 auf einem High-Wert befindet, befindet sich der Komparator-Ausgang 258 auf einem Low-Wert, wodurch der rezessive Treiber 238 angeschaltet wird, um Energie an den seriellen Bus 232 abzugeben. Diese Funktion wird durch das Verbinden des Ausgangs des Komparators 402 mit dem Gate des FET 436 des rezessiven Treibers über den Widerstand 440 durchgeführt.
  • Wenn die physikalische Schicht einen High-Bit durchsetzt, gibt sie Strom über den rezessiven Treiber 238 an den Bus 232 ab. Wenn der Bus 232 auf Grund eines Kurzschlusses oder weil ein zusätzlicher Verbraucher den Bus 232 auf einen Low-Wert gezogen hat, wie bei einer Bit-Zuteilung, auf einen Low-Wert gehalten wird, würde Strom zur Masse fließen und vergeudet werden. Um die Verluste in diesem Fall zu minimieren, versucht der rezessive Treiber 238 den Bus 232 für eine begrenzte Zeit auf einen High-Wert zu ziehen. Wenn der Bus 232 auf einem Low-Wert gehalten wird, wird der Empfangs-Komparator 402 nicht permanent schalten, um den rezessiven Treiber 238 auf An zu halten, wobei der rezessive Treiber nach einem festgelegten Zeitabschnitt abgeschaltet wird. Der Mitkopplungskondensator 450 stellt für diesen Zweck zusammen mit den Widerständen 424, 404, 406, 408 eine RC-Zeitbegrenzung ein. Wenn ein TX-High-Wert durchgesetzt wird, wird eine niedrige Spannung auf der Leitung 220 zu einem positiven Eingang des Empfangs-Komparators 402 über den Kondensator 450 gesendet, der den rezessiven Treiber 238 anschaltet. Wenn der Bus 232 auf einem Low-Wert gehalten wird, hält der Empfangs-Komparator 402 den rezessiven Treiber 238 nicht permanent auf An. Sobald der Kondensator 450 vollständig geladen ist, gibt es am positiven Eingang des Komparators 402 keinen Low-Wert mehr, so dass der rezessive Treiber 238 abgeschaltet wird. Die Zeitbegrenzung muss lang genug eingestellt sein, um zu gewährleisten, dass ein vollständig geladener Bus auf einen High-Wert gezogen werden kann, bevor die Zeitüberwachung des Komparators abgelaufen ist.
  • VERSORGUNGSBEGRENZER + VOLUMEN-SPEICHERKONDENSATOR
  • In diesem Ausführungsbeispiel wird Gleichstromenergie jedes Mal an zusätzliche Verbraucher (wie einer LCD) über den Bus 232 abgegeben, wenn sich der Bus 232 in einem rezessiven Zustand befindet. Während eines dominanten Zustandes wird im Volumen-Kondensator 284 die Ladung gespeichert und dann als ein hoher Stromimpuls an den Bus 232 abgegeben, sobald der Bus 232 in einen rezessiven Zustand zurückkehrt.
  • Die Energie der physikalischen Schicht wird über eine erste, strombegrenzte Quelle 234 bereitgestellt, die ausgelegt ist, um den Strom auf typische 500 μA zu begrenzen, der vom Versorgungsleiter entnommen wurde. Diese Versorgungsbegrenzer-Schaltung 234 ist wesentlich, um zu gewährleisten, dass ein überladener Bus 232 den Sender nicht aus seinen geplanten, bewegungslosen Strombereich heraus drängt.
  • Der Versorgungsbegrenzer 234 begrenzt den für den Bus 232 verfügbaren Gleichstrom, um zu verhindern, dass wegen eines Skalenfehlers auf der Sender-Stromschleife von 4–20 mA eine Überlast entsteht. Der Volumen-Speicherkondensator 284 speichert die Ladung, wenn sich der Bus 232 auf einem Low-Wert befindet. Wenn sich der Bus 232 auf einem High-Wert befindet, wird die Ladung auf eine Vorrichtung übertragen, die den Bus 232 abgeschaltet hat.
  • VERSORGUNGSBEGRENZER-SCHALTUNG
  • Gemäß 5 ist die Versorgungsbegrenzer-Schaltung 234 für die Arbeitsweise einer Vorrichtung für 4–20 mA entscheidend, die CAN-Übertragungen verwendet. Sie gewährleistet, dass ein überladener CAN-Bus nicht genug Strom entnehmen kann, um den gesamten Sender-Ausgangsstrom über dem maximal niedrigen Alarmstrom zu betreiben, der für die Ausführung zulässig ist. Der Operationsverstärker 452 ist eine I/O Komponente von Schiene zu Schiene, die den FET 454 steuert, um eine Strombegrenzung zu errichten. Der Widerstand 456 ist ein Erfassungs-Widerstand. Die Widerstände 458, 460 bilden einen Spannungsteiler, der eine Strombegrenzungs-Abhängigkeit herstellt. Die Strombegrenzungsschaltung bezieht sich auf den Ort zwischen der Leitung 280 und der Leitung 216, um eine ordnungsgemäße Anlauffolge des Senders zu gewährleisten.
  • Um einem zusätzliche Verbraucher auf dem Bus 232 Energie in einer effizienten Weise bereitzustellen, muss die physikalische Schicht die Ladung speichern, während sich der Bus 232 auf einem Low-Wert befindet, und die Ladung auf den Bus 232 übertragen, wenn der Bus 232 auf den High-Wert zurück schaltet. Der Volumen-Kondensator 284 führt dies durch.
  • Da der Kondensator 284 über den FET 454 geladen wird, der strombegrenzt ist, wird seine Spannung augenblicklich abfallen, wenn der Bus 232 einen hohen Spitzenstrom davon abzieht. In einem Ausführungsbeispiel muss der Kondensator 284 im Wert groß genug sein, um eine 3,0 Volt Arbeitsspannung während der Übertragung aufrechtzuerhalten. Dies gewährleistet, dass eine CAN-Vorrichtung wie eine LCD eine ausreichende Versorgungsspannung hat, um zu arbeiten. Der Kondensator 284 wird zwischen den Übertragungs-Paketen wieder aufgefüllt. Es gibt zwei Fälle zu beachten. Der erste besteht nach einer Kette von fünf Low-Bits. Der rezessive Treiber 238 wird einen Stromimpuls zum Bus 232 einspeisen, um den durchschnittlichen Strom konstant zu halten. Der Zustand des schlimmsten Falles besteht mit einem zusätzlichen Verbraucher auf dem Bus, der den maximalen Durchschnittsstrom entnimmt. Da der Kondensator 284 vorzugsweise auf etwa 3,6 Volt festgehalten wird, kann er beim Start des Übertragungspakets abfallen, um für den Bus 232 einen Spitzenstrom bereitzustellen. Der Spannungsabfall wird auf einen akzeptablen Pegel begrenzt, da der Kondensator 284 während der Low-Bits aufgeladen wird, bevor die gespeicherte Ladung beim nächsten High-Bit übertragen wird.
  • Diese Situation wird etwas komplizierter, wenn der Bus vollständig geladen ist, wie bei einem 30 Meter (100 Fuß) langen, LCD-Fernsteuerkabel. Die Spannung am Kondensator 284 wird abfallen, da sie den Verbraucher während der Übertragungen lädt. Der Einfachheit halber muss eine CAN-Vorrichtung während eines Übertragungspakets keine Energie entneh men. Der zusätzliche Verbraucher hat seine eigene Volumen-Kapazität, um sich durch den Übertragungsvorgang zu bewegen. Der Zustand des schlimmsten Falles wäre es, wenn eine Kette von Einsen und Nullen übertragen wird. Durch die Ausführung ist der Strom, der der betreiben soll (Iverbraucher = CVerbraucher * Vpp * f), kleiner als die CAN-Strombegrenzung, so dass die Spannung am Kondensator 284 nicht abfallen wird. Tatsächlich wird er aufgeladen und beginnt, den Bus zu speisen, was bedeutet, dass die Annahme, dass die LCD während der Übertragungen nicht gespeist wird, eine konservative ist. Zusätzlich muss der Strom, der verbraucht wird, um die maximale, spezifizierte, kapazitive Ladung zu betreiben, niedrig genug sein, um zu ermöglichen, dass der Kondensator 284 zwischen den Informationen wieder aufgeladen wird.
  • Der zweite zu betrachtende Fall ist der Welleneffekt auf Grund der Bit-Zuteilung. In diesem Fall wird der rezessive Treiber 238 dem Bus 232 für die gesamte, festgelegte Zeitbegrenzung, die durch den Mitkopplungskondensator 450 eingestellt wird, Strom zuführen. Der Kondensator 284 ist im Wert groß genug, um den Welleneffekt in diesem Fall unter 100 mV zu halten. Der Volumen-Kondensator 284 muss zwischen den Zuteilungs-Vorgängen wieder aufgeladen werden. Da ein Vorgang nur maximal einmal pro Information stattfinden kann, gibt es reichlich Zeit, um den Kondensator 284 zu laden.
  • ANLAUFSCHALTUNG
  • Um richtig anzulaufen, wenn Energie das erste Mal zugeführt wird oder um sich von einem kurzgeschlossenen CAN-Bus zu erholen, muss es einen alternierenden Pfad geben, der Strom an den Bus abgibt. Um diese Forderung zu erfüllen, wird ein PNP-Transistor 430 angeschaltet, um Energie an den Bus abzugeben, nachdem der Volumen-Speicherkondensator vollständig geladen ist. Die Anlaufschaltung 260 zieht den CAN-Bus beim Anlaufen oder bei einer fehlerhaften Erholung, nachdem der Bus zur Masse kurz geschlossen wurde, auf einem High-Wert. Die Anlaufschaltung 260 stellt ein ordnungsgemäßes Einschalten und eine effiziente Verwendung der Energie dadurch bereit, dass es dem Volumen-Kondensator 284 möglich ist, sich vollständig aufzuladen, bevor irgendein Strom an den Bus abgegeben wird. Die physikalische CAN-Schicht schaltet den rezessiven Treiber 238 ab, wenn sich der Bus 232 auf einem Low-Wert befindet, um den Strom zu bewahren. Dies wirft beim Anlaufen oder nachdem der Bus zur Masse kurzgeschlossen wurde, ein Problem auf. Da sich der Bus in jedem dieser Fälle auf einem Low-Wert befindet, wird der rezessive Treiber abgeschaltet. Nichts würde den Bus auf einen High-Wert ziehen, so dass er anläuft oder sich von einem kurzgeschlossenen Zustand erholt. Ein bipolarer PNP-Transistor 430 stellt den Anzugs-Pfad bereit, um diese Funktion auszuführen. Der Emitter des Transistors 430 ist mit der Leitung 236 durch den Widerstand 438 verbunden, die Basis ist mit der Leitung 280 verbunden, wobei der Kollektor mit dem Bus 232 verbunden ist. In diesem Ausführungsbeispiel wird, sobald der Leitung 236 etwa 3,6 Volt erreicht, der Transistor 430 angeschaltet und gibt Strom an den Bus 232 ab. Dies erzeugt eine 3,6 Volt-Schiene, die für die Anforderungen der physikalischen Schicht ausreichend ist. Sobald die Schiene 236 bei 3,6 Volt angelangt ist, ist der Kondensator 284 voll geladen, so dass es keine Möglichkeit gibt, zusätzliche Ladung zu speichern. Es ist akzeptabel, Strom als einen Anzugs-Mechanismus für den Bus abzugeben. Wenn der Bus kurzgeschlossen ist, wird der Strom zur Masse fließen, die Leitung 236 wird aber auf 3,6 Volt festgelegt. Wenn es keinen Gleichstrom-Verbraucher auf dem Bus gibt, wird der Strom durch den Basis/Emitter-Übergang des Transistors 430 und in die 3,0 Volt-Schiene fließen, um wieder verwendet zu werden. Ein zusätzlicher Vorteil ist es, dass die physikalische Schicht die ganze Zeit einen festgelegten Strom entnimmt, so dass sich die Gleichstrom-Energiebegrenzungsschaltung nicht in einer dynamischen Anwendung befindet und dadurch die geschalteten, mit dem seriellen Bus verbundenen Verbraucher von der internen 4,3 Volt-Schiene und von der 4–20 mA Schleifen-Regulierungsschaltung isoliert gehalten werden. Dies ermöglicht die Verwendung eines relativ langsamen Niedrigenergie-Operationsverstärkers 452.
  • MIKROPROZESSOR
  • In einem Ausführungsbeispiel kann sich die CAN-Maschine in einem gewöhnlichen, von ATMEL hergestellten Mikroprozessor befinden. Sie führt eine Fehlerüberprüfung durch und steuert die Sende- und Empfangsanschlüsse RX, TX per CAN-Protokoll. Die CAN-Maschine ist kein Teil der physikalischen Schicht, aber die Ausführung der physikalischen Schicht berücksichtigt die Eigenschaften der nicht physikalischen Schichten in der CAN-Maschine.
  • 7 veranschaulicht einen schematischen Schaltplan eines alternativen Ausführungsbeispiels einer Anlaufschaltung 500, die eine Diagnoseausgabe 502 zum Erfassen einer niedrigen CAN-Spannung aufweist. In einer bevorzugten Anordnung zeigt die Diagnoseausgabe gespeicherte Energie an, wobei ein Mikroprozessor die Diagnoseausgabe empfängt. In dieser Schaltung 500 wird der Transistor 504 angeschaltet, wenn die Ausgabe der gespeicherte Energie 506 auf etwa 3,6 Volt angestiegen ist, und sendet eine hohe Spannung auf Leitung 502 an einen Mikroprozessor, wobei angezeigt wird, dass eine stabile Spannung errichtet wurde. Der Widerstand 508 bewirkt, dass die Spannung auf Leitung 506 hoch genug ansteigt, um zu gewährleisten, dass der Transistor 504 angeschaltet wird. Der Widerstandswert 508 des Widerstands ist niedrig genug, um die Leitung 506 so nahe wie möglich an 3,6 Volt zu halten. Der Widerstand 510 hat einen viel höheren Widerstandswert als der Widerstand 508. Der Widerstand 510 begrenzt den Strom, der durch den Basis/Emitter-Übergang des Transistors 430 fließt, und gewährleistet, dass der Transistor 430 angeschaltet und gesättigt ist.
  • 8 ist ein schematischer Schaltplan eines alternativen Ausführungsbeispiels einer Versorgungsbegrenzer-Schaltung 600. Die Begrenzerschaltung 600 stellt einen durch Software und/oder Hardware auswählbaren Gleichstrom-Begrenzungswert für eine Vielseitigkeit bereit. Wenn sich der Anschluss 602 auf einem Low-Wert befindet, wird der Transistor 604 aus sein, wobei der Verstärker 606 hoch gesättigt ist, um den Strom im Transistor 608 abzuschalten. Wenn sich der Anschluss 602 auf einem High-Wert befindet, ist der Transistor 604 an, wobei ein Strombegrenzungswert über den Spannungsteiler 610, 612 errichtet wird. In dieser Konfiguration können zwei Grenzwerte ausgewählt werden. Wenn zusätzliche Anschlüsse genutzt werden, können zusätzliche Grenzwerte verfügbar gemacht werden.
  • Es sollte verständlich sein, dass, selbst wenn zahlreiche Eigenschaften und Vorteile von verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung in der vorangegangenen Beschreibung dargelegt wurden, diese Offenlegung zusammen mit den Einzelheiten des Aufbaus und der Funktion von verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung nur veranschaulichend ist, und Änderungen im Detail, besonders was den Aufbau und die Anordnung von Teilen betrifft, innerhalb der Grundsätze der vorliegenden Erfindung bis zum vollen Umfang vorgenommen werden können, die durch die breite, allgemeine Bedeutung der Begriffe angezeigt werden, in denen die abhängigen Ansprüche ausgedrückt werden. Zum Beispiel können spezielle Teile abhängig von der speziellen Anwendung für den Regelgrößen-Sender variieren, während im Wesentlichen die gleiche Funktionalität erhalten bleibt, ohne von Umfang und Geist der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Das Gezeigte der vorliegenden Erfindung kann auf andere Verfahrensvorrichtungen angewandt werden, ohne von Umfang und Geist der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
  • Zusammenfassung
  • Ein Regelgrößen-Sender (200) verbindet einen seriellen Bus (232) mit einem zusätzlichen Verbraucher. Eine Versorgungsbegrenzer-Schaltung (234) stellt eine erste Versorgungsstrom-Begrenzung bereit und stellt eine Ausgabe der gespeicherten Energie (236) bereit. Eine rezessive Treiberschaltung (238) entnimmt einen Treiberstrom von der Ausgabe der gespeicherten Energie (236) und koppelt den Treiberstrom mit dem seriellen Bus (232). Die rezessive Treiberschaltung (238) stellt eine Treiberstrom-Begrenzung bereit. Eine dominante Treiberschaltung (242) hat einen dominanten Zustand, in dem sie den Treiberstrom leitet, und einen inaktiven Zustand, in dem der Treiberstrom für den zusätzlichen Verbraucher verfügbar ist.

Claims (24)

  1. Regelgrößen-Sender mit: Verbindungen, die mit einem zusätzlichen Verbraucher in Eingriff gebracht und gelöst werden können, wobei die Verbindungen einen Bus-Kontakt und einen gemeinsamen Kontakt aufweisen; einer Senderschaltung, die einen mit dem gemeinsamen Kontakt gekoppelten gemeinsamen Leiter, einen Versorgungsleiter und einen seriellen Eingang und einen seriellen Ausgang hat; einer Empfängerschaltung, die mit dem seriellen Eingang und durch einen seriellen Bus mit dem Bus-Kontakt gekoppelt ist; einer Versorgungsbegrenzer-Schaltung, die einen Versorgungsstrom von einem Versorgungsleiter entnimmt und eine Ausgabe der gespeicherten Energie bereitstellt, wobei die Versorgungsbegrenzer-Schaltung eine Versorgungsstrom-Begrenzung bereitstellt; einer rezessiven Treiberschaltung, die einen Treiberstrom von der Ausgabe der gespeicherten Energie entnimmt und den Treiberstrom mit dem seriellen Bus koppelt, wobei die rezessive Treiberschaltung eine Treiberstrom-Begrenzung bereitstellt; und einer dominanten Treiberschaltung, die zwischen dem seriellen Ausgang und dem seriellen Bus gekoppelt ist; wobei die dominante Treiberschaltung einen dominanten Zustand, in dem sie den Treiberstrom zu einem gemeinsamen Leiter leitet, und einen inaktiven Zustand hat, in dem der Treiberstrom für einen zusätzlichen Verbraucher verfügbar ist.
  2. Regelgrößen-Sender nach Anspruch 1, wobei die Senderschaltung eine Zweidraht-Sender-Ausgangsschnittstelle hat, die einen Senderstrom von einem Zweidraht-Verfahrens-Steuerbus entnimmt, wobei die Senderschaltung eine Senderstrom-Begrenzung bereitstellt.
  3. Regelgrößen-Sender nach Anspruch 2, wobei die Zweidraht-Verfahrens-Steuerschleife die gesamte Speisung des Senders bereitstellt.
  4. Regelgrößen-Sender nach Anspruch 3, wobei die Zweidraht-Sender-Ausgangschnittstelle einen von 4–20 mA gesteuerten bzw. geregelten Strom umfasst.
  5. Regelgrößen-Sender nach Anspruch 1, wobei der rezessive Treiber die Speisung für den zusätzlichen Verbraucher bereitstellt.
  6. Regelgrößen-Sender nach Anspruch 1, wobei der dominante Treiber zwischen seinem dominanten Zustand und seinem inaktiven Zustand hin und her schaltet, um digitale Daten zum zusätzlichen Verbraucher zu senden.
  7. Regelgrößen-Sender nach Anspruch 6, wobei der rezessive Treiber die Speisung für den zusätzlichen Verbraucher bereitstellt, wenn sich der dominante Treiber in seinem inaktiven Zustand befindet.
  8. Regelgrößen-Sender nach Anspruch 7, wobei die digitalen Daten entsprechend einem CAN-Protokoll (CAN-Bus-Netzwerk – Controller area network – CAN) formatiert werden.
  9. Regelgrößen-Sender nach Anspruch 1, weiterhin mit: einer Anlaufschaltung, die mit dem seriellen Bus gekoppelt ist, wobei die Anlaufschaltung einen Strom für den seriellen Bus während eines Anlauf-Intervalls bereitstellt.
  10. Regelgrößen-Sender nach Anspruch 1, wobei der serielle Bus eine Spannungsbegrenzer-Schaltung aufweist.
  11. Regelgrößen-Senderschaltung nach Anspruch 1, wobei die Senderschaltung einen Drucksensor umfasst.
  12. Regelgrößen-Sender nach Anspruch 1, wobei der Empfänger eine Treiberreduktionsausgabe erzeugt, die aktiv ist, wenn sich der serielle Bus in einem LOW-Zustand befindet und die Treiberreduktionsausgabe mit der rezessiven Treiberschaltung gekoppelt ist.
  13. Regelgrößen-Sender nach Anspruch 12, wobei die rezessive Treiberschaltung den Treiberstrom in Reaktion auf die Treiberreduktionsausgabe reduziert.
  14. Regelgrößen-Sender nach Anspruch 1, wobei die dominante Treiberschaltung eine Mitkopplungs-Ausgabe erzeugt, die nach einem Zustandswechsel des seriellen Ausgangs aktiv ist, wobei die Mitkopplungs-Ausgabe mit dem Empfänger gekoppelt ist.
  15. Regelgrößen-Sender nach Anspruch 14, wobei der Empfänger einen Empfänger-Grenzwert in Reaktion auf die Mitkopplungs-Ausgabe reguliert.
  16. Regelgrößen-Sender nach Anspruch 1, wobei eine Spannungsdifferenz zwischen dem Bus-Kontakt und dem gemeinsamen Kontakt eine regulierte Spannungsdifferenz über einen Betriebstemperaturbereich ist, wobei die Empfängerschaltung über den Betriebstemperaturbereich temperaturkompensiert ist, um die regulierte Spannungsdifferenz zu akzeptieren.
  17. Regelgrößen-Sender nach Anspruch 1, ferner mit einer Flüssigkeitskristallanzeige-Schaltung (liquid crystal display – LCD), die mit den Verbindungen gekoppelt ist, wobei der Regelgrößen-Sender die Flüssigkeitskristallanzeige-Schaltung speist und steuert.
  18. Regelgrößen-Sender nach Anspruch 17, wobei die Flüssigkeitskristallanzeige-Schaltung an einer Stelle angeordnet ist, die vom Regelgrößen-Sender entfernt ist.
  19. Regelgrößen-Sender nach Anspruch 1, weiterhin mit einem Temperatursensor-Modul, das mit den Verbindungen gekoppelt ist, wobei der Regelgrößen-Sender mit dem Temperatursensor-Modul in Verbindung steht und es speist.
  20. Regelgrößen-Sender nach Anspruch 19, wobei das Temperatursensor-Modul an einer Stelle angeordnet ist, die vom Regelgrößen-Sender entfernt ist.
  21. Regelgrößen-Sender nach Anspruch 1, weiterhin mit einem Drucksensor-Modul, das mit den Verbindungen gekoppelt ist, wobei der Regelgrößen-Sender mit dem Drucksensor-Modul in Verbindung steht und es speist.
  22. Regelgrößen-Sender nach Anspruch 21, wobei das Drucksensor-Modul an einer Stelle angeordnet ist, die vom Regelgrößen-Sender entfernt ist.
  23. Regelgrößen-Sender nach Anspruch 1, wobei die Anlaufschaltung eine Diagnoseausgabe erzeugt, die gespeicherte Energie anzeigt, wobei der Regelgrößen-Sender weiterhin einen Mikroprozessor umfasst, der die Diagnoseausgabe empfängt.
  24. Regelgrößen-Sender nach Anspruch 1, weiterhin mit einem Mikroprozessor mit einem Mikroprozessor-Anschluss, der mit der Versorgungsbegrenzer-Schaltung gekoppelt ist, wobei der Mikroprozessor die Größe der Versorgungsstrom-Begrenzung steuert.
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