專利名稱：具有數(shù)字信號處理的電纜電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種如權(quán)利要求1前序部分所限定的電纜電路以及根據(jù)權(quán)利要求30 的用于傳輸測量數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。另外，本發(fā)明涉及一種如權(quán)利要求31所述的用于傳輸測量信 號的方法，以及如權(quán)利要求32所述的用于傳輸測量信號的方法。
背景技術(shù)：
在過程自動(dòng)化技術(shù)中，許多不同的傳感器用于檢測過程變量。這種傳感器的例子 有PH傳感器、氣體傳感器、流體傳感器、質(zhì)量流量傳感器等等。在現(xiàn)代工業(yè)工廠中，這種傳 感器經(jīng)常在惡劣的環(huán)境條件下工作；例如，傳感器暴露于腐蝕性化學(xué)品、高溫、震蕩，等等。為了將這些傳感器連接至上位測量系統(tǒng)，已經(jīng)證明通過非接觸接口將傳感器與電 纜電路耦合是有益的，該電纜電路通過電纜與測量變換器相連。非接觸接口可以例如是光 學(xué)接口、電容接口或者電感接口。通過使用非接觸接口，避免了易于磨損的電子觸點(diǎn)。由于 這種傳感器模塊具有用于電子觸點(diǎn)的開口，所以傳感器模塊的表面被密封。傳感器模塊的 表面材料完全包圍傳感器模塊并且能夠匹配特定用途或者特定的腐蝕性介質(zhì)。德國專利申請10218606A1公開了一種電位計(jì)傳感器。電位計(jì)傳感器，特別是pH 傳感器或氧化還原傳感器，包括基本傳感器，其用于檢測電位變量，特別是PH值或氧化還 原電位；和接口，用于將依賴于電位變量的信號輸出至上位單元，特別是發(fā)射機(jī)。這里，電位 計(jì)傳感器包括數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器，其牢固地與基本傳感器相連。在德國專利申請DE 10313639A1中公開了一種電化學(xué)氣體傳感器。氣體傳感器模 塊包括用于檢測氣體濃度的基本傳感器；用于保存?zhèn)鞲衅鲾?shù)據(jù)或過程數(shù)據(jù)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)存 儲(chǔ)器；和非接觸接口，其用于連接至向氣體傳感器模塊供電的上位單元并且用于氣體傳感 器模塊和上位單元之間的數(shù)據(jù)交換。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是改善在傳感器模塊和電纜電路之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量。這個(gè)目的通過權(quán)利要求1、30、31和32中的特征得以實(shí)現(xiàn)。從屬權(quán)利要求中給出本發(fā)明的具有優(yōu)點(diǎn)的進(jìn)一步發(fā)展。本發(fā)明涉及一種電纜電路，其通過非接觸接口與傳感器模塊耦合。通過電纜，電纜 電路與測量變換器相連。為了改進(jìn)電纜電路中的信號傳輸，信號處理單元(例如，微控制 器)集成在信號傳輸路徑中。信號處理單元負(fù)責(zé)在測量變換器和傳感器模塊之間雙向傳輸 的數(shù)據(jù)的信號處理。由測量變換器通過電纜發(fā)送至電纜電路的數(shù)據(jù)被信號處理單元接收并分析。然 后，信號處理單元發(fā)送這些數(shù)據(jù)經(jīng)由非接觸接口到傳感器模塊。在反向的傳輸方向上，電纜電路經(jīng)由非接觸接口接收來自傳感器模塊的數(shù)據(jù)。這 些數(shù)據(jù)被信號處理單元接收、處理，并經(jīng)由電纜接口發(fā)送至測量變換器。插入信號路徑的信號處理單元在兩個(gè)傳輸方向中都用作中繼器。通過接收并重新發(fā)送數(shù)據(jù)，改善所傳輸?shù)男盘柕馁|(zhì)量。特別地，改善了損壞的邊沿并且校正了接收信號的時(shí)標(biāo)。在電纜電路中信號的質(zhì)量改善使得傳感器模塊和測量變換器之間的數(shù)據(jù)交換的傳輸質(zhì) 量提高。通過使用本發(fā)明的技術(shù)方案可以減小傳輸誤差的數(shù)目。除了改進(jìn)傳輸質(zhì)量之外，將信號處理器集成在信號路徑中還有其他優(yōu)點(diǎn)。在一個(gè) 優(yōu)選實(shí)施例中，通過信號處理單元可以提供索引結(jié)構(gòu)，其使得可以對于電纜電路的特定參 數(shù)進(jìn)行尋址。以這種方式，可以由測量變換器存取電纜電路的特定參數(shù)。特別地，借助索引 結(jié)構(gòu)，測量變換器可以從電纜電路詢問有關(guān)電纜電路的型號、制造者、序列號和軟件版本的 信息。電纜電路和傳感器模塊的參數(shù)可以與測量變換器分離地尋址。將信號處理單元集成在電纜電路的信號路徑中還提供了其他優(yōu)點(diǎn)。在一個(gè)實(shí)施例 中，可以在電纜電路和傳感器模塊之間進(jìn)行信息交換，其中兩個(gè)單元彼此通知各自所支持 的功能性。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，電纜電路將其自身的信息疊加在從測量變換器傳 輸至傳感器模塊的電報(bào)上，以由此打開到傳感器模塊的通訊信道。傳感器模塊也可以在傳 輸至測量變換器的電報(bào)上疊加對于電纜電路的信息。優(yōu)選地，電報(bào)的未使用的比特用于在 電纜電路和傳感器模塊之間的信息交換。通過這個(gè)信息交換，電纜電路可以向傳感器模塊傳輸有關(guān)傳感器模塊支持哪些功 能的請求。作為應(yīng)答，傳感器模塊可以在傳輸至測量變換器的電報(bào)上疊加有關(guān)它支持哪些 功能的信息。以這種方式，電纜電路得到有關(guān)傳感器模塊的能力的知識。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，在電纜電路側(cè)決定是否為了通過非接觸接口進(jìn)行 數(shù)據(jù)傳輸而應(yīng)當(dāng)轉(zhuǎn)換到另一編碼方法。借助于集成在信號路徑中的信號處理單元，可以轉(zhuǎn) 變?yōu)閷τ诮?jīng)由非接觸接口的數(shù)據(jù)傳輸具有優(yōu)點(diǎn)的編碼方法。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，為了經(jīng)由非接觸接口進(jìn)行傳輸，使用一種編碼方法來替代 在現(xiàn)有技術(shù)中頻繁使用的“不歸零”(NRZ)編碼方法。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，例如，可以使用 8B10B編碼方法或曼徹斯特編碼方法，用于經(jīng)由非接觸接口的數(shù)據(jù)傳輸。以這種方式，改進(jìn) 經(jīng)由非接觸接口的數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量。


現(xiàn)在根據(jù)附圖中顯示的幾個(gè)實(shí)施例詳細(xì)解釋本發(fā)明，附圖中圖1顯示了測量變換器、電纜電路和傳感器模塊之間的數(shù)據(jù)交換；圖2顯示了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的電纜電路的框圖；圖3顯示了電纜電路和傳感器模塊的一個(gè)實(shí)施方式；圖4顯示了本發(fā)明的電纜電路的框圖；圖5顯示了 E類放大器的特征曲線；和圖6顯示了為了轉(zhuǎn)換為另一編碼方法而在電纜電路和傳感器模塊之間的數(shù)據(jù)交換。
具體實(shí)施例方式圖1顯示了本發(fā)明的用于檢測及轉(zhuǎn)發(fā)測量值的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括傳感器模塊1，其 經(jīng)由非接觸接口 2與電纜電路3通信。概念“非接觸”在這里應(yīng)當(dāng)是指傳感器側(cè)的接口與發(fā)射機(jī)側(cè)的接口電子或流電隔離。非接觸接口 2可以例如實(shí)施為光學(xué)、電容或電感接口，其 中圖1示出的是電感接口。為了能夠?qū)z測的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至上位系統(tǒng)，電纜電路3經(jīng)由電纜 4與測量變換器5相連。測量變換器5可以耦合至現(xiàn)場總線。傳感器模塊1包括基本傳感器6?；緜鞲衅?可以例如是體積流量傳感器、質(zhì) 量流量傳感器、PH傳感器、氣體傳感器或其他的傳感器。另外，傳感器模塊1包括微控制器 7，其優(yōu)選地裝備有集成的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)8，以能夠?qū)⒂苫緜鞲衅?檢測的模擬測量值 轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字值。優(yōu)選地，傳感器模塊1還包括數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器9，其中可以存儲(chǔ)傳感 器數(shù)據(jù)或過程數(shù)據(jù)。優(yōu)選地在數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器9中還存儲(chǔ)對于各個(gè)基本傳感器6的標(biāo)定數(shù) 據(jù)，借助于該標(biāo)定數(shù)據(jù)，由基本傳感器6提供的模擬信號可以被轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的物理測量值。 對于基本傳感器6確定的標(biāo)定值可以存儲(chǔ)在傳感器模塊1內(nèi)部，從而實(shí)現(xiàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)與基本 傳感器6的固定配屬。由于每一傳感器模塊1都具有其自身的標(biāo)定數(shù)據(jù)，所以防止了 不同 組的標(biāo)定數(shù)據(jù)混淆。在圖1所示的實(shí)施例的情況中，非接觸接口 2被實(shí)施為電感接口。電感接口包括設(shè) 置在電纜電路3方面的初級繞組10以及設(shè)置在傳感器模塊1方面的次級繞組11。當(dāng)傳感 器模塊被利用插塞聯(lián)接器插到電纜電路3上時(shí)，初級繞組10和次級繞組11到達(dá)相對于彼 此的限定的空間位置，從而可以在電纜電路3和傳感器模塊1之間雙向傳輸高頻信號。以 這種方式，實(shí)現(xiàn)電纜電路3和傳感器模塊1之間的數(shù)據(jù)交換。另外，傳感器模塊1的電能供 應(yīng)也可以經(jīng)由電感接口進(jìn)行。為此，由電纜電路3產(chǎn)生的高頻信號被傳感器模塊1的次級 繞組11接收并整流，以由此產(chǎn)生用于微控制器7、用于數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器9以及可能用于基本 傳感器6的工作電壓。除了非接觸接口 2之外，電纜電路3還具有到電纜4的接口，通過該接口展開與測 量變換器5的數(shù)據(jù)交換。在圖1所示實(shí)施例的情況中，測量變換器5和電纜電路3之間的 數(shù)據(jù)傳輸是根據(jù)EIA485標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的。為了將待傳輸?shù)男盘栟D(zhuǎn)變?yōu)镋IA485標(biāo)準(zhǔn)，測量變換 器5包括EIA485接口轉(zhuǎn)換器12，并且電纜電路3也裝備有EIA485接口轉(zhuǎn)換器13。測量變換器5、電纜電路3和傳感器模塊1之間的整個(gè)通信都以半雙工模式進(jìn)行。 這意味著，數(shù)據(jù)要么經(jīng)由電纜電路3從測量變換器5傳輸至傳感器模塊1，要么以相反的方 向從傳感器模塊1經(jīng)由電纜電路3傳輸至測量變換器5。半雙工模式中不可能同時(shí)發(fā)送及 接收數(shù)據(jù)。這里，特定的傳輸方向是由電纜電路3上設(shè)置的微控制器15所產(chǎn)生的方向信號 14所給出的。每當(dāng)所謂的“電報(bào)”傳輸結(jié)束時(shí)，微控制器15轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较?。首先，設(shè)定數(shù)據(jù)傳輸方向，使得數(shù)據(jù)可以從測量變換器5傳輸至傳感器模塊1。要 傳輸?shù)碾妶?bào)被接口轉(zhuǎn)換器12編碼，并且被經(jīng)由電纜4傳輸至電纜電路3。接收的數(shù)據(jù)被接 口轉(zhuǎn)換器13解碼并且饋送至微控制器15的Rx輸入端。與現(xiàn)有技術(shù)不同，在本發(fā)明的電纜電路3中，微控制器15集成在信號路徑中。微 控制器15接收位于Rx輸入端的信號，處理該信號，并將該信號發(fā)送至調(diào)制器16。于是，插 入信號路徑的微控制器15起到中繼器的作用。經(jīng)處理的信號到達(dá)調(diào)制器16，后者對應(yīng)于待 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)調(diào)制高頻信號以用于經(jīng)由電感接口的傳輸。經(jīng)調(diào)制的高頻信號從初級繞組10 傳輸至次級繞組11，并且可以隨后在傳感器模塊1方面由處理器7進(jìn)行分析。微控制器15識別到從測量變換器5到傳感器模塊1的電報(bào)傳輸何時(shí)結(jié)束，并且隨 后反轉(zhuǎn)傳輸方向?，F(xiàn)在，數(shù)據(jù)可以沿相反的方向從傳感器模塊1經(jīng)由電纜電路3傳輸至測量變換器5。在傳感器模塊1方面，要被傳輸?shù)碾妶?bào)被微處理器7調(diào)制到高頻信號上。經(jīng)調(diào)制 的高頻信號被經(jīng)由次級繞組11傳輸至初級繞組10并且從初級繞組到達(dá)解調(diào)器17。解調(diào)器 17從高頻信號中抽取被調(diào)制的數(shù)據(jù)并且將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至集成在信號路徑中的微控制器 15。微控制器15處理從解調(diào)器17獲得的數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)經(jīng)由Tx輸出端發(fā)送至EIA485 接口轉(zhuǎn)換器13。于是，插入信號路徑中的微控制器15在反向傳輸方向中也用作對于從傳感 器模塊1接收的數(shù)據(jù)的中繼器。這些數(shù)據(jù)隨后被EIA485接口轉(zhuǎn)換器13轉(zhuǎn)換為EIA485標(biāo) 準(zhǔn)并且經(jīng)由電纜4傳輸至測量變換器5。在測量變換器5，數(shù)據(jù)被EIA485接口轉(zhuǎn)換器12解 碼。為了更好地理解本發(fā)明，圖2顯示了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的電纜電路18。在這種電纜電 路18中，微控制器19沒有插入信號路徑中。圖2中顯示的微控制器19僅僅負(fù)責(zé)觀察在信 號線路20、21上的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)并依此產(chǎn)生用于反轉(zhuǎn)傳輸方向的方向信號22。在現(xiàn)有技術(shù)的電 纜電路18的情況中，由EIA485接口轉(zhuǎn)換器23接收的信號未經(jīng)進(jìn)一步信號處理就到達(dá)調(diào)制 器24。調(diào)制器24產(chǎn)生相應(yīng)于這些數(shù)據(jù)調(diào)制的高頻信號，其隨后被經(jīng)由初級繞組25傳輸至 傳感器模塊。沿著信號路徑，被傳輸?shù)男盘柕馁|(zhì)量下降、時(shí)標(biāo)惡化，并且邊緣陡峭度部分喪 失。于是，會(huì)產(chǎn)生傳輸誤差。對于相反方向上的信號傳輸也是如此。由初級繞組25接收的經(jīng)調(diào)制的高頻信號 被饋送至解調(diào)器26，并且經(jīng)解調(diào)的信號沒有經(jīng)過進(jìn)一步信號處理就直接達(dá)到EIA485接口 轉(zhuǎn)換器23。這里也存在信號質(zhì)量沿著傳輸路徑下降，其中時(shí)標(biāo)部分丟失并且信號邊緣惡化。通過比較圖1所示的本發(fā)明的技術(shù)方案與圖2所示的現(xiàn)有技術(shù)的方案，可以認(rèn)識 至|J，通過將微控制器15插入信號路徑，可以實(shí)現(xiàn)中繼器功能。這個(gè)中繼器功能的實(shí)現(xiàn)不需 要附加的部件開銷。微控制器15被引入數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)或數(shù)據(jù)傳輸，并且新產(chǎn)生接收信號。以這 種方式，接收數(shù)據(jù)的時(shí)標(biāo)及邊緣陡度得到處理。有效抵消了信號質(zhì)量沿著傳輸路徑的降低。 微控制器在數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾p方向上消除了可能由于惡化的邊緣或者時(shí)標(biāo)問題而引起的誤差。 于是，測量變換器和傳感器模塊接收質(zhì)量更高的信號，并且由于信號質(zhì)量提高，所以出現(xiàn)傳 輸誤差的頻率降低。圖3顯示了設(shè)置在電纜27末端上的電纜電路28的一個(gè)實(shí)施例。另外，顯示了傳 感器模塊29，其能夠經(jīng)由插塞聯(lián)接器與電纜電路28相連，從而可以經(jīng)由電感接口進(jìn)行數(shù)據(jù) 及能量傳輸。傳感器模塊29包括用于檢測測量值的基本傳感器30。傳感器模塊29的外殼 具有螺紋31，以能夠?qū)鞲衅髂K29裝入鎧裝。在傳感器模塊29遠(yuǎn)離基本傳感器30的末 端上有圓柱體端部32，其中設(shè)置有電感接口的次級繞組33。在圓柱體端部32的外表面中 有卡口接頭的凹口。傳感器模塊29的圓柱體端部32具有端側(cè)凹口 34，其用于容納在電纜電路28的殼體上形成的圓柱狀突出部35。在圓柱狀突出部35內(nèi)部有鐵氧體磁芯，其帶有電感接口 的初級繞組。一旦將電纜電路28插到傳感器模塊29上，布置在突出部35內(nèi)部的初級繞組 就被帶入一個(gè)相對于次級繞組的限定的空間位置，從而可以進(jìn)行在電纜電路28和傳感器 模塊29之間的數(shù)據(jù)及能量傳輸。電纜電路28的殼體在其端側(cè)具有套筒狀外表面36，其軸 向突出并且同軸圍繞突出部35。一旦電纜電路28被插到傳感器模塊29上，套筒狀外表面 36就至少圍繞傳感器模塊29的圓柱體端部32的一部分。在套筒狀外表面36上徑向向內(nèi) 分布的凸起因而與卡口接頭的凹口接合，并且固定插塞聯(lián)接器。
圖4顯示了本發(fā)明的電纜電路37的框圖。電纜電路37經(jīng)由電纜38與測量變換 器相連。電纜38包括供電線Ub、地線GND以及兩條信號線A和B，數(shù)據(jù)可以經(jīng)由信號線以 半雙工模式傳輸至測量變換器或者被從測量變換器接收。信號線A和B經(jīng)由濾波器39與 EIA485接口 40相連。電纜38可以長達(dá)幾百米。于是，在測量變換器和電纜電路之間的傳 輸路徑上可能引入電磁干擾。濾波器39的任務(wù)是在接收的數(shù)據(jù)被引至EIA485接口 40并 在那里解碼之前，濾除這些電磁干擾。經(jīng)解碼的數(shù)據(jù)被饋送至微控制器41的Rx輸入端。微控制器41既集成在前向傳 輸路徑中，也集成在后向傳輸路徑中。另外，微控制器41產(chǎn)生方向信號42，其建立數(shù)據(jù)傳輸 方向。
微控制器41將從EIA485接口 40獲得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為用于E類放大器44的驅(qū)動(dòng)信 號43。在圖4所示實(shí)施例的情況中，微控制器41借助于以軟件實(shí)現(xiàn)的調(diào)制器45生成驅(qū)動(dòng) 信號43。因此，不需要以硬件實(shí)現(xiàn)的單獨(dú)的調(diào)制器來生成驅(qū)動(dòng)信號43。作為替代，由微控 制器41中存儲(chǔ)的信號處理例程產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號43。E類放大器44的任務(wù)是生成經(jīng)由電感接口傳輸?shù)母哳l信號。利用驅(qū)動(dòng)信號43，要 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)被調(diào)制到這個(gè)高頻信號上。經(jīng)調(diào)制的高頻信號被饋送至電感接口的初級繞組46 并且經(jīng)由電感接口傳輸至傳感器模塊。對于高頻信號的調(diào)制，有不同的可能性。第一種可能性是向E類放大器44提供高 頻驅(qū)動(dòng)信號43，其中要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)以頻移鍵控的形式施加于驅(qū)動(dòng)信號43上。圖5顯示了這 種調(diào)制方法。圖5顯示了由E類放大器44產(chǎn)生的高頻信號的幅度與驅(qū)動(dòng)信號43的頻率的 函數(shù)關(guān)系。當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號43的頻率大致對應(yīng)于E類放大器43的諧振頻率fKes時(shí)，達(dá)到最大 幅度。這個(gè)諧振頻率可以例如為230kHz。當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號43的頻率為&時(shí)，產(chǎn)生幅度為A1的 高頻信號。當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號43的頻率為f2時(shí)，由E類放大器44產(chǎn)生的高頻信號的幅度減至值 A2。通過驅(qū)動(dòng)信號43的頻移，可以對于E類放大器44產(chǎn)生的高頻信號調(diào)幅，以由此將數(shù)據(jù) 傳遞至傳感器模塊。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，微控制器41包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器47，其監(jiān)控由E類放大器44產(chǎn) 生的高頻信號的幅度并且重調(diào)高頻驅(qū)動(dòng)信號43的頻率，使得高頻信號的幅度保持恒定。由 于在微控制器41中提供用于重調(diào)信號幅度的控制回路，所以電纜電路37可以適合具有不 同能耗的不同傳感器模塊?？梢允褂闷渌{(diào)制方法來替代剛剛描述的頻移鍵控，以對高頻信號進(jìn)行調(diào)幅。例 如，可以對由E類放大器44產(chǎn)生的高頻信號進(jìn)行負(fù)載調(diào)制。在這種調(diào)制方法中，微控制器 41提供低頻驅(qū)動(dòng)信號，其中相應(yīng)于這個(gè)驅(qū)動(dòng)信號來切換在E類放大器43輸出端上的負(fù)載。 通過這種負(fù)載調(diào)制，由E類放大器44產(chǎn)生的高頻信號經(jīng)歷幅度調(diào)制。以這種方式，借助于 低頻驅(qū)動(dòng)信號43，要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)也可以被調(diào)制到高頻信號上。在反向傳輸方向上，電纜電路37經(jīng)由初級繞組46接收從傳感器模塊發(fā)送的高頻 信號。接收的高頻信號到達(dá)解調(diào)器48，其解調(diào)接收的信號并且將這樣獲得的數(shù)據(jù)提供給微 控制器41。解調(diào)器48可以例如是包絡(luò)線檢波器，其執(zhí)行對于高頻信號包絡(luò)線的微分分析。 在微控制器41中，從解調(diào)器48獲得的數(shù)據(jù)被處理并經(jīng)由微控制器41的Tx輸出端發(fā)送至 EIA485接口 40，之后它們被經(jīng)由電纜38引導(dǎo)至測量變換器。于是，微控制器41在反向傳 輸方向中也用作中繼器，其處理并重新發(fā)送從解調(diào)器48獲得的信號。
在圖4所示實(shí)施例中，電纜電路37的供電是從測量變換器經(jīng)由電纜38而進(jìn)行的。特別地，由測量變換器提供電源電壓Ub。這里，測量變換器和電纜電路37之間的電纜38可 以長達(dá)幾百米。沿著這段距離，每IOOm電纜大約有150mV的電壓降。由此，電纜電路37上 的電壓Ub經(jīng)歷一定的波動(dòng)。為了能夠提供穩(wěn)定的電源電壓V⑵電纜電路37包括變壓器49， 其將由測量變換器提供的電壓Ub轉(zhuǎn)換為限定的工作電壓V。。。有優(yōu)點(diǎn)的是使用開關(guān)電源作 為變壓器49，因?yàn)殚_關(guān)電源具有90%以上的非常好的效率。穩(wěn)定的電源電壓\c被饋送至 微控制器41、E類放大器44和解調(diào)器48。穩(wěn)定的電源電壓特別是對于解調(diào)器48非常重要， 以避免在對從電感接口接收的信號進(jìn)行解碼時(shí)的誤差。通過應(yīng)用穩(wěn)定的電源電壓，可以以 較高精度產(chǎn)生經(jīng)調(diào)幅的高頻信號。總的來說，通過使用穩(wěn)定的電源電壓，減少了在經(jīng)由電感 接口的數(shù)據(jù)傳輸中出現(xiàn)傳輸誤差的危險(xiǎn)。除了已經(jīng)描述的主要涉及改善信號質(zhì)量的優(yōu)點(diǎn)之外，將微控制器41插入信號路 徑還使得能夠使用由可編程微控制器41提供的不同功能。下面描述這些新功能。微控制器41集成在電纜電路37的信號路徑中使得能夠提供索引結(jié)構(gòu)，利用該索 引結(jié)構(gòu)可以從測量變換器詢問電纜電路37的特定參數(shù)。在現(xiàn)有技術(shù)的技術(shù)方案中，測量變 換器僅僅能夠存取傳感器模塊的參數(shù)，而不可能有目的的詢問電纜電子器件的參數(shù)。相反， 在本發(fā)明的技術(shù)方案中，集成在信號路徑中的微控制器41可以借助于完全獨(dú)立于傳感器 模塊的獨(dú)立的索引結(jié)構(gòu)而管理電纜電路37的特定參數(shù)。以這種方式，測量變換器可以將電 纜電路視為可獨(dú)立尋址的功能單元。這特別是提供了借助于獨(dú)立的索引結(jié)構(gòu)由測量變換器 從電纜電路37的參數(shù)以及傳感器模塊的參數(shù)中進(jìn)行尋址以及分離地存取兩個(gè)功能單元的 可能性。例如，測量變換器可以在片段0x01存取傳感器模塊的參數(shù)，并且在片段OxFl存取 電纜電路的參數(shù)。作為電纜電路37的特定參數(shù)，可能會(huì)詢問以下的一種或多種信息電纜電路的類 型、標(biāo)識符或序列號；電纜電路的制造商細(xì)節(jié)；以及有關(guān)電纜電路中安裝的軟件版本的信 息。這種信息常常以組合的形式被稱為“公用設(shè)備記錄”(CER)。進(jìn)一步，電纜電路可以裝備有溫度敏感元件，其中，可以通過索引結(jié)構(gòu)存取電纜電 路的測量溫度。在另一優(yōu)選實(shí)施例中，位于電纜電路中的微控制器借助于工作時(shí)間計(jì)數(shù)器 檢測工作時(shí)間，其中可以借助于索引結(jié)構(gòu)讀出當(dāng)前計(jì)數(shù)器讀數(shù)。在另一優(yōu)選實(shí)施例中，作為 替代或者補(bǔ)充，檢測超過預(yù)定溫度的工作小時(shí)數(shù)。借助于索引結(jié)構(gòu)，所有這些參數(shù)都可以由測量變換器詢問并且隨后顯示在控制室 或者PC上。以這種方式，為用戶提供關(guān)于當(dāng)前系統(tǒng)構(gòu)件以及系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)的概覽。另外， 可以由測量變換器監(jiān)控電纜電路的工作狀況。另外，連接在電纜電路的信號路徑中的微控制器還提供了以下優(yōu)點(diǎn)通過微控制 器能夠?qū)崿F(xiàn)一種新的在電纜電路和傳感器模塊之間數(shù)據(jù)交換的類型。這里，微控制器可以 詢問傳感器模塊所支持的功能和編碼方法。下面詳細(xì)說明這種數(shù)據(jù)交換。在圖1所示的傳輸系統(tǒng)的情況中，測量變換器5被構(gòu)造為主設(shè)備，電纜電路3和傳 感器模塊1以從模式操作。這意味著，測量變換器5控制測量變換器、電纜電路和傳感器模 塊之間的整體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。于是，電纜電路不能獨(dú)立地與傳感器模塊通信。然而，為了能夠?qū)崿F(xiàn)由電纜電路發(fā)起的在電纜電路和傳感器模塊之間的信息交 換，微控制器將其自身的消息插入從測量變換器傳輸至傳感器模塊的電報(bào)。例如，微控制器可以寫入電報(bào)的未用比特，以由此直接詢問傳感器模塊。當(dāng)傳感器模塊支持這種先進(jìn)功能時(shí)，它可以通過將相應(yīng)的應(yīng)答施加在從傳感器模塊傳輸至測量變換器的電報(bào)上而對這種詢 問進(jìn)行應(yīng)答。例如，傳感器模塊可以在這種應(yīng)答中告訴微控制器它支持哪些編碼方法。圖6顯示了在電纜電路和傳感器模塊之間的通信的過程。在第一步驟50，測量變 換器51向電纜電路53發(fā)送電報(bào)52。電纜電路53具有集成在信號路徑中的微控制器54。 微控制器54修改電報(bào)52的未用傳輸比特并且以這種方式在電報(bào)52上疊加對于傳感器模 塊55的請求。在電報(bào)包括測試和的情況，微控制器還相應(yīng)于改變的傳輸比特修改這個(gè)測試 和。然后，修改的電報(bào)56從電纜電路53經(jīng)由非接觸接口傳輸至傳感器模塊55。以這種方 式，在電纜電路53和傳感器模塊55之間打開一條新類型的通信信道。在第一步驟50中， 根據(jù)“不歸零”(NRZ)編碼方法傳輸電報(bào)52和修改的電報(bào)56，該方法是對于在測量變換器 51、電纜電路53和傳感器模塊55之間的數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)使用的。當(dāng)傳感器模塊是不支持在電纜電路和傳感器模塊之間的上述通信形式的較老型 號時(shí)，利用修改的電報(bào)所傳輸?shù)恼埱蟊３治幢换卮稹Ｏ喾?，?dāng)傳感器模塊支持本發(fā)明的在電 纜電路和傳感器模塊之間的通信時(shí)，從電纜電路發(fā)送的請求被識別及回答。假設(shè)傳感器模塊55支持前述利用電纜電路53的通信。在第二步驟57中，顯示了 傳感器模塊55如何回答電纜電路53的請求。為了回答請求，傳感器模塊55在引向測量變 換器51的電報(bào)上疊加相應(yīng)的應(yīng)答。在這個(gè)應(yīng)答中，傳感器模塊55通知它所支持的功能。例 如，傳感器模塊55能夠在這個(gè)應(yīng)答中向電纜電路53通知除了 NRZ之外還支持哪些其他編 碼方法。為了在電報(bào)上編碼對于電纜電路53的請求的應(yīng)答，傳感器模塊55修改電報(bào)的未用 傳輸比特并且以這種方式產(chǎn)生編碼有附屬信息的電報(bào)58，該電報(bào)被發(fā)送至電纜電路53。在 電纜電路的方面，電報(bào)58被微控制器54分析。以這種方式，微控制器54得知哪些功能是 傳感器模塊55所支持的。于是，微控制器54向測量變換器51發(fā)送相應(yīng)的電報(bào)59。這里， 在電纜電路53和傳感器模塊55之間的附加的信息交換不破壞測量變換器51和傳感器模 塊55之間的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。在第二步驟57中，也根據(jù)對于數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)使用的“不歸零”(NRZ) 編碼方法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。現(xiàn)在，微控制器54既知道電纜電路53的功能范圍，也知道由傳感器模塊55所支 持的功能。特別地，微控制器54從傳感器模塊55的應(yīng)答得知除了 NRZ之外傳感器模塊55 還支持哪些替代的編碼方法。微控制器54現(xiàn)在可以決定是否應(yīng)當(dāng)將電纜電路53和傳感器 模塊55之間的通信切換為另一編碼方法，以及將來應(yīng)當(dāng)將哪一種編碼方法用于這種通信。假設(shè)微控制器決定將來利用電纜電路53和傳感器模塊55都支持的“8B10B”編碼 方法對經(jīng)由非接觸接口傳輸?shù)碾妶?bào)進(jìn)行編碼。對于經(jīng)由非接觸接口的數(shù)據(jù)傳輸，8B10B編碼 方法提供了與NRZ不同的優(yōu)點(diǎn)。一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，根據(jù)8B10B編碼的信號具有恒定的直流電壓部 分，而在NRZ的情況中，直流電壓部分是可變的。因此，在經(jīng)由非接觸接口的數(shù)據(jù)傳輸中應(yīng) 用NRZ的情況中，可能會(huì)由于串聯(lián)電容而存在電壓平均值的損失，并且這會(huì)導(dǎo)致傳輸誤差。 于是，直流電壓部分恒定的傳輸方法(諸如8B10B或曼徹斯特編碼)更好地適用于經(jīng)由非 接觸接口進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)傳輸。 在第三步驟60中，微控制器54開始令傳感器模塊55切換到8B10B，作為新的編碼 方法。相應(yīng)的切換指令被編碼到電纜電路53從測量變換器51接收的電報(bào)61上。為此，微 控制器54寫入電報(bào)61的未用比特。經(jīng)修改的電報(bào)62被傳輸至傳感器模塊55。應(yīng)當(dāng)注意的是，在第三步驟60中，整個(gè)通信仍然是根據(jù)NRZ編碼方法而編碼的。在傳感器模塊55的方面，從電纜電路53接收的電報(bào)62得到分析，并且這個(gè)電報(bào)中包含的切換指令被識別出來。相應(yīng)于這個(gè)切換指令，在第四步驟63中，電纜電路53和傳 感器模塊55之間的數(shù)據(jù)傳輸被切換為新的編碼方法8B10B。從傳感器模塊55發(fā)送至電纜 電路53的下一電報(bào)64被根據(jù)8B10B編碼方法而編碼。由于從現(xiàn)在開始，經(jīng)由非接觸接口 的整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸都是根據(jù)8B10B編碼方法進(jìn)行的，所以電纜電路53和傳感器模塊55之間 的數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃缘玫教岣摺Ｔ陔娎|電路53的方面，電報(bào)64被接收并由微控制器54分析。然后，微控制器54 將接收的數(shù)據(jù)作為電報(bào)65轉(zhuǎn)發(fā)至測量變換器51。這里，仍然可以使用在電纜電路53和測 量變換器51之間的傳輸路徑上使用的NRZ編碼方法。電纜電路53和測量變換器51之間的 數(shù)據(jù)傳輸經(jīng)由電纜進(jìn)行，從而在這個(gè)傳輸路徑上將NRZ用作編碼方法不會(huì)引起傳輸問題。 關(guān)鍵的是經(jīng)由非接觸接口的數(shù)據(jù)傳輸，其中應(yīng)用其他編碼方法會(huì)引起傳輸質(zhì)量的改進(jìn)。通過將微控制器54插入電纜電路53的信號路徑，可以靈活地轉(zhuǎn)換到適合電纜電 路53和傳感器模塊55之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)木幋a方法。通過使用具有優(yōu)點(diǎn)的編碼方法(例如， 8B10B編碼或曼徹斯特編碼)，經(jīng)由非接觸接口的數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃钥梢缘玫教岣摺?br> 權(quán)利要求
電纜電路(3)，用于連接傳感器模塊(1)與測量變換器(5)，該電纜電路包括-非接觸接口(2)，用于電纜電路(3)與傳感器模塊(1)之間的信號傳輸，其中傳感器模塊(1)與電纜電路(3)流電隔離，并且其中電纜電路(3)和傳感器模塊(1)之間的信號傳輸在光學(xué)、電感或電容路徑上進(jìn)行；-信號處理單元(15)；和-用于連接電纜(4)的電纜接口(13)，該電纜將電纜電路(3)與測量變換器(5)相連；其特征在于，-所述信號處理單元(15)集成在信號路徑中，以及-所述信號處理單元(15)通過所述電纜接口(13)接收來自所述測量變換器(5)的信號，處理該信號并且通過所述非接觸接口(2)將信號發(fā)送至所述傳感器模塊(1)；并且通過所述非接觸接口(2)接收來自所述傳感器模塊(1)的信號，處理該信號并通過所述電纜接口(13)將信號發(fā)送至所述測量變換器(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電纜電路，其中，信號處理單元用作對于在測量變換器和傳 感器模塊之間的信號傳輸?shù)闹欣^器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電纜電路，其中，測量變換器和電纜電路之間的數(shù)據(jù)傳輸 根據(jù)EIA485標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。
4.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的電纜電路，其中，非接觸接口包括初級側(cè)的插塞連接 件，并且傳感器模塊包括次級側(cè)的插塞連接件，其中初級側(cè)的插塞連接件和次級側(cè)的插塞 連接件能夠經(jīng)由插塞聯(lián)接器彼此連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電纜電路，其中，初級側(cè)的插塞連接件和次級側(cè)的插塞連接 件之間的信號傳輸電感式地進(jìn)行，其中初級側(cè)的插塞連接件包括初級繞組，并且其中次級 側(cè)的插塞連接件包括次級繞組。
6.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的電纜電路，其中，非接觸接口是電感接口，其中傳感器 模塊通過電感接口得到供電。
7.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的電纜電路，其中，信號處理單元包括微控制器。
8.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的電纜電路，其中，電纜電路包括變壓器，其將由測量變 換器提供的電壓轉(zhuǎn)換為限定的工作電壓以供應(yīng)給電纜電路。
9.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的電纜電路，其中，電纜電路包括E類放大器，其產(chǎn)生用 于電纜電路和傳感器模塊之間的信號傳輸?shù)母哳l信號。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電纜電路，其中，信號處理單元提供用于E類放大器的驅(qū)動(dòng) 信號，其中由E類放大器產(chǎn)生的高頻信號被相應(yīng)于驅(qū)動(dòng)信號而得到調(diào)制。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的電纜電路，其中，用于E類放大器的驅(qū)動(dòng)信號將要傳輸?shù)臄?shù) 據(jù)調(diào)制到高頻信號上。
12.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的電纜電路，其中，電纜電路將經(jīng)調(diào)制的高頻信號經(jīng)由非 接觸接口傳輸至傳感器模塊。
13.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的電纜電路，其中，電纜電路具有解調(diào)器，用于解調(diào)經(jīng) 由非接觸接口從傳感器模塊接收的高頻信號。
14.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的電纜電路，其中，測量變換器、電纜電路和傳感器模 塊之間的數(shù)據(jù)傳輸以半雙工模式進(jìn)行。
15.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的電纜電路，其中，信號處理單元依賴于所傳輸?shù)臄?shù)據(jù) 而產(chǎn)生用于反轉(zhuǎn)傳輸方向的換向信號。
16.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的電纜電路，其中，測量變換器被構(gòu)造為主設(shè)備，傳感 器模塊被構(gòu)造為從設(shè)備，并且電纜電路被構(gòu)造為與傳感器模塊并列的從設(shè)備。
17.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的電纜電路，其中，信號處理單元提供索引結(jié)構(gòu)，通過 該索引結(jié)構(gòu)，能夠由測量變換器尋址電纜電路的特定參數(shù)。
18.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的電纜電路，其中，信號處理單元提供索引結(jié)構(gòu)，通過 該索引結(jié)構(gòu)，能夠由測量變換器寫和/或讀電纜電路的特定參數(shù)。
19.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的電纜電路，其中，電纜電路包括一個(gè)或多個(gè)存儲(chǔ)單 元，電纜電路的特定參數(shù)保存在該存儲(chǔ)單元中，其中能夠由測量變換器通過 獨(dú)立于傳感器 模塊的獨(dú)立索引結(jié)構(gòu)尋址特定參數(shù)。
20.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的電纜電路，其中，信號處理單元在要從測量變換器傳 輸至傳感器模塊的電報(bào)上疊加有關(guān)傳感器模塊的消息，其中信號處理單元寫入電報(bào)的未用 傳輸比特。
21.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的電纜電路，其中，信號處理單元在要從測量變換器傳 輸至傳感器模塊的電報(bào)上疊加以下有關(guān)傳感器模塊的信息之一-有關(guān)傳感器模塊支持哪些有利的編碼方法的詢問，-有關(guān)從當(dāng)前使用的編碼方法切換至有利的編碼方法的請求。
22.根據(jù)權(quán)利要求20或21所述的電纜電路，其中，信號處理單元還令特定的測試和匹 配改變的傳輸比特。
23.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的電纜電路，其中，傳感器模塊在要從傳感器模塊傳輸 至測量變換器的電報(bào)上疊加有關(guān)電纜電路的消息，其中電報(bào)的未用比特被寫入。
24.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的電纜電路，其中，傳感器模塊在要從傳感器模塊傳輸 至測量變換器的電報(bào)上疊加以下有關(guān)電纜電路的消息-有關(guān)傳感器模塊支持哪些有利的編碼方法的應(yīng)答。
25.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的電纜電路，其中，信號處理單元分析從傳感器模塊傳 輸至測量變換器的電報(bào)的特定傳輸比特，以確定傳感器模塊支持哪些有利的編碼方法。
26.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的電纜電路，其中，對于電纜電路和傳感器模塊都支持 其他有利的編碼方法的情況，電纜電路和傳感器模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸切換為一種有利的編 碼方法，而測量變換器和電纜電路之間的數(shù)據(jù)傳輸仍然是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)所使用的編碼方法。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的電纜電路，其中，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)所使用的編碼方法是不歸零編碼。
28.根據(jù)權(quán)利要求26或27所述的電纜電路，其中，在有利的編碼方法中，信號的直流電 壓部分基本恒定。
29.根據(jù)權(quán)利要求26 28中任一條所述的電纜電路，其中，有利的編碼方法是8B10B 或者曼徹斯特編碼。
30.用于傳輸測量數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，具有_根據(jù)權(quán)利要求1 29之一所述的電纜電路(3)；-測量變換器(5)，其經(jīng)由電纜⑷與所述電纜電路(3)的電纜接口(13)相連；和-傳感器模塊(1)，其經(jīng)由非接觸接口(2)與所述電纜電路(3)交換數(shù)據(jù)。
31.用于在測量系統(tǒng)中傳輸測量數(shù)據(jù)的方法，其中該測量系統(tǒng)包括測量變換器(5)、具 有信號處理單元(15)的電纜電路(3)、以及傳感器模塊(1)，其中電纜電路(3)和傳感器模 塊(1)之間的信號傳輸是經(jīng)由非接觸接口(2)進(jìn)行的，其特征在于以下步驟-從所述測量變換器(5)向所述電纜電路(3)傳輸信號；-由所述電纜電路(3)接收所述信號；-由所述信號處理單元(15)處理所接收的信號；-對應(yīng)于從所述測量變換器(5)接收的信號，調(diào)制載波信號；-經(jīng)由所述非接觸接口(2)將經(jīng)調(diào)制的載波信號傳輸至所述傳感器模塊(1)。
32.用于在測量系統(tǒng)中傳輸測量數(shù)據(jù)的方法，其中該測量系統(tǒng)包括測量變換器(5)、具 有信號處理單元(15)的電纜電路(3)、以及傳感器模塊(1)，其中電纜電路(3)和傳感器模 塊(1)之間的信號傳輸是經(jīng)由非接觸接口(2)進(jìn)行的，其特征在于以下步驟-經(jīng)由所述非接觸接口(2)將經(jīng)調(diào)制的載波信號從所述傳感器模塊(1)傳輸至所述電 纜電路⑶；-由所述電纜電路⑶接收所述經(jīng)調(diào)制的載波信號；-對經(jīng)由所述非接觸接口(2)接收的經(jīng)調(diào)制的載波信號進(jìn)行解調(diào)；-由所述信號處理單元(15)處理經(jīng)解調(diào)的信號；-從所述電纜電路(3)向所述測量變換器(5)傳輸經(jīng)處理的信號。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電纜電路，用于將傳感器模塊連接至測量變換器。電纜電路包括非接觸接口，用于電纜電路與傳感器模塊之間的信號傳輸，其中傳感器模塊與電纜電路流電隔離，并且其中電纜電路和傳感器模塊之間的信號傳輸在光學(xué)、電感或電容路徑上進(jìn)行。另外，電纜電路包括信號處理單元以及用于連接電纜的電纜接口，該電纜將電纜電路與測量變換器相連。信號處理單元集成在信號路徑中。信號處理單元通過電纜接口接收來自測量變換器的信號，處理該信號并且通過非接觸接口將信號發(fā)送至傳感器模塊；并且通過非接觸接口接收來自傳感器模塊的信號，處理該信號并通過電纜接口將信號發(fā)送至測量變換器。
文檔編號G01D21/00GK101821592SQ200880111201
公開日2010年9月1日 申請日期2008年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月10日
發(fā)明者托爾斯滕·佩希施泰因, 托比亞斯·米特, 斯文-馬蒂亞斯·沙伊貝, 斯特凡·布施納科斯基, 斯特凡·羅布爾 申請人:恩德萊斯和豪瑟爾測量及調(diào)節(jié)技術(shù)分析儀表兩合公司