现场设备和现场总线系统以及控制现场设备的方法

本发明一般地涉及用于通过一对传输线传输信号的现场设备。本发明特别涉 及允许容易地从模拟信号传输系统转换到现场总线传输系统的现场设备。

通常，所谓现场设备是指这样的装备，它用于在工厂检测物理量(诸如压力、 温度和流体传输速率)，随后将该量值转换为电信号，并且最后通过传输线将电信 号传输到高级的设备，以及用于反向地从高级的设备接收控制信号，并根据控制 信号在工厂控制一个阀门或其他装置。

在作为模拟信号而被传输的电信号的情况下，电信号的传输符合某些标准。 那就是说，在以后被简称为模拟信号的经传输的模拟电信号必需在4到20mADC 的范围内。另外，模拟信号通常沿一个方向在现场设备和高级的设备之间传递。

但是，借助近年来半导体集成电路技术的进步，使用内装微处理器的现场设 备已经开发并投入实际使用。结果，现在除了如上所述沿一个方向通过传输线传 递模拟信号之外，还可以线沿两个方向传递数字信号，并可通过使用从远处位置 传输来的命令设置现场设备的范围及对现场设备上进行自诊断。

例如在第58-48198号日本公开特许公报和第59-201535号日本公开特许公报 中揭示了这种类型的智能现场设备的例子。

参考图7解释一具体实例。图7是显示使用面向模拟信号的现场设备和智能 现场设备的模拟信号传输系统的概图。

图7中所示的传输系统中使用的面向模拟信号的现场设备1ad和1bd以及智 能现场设备1id由外部电源4d所提供的电力驱动。由此把每个检测出的物理量转 换为随后作为模拟信号通过传输线5传输的电流。

在高级的接收设备3d中，电流流过和传输线5串联的电阻器。模拟信号作 为所述电阻器(图中未示出)两端的电位差由高级的接收设备检测。模拟信号作为 由现场设备1ad，1bd传输的值被接收。

安装在智能现场设备1id、高级通信设备3d及外部电源4d之间的通信装置 2便在智能现场设备1id与高级的通信设备3d之间沿两个方向的通信。

通常知道的作为用于通过传输线5传输信号的系统是：通过将数字信号叠加 在模拟信号上而不影响模拟信号的传输数字信号的系统，通过从模拟信号切换到 数字信号以及倒过来切换的信号传输系统，和通过只传输数字信号的传输系统。

另外，最近已经提出了一种作为用于沿往来多个连接到一条共用传输线的现 场设备的两个方向只交换数字信号的现场总线传输系统。

参考图8解释现场总线系统的结构的代表性例子。图8是显示现场总线传输 系统的典型结构的概图。

如图中所示，多个现场设备通过一条共用传输线连接到高级的通信设备以形 成树状。

现场设备1add、1bdd和1cdd通过传输线5由外部电源提供的电力驱动而运 作，在向高级通信设备3传输检测得的物理量和从更高级别通信设备3接收控制 值的过程中，仍然通过传输线5，沿两个方向依次和高级通信设备3交换数字信 号。

设置在现场设备1add、1bdd和1cdd与高级通信设备3及外部电源4之间的 通信装置2便于在现场设备1add、1bdd和1cdd与高级的通信设备3之间数字信 号沿两个方向的交换。设置在传输线5的每一端的终端负载7包含相互串联的电 阻器和电容器。

为了从图7中所示的传输系统转移至图8中所示的现场总线传输系统，必需 用为后一系统设计的现场设备和高级通信设备代替前一系统的现场和高级的通 信设备。但是，由于能照旧使用传输线5，故可以容易地完成从一个系统到另一 个系统的转移。此外，由于连接到图8所示的现场总线传输系统的传输线5的现 场设备的数量可以增加，故可以很容易地扩展该系统。

但是，当从模拟信号传输系统转移到现场总线传输系统时，除了传输线5之 外，必需立刻改变每个装置。结果，从成本性能的观点看，使用现场总线传输系 统的努力和用户所希望的那么多的优点不相称。

为了解决这个问题，如第4-195500号日本公开特许公报中揭示的，发展一种 虚拟现场设备。设计虚拟现场设备，从而即使从模拟信号传输系统转移至现场总 线传输系统，也可以照旧使用现有的面向模拟信号的现场设备。

那就是说，在从模拟信号传输系统到现场总线传输系统的转移中，在传输线 5和多个现有的面向模拟信号的现场设备之间设置虚拟现场设备。由面向模拟信 号的现场设备输出的模拟信号由虚拟现场设备转换为数字信号，并且随后在通过 传输线5传输之前经受预定的信号处理。

通过增加具有这些功能的虚拟现场设备，多个现有的面向模拟信号的现场设 备可以被用于现场总线传输系统中。

但是，如果由于某种原因而使得在第4-195500号日本公开特许公报中揭示的 虚拟现场设备发生失效时，则确实可能连接到虚拟现场设备的多个面向模拟信号 的设备不能全部使用。

另外，在其中可以获得引入虚拟现场设备效果的时间间隔被限于从模拟信号 传输系统转移至现场总线传输系统的时间间隔。另外，面向现场总线的现场设备 能够实现的一些功能，诸如现场设备之间程序任务分配的自动控制，设备信息(如 自诊断的结果)预防性维护和检索不能用虚拟现场设备来实现。

本发明的一个目的是提供一种具有和面向现场总线定向的现场设备的功能 等价的功能，并能够跟上从模拟信号传输系统到现场总线传输系统的转移而不需 改变每一个设备结构的现场设备。

本发明的另一个目的是提供一种现场设备，即使在现场设备发生失效的情况 下，这种现场设备允许使用连接到传输线的另一个设备。

本发明提供了一种连接到传输线，能够和连接到传输线的另一个设备沿两个 方向进行通信的现场设备，所述现场设备具有(1)将测量对象的测量值作为模拟信 号通过传输线进行传输的模拟信号传输单元；(2)将测量对象的测量值作为面向现 场总线的信号通过传输线进行传输的现场总线信号传输单元；和(3)用于为通过传 输线传输模拟信号或面向现场总线的信号分别选择模拟信号传输单元或现场总 线信号传输单元的开关。

由于由本发明提供的现场设备既具有用于模拟信号传输系统的内装的信号 传输单元，又有用于现场总线传输系统的内装的信号传输单元，以及用于将现场 设备从用于模拟信号传输系统的信号传输单元切换到用于现场总线传输系统的 信号传输单元的开关，故即使当在模拟信号传输系统中已经建立了现场设备，现 场设备也可以在从模拟信号传输单元转移到现场总线传输系统之后使用，而不需 用其它的装置替代现场设备。

通过在工厂设置现场设备供连接到模拟信号传输系统的使用，从而由现场设 备以此后叫作模拟信号模式的用于输出模拟信号的模式进行电源准时的最初操 作，产生表示测量对象的测量值的在4到20mA的范围内的模拟信号，并通过模 拟信号传输单元输出到传输线。

另外，当现场总线信号由包含在当前的现场设备中的接收单元从通过传输线 连接到当前的现场设备的高级的设备而接收到时，典型地进行从模拟信号传输单 元到现场总线传输系统的转换，在这种情况下，传输系统立即被转换到一种此后 被叫作现场总线模式的用于输出现场总线信号的模式，以执行现场总线通信。

按这种方法，每当需要时就可以把面向现场总线的现场设备引至一系统，该 系统处于允许任何现有面向模拟信号的现场设备操作的状态，从而至少在转移至 现场总线传输的时刻通过只替换高级设备以及与现场总线传输系统相配的外部 电源，可以实现现场总线传输系统。

根据本发明，现场设备能够跟上从模拟信号传输系统到现场总线传输系统的 转移，而不需改变其结构，与此同时，能够实现和面向现场总线的现场设备的功 能等价的功能。另外，通过将模拟信号传输系统保持于正常运行的状态，现场设 备可以用于现有的模拟信号传输系统中，从而，通过按需要连续地逐一引入面向 现场总线的现场设备，此后可以很容易地实现到现场总线传输系统的转移。

从下面结合附图的详细描述，本发明将更明显，其中：

图1是描述根据本发明的现场设备的结构的方框图；

图2是描述根据本发明的从模拟信号传输系统到现场总线传输系统的转移中 进行的操作的流程图；

图3是描述根据本发明的包括现场设备的模拟信号传输系统的一般结构的概 图；

图4是描述根据本发明的包括现场设备的现场总线传输系统的一般结构的概 图；

图5是描述根据本发明的另一种包括现场设备的现场总线传输系统的一般结 构的概图；

图6是描述根据本发明的现场设备的结构的概图；    

图7是描述包括传统的面向模拟信号的现场设备和传统的智能现场设备的模 拟信号传输系统的概图；

图8是描述包括传统的面向模拟信号的现场设备的现场总线传输系统的概 图；

通过参照附图对最佳实施例的详细描述的研究，本发明将更加明显。

图1显示由本发明的第一实施例实施的现场设备结构的方框图，而图2是显 示由现场设备在从模拟信号传输系统到现场总线传输系统的转移中执行的操作 的流程图。

首先，参考图1解释由第一实施例实施的现场设备的操作。注意，连接到传 输线5的现场设备1是能够沿两个方向和连接到传输总线5的其它设备(诸如另一 个现场设备和高级的通信设备)进行通信的面向现场总线的设备。    

(1)当现场设备1连接到模拟信号传输系统时的操作

使用DC-DC变换器107，从由外部电源通过传输线5提供的电压产生现场 设备1本身的操作所需的电压VDD。将复合传感器108的输出(测量对象的测得 的值)提供给多路复用器109。由I/O接口单元106产生的信号被用于要求多路复 用器109选出测量对象中的一个，并将表示所选出的测量对象的测得值的信号提 供给A/D转换器105。

微处理器101接收由A/D转换器105连续地逐一输出的信号，并通过使用多 种存储在RAM和ROM单元102和103中的系数对信号进行校正，以找出随后存 储在RAM单元102中的正确的值。

当没有现场总线信号通过用于现场设备1中的接收电路113和控制器104， 从传输线5提供给微处理器101时，就判断现场设备1为连接到模拟信号传输系 统。

在这种情况下，微处理器101将由复合传感器108面向的测量对象的正确值 从RAM单元102传递到D/A转换器110。D/A转换器110将每一个表示由复合 传感器108测得的数量的正确的数字值转换为随后提供给模拟信号控制驱动器 111的直流电压信号。D/A转换器110和模拟信号控制驱动器111组成模拟信号 传输单元。

模拟信号控制驱动器111将向其提供的直流电压信号转换为大小和直流电压 信号成比例的直流信号。按这种方法，每一个由复合传感器108测得的数量的正 确值最后都被转换为传输到传输线5上的，在4到20mA范围内的直流信号。

在这种情况下，由于现场设备1以模拟信号的模式进行操作，在微处理器101 的控制之下，没有信号被输出到现场总线传输单元112，因此没有信号提供给现 场总线信号控制驱动器114。

(2)将现场设备1的接口从模拟信号模式切换到现场总线模式

现场设备1连接到传输线5，并由通过传输线5从外部电源接收到的电功率 将该设备置于操作状态。在这种状态下，当现场总线信号(诸如命令信号)从高级 通信设备或其它的现场设备提供给现场设备1时，微处理器101作出现场设备1 连接到现场总线系统的判断。

也就是说，微处理器101通过接收电路113和控制器104连续地监视传输总 线5上的通信状态。用于接收现场总线信号的接收电路113包括只对现场总线信 号具有高传输率的滤波器1131，该滤波器1131截止了传输噪声和除现场总线信 号之外所有的通信信号。另外，用于接收现场总线信号的接收电路113包括用于 对接收到的信号进行译码的译码电路1132。更具体地说，译码电路1132将经编 码信号(诸如Manchester编码信号)转换为作为数字信号串而被取出的串行数据， 将包含数字信号“1”和“0”串的数据提供给控制器104。

提供给控制器104的信号由微处理器101作为接收到的数据而取出。如果接 收到的数据经微处理器101检验确为现场总线信号，则把由复合传感器108以模 式为模拟信号模式的信号格式输出的值转换为使被现场设备所消耗的电流达到 现场总线规定值的固定输出值。

按这种方法，开始执行现场总线传输操作。

(3)当现场设备1连接到现场总线传输系统时的操作

和当连接到模拟信号传输系统时现场设备1进行的操作非常相似，微处理器 101通过A/D转换器105连续地逐一接收复合传感器108输出的信号，并对信号 进行校正，以找出随后存储在RAM单元102中的正确值。

传输操作从由微处理器101提供的命令开始，除其他东西之外，从控制器104 还输出存储在RAM单元102中的作为一串行数字信号串的数据。

微处理器101还通过遵照现场总线通信过程，由控制器104将表示复合传感 器108输出的值的数字信号提供给现场总线传输电路112。包括在现场总线传输 电路112中的编码电路1121对这些信号进行的例如编码之类的预定处理，并把 经处理的信号提供给也包括在现场总线传输电路112中的波形整形电路1122。 随后，把该信号提供给现场总线信号控制驱动器114，以通过传输线5传输。现 场总线传输电路112和现场总线信号控制驱动器114构成现场总线信号传输单 元。

这里，作为在现场总线传输电路112中编码信号的技术，一般可以采用一种 将基带信号转换为Manchester码的方法。至于在现场总线信号控制驱动器114中 驱动信号的技术，可以采用作为电压或电流信号输出信号的方法。

在现场总线模式中，微处理器101提供命令以把输入至D/A转换器110的输 入设定在固定值，因而使模拟信号控制驱动器111输出的电流的大小固定，从而 现场设备1消耗的电流量和预定的值一样。结果，即使当模拟信号控制驱动器111 照旧连接到传输线5现场，对总线通信也无影响。

在接收操作中，如上所述，把来自传输线5的通信信号提供给接收电路113， 以对通信信号进行译码处理。接收电路113将经译码的通信信号转换为作为数字 信号串而产生的串行数据，将包括数字信号串“1”和“0”的数据提供给控制 器104。随后微处理器101取出提供给控制器104的数字数据作为接收到的数据。

图2是显示在从模拟信号传输模式到现场总线传输模式的转变中所进行的操 作的流程图。

如图中所示，流程图开始于步骤200，在该步骤处微处理器101作出是否已 经从传输线5通过接收电路113和控制器104接收到现场总线信号的判断。如果 未曾接收到现场总线信号，则操作流程进到步骤201。在步骤201处，微处理器 101将从复合传感器108接收到的检测信号作为模拟信号而输出到传输线5。然 后操作流程返回步骤200。

另一方面，如果在步骤200处由微处理器101判断的结果是已经接收到现场 总线信号，则操作的流程进到步骤202。在步骤202处，微处理器101将到D/A 转换器110的输入设定为固定值，以固定由模拟信号控制驱动器111输出的电 流，使得由现场设备1消耗的电流量和预定值一样。

然后，操作流程继续进行到步骤203，在步骤203处，现场设备1通过顺着 现场总线通信过程执行建立与高级通信设备在线连接的处理。执行该处理以使高 级通信设备和其它现场设备识别现场设备1到现场总线传输系统的连接。然后操 作流程进到步骤204，在步骤204处现场设备1以现场总线模式由顺着现场总线 通信过程执行接收操作。

注意，可以这样设置微处理器101，使得在由外部电源供给的电力被切断后 又恢复时，不管功率切断之前的操作模式如何，现场设备1总以模拟信号模式进 行操作。按这种方法，如果现场设备1需要进行从现场总线模式到模拟信号模式 的转变，可以在外部电源对现场设备1的电力供应被切断之后又恢复时执行这样 的模式切换。

应该注意，在这种情况下，即使现场设备1切断在外部电源之前以现场总线 模式进行操作，当电源应恢复后，现场设备1的操作总是被切换为模拟信号模式。 但是，一般通过让微处理器101在电源被切断的情况下执行存储器保存操作，在 电源刚切断之前流行的信息(如设置数据)可以被保存在RAM单元中。按这种方 法，在外部电源的恢复之后一当从高级通信设备接收到现场总线信号，微处理器 101就可以恢复保存的信息(包括设置数据)，回到电源切断之前的操作模式，即 现场总线模式。

图3到5的每一个图都是显示包含根据本发明的现场设备的模拟信号传输系 统或现场总线传输系统的一般结构的概图。

首先解释图3中所示的传输系统。图3是显示包含由本发明的第一实施例实 施的现场设备的模拟信号传输系统的一般结构的概图。图中，现场设备1a指的 是由第一实施例实施的现场设备，而现场设备1bd是面向模拟信号的现场设备。 现场设备1bd是智能现场设备。在图3所示的结构中，本发明提供的现场设备可 以作为不需对模拟信号传输系统作某些修改而使用。应该注意，其它的每个现场 设备的结构和操作的细节都和图7所示的传统的设备相同。

图4是显示由从图3所示的模拟信号传输系统的转移而产生的现场总线传输 系统的一般结构的概图。详细些描述，图4所示的面向现场总线的现场设备1bdd 和1cdd分别用作图3所示的现场设备1bd和1id的替代设备。在现场总线传输系 统中保留本发明提供的现场设备1a。

从图3所示的模拟信号传输系统到图4所示的现场总线传输系统的转移包括 诸如由新的高级通信设备3替代高级通信设备3d之类的装备更换。除了包括增 加新的终端负载7的布线变化之外，本发明提供的现场设备1a可以用于现场总线 传输系统中。

图5是显示由从图3的模拟信号传输系统转移而产生的现场总线传输系统的 另一个一般结构的概图。图5中所示结构的布线和图4中所示结构布线不同。详 细些描述，图4中所示结构的布线形成树状，而在图5所示的结构中，现场设备 1a、1bdd和1cdd由电缆连接到设置在高级通信设备3中的汇接点，从而形成星 状的布线布局。

仍是在图5所示的结构中，由本发明提供的现场设备1a可以用于现场总线 传输系统中而不改变现场设备侧的连接。

如上所述，由本发明的第一实施例实施的现场设备1在未从传输线5接收到 现场总线信号时以模拟信号模式操作，而一接收到现场总线信号，信号检测就使 该设备以现场总线模式操作。结果，现场设备1可以不需改变其结构就跟上从模 拟信号传输系统到现场总线传输系统的转移，并且同时可以实现和面向现场总线 的现场设备的功能等价的功能。

应该注意，在上述第一实施例中，连接现场总线信号控制驱动器114和传输 线5的部分可以由使用晶体管的模拟开关电路来实现，其中，当没有信号提供给 现场总线信号控制驱动器114时，一对传输线5之间的阻抗由现场总线信号控制 驱动器114增加到足够大的值。

采用这种方案下，在模拟信号模式中，现场总线信号控制驱动器114不通过 现场总线信号控制驱动器111对到传输线5的输出产生任何影响，即使现场总线 信号控制驱动器114照旧连接到传输线5。

图6是显示由本发明的第二实施例实施的现场设备的结构的概图。和图1中 所示的第一实施例中相同的部件在后者中用相同的标号表示。第一和第二实施例 的不同之处在于，第二实施例通过在第一实施例上增加一个手动转换开关115的 而得到。图6中示出的其余的结构和图1中所示的相同。

通过I/O接口单元106将来自手动转换开关115的转换信号提供给微处理器 101，操作模式可以从模拟信号模式转换为现场总线模式，或者反过来。

详细些描述，当手动操作所述手动转换开关115时，手动转换开关115将 ON/OFF信号提供给微处理器101。微处理器101对ON/OFF信号进行检测，根 据预先规定的ON/OFF信号的含义，将现场设备1的操作模式从模拟信号模式转 换为现场总线模式或反过来。

第二实施例的其它操作和由第一实施例进行的操作是一样的。因此，在第二 实施例的情况下，将操作模式从模拟信号模式转换到现场总线模式的操作仍是在 图2所示的流程图中的步骤200处进行，只是在此形下步骤200处微处理器101 检测来自手动转换开关115的ON/OFF信号。随后，流程根据ON/OFF信号的检 测结果继续前进到步骤201或202。

本发明的第二实施例也呈现如前面所述的第一实施例相同的效果。

应该注意，虽然在上述实施例中由本发明提供的现场设备的操作模式根据由 微处理器101作出的判断结果而从模拟信号模式转换到现场总线模式，但是这些 描述并无限制意义。那就是说，例如，替代让微处理器101作出判断，判断也可 以由单独提供的判断电路作出。

虽然已经详细描述了并用附图图示本发明，但本发明不限于这些细节，因为 对本领域中一般的技术人员能认识到的各种变化和修改，可在不背离本发明的主 旨和范围的情况下作出。

本发明涉及由M.Kogure在1995年1月6日提交的名为“现场总线系统和虚 拟现场设备”的第08/369,299号申请(待批)，该申请和本发明一起被普通转让， 这里通过引用，包含了其内容。