專利名稱：容錯多點(diǎn)控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到這樣的系統(tǒng)它從多個傳感器采集數(shù)據(jù)并向安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場周圍的各個點(diǎn)的多個控制設(shè)備發(fā)送控制信號。具體涉及到這樣一些系統(tǒng)其中，所有的傳感器和控制設(shè)備能夠通過一條普通的數(shù)據(jù)總線被唯一地尋址訪問。
2.背景技術(shù)為了避免因設(shè)備損壞而引起的代價昂貴并且突然的事故，生產(chǎn)線和加工機(jī)械需要被監(jiān)視。這通常是將加速度計(accelerometer)安裝在馬達(dá)、水泵和其它主要機(jī)械的軸承上，通過監(jiān)視設(shè)備的振動情況來做到的。事故往往在設(shè)備振動等級改變之后發(fā)生。這些改變能夠通過定期的監(jiān)視來檢測到，并允許在定期的日常維護(hù)期間維修該設(shè)備。
一種監(jiān)視傳感器的方法是由維護(hù)人員將一個手提式數(shù)據(jù)存儲單元直接連到每個傳感器上采集數(shù)據(jù)，并定期讀取傳感器的振動等級。這種方法雖然費(fèi)時，但有效。
另一種方法是將傳感器分別硬線連接到中央控制站上。在這種裝置中，一對獨(dú)立的線對從每個傳感器連接到中央監(jiān)視站，或者連接到一個與中央監(jiān)視站相連的多路復(fù)接器上。這種設(shè)計通過允許從安裝在一個便利位置上的中央站采集數(shù)據(jù)而簡化了數(shù)據(jù)采集工作。
在中央監(jiān)視站設(shè)計中，其它類型的傳感器，比如轉(zhuǎn)速計、壓力傳感器、溫度傳感器和其它類似器件也可以添加到系統(tǒng)中。這就允許將生產(chǎn)過程監(jiān)視和振動監(jiān)視系統(tǒng)結(jié)合在一起。
然而，在大系統(tǒng)中，大量的傳感器使得從它們處連接到中央站或多路復(fù)接器的單獨(dú)的線對的花費(fèi)就成為系統(tǒng)總花費(fèi)的一個主要因素。此外，用來探測由磨損導(dǎo)致的異常振動的振動傳感器，通常僅僅需要在廣泛散布的時間間隔內(nèi)簡單地監(jiān)視。這樣，采用連到每個傳感器的單對線對的現(xiàn)有系統(tǒng)，就比大多數(shù)應(yīng)用中所要求的有強(qiáng)得多的數(shù)據(jù)傳輸能力。因此，使用由所有傳感器共享的一條單數(shù)據(jù)總線是所希望的，以便降低電纜的花費(fèi)和電路的復(fù)雜性。
盡管利用一根普通的數(shù)據(jù)總線連接數(shù)字式可尋址電子元件的技術(shù)是眾所周知的，但在工廠環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對傳感器的監(jiān)視還是有一定困難的。其中之一就是來自所有傳感器的全部數(shù)據(jù)都通過一條單數(shù)據(jù)總線。在現(xiàn)實(shí)世界中，利用一個散布在整個工廠的傳感器網(wǎng)絡(luò)，一條單數(shù)據(jù)總線對故障很敏感。總線上的斷路會導(dǎo)致從在斷路之外的所有傳感器來的信息的丟失，而短路又會使和總線上任一個傳感器的通訊成為不可能的事。
此外，如果傳感器通過電纜供電，那么電纜的電力傳輸能力也就成了一個要素。加速度計通過傳輸數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)總線導(dǎo)線來被供電。相當(dāng)尺寸的數(shù)據(jù)總線導(dǎo)線，不具有足夠的電力運(yùn)載容量來為許多裝置所想要的眾多傳感器進(jìn)行持續(xù)和同時的供電。
因此，本發(fā)明的一個目的就是提供一個總線式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)包括冗余并行數(shù)據(jù)總線，用于在任一總線失效時的容錯。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種設(shè)計方案，其中，每個傳感器連接到幾條數(shù)據(jù)總線上，并且一個中央控制器可將任一傳感器電子切換到任一選中的數(shù)據(jù)總線上。
本發(fā)明的再一個目的是提供一種設(shè)計方案，其中，多個并行數(shù)據(jù)總線可以用來同時接收來自不同傳感器的數(shù)據(jù)，以允許實(shí)時直接比較傳感器的輸出。
本發(fā)明的又一個目的是提供一種設(shè)計方案，其中，即使所有的數(shù)據(jù)總線在一處被完全切斷，每個傳感器仍可被尋址訪問。
本發(fā)明的再另一個目的是提供一種設(shè)計方案，其中，一條或多條數(shù)據(jù)總線的壞的部分或壞的傳感器可被旁路，以便保持與傳感器的連接。
本發(fā)明還有的其它目的和優(yōu)點(diǎn)，部分是顯而易見的，部分是能從說明書上明白的。
發(fā)明公開內(nèi)容本發(fā)明通過使用組成一根普通的電纜的一組冗余并行的兩線數(shù)據(jù)總線，實(shí)現(xiàn)容錯多點(diǎn)控制和數(shù)據(jù)采集。中央控制器通過電纜(此電纜連接到相應(yīng)的多個位于電纜和傳感器接口之間的可尋址傳感器接口上)和多個傳感器連接。中央控制器產(chǎn)生一個數(shù)字式地址信號，以確定一個選中的傳感器接口和一根選中的用以接收來自選擇的傳感器接口的模擬信號的數(shù)據(jù)總線。
在本發(fā)明的一個實(shí)施方案中，地址信號在數(shù)據(jù)總線上通過連接在控制器和相應(yīng)數(shù)據(jù)總線之間的總線接口被發(fā)送。在本發(fā)明的另一個實(shí)施方案中，地址信號在一根單獨(dú)的控制總線上被發(fā)送。
在這兩個實(shí)施方案中，每個傳感器接口連接到電纜中的所有數(shù)據(jù)總線上，并且包括一個地址鑒別電路，此電路響應(yīng)于地址信號，用于識別出其在地址信號中的唯一地址，并把其相應(yīng)的傳感器連接到在地址信號中指定的一條選中的數(shù)據(jù)總線上。
地址信號由傳感器地址部分和總線地址部分組成。這就允許中央控制器指定任一傳感器和任一數(shù)據(jù)總線以供使用。
本發(fā)明的第一個實(shí)施方案使用這樣的方法，即將數(shù)字地址信號、傳感器電源和來自傳感器的模擬信號共享一條單數(shù)據(jù)總線。在本發(fā)明第一個實(shí)施方案的最簡單的形式中，數(shù)字和模擬數(shù)據(jù)共享一條單數(shù)據(jù)總線，但在本實(shí)施方案的優(yōu)選設(shè)計中，通過使用為容錯操作提供冗余的多條并行的總線，共享總線的好處成倍地增加了。中央控制器將來自傳感器電源裝置的電能沿著選中的數(shù)據(jù)總線提供給傳感器。傳感器電源裝置給傳感器供電，并且傳感器使用這些電源產(chǎn)生在精心地控制的并具有預(yù)置的上、下限的有限電壓范圍之內(nèi)的模擬數(shù)據(jù)。
用于選擇數(shù)據(jù)總線和想要的傳感器的地址信號是一個數(shù)字信號，它由總線接口產(chǎn)生，它有比最大傳感器電源電壓還大的導(dǎo)通電壓和比最小電壓還小的截止電壓。這就把控制信號完全置于可供數(shù)據(jù)使用的電壓范圍之外，并根據(jù)這個差別允許傳感器接口區(qū)別這兩種信號。
第二種實(shí)施方案通過將數(shù)字式控制信號和地址信號置于一條獨(dú)立的控制總線上來消除對模擬數(shù)據(jù)的電壓限制。
在這兩個實(shí)施方案中，中央控制器通過使用自同步格式將傳感器和總線地址編碼，其中地址的每一個數(shù)據(jù)位被異步傳送，并跟在一個時鐘比特之后。這就使系統(tǒng)對由于使用長的電纜連接控制器和遠(yuǎn)端傳感器而造成的隨機(jī)傳播延時不敏感，并且允許在任意的位置增加傳感器。
第一個實(shí)施方案的傳感器接口包括一個電路設(shè)備，用于每當(dāng)傳感器電源從數(shù)據(jù)總線上被撤去時，就將傳感器從選中的數(shù)據(jù)總線上斷開。
在本發(fā)明的第二個實(shí)施方案中，包括多條數(shù)據(jù)總線在內(nèi)的電纜還包括一個用于傳送地址信號的獨(dú)立的控制總線。在這個實(shí)施方案中，數(shù)據(jù)總線上的模擬數(shù)據(jù)和在控制總線上的數(shù)字地址數(shù)據(jù)分開地傳送。在一個具體的改進(jìn)例中，數(shù)據(jù)總線有兩個可選擇地連接到中央控制器的端。即使全部電纜由于不注意而被斷成兩半，控制器還能夠利用電纜兩端之一訪問任一傳感器。
本發(fā)明一個特別有利的特征是切換到輔助模式的能力，在該模式中，系統(tǒng)提供從中央控制器到系統(tǒng)中任一可尋址傳感器接口位置的直接的兩線連接。這就允許系統(tǒng)利用不同類型的現(xiàn)有的控制設(shè)備和傳感器，而不干擾在正常操作模式下需要恒定電流電源的加速度計。
另一個特征是在沿著電纜的任一點(diǎn)上添加一個遙控器以替代中央控制器的功能的能力。這就允許從系統(tǒng)上任一遠(yuǎn)距離位置對系統(tǒng)進(jìn)行控制。
本發(fā)明還有另一個特征是提供了一個經(jīng)由兩個可尋址接口連接的旁路總線，旁路總線可通過尋址訪問連接到旁路總線末端的兩個接口(借助于地址信號)以及命令它們自己連接到指定的一條數(shù)據(jù)總線而被使用。這兩個接口可能與其它傳感器接口完全相同，只是沒有連接到傳感器。當(dāng)尋址時，它們將旁路總線的末端連接到選中的數(shù)據(jù)總線，而不是連接傳感器。這允許在一條數(shù)據(jù)總線上的有故障的點(diǎn)附近構(gòu)成“空中的”一座橋，通過該橋必要時可以傳送數(shù)據(jù)或使數(shù)據(jù)總線上的損壞部分失效。
在另一個改進(jìn)例中，系統(tǒng)可配有第二或第三附加電纜，每根電纜配有多條數(shù)據(jù)總線和一條控制總線，每根電纜和連接到中央控制器的兩個端從而形成一個環(huán)路，這樣就可以在其上增加附加的傳感器接口。
第二種實(shí)施方案的另一個改進(jìn)例是允許通過提供帶有遠(yuǎn)端恒流電源的長線驅(qū)動器和總線驅(qū)動器而使用很長長度的電纜。該實(shí)施方案再一個改進(jìn)例是提供了串行和并行數(shù)字式數(shù)據(jù)輸出。
示圖簡述

圖1說明了第一種實(shí)施方案的監(jiān)視系統(tǒng)的總線布局。
圖2是顯示第一種實(shí)施方案的中央控制器的電路方塊圖。
圖3是如圖2方塊圖形式所示的第一種實(shí)施方案中中央控制器內(nèi)一個總線接口的電路圖。
圖4是在第一種實(shí)施方案中使用的一個傳感器接口的電路圖。
圖5a是電壓與時間的關(guān)系曲線圖，顯示了在和本發(fā)明的第一實(shí)施例中出現(xiàn)的相同的總線上從選擇的傳感器接收模擬數(shù)據(jù)之后，在數(shù)據(jù)總線上的數(shù)字式地址信號的發(fā)送。
圖5b是電壓與時間的關(guān)系曲線圖，顯示了由地址探測器電路產(chǎn)生的、用來讀出地址信號中的自同步數(shù)據(jù)的脈沖。
圖6是適合于和加速度計一起使用的偏壓/阻抗轉(zhuǎn)換器電路的電路簡圖。
圖7說明了依據(jù)本發(fā)明監(jiān)視和控制系統(tǒng)的第二種實(shí)施方案的總線布局，其中使用了一根獨(dú)立的控制總線。
圖8是以方塊圖形式的電路圖，顯示了圖7中所見的監(jiān)視和控制系統(tǒng)的第二種實(shí)施方案中的中央控制器。
圖9是如圖8所示的中央控制器中的控制接口的電路圖。
圖10是圖8所示的中央控制器中的一個總線接口的電路圖。
圖11是傳感器接口第一部分的電路圖，它與圖7中所見的監(jiān)視和控制系統(tǒng)的第二種實(shí)施方案一起使用。
圖12是傳感器接口第二部分的電路圖，它與圖7中所見的監(jiān)視和控制系統(tǒng)的第二種實(shí)施方案一起使用。
圖13是可任選的線驅(qū)動器的電路圖，它與圖7中所見的監(jiān)視和控制系統(tǒng)的第二種實(shí)施方案一起使用。
圖14A，14B和14C是電壓對時間的關(guān)系曲線圖，顯示了在控制總線上的信號。圖14A顯示了清除和復(fù)位信號，接著是對于A到D的四條不同數(shù)據(jù)總線中的每條總線的地址信號。該圖中僅表示了每個數(shù)據(jù)總線上的信號的相對定時。圖14B所見的是一條數(shù)據(jù)總線的數(shù)字地址的細(xì)節(jié)。圖14C圖示了與圖5b類似的自同步數(shù)據(jù)。
實(shí)現(xiàn)發(fā)明的模式參照圖1，本發(fā)明包括一個中央控制器10，該控制器通過一根電纜12連接到多個專用加速度計14(標(biāo)記為A)、通用加速度計15(標(biāo)記為A′)和通用傳感器16(標(biāo)記為S)。正常情況下，中央控制器通常被安裝在可收集來自傳感器的數(shù)據(jù)的合適的位置上。它接受用以指定被監(jiān)視的傳感器的輸入，它向傳感器發(fā)出信號使之連接到電纜12內(nèi)的一條數(shù)據(jù)總線上，它通過電纜給傳感器和相關(guān)的地址電路提供電源，以及它還在一個輸出端上提供數(shù)據(jù)。
傳感器14，15和16通過在圖4上描述的傳感器接口被連接到電纜12內(nèi)的總線上。這些傳感器典型地散布在制造設(shè)備中，被安放在不同的關(guān)鍵監(jiān)視點(diǎn)。作為實(shí)例，加速度計經(jīng)常被裝在與旋轉(zhuǎn)機(jī)器的軸承有震動接觸的地方。
每個傳感器有它自己的存儲唯一地址的傳感器接口，允許中央控制器借助于相應(yīng)傳感器接口的地址來指定特定的傳感器。在專用傳感器類型14中，它在優(yōu)化設(shè)計中包括一些或所有的加速度計，傳感器接口位于裝有傳感器的小盒內(nèi)。這樣就形成了一個合適的單件組件，尤其是對于包括有在許多裝置中的大多數(shù)傳感器在內(nèi)的加速度計的情況。
通用傳感器16可能是某種用途廣泛、形式多樣的現(xiàn)成的傳感器，它可用于測量壓力、溫度、速度、張力、流速或其它想要的物理參數(shù)。這些傳感器沒有想要的集成的傳感器接口，因此它們被單獨(dú)提供。通用加速度計15同樣沒有傳感器接口，它可以和具有這樣的便利條件的系統(tǒng)結(jié)合使用，即現(xiàn)有的震動監(jiān)視系統(tǒng)可以被升級而沒有必要取代所有的加速度計。
對于沒有集成的傳感器接口的傳感器，接口就可以安裝在多個合適的位置中的任一位置上，如圖1所示。一個這樣的位置是在模塊18(標(biāo)號M)內(nèi)，該模塊執(zhí)行傳感器接口的功能。電源和信號調(diào)節(jié)器19(標(biāo)號PW/COND)也被顯示為位于傳感器和接口模塊之間。它的功能是提供傳感器16可能需要的任何專用電源，并且將傳感器輸出信號轉(zhuǎn)換成與監(jiān)視系統(tǒng)兼容的形式。電源和信號調(diào)節(jié)器19的運(yùn)行依賴于附屬在其上的特殊傳感器的單獨(dú)要求，因此這兒就不詳述了，但是它產(chǎn)生在與下述的加速度計的輸出信號的同樣的電壓范圍內(nèi)的模擬輸出信號。
加速度計類型14，15和許多通用傳感器可由在中央控制器10內(nèi)或連接到中央控制器的電源通過電纜12供電。不管怎樣，某些專用傳感器可以更方便地由電源調(diào)節(jié)器19內(nèi)的電源供電，而這些電源調(diào)節(jié)器可能需要單獨(dú)地連接到外部電源上。
對于包含有傳感器接口的模塊，其它合適的位置是在連接到電纜12的連接器20(標(biāo)號C/M)內(nèi)，在終端連接器33(標(biāo)號T/M)內(nèi)或者在多傳感器分配盒21(標(biāo)號DISTR.)內(nèi)。多傳感器分配盒通過一單個連接器28與電纜12連接，但是該盒包含多個傳感器接口，每個接口都有它自己唯一的地址，并且每個接口對應(yīng)于和它相連的多個傳感器中的一個傳感器。
不管傳感器接口被安裝在何處，傳感器最終都要經(jīng)由連接器通過傳感器接口與電纜12連接，該連接器可能取以下的形式標(biāo)準(zhǔn)連接器28(標(biāo)號C)，帶有集成傳感器接口的連接器20(標(biāo)號C/M)，終端連接器32(標(biāo)號T)或者帶有集成傳感器接口的終端連接器33(標(biāo)號T/M)。
連接器構(gòu)成到電纜12內(nèi)的線對的連接，而電纜12充當(dāng)多條并行總線以便往返于傳感器間傳遞電源和數(shù)據(jù)。對于系統(tǒng)的優(yōu)選設(shè)計使用了電纜12，此電纜有一條在圓形外部護(hù)套內(nèi)折疊的內(nèi)部帶狀電纜。該護(hù)套在沿著它長度方向間隔開的有孔的接合點(diǎn)處可被開口，使之露出帶狀電纜并展開成正常的扁平形狀。
到扁平電纜的部分的連接是由標(biāo)準(zhǔn)的絕緣置換(insulationdisplacement)連接器(IDC)來完成的，它的插座部分被連接到扁平帶狀電纜，它的插頭部分被連接到傳感器接口。這種安排允許傳感器必要時能夠在沿著它長度的任一位置快速地連接到電纜上，然后被復(fù)位或者置換。
IDC連接器與電纜12內(nèi)的線對接觸，而不中斷它們。任何有可能在電纜內(nèi)產(chǎn)生這樣一個與導(dǎo)線的連接的連接器和包含有多個可存取導(dǎo)線的任何電纜配置也是適合的。連接器28，如有必要，可裝備有依照傳統(tǒng)的總線設(shè)計技術(shù)的阻抗匹配電路。
擴(kuò)展連接器30(標(biāo)號E)提供了一個使電纜12產(chǎn)生分支的裝置。它們與連接器28類似，因?yàn)樗鼈円彩腔贗DC的連接器，只不過它們連接的是電纜12的一個分支，沿著它長度方向包含有多個附加傳感器而不是單個傳感器。終端連接器32(標(biāo)號T)是類似的，但它包括一個標(biāo)準(zhǔn)的電阻終端網(wǎng)絡(luò)，用以防止總線上的瞬變過程。
在所顯示的優(yōu)選設(shè)計中，電纜12內(nèi)部的帶狀電纜包括三對并行線對，它們對外稱作為數(shù)據(jù)總線A，B和C。熟悉該技術(shù)的人將會知道，超過三條或少至一條的數(shù)據(jù)總線都可被用來增加或減少數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的容錯能力。甚至一個單數(shù)據(jù)總線設(shè)計依靠它使用的較少的導(dǎo)線也要優(yōu)于直接連線的現(xiàn)有技術(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
參照圖2，數(shù)據(jù)總線A的數(shù)據(jù)總線線對包括信號線42和相應(yīng)的地線43。數(shù)據(jù)總線B和C的數(shù)據(jù)總線線對包括信號線44和46以及地線45和47。如下所述，數(shù)據(jù)總線A，B和C將在地址信號的總線地址部分內(nèi)由控制器10以數(shù)字方式引用。
數(shù)據(jù)總線A，B和C在中央控制器10上通過對應(yīng)的總線接口48，50和53連接到數(shù)據(jù)輸出端48，50和52(見圖2)。提供這些輸出是為了使一個便攜式數(shù)據(jù)存儲器單元能夠連接到它們的任一個上，以使之能夠沿著對應(yīng)的數(shù)據(jù)總線接收來自選中的傳感器的數(shù)據(jù)。
在優(yōu)選設(shè)計中，電纜12也包括被設(shè)計來作為保持工作的電源總線的至少一對、并且最好是兩對的附加線對，以用來為傳感器接口供電。它們提供電源使傳感器接口中的數(shù)字地址電路工作，以便使它們在被選擇時，能夠識別它們自己的地址，然后將它們的傳感器與數(shù)據(jù)總線連接。傳感器本身并不是通過保持工作的電源總線供電，而是通過選中的數(shù)據(jù)總線供電。
每個傳感器接口中的地址電路同時監(jiān)視所有的數(shù)據(jù)總線。中央控制器10通過一個地址信號指定接口和數(shù)據(jù)總線，該地址信號包含所想要的接口和要被使用的總線的地址。這個信號被發(fā)送給一個總線接口，在該接口處信號被格式化并被放置在數(shù)據(jù)總線上。每個傳感器接口接收該信號，并且，其內(nèi)部存儲的地址與信號中的地址相匹配的傳感器接口將它的傳感器連接到由地址信號的總線部分中指定的數(shù)據(jù)總線上，這樣就能開始傳送數(shù)據(jù)。
與傳感器相比，地址電路只需要很少的電力，這樣許多傳感器接口可以在保持工作的總線上被同時供電。第二個保持工作的電源總線可以作為一個備件，或者當(dāng)某處傳感器的數(shù)目太大、以至于超過了一條保持工作電源總線的電力傳輸能力時，傳感器就可以在此兩條總線之間進(jìn)行分流。
控制器通過一個標(biāo)準(zhǔn)交流電源連接器38被供電，并且包括一個輸入裝置34，該裝置用來告知控制器要激活哪個傳感器和應(yīng)該用哪條數(shù)據(jù)總線發(fā)送來自此傳感器的數(shù)據(jù)。對于手工操作，輸入裝置可以是一個數(shù)字小鍵盤34，如圖1所示，或者是一個鍵盤。它們允許手工輸入一個傳感器地址以及想要的總線。
另一方面，系統(tǒng)可以設(shè)置成在一臺計算機(jī)或一個自動數(shù)據(jù)存儲器單元的外部控制下進(jìn)行更自動化的操作，在這種情況下，作為輸入可以用一個RS-232串口或直接連接到計算機(jī)總線上。這些輸入可以用來替代或補(bǔ)充數(shù)字小鍵盤或鍵盤。在每種情況下，輸入裝置的主要功能是指定一個為了數(shù)據(jù)采集而被加電的傳感器的地址和一條傳送數(shù)據(jù)的總線。
中央控制器也包括一個標(biāo)明控制器狀態(tài)的輸出裝置。這可以采用如圖1所示的液晶顯示屏36的形式。它也可包括一個RS-232串行接口，一個計算機(jī)監(jiān)視器，一個與計算機(jī)總線或它的任一組合件相連的連接器。此輸出用來直接向系統(tǒng)用戶或者向自動數(shù)據(jù)采集器提供信息。信息可包括這樣的內(nèi)容當(dāng)前選中的傳感器的地址，哪條數(shù)據(jù)總線正在被使用，總線上的數(shù)據(jù)是否正在傳來，以及數(shù)據(jù)是否是好的或經(jīng)過限幅而沒有被畸變。
參照圖2，微控制器40完成管理系統(tǒng)操作任務(wù)以及在輸入輸出裝置34，36和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之間擔(dān)任轉(zhuǎn)換。它執(zhí)行的功能有當(dāng)鍵入時從數(shù)字小鍵盤接收數(shù)據(jù)，翻譯指定傳感器和總線的輸入，準(zhǔn)備一個數(shù)字地址信號，接通某一觸發(fā)信號以激活總線接口各部分，監(jiān)視并觀察到達(dá)的數(shù)據(jù)是否是好的，向輸出端發(fā)送狀態(tài)信息以及其它定時、定序功能以便協(xié)調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行。
一種可任選的數(shù)字輸入/輸出裝置，比如RS-232連接器37，可以用來替代或輔助輸入/輸出設(shè)備34，36，并允許從一臺計算機(jī)或便攜式數(shù)據(jù)記錄器對系統(tǒng)進(jìn)行自動控制。
那些熟悉普通微控制器電路的人員將會看到，微控制器還包括一些附加支持芯片(未畫出)，比如緩沖器，用以儲存控制微控制器操作的輸入/輸出程序的可編程只讀存儲器(PROM)，和可以是微控制器芯片一部分的或獨(dú)立的隨機(jī)存取存儲器(RAM)。所有這些支持芯片都包容在中央控制器10的控制部分41內(nèi)，而基于控制部分41的微控制器的設(shè)計完全是常規(guī)的。
來自指定的傳感器的數(shù)據(jù)沿著指定的雙線數(shù)據(jù)總線42-43，44-45和46-47中的一條到達(dá)中央控制器，然后可以在數(shù)據(jù)輸出端22，24和26供數(shù)據(jù)記錄器或其它設(shè)備記錄使用。數(shù)據(jù)總線通過三個基本上相同的總線接口48，50和52連接到中央控制器。
微控制器40通過控制總線58，60和62控制總線接口的操作。控制總線包括多條控制線和狀態(tài)線(它們將結(jié)合圖3加以充分地描述)用于發(fā)送并接收往返于總線接口的數(shù)字信號。
除三條數(shù)據(jù)總線的六根線外，電纜12包括由直流電源56驅(qū)動的保持工作的電源總線54，55的兩根線。直流電源也給微控制器40、總線接口48、50、52提供電力，并通過這些接口供電給數(shù)據(jù)總線上的傳感器。附加的雙線數(shù)據(jù)總線和/或保持工作的電源總線被納入電纜12內(nèi)，以便提供附加的數(shù)據(jù)和/或電源通路。
直流電源56至少要產(chǎn)生三種截然不同的電壓給電路的不同部分供電，它們是+KPV、+SPV和+DPV。顯示電源線57是要強(qiáng)調(diào)這樣的事實(shí)電力被送到總線接口，再從哪兒沿電纜12送到傳感器。盡管有些電源連接器沒有畫出，但中央控制器的其它部分也以普通的方式供電。
由直流電源56提供的最高電壓是保持工作的電源電壓(+KPV)。該電壓通過保持工作的總線54-55提供給地址電路。如下所述，該電壓也被用來作為在數(shù)據(jù)總線上發(fā)送的數(shù)字地址信號中的二進(jìn)制“接通”電壓。“關(guān)斷”電壓實(shí)際上是零伏。
第二個、也是次低的電壓是傳感器電源電壓(+SPV)。這個電壓被用來提供給恒定電流傳感器電源86。傳感器在數(shù)據(jù)總線上建立一個低于+SPV的偏壓，而交流模擬數(shù)據(jù)在該偏壓附近變動。模擬數(shù)據(jù)電壓決不可以超過+SPV，這個差異用來防止模擬數(shù)據(jù)和總是0或+SPV的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)混淆。模擬數(shù)據(jù)最低電平的限定使得有效數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)和有效模擬數(shù)據(jù)的電壓范圍各不相同。
最后的、也是最低的電位是數(shù)字電源電壓(+DPV)。這個電壓用來向許多數(shù)字集成電路供電。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)向總線接口，圖3提供了連接到數(shù)據(jù)總線A的總線接口48的詳細(xì)電路簡圖。鑒于此三個總線接口48，50和52是相同的，所以將只詳細(xì)介紹總線接口48。
來自微控制器40的數(shù)字式控制信號，通過標(biāo)有“A ADDR”68、“A ADDR ON”70、“AOFF”72和“A AUX ON”74的不同的控制線，被發(fā)送到總線接口48。來自總線接口的數(shù)字狀態(tài)信號，通過標(biāo)有“A DATA”76、“A CLIP”78的狀態(tài)線，被發(fā)送到微控制器40。標(biāo)有“A AUX”80的線是一根輔助直流線，它通過數(shù)據(jù)總線42連到傳感器。它可被用來通過數(shù)據(jù)總線向任一可能需要非標(biāo)準(zhǔn)電源的傳感器供電，或者它可被用作為直流數(shù)據(jù)輸出。
通常，不管怎樣，交流數(shù)據(jù)輸出來自于數(shù)據(jù)總線42并通過一個由電阻64和電容66組成的普通交流輸出網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)輸出端22被提供。它們發(fā)送交流數(shù)據(jù)信號，并在正在傳輸數(shù)據(jù)的期間內(nèi)隔斷數(shù)據(jù)總線上的直流偏壓。
此處涉及的控制線和狀態(tài)線是圖2上控制總線58的一部分，并且圖3中標(biāo)示的控制和狀態(tài)線68-80終結(jié)于微控制器40的可尋址的輸入和輸出端。微控制器40也包括在控制總線60，62內(nèi)用于其它兩個總線接口50和52相應(yīng)的控制線和狀態(tài)線。
總線接口48執(zhí)行下列基本功能1.它接收來自微控制器40的指定一個傳感器地址和一個數(shù)據(jù)總線的數(shù)字地址信號，通過把地址信號的電壓從傳統(tǒng)的零到5伏TTL電平轉(zhuǎn)換到零到+KPV電平而把地址信號格式化，以使傳感器接口能夠?qū)⑺R別為一個數(shù)字地址，然后通過數(shù)據(jù)總線42-43發(fā)送該信號。
2.它安排一個延遲時間間隔，在該間隔內(nèi)地址信號被發(fā)送，然后把一個恒定電流電源加到數(shù)據(jù)總線42，以便建立偏壓和給選中的加速度計接上電源。
3.當(dāng)數(shù)據(jù)開始到達(dá)數(shù)據(jù)總線42上時，數(shù)據(jù)接口48監(jiān)視和檢測該數(shù)據(jù)，并向微控制器發(fā)出如下信號a)該數(shù)據(jù)正抵達(dá)；b)該數(shù)據(jù)在工作范圍內(nèi)。
4.在隨后的一個時間點(diǎn)上，一旦有來自微控制器的命令，總線接口就從數(shù)據(jù)總線42上斷開電源，并使所有傳感器接口復(fù)位到一個等待模式，等待一個新的地址信號。
這些功能主要由下列部件執(zhí)行一個定時器電路82，一個地址電路84，傳感器電源86和兩個(2)數(shù)據(jù)監(jiān)視電路88和90。
數(shù)據(jù)采集周期的第一步是微控制器40通過把A OFFA關(guān)斷線72切換到低狀態(tài)來把數(shù)據(jù)線42上的傳感器電源關(guān)斷。這就使觸發(fā)器92清零，并打開通過線96與觸發(fā)器92相連的場效應(yīng)管電子開關(guān)94。觸發(fā)器輸出的清零信號打開了開關(guān)94，并使傳感器電源86和地址總線42斷開。
當(dāng)傳感器電源從數(shù)據(jù)總線A上被移去時，任一先前選中的傳感器(它原先是連接到該數(shù)據(jù)總線并從該數(shù)據(jù)總線上提取電源)現(xiàn)在將斷開、復(fù)位并切換到等待狀態(tài)。
下一步，隨著數(shù)據(jù)總線清零，微控制器40發(fā)信號通知總線接口，將要通過將A ADDR ON(A ADDR接通)線70變成高狀態(tài)，而在數(shù)據(jù)總線A上發(fā)送一個地址。
把線70狀態(tài)變高將關(guān)閉場效應(yīng)晶體管電子開關(guān)98，使地址電路84和數(shù)據(jù)總線42將連接起來，并且同時開始定時器電路82的定時周期。
定時器電路82通過一個555定時器100開始計數(shù)一個如由電阻108和電容112的RC時間常數(shù)設(shè)置的預(yù)置定時周期。在預(yù)置時間周期的末尾，定時器100的輸出將使J-K觸發(fā)器92的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，閉合開關(guān)94，并從傳感器電源電路86向數(shù)據(jù)總線42提供傳感器電源。
在由定時器產(chǎn)生的預(yù)置時間周期內(nèi)，微控制器40需要產(chǎn)生一個用以指定想要的傳感器的地址信號，并把該信號發(fā)送到總線接口，從而使相應(yīng)的傳感器能夠被連接到數(shù)據(jù)總線42上接收電力。在優(yōu)選設(shè)計中，定時器100在切換J-K觸發(fā)器92的狀態(tài)之前及在A ADDR ON線70變高之后產(chǎn)生一個至少100毫秒的延遲。
一旦A ADDR ON線70變高，地址信號就經(jīng)由控制線68從微控制器40發(fā)送到地址電路84。由微控制器產(chǎn)生的地址信號包括兩部分。第一部分是所連接的采集數(shù)據(jù)傳感器的傳感器接口的地址。
第二部分識別用以發(fā)送數(shù)據(jù)的總線。A總線接口48用來發(fā)信號通知傳感器，指明數(shù)據(jù)應(yīng)在A數(shù)據(jù)總線42-43上傳輸，B總線接口48也用來發(fā)信號通知傳感器，指明數(shù)據(jù)應(yīng)在B數(shù)據(jù)總線上傳輸，等等。
地址電路84基本上是一個電平移位器，在數(shù)字地址信號被發(fā)送到數(shù)據(jù)總線42之前，它轉(zhuǎn)換微控制器40產(chǎn)生的地址信號，使之從原始的零(關(guān)斷)到5伏(接通)電平變換到零(關(guān)斷)到+KPV(接通)電平。
當(dāng)定時器100時間結(jié)束時，它打開開關(guān)98，并翻轉(zhuǎn)觸發(fā)器92的狀態(tài)，使開關(guān)94閉合，從而斷開地址電路84與數(shù)據(jù)總線的連接，而替之以連接到傳感器電源86。
傳感器供電電路86包括一個三端電壓穩(wěn)壓器102，該穩(wěn)壓器由電阻104和106構(gòu)成為一個恒流源。由于電源所用電壓最大是+SPV，它低于+KPV，所以模擬傳感器數(shù)據(jù)電壓不會超過+SPV，并且不會和幅度上是關(guān)斷或+KPV的數(shù)字地址信號混淆。
在加速度計處的偏壓/阻抗轉(zhuǎn)換電路(見圖6)建立一個標(biāo)稱的偏壓，它是傳感器電源電路86當(dāng)前提供的+SPV的50％。該電路也限制來自傳感器的數(shù)據(jù)的最小電壓，這樣就防止其它傳感器接口的地址電路把數(shù)據(jù)與來自微控制器40的地址信號發(fā)生混淆。當(dāng)傳感器電源電路86由開關(guān)94斷開連接時，偏壓的不存在能夠在傳感器接口內(nèi)被唯一檢測到，從而復(fù)位此選中的傳感器并使之離線。
恒流源尤其適合于向加速度計供電。對于其它類型的傳感器就需要不同形式的電源，假如電源被限制在如先前所述的從最小數(shù)據(jù)電壓到+SPV的電壓范圍，A AUX線80可以用來提供電源。A AUX線的連接由微控制器通過A AUX ON線74控制。
地址電路84改變A ADDR線68上進(jìn)入的地址比特的電壓電平，從而使數(shù)字“接通”為+KPV。來自線68的地址脈沖接通或關(guān)斷晶體管116。當(dāng)A ADDR線變高，晶體管116導(dǎo)通，晶體管116的集電極電壓變低，使得比較器118反向輸入端的電壓低于在比較器118非反向輸入端由偏壓電阻設(shè)置的電壓，這導(dǎo)致了在開關(guān)98變高時比較器118的輸出大約能充分達(dá)到+KPV電壓。
如果下面要敘述的傳感器接口運(yùn)行正常，那么相應(yīng)于剛剛傳輸?shù)牡刂沸盘栔兄付ǖ牡刂返膫鞲衅鹘涌趯⑺膫鞲衅鬟B接到A數(shù)據(jù)總線，并且其上的偏壓電路將在A數(shù)據(jù)總線上建立一個大約是50％+SPV的偏壓。當(dāng)傳感器工作時，在最小數(shù)據(jù)電壓和+SPV之間范圍內(nèi)的模擬數(shù)據(jù)將開始在數(shù)據(jù)總線A上出現(xiàn)，然后這個數(shù)據(jù)通過電容66傳到數(shù)據(jù)輸出端A。
為了證實(shí)正在到達(dá)的數(shù)據(jù)是良好的，數(shù)據(jù)總線A上的電壓受到模塊88和90監(jiān)視。模塊88監(jiān)視直流偏壓，而模塊90監(jiān)視交流電壓，以證實(shí)信號是在有效的范圍內(nèi)并且沒有因?yàn)橄薹蝻柡投换儭?br> 模塊88在線136上通過電阻150監(jiān)視A數(shù)據(jù)總線信號線，電阻150和電容151與電阻149組成一個低通濾波器，并且實(shí)質(zhì)上是將信號交流分量短路到地。比較器138和140在期望的偏壓附近構(gòu)成了一個電壓窗，一旦偏壓是良好的，就通過使A DATA線變高來向中央控制器40發(fā)出信號。這就標(biāo)志A數(shù)據(jù)總線上的信號是可用的。典型地，微控制器隨后接通顯示器36中的一個指示器，或向自動數(shù)據(jù)采集器發(fā)出信號以表明現(xiàn)在可以收集此數(shù)據(jù)。
如果偏壓太高，則比較器138把其輸出切換到低電平，關(guān)斷A DATA線76上好數(shù)據(jù)的信號。如果偏壓太低，則比較器140把其輸出切換到低電平，關(guān)斷A DATA線上數(shù)據(jù)可用的信號。任何一種情況都會向微控制器發(fā)出信號以指示不再有可用的好的數(shù)據(jù)。
除了沒有低通濾波器以外，監(jiān)視電路90以類似于監(jiān)視電路88的方式運(yùn)行，它包括兩個比較器152和154，它們通過電阻162和164經(jīng)過線156連接到數(shù)據(jù)總線42。比較器152和154構(gòu)成一個較寬的比較窗，用以監(jiān)視數(shù)據(jù)信號的交流特性，而不象在模塊88中構(gòu)成的是直流監(jiān)視器。電阻158和160是可調(diào)節(jié)的，以便設(shè)定比較器用以關(guān)斷A CLIP78上的信號的電壓。
如果交流信號的振幅大于由比較器152和154設(shè)定的寬電壓窗，只要電壓處在窗之外，則其中一個比較器就把其輸出切換到低電平。然后，A CLIP數(shù)據(jù)線78變成低電平從而發(fā)信號通知微控制器40，指明該數(shù)據(jù)是壞的。
圖4提供的是傳感器接口168的電路簡圖。傳感器接口168可被安裝在以下地方裝有加速度計14的盒內(nèi)、單獨(dú)的接口模塊18內(nèi)、終端連接器33內(nèi)、總線連接器20內(nèi)，或者多傳感器分配盒21內(nèi)。每個傳感器接口都是完全相同的，除了存儲在其內(nèi)部的地址是唯一的。
電源通過載送+KPV的保持工作的電源總線54，55給傳感器接口電路供電。這個電壓被用來在檢測數(shù)據(jù)總線上的數(shù)字脈沖時產(chǎn)生一個參考電壓。它也以常規(guī)方式被用來產(chǎn)生一個較低電壓的電源，+DPV，通過齊納二極管169以及相關(guān)的電阻和濾波電容提供給數(shù)字電路。
每個傳感器接口168與所有的三根數(shù)據(jù)總線42-43，44-45和46-47以及保持工作的電源總線54-55相連。數(shù)據(jù)總線通過二極管172，174和176直接連接到地址檢測器170上。
地址檢測器首先用比較器178執(zhí)行電平探測，該比較器只通過由偏壓電阻180、182、184和186設(shè)定的+KPV數(shù)字地址信號。具有+SPV或更低值的電壓不能通過比較器178。
由于系統(tǒng)內(nèi)的各傳感器的位置到中央控制器的距離是不一樣的，這樣在地址信號傳播過程中將引入不同持續(xù)時間的延遲。為了避免由于這些未知延遲的長度而導(dǎo)致的問題，地址信號中每一個數(shù)據(jù)比特之前都有一個同步比特。此“自同步”將在后面結(jié)合圖5作更全面的描述，不管怎樣，同步比特用來觸發(fā)觸發(fā)器188以產(chǎn)生一個由電阻190和電容192設(shè)定的定時輸出脈沖，它在緊接在同步比特后的地址比特中被選通。該定時輸出脈沖有一個處在緊跟在同步比特之后的數(shù)據(jù)比特內(nèi)的下降沿。
從188最后得到的輸出脈沖分別通過線198和200從Q輸出端饋送到地址比較器194和從非Q輸出端饋送到串并轉(zhuǎn)換器196。同步比特之后的地址比特也通過線202和204被饋送到地址比較器194和串并轉(zhuǎn)換器196。來自188的定時脈沖的下降沿使地址比較器194和串并轉(zhuǎn)換器196讀取在線202，204上的數(shù)據(jù)比特。(實(shí)際上，如下所述，串并轉(zhuǎn)換器196的輸入門僅僅在地址信號的總線地址部分期間打開，因此它將只讀取這個部分內(nèi)的數(shù)據(jù)比特。)地址比較器194包括一個用于存儲該傳感器接口唯一地址的E2ROM。此功能的優(yōu)選設(shè)備是一個可編程的16位編碼檢測器，比如HC2063。所存儲的“碼”是此傳感器接口唯一地址，并且它能夠在控制總線206上以電的方式輸入或改變。這通常在傳感器被安裝、而控制總線沒有連接到數(shù)據(jù)總線上時完成?？刂瓶偩€典型地包括一條程序線、一條時鐘線、一條數(shù)據(jù)線和用于在E2ROM中讀取和修改數(shù)據(jù)的線。
地址比較器194需要一個起始“接通”比特以開始它的比較，因此在傳感器地址區(qū)的起始比特總是一。該比特在圖5中被標(biāo)以“比較接通(Compare On)”。
接收到與存儲的地址匹配的地址碼之后，緊接著地址比較器194把輸出線208切換為高狀態(tài)，使雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器210把比較(COMPARE(H))線212切換為高狀態(tài)。比較(H)是一個匹配信號，它表示該傳感器已經(jīng)被選中。它被連接到串并轉(zhuǎn)換器196的A輸入端。轉(zhuǎn)換器196的A和B輸入端是一個與門的輸入端，所以在比較(H)線212變高以前，線204上到達(dá)B輸入端的地址比特被阻塞。
在16比特地址信號的前8比特(指定匹配的傳感器地址)到達(dá)后，比較(H)線變高。余下的地址比特(指定所用的數(shù)據(jù)總線)然后進(jìn)入串并轉(zhuǎn)換器。
一個完整的地址信號，如圖5a所示，包括傳感器地址域和總線選擇域。在單個數(shù)據(jù)總線設(shè)計中，總線選擇域會被排除。每個域包含八個數(shù)據(jù)比特，每一個數(shù)據(jù)比特之前都有一個同步比特。同步比特的持續(xù)時間是數(shù)據(jù)比特持續(xù)時間的一半。它觸發(fā)地址檢測器170以產(chǎn)生一個脈沖(見圖5b)，該脈沖的下降沿處在緊跟著的數(shù)據(jù)比特的中間部分。這種逐個比特的自同步避免了某些由于長電纜長度而導(dǎo)致的定時方面的問題。
傳感器地址域的第一個數(shù)據(jù)比特被標(biāo)為“比較接通”(CompareOn)，而總線選擇地址的第一個數(shù)據(jù)比特被標(biāo)為“SW(H)”。每個域的前幾個比特總是接通的，即數(shù)字1。把每個域的第一數(shù)據(jù)比特設(shè)置為接通簡化了地址電路。每個域余下的七比特就是傳感器地址或數(shù)據(jù)總線地址。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，總線地址僅能用七比特中的前三比特。這些比特都被設(shè)定得一一對應(yīng)于三條數(shù)據(jù)總線。傳感器地址的七個比特都是普通的二進(jìn)制數(shù)。
“比較接通”(Compare On)是八位傳感器地址的第0比特，它在時間t0和時間t4間產(chǎn)生。同步比特250與在時間t0到t1間產(chǎn)生的那些數(shù)據(jù)比特相對應(yīng)，而數(shù)據(jù)比特252(經(jīng)常是1)在時間t2到t4間產(chǎn)生。在同步比特之后和數(shù)據(jù)比特之前的這段期間，電壓常常要從同步比特降到零，這就產(chǎn)生了一個明顯的下降沿。同步比特250的下降沿將觸發(fā)觸發(fā)器188產(chǎn)生定時脈沖254(圖5b)，該定時脈沖的下降沿將選通194和196，在大約時間t3，剛好在那個數(shù)據(jù)比特的中間，讀取隨后的數(shù)據(jù)比特。
第一比特(地址域的第二比特和第一個有效地址比特)在時間t4開始。從t4到t5之間有一個前置同步比特256，這是因?yàn)榍爸脭?shù)據(jù)比特是1，它表現(xiàn)為同步比特的延續(xù)。然而，每個同步比特的下降沿從188產(chǎn)生定時脈沖(如圖5b所示)，并且下降沿總是明顯的。在時間t6，脈沖258讀取數(shù)據(jù)脈沖260(另一個數(shù)據(jù)脈沖)。
第二比特(該域的第三比特)包括同步比特262，同步比特262的下降沿引發(fā)脈沖264。脈沖264的下降沿在時間t7讀取數(shù)據(jù)比特(零)。所有剩余比特以同樣方式被讀取，同步比特在觸發(fā)器188中產(chǎn)生一個脈沖(如圖5b所示)，脈沖的下降沿出現(xiàn)在數(shù)據(jù)比特的中間。傳感器地址域的4-7比特和總線地址域的13-15比特未顯示。
跟在SW(H)后面的三個數(shù)據(jù)比特與三個數(shù)據(jù)總線相對應(yīng)。在總線地址域，由于數(shù)據(jù)比特266是接通的，所以總線A被選中，以及因?yàn)榕c總線B和C相對應(yīng)的數(shù)據(jù)比特是關(guān)斷的，所以總線B和C未被選中。
圖5a所示的完整的地址信號包括“比較接通”(Compare On)比特(總是1)，七位二進(jìn)制傳感器地址碼，(前三比特是1，0，0，后四比特未顯示)，SW(H)(總是1)，總線地址的三個比特(顯示為1，0，0，指示數(shù)據(jù)總線A被使用)，還有四個未使用的比特(但它們可被用于附加數(shù)據(jù)總線)。
在由總線接口的定時器100設(shè)定的時間間隔期間，16比特地址信號被全部傳送。這個時間間隔以后，定時器100將暫停，開關(guān)94將閉合，傳感器電源連到數(shù)據(jù)總線A上。然后，如圖所示數(shù)據(jù)將開始到達(dá)數(shù)據(jù)總線。如前所述，數(shù)據(jù)的電壓將被限制在最小數(shù)據(jù)電壓和+SPV之間。
我們再回頭看圖4，在一個匹配地址被地址比較器194識別之前，212上的比較(COMPARE(H))線阻止輸入信息進(jìn)入串并轉(zhuǎn)換器196。串并轉(zhuǎn)換器作為總線選擇裝置工作。一旦輸入被比較(H)上的數(shù)字高所打開，則總線地址被切換到196，并依次進(jìn)入到從QA到QH的八個并行輸出。以圖5的總線地址為例，一旦總線地址完全進(jìn)入八比特轉(zhuǎn)換器196，則SW(H)(總是高)將出現(xiàn)在輸出端QH，以及和數(shù)據(jù)總線A相對應(yīng)的比特將出現(xiàn)在輸出端QG。與數(shù)據(jù)總線B相對應(yīng)的比特將出現(xiàn)在輸出端QF，以及和數(shù)據(jù)總線C相對應(yīng)的比特將出現(xiàn)在輸出端QE。
SW(H)也在總線與門222，224和226處連接到線214。這樣，在全部總線選擇地址被輸入到轉(zhuǎn)換器196之前，它們阻止總線選擇開關(guān)216，218和220，使其不能工作。在總線選擇地址輸入之前，所有的輸出端QA到QH將是低的。由于總線地址部分中的第一比特SW(H)總是1，所以當(dāng)總線選擇地址完全進(jìn)入轉(zhuǎn)換器196時，線214被切換成高。當(dāng)線214變高時，與門222，224和226允許合適的總線選擇線228，230，232觸發(fā)相應(yīng)的總線選擇開關(guān)216，218和220，這樣就通過阻抗轉(zhuǎn)換器將傳感器234同指定的數(shù)據(jù)總線連接(如圖6所示)。
傳感器234繼續(xù)沿著數(shù)據(jù)總線發(fā)送數(shù)據(jù)，直到通過響應(yīng)于從中央控制器來的在A OFF線72上的信號把傳感器電源開關(guān)94打開，而使傳感器電源被移去為止。
傳感器電源從數(shù)據(jù)總線42移去后，由電壓比較器238和觸發(fā)器240組成的復(fù)位電路236把OFF線242切換成低。電壓比較器238能感受到數(shù)據(jù)總線上的電壓降。一旦數(shù)據(jù)總線電壓低于由分壓電阻237和239設(shè)定的參考電壓，觸發(fā)器240被觸發(fā)，從而改變非Q輸出，這就使OFF線242變低。
OFF線242觸發(fā)門244和被構(gòu)成為反相器的與非門246。然后清零線248將串并轉(zhuǎn)換器196清零，使輸出線214變低，并打開所有的數(shù)據(jù)總線開關(guān)220，218和216。然后，傳感器接口電路處于等待狀態(tài)，等待下一個地址信號將它打開并把它的傳感器連接到一條數(shù)據(jù)總線。
傳感器234可以是不同種類傳感器中的任一種，它通過線300同開關(guān)選擇數(shù)據(jù)總線相連。以圖6為例，該圖展示一個普通的壓電式加速度計302它帶有一個阻抗轉(zhuǎn)換器和為結(jié)合本發(fā)明一起使用而加的必要的適配部件。
同標(biāo)準(zhǔn)阻抗轉(zhuǎn)換器設(shè)計相比，主要的改變是在信號耦合到數(shù)據(jù)總線之前，用二極管來維持最小輸出電壓。這個最小電壓防止復(fù)位電路236的不慎操作，避免傳感器接口從數(shù)據(jù)總線上斷開而復(fù)位到等待模式。
已經(jīng)知道傳感器電源是恒流源，傳感器234的偏壓電路建立了一個額定的偏壓，該偏壓是最大傳感器電源電壓+SPV的50％。來自壓電式傳感器302的振動信號是加在這個直流偏壓的交流信號。信號的上限是由最大電壓+SPV控制的，信號的下限由二極管304和306控制。二極管304和306是硅二極管，每個都有額定的0.6伏的壓降。
即使輸出晶體管308是飽和的，線300的輸出電壓也不會低于兩個串聯(lián)安裝的偏壓二極管上的電壓。而晶體管308截止時，輸出電壓不會高于整個的+SPV。如圖5所示，在任意一種限制下，電壓將在一個限定的范圍之內(nèi)，即高于地址信號中數(shù)字零的值(電壓關(guān)斷)，低于數(shù)字1的值(+KPV)。
阻抗轉(zhuǎn)換器的其它部分是標(biāo)準(zhǔn)的。當(dāng)壓電式傳感器302遭受振動時會產(chǎn)生交流電壓。信號通過場效應(yīng)管322放大，場效應(yīng)管322通過晶體管310和308調(diào)制該恒定電流。電容324和電阻320形成輸入負(fù)載并使場效應(yīng)管322產(chǎn)生偏壓。電阻318和316可產(chǎn)生附加偏壓和負(fù)反饋。電阻314是場效應(yīng)管322的負(fù)載。數(shù)據(jù)總線上的輸出電壓是晶體管308的集電極到發(fā)射極的電壓加上二極管304和308上的壓降。
如果將電壓范圍限制在+SPV和最小值之間(該最小值必須足夠高于地線電壓，以免觸發(fā)復(fù)位電路236)，那么其它種類傳感器所需要的其它傳感器電路也是適合的。
獨(dú)立控制總線設(shè)計圖7-13說明了本發(fā)明的第二個實(shí)施方案，在該方案中一個獨(dú)立的控制總線載送地址信號。這個設(shè)計降低了對在數(shù)據(jù)總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的限制，在第一方案中設(shè)計該限制是為了防止數(shù)字地址信號和在同一條總線上傳輸?shù)哪M數(shù)據(jù)相混淆。在第二個實(shí)施方案中，除了用加速度計進(jìn)行振動監(jiān)視以外，也可以以輔助方式使用本系統(tǒng)來提供中央控制器和指定數(shù)據(jù)總線上任一可尋址的傳感器接口間的基本兩線連接，而不必限制發(fā)送信號的類型。
就這點(diǎn)而論，當(dāng)系統(tǒng)用來進(jìn)行普遍控制和數(shù)據(jù)監(jiān)視應(yīng)用時，本方案尤其合適。本實(shí)施方案提供的修正內(nèi)容包括提供多個電纜，其中每個電纜都服務(wù)于一組附加的可尋址接口；遙控器，它可以在任意的想要的遠(yuǎn)方地點(diǎn)執(zhí)行中央控制器的功能；旁路總線能力；長線改進(jìn)；和串行及并行數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出。
圖7給出了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施方案的控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總覽。如前所述，中央控制器10通過電纜12被連接到多個專用的加速度計14和普通的加速度計15。然而，在該方案中，電纜12形成了連續(xù)的環(huán)路，該環(huán)路在它的第二末端400處返回中央處理器。
中央處理器10也配有兩根附加電纜402和404，其中每根電纜各包含一根布置在環(huán)路中的附加電纜，該環(huán)路的兩端同中央處理器相連。所有這些電纜中的每一根都包括多個連接到電纜12的所示類型的可尋址的傳感器接口。中央控制器可以用電纜的任一端同附屬于電纜的任一傳感器通信。這樣，如果電纜不慎被斷為兩半，那么同電纜12的第一端相連的電纜部分上的傳感器通過第一端尋址并使用，而斷開之外的傳感器通過第二端400來尋址和使用。如果第一端斷開，第二端400可獨(dú)立于電纜12的第一端使用。末端的連接和斷開由在中央控制器10的指揮下工作的繼電器和場效應(yīng)管開關(guān)來完成。類似的可控制的開關(guān)被提供在其它兩條電纜402和404的兩端。
本發(fā)明的這種實(shí)施方案提供的另一個特征是把附加的容錯能力提供給設(shè)計方案，也就是說，旁路總線406的兩個末端連接到C/M連接器模塊408。C/M連接器模塊408包括具有唯一地址的傳感器接口，并且響應(yīng)于控制總線上的地址信號，把旁路總線406上接口的各端同指定的一條數(shù)據(jù)總線相連。這樣，中央控制器可以用旁路總線406來替換電纜上的數(shù)據(jù)總線的損壞部分，或者旁路有問題的傳感器網(wǎng)絡(luò)部分。
圖7也分別顯示了中央控制器上并行及串行數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出410和412。這些輸出端提供的以數(shù)字的形式的數(shù)據(jù)與來自模擬數(shù)據(jù)輸出端22，24和26以模擬形式出現(xiàn)的數(shù)據(jù)是相同的。
圖8是在本發(fā)明第二實(shí)施方案中使用的中央控制器的方塊簡圖。網(wǎng)絡(luò)的操作由微控制器40來控制。微控制器40通過電纜12，402和404來操作網(wǎng)絡(luò)，這三條電纜的每一條的末端分別通過電纜控制模塊401，403和405與中央控制器相連。電纜控制模塊401，403和405都是一樣的，圖中僅詳細(xì)顯示了電纜控制模塊401。
電纜12，402和404中的每一條都包括多條兩線總線，包括多條數(shù)據(jù)總線，一條控制總線和一條電源總線。這兒所示的電纜12包括三條獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線，然而較多或較少的總線也可以被使用，通過舉例的方式，描述了圖11和12所顯示的傳感器接口同四條數(shù)據(jù)總線一起使用的情況。電纜402和404是完全相同的，并且同下述電纜12一樣的方式操作。
電纜12包括一個第一端，此端具有三條數(shù)據(jù)總線，其頭端分別是428，432和436；一條控制總線，其第一端是442；一條電源總線，其第一端是446。電纜12在周圍形成環(huán)路，使這些總線進(jìn)入到各個傳感器接口，之后電纜12在它的第二端400處返回中央控制器。該端包括三條數(shù)據(jù)總線的第二端430，434，438；控制總線的第二端444；電源總線的第二端448。
總線接口414，416和418在微控制器40的控制下操作，地址信號通過控制接口420發(fā)送到可尋址的傳感器接口。數(shù)據(jù)總線通過集成開關(guān)422，424和426在兩端處同對應(yīng)總線接口相連。微控制器40控制集成開關(guān)422，424和426，以便有選擇地將數(shù)據(jù)總線的任一端同對應(yīng)總線接口相連。
盡管帶有場效應(yīng)管開關(guān)的其它配置也可以使用，但更可取的是，集成開關(guān)422，424和426都是帶有相關(guān)的電路并在微控制器40的命令下實(shí)現(xiàn)連接的繼電器。在輔助模式中，數(shù)據(jù)輸出端22，24和26通過繼電器直接電連接到系統(tǒng)上任意可尋址地點(diǎn)。這就給系統(tǒng)上的任意地點(diǎn)提供一個直接線對連接，從而使不同種類的傳感器、控制設(shè)備等等可被使用。在輔助模式中，整個系統(tǒng)可以用來接通開關(guān)、測量溫度、激活泵、以模擬和數(shù)字兩種方式向任意可尋址的地點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)或從這些地點(diǎn)接收數(shù)據(jù)。這樣，任一種想要的設(shè)備可被放在遠(yuǎn)的地點(diǎn)并在微控制器的控制下被訪問。這些工作是在輔助模式中操作相關(guān)數(shù)據(jù)總線的同時，通過經(jīng)由數(shù)據(jù)輸出端22，24和26發(fā)送和接收數(shù)據(jù)及控制信號以便和尋址位置的遠(yuǎn)端設(shè)備通信和控制遠(yuǎn)端設(shè)備而完成的。
由微處理器發(fā)送的地址信號經(jīng)由控制接口，沿著控制總線并通過開關(guān)模塊440。同數(shù)據(jù)總線的情況一樣，形成控制總線的線對具有的第一端442被集成到電纜12里，它具有的第二端444在第二端400處被集成到電纜中。
直流電力經(jīng)由直流電源56被提供給地址電路，該電源也使用開關(guān)模塊440。電源線的第一端446被集成到電纜12，它的第二端448通過電纜400返回中央處理器。由于電纜的任一端可被用來發(fā)送地址信號和以與使用數(shù)據(jù)總線任一端的同樣方式提供電源，因此這就提供了控制總線和電源線的交替工作。
圖8也顯示了在微控制器40的控制下，在串行412或并行410數(shù)據(jù)輸出端處如何提供數(shù)字式數(shù)據(jù)。任一數(shù)據(jù)總線上，到達(dá)中央處理器的模擬數(shù)據(jù)可經(jīng)過選擇模塊450被選擇，并在濾波模塊452中進(jìn)行反混疊濾波后，被發(fā)送到一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器454。在模數(shù)轉(zhuǎn)換器454中被轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式以后，數(shù)據(jù)可以從并行輸出端410得到，或者在模塊456中完成從并行到串行的轉(zhuǎn)換之后，從串行輸出端412得到。
從前面的描述中將會明白，本系統(tǒng)具有擴(kuò)大的容錯能力。如果一根單數(shù)據(jù)總線被中斷，則中央控制器可以使用一根替換的數(shù)據(jù)總線。這之所以可能是因?yàn)閭鞲衅鹘涌诒幻钊グ阉鼈兊膫鞲衅魍娎|中的多條并行數(shù)據(jù)總線的任一條總線相連。如果整個電纜被切斷，傳感器仍然能被尋址到，其所采用的方法僅僅是命令開關(guān)模塊422，424，426和440使用電纜的第二端而不是第一端，從而通過電纜第二端來訪問它們。
此外，區(qū)域可能通過配備一個旁路總線(比如圖7中所示的旁路總線406)而提供與中央控制器通信的替代裝置。在沿著主電纜的不同位置，僅僅通過添加連接到附加總線的附加模塊408來提供多條旁路總線。如果在一個提供有一個旁路的部分上發(fā)生了故障，中央控制器能通過使用旁路總線繼續(xù)操作余下的部分。如下所述，旁路總線可被應(yīng)用來一次旁路一個單數(shù)據(jù)總線，或可被應(yīng)用來旁路所有數(shù)據(jù)總線以及控制總線和電源總線。
圖9提供了控制接口420(圖8中以方塊圖形式顯示)的電路簡圖，此接口在總線458上從微控制器取得地址信號，然后通過開關(guān)模塊440傳送此信號，并最后出現(xiàn)在控制總線的相應(yīng)端?？刂平涌?20與地線462和電源線464相連?？刂平涌谥饕哂袑?shù)字地址信號從由微控制器40提供的輸出范圍轉(zhuǎn)換到優(yōu)選實(shí)施方案中適合于傳感器接口內(nèi)地址識別電路的不同的電壓范圍(0到KPV)的功能。其它類型的數(shù)字通信方法也可以被使用?？刂平涌谝矠楦L的導(dǎo)線和附加傳感器提供驅(qū)動電流。
圖10提供了連同本發(fā)明這種實(shí)施方案所使用的總線接口的電路簡圖。連同本發(fā)明這種實(shí)施方案所使用的總線接口與連同第一種實(shí)施方案所使用的總線接口相類似，但是不需要將地址信號加到數(shù)據(jù)總線上?？偩€接口414，416和418都是完全一樣的，因此，只有總線接口414被顯示。如果電纜中提供了第四根數(shù)據(jù)總線，就將使用第四個總線接口并且需要類似于422，424和426的附加開關(guān)模塊。
總線接口414包括恒定電流的傳感器電源466，該電源沿著連接到總線接口的數(shù)據(jù)總線，給加速度計提供恒流源。線468和470通過集成開關(guān)422連接到相關(guān)的數(shù)據(jù)總線，如圖8所示。開關(guān)472和474優(yōu)選為繼電器，它們在微控制器40的控制下操作，當(dāng)進(jìn)入輔助模式時，它們可以斷開恒流源466。在正常工作模式下，恒流電源466為加速度計提供恒定電流電源。在輔助模式中，該電源并不是必須的，并且可能在輔助模式操作期間干擾與它連接的設(shè)備。
當(dāng)進(jìn)入輔助模式時，開關(guān)476和478同樣由微控制器40控制。這些繼電器允許在數(shù)據(jù)輸出端22和數(shù)據(jù)總線之間的直接的兩線連接，而無需任何到恒流電源466或其它電子電路的連接。微控制器40經(jīng)由控制器導(dǎo)線472控制總線接口414。
電路480和482監(jiān)視進(jìn)入的加速度計數(shù)據(jù)(這些數(shù)據(jù)包括直流偏壓和交流數(shù)據(jù)電壓)以證實(shí)信號是在有效的范圍內(nèi)，并且沒有因?yàn)橄薹蝻柡投换?。它們基本上對?yīng)于數(shù)據(jù)監(jiān)視模塊88和90，而這些模塊在本發(fā)明第一個實(shí)施方案中已經(jīng)結(jié)合圖3描述了，因此，這里就不詳述了。觸發(fā)器484和數(shù)據(jù)監(jiān)視電路480一起運(yùn)行，用以保持任何的出錯指示，直到由微控制器40通過線486進(jìn)行確認(rèn)和清除為止。
當(dāng)運(yùn)行在標(biāo)準(zhǔn)模式時，這種實(shí)施方案中總線接口電路的功能是給加速度計提供恒流電源，并且監(jiān)視進(jìn)入的數(shù)據(jù)的有效性。而運(yùn)行在輔助模式時，總線接口電路斷開不必要的線路，以便在中央控制器和在總線系統(tǒng)遠(yuǎn)處所連接的任意類型設(shè)備之間產(chǎn)生一個兩線連接。
圖8，9和10所示的中央控制器可被復(fù)制以形成一個遠(yuǎn)端控制器，該控制器可被連接在電纜的任何地方以便在一個遠(yuǎn)端工作位置上提供中央控制的所有特征。當(dāng)此遠(yuǎn)端控制器被連接到電纜上，它命令中央控制器通過打開開關(guān)模塊422，424，426和440中的繼電器而將它自己從電纜上斷開。
圖8，9和10以及對它們的討論完成了對中央和遠(yuǎn)端控制器中電子線路描述。圖11到13顯示的是第二個實(shí)施方案中這些控制器使用的傳感器接口。這些傳感器接口可以在下述單元中找到單獨(dú)的C/M模塊、分配盒(它起多個C/M模塊的作用，并帶有一些共享的線路)、旁路總線的末端處的408模塊，這些傳感器也可被合并入加速度計14本身之中。
圖11和12一起顯示的是單個傳感器接口的電路簡圖。在與分配模塊21有關(guān)的敘述中，經(jīng)常希望在同一個普通位置上放置幾個傳感器，以便例如監(jiān)視水泵或其它振動機(jī)械上的幾個點(diǎn)。通過將傳感器連接到單個盒子來做到這一點(diǎn)可使花費(fèi)不太貴，該單個盒子即分布模塊21，其中共同的電路可以被每個傳感器共享，而不要為每個傳感器復(fù)制一個電路。
圖11和12被劃分為兩種電路，一種是可被幾個傳感器共享的電路(圖11)，另一種電路是不能被共享，但它對每個要被尋址訪問的傳感器來說是必須的(圖12)。分配盒21內(nèi)將會有一個圖11中電路的實(shí)例，它將被共用并將服務(wù)于該盒內(nèi)的所有傳感器接口。然而，圖12內(nèi)的電路將按照盒內(nèi)傳感器接口的數(shù)目被復(fù)制。圖13內(nèi)的電路是一個長線驅(qū)動器，它將在下面描述，對于連接到分配盒的每條數(shù)據(jù)總線都有這個電路的一個實(shí)例。
參照圖11，控制總線線對的信號引線442在488處連接到傳感器接口，控制總線線對的其它部分連接到地。如前所述，連接到每個傳感器接口時，控制總線442和電纜中剩下的總線保持原樣。電纜也可選擇成返回到中央控制器，在這種情況下，電纜中總線的任一端可被選中并使用。必須注意的是，在同一個時間，所有的總線從一個單端驅(qū)動，并且對于正確操作不需要連續(xù)的閉環(huán)連接。
在490處給傳感器接口供電，490與閉環(huán)電源總線446和448連接。在490處提供的電源經(jīng)由電壓調(diào)整器492調(diào)整并轉(zhuǎn)換成恰當(dāng)?shù)妮^低的直流電壓，然后通過電源引線DPV 494給電路的余下部分供電。電源電路493和繼電器495在輔助電源切換期間被使用，從而給有特殊電源需求的輔助設(shè)備供電。如下所述，當(dāng)系統(tǒng)使用輔助模式并且通過546發(fā)現(xiàn)了一個傳感器接口地址匹配時，繼電器495由觸發(fā)器551通過線553被控制。
電位比較器496被用來識別圖14A中所示的地址信號中的清除(CLEAR)信號502。清除信號502先于其它地址信號，它被用來在發(fā)送信號之前使所有傳感器接口復(fù)位，該發(fā)送的信號識別與它連接的傳感器接口以及它們必須連接的總線。電位比較器496和其相關(guān)的電阻和電容經(jīng)由線498被連接到控制總線488。當(dāng)負(fù)向清除(CLEAR)信號502被加到控制總線時，電位比較器496就在OFF線上產(chǎn)生一個信號。
參照圖14A，地址信號中的地址序列由負(fù)向清除信號502開頭。此脈沖復(fù)位對于每個傳感器接口的電路，并使之初始化，以便接收隨后的四個地址信號部分504，506，508和510。這些地址信號部分中的每一部分包含16個比特。圖14A中沒有表示出這些地址信號部分中的各單獨(dú)的比特。圖14B表示了一個地址部分，并且詳細(xì)顯示了16個比特。每個地址部分的第一比特通常是數(shù)字1，它被用來指示地址部分的開始。后八比特構(gòu)成了唯一的傳感器接口的地址，用以指定一個選中的傳感器接口。再后面四比特是總線地址，用以指定傳感器應(yīng)該連接到的總線。再后一比特指定是否使用輔助模式。剩下的比特沒有被使用，但如果要使用更多的數(shù)據(jù)總線，則它們也是可供使用的。很明顯，其它形式的比特設(shè)置也是可能的。
圖11和12所示的傳感器接口是想要給包括多達(dá)4根獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線的電纜使用的。圖8，9和10所示的中央控制器僅僅結(jié)合3根獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線被加以說明，然而可以毫無困難地加上第4根獨(dú)立數(shù)據(jù)總線。如果想要，附加數(shù)據(jù)總線也可以被包括在內(nèi)。
地址部分504，506，508和510中的正向比特被圖11中的電壓比較器512探測。電壓比較器512連接到單穩(wěn)電路514上，此單穩(wěn)電路在線516上產(chǎn)生時鐘脈沖，如圖14C所示。同步脈沖在緊跟在每個同步比特之后的地址比特處選通輸入，這就和先前在第一個實(shí)施方案中結(jié)合傳感器接口所作的描述一樣。來自512的地址信號也被輸入到兩個8比特的移位寄存器518，520，它們被連接在一起形成一個單個16比特移位寄存器。地址部分504，506，508和510中的每個部分都包括16比特，這些比特被順序地移入由518和520組成的16比特移位寄存器。象圖14B中的比特522所表示的那樣，每個地址部分的第一比特總是1。在接收這個比特之前，移位寄存器被清除，因此，當(dāng)所有16比特被移入寄存器時，寄存器520的QH輸出包含第一比特，并在16個同步比特后，該輸出從0切換到1用以激活使能(ENABLE)線524。
當(dāng)使能線524改變狀態(tài)時，這就表示，現(xiàn)在可以從8比特移位寄存器518和520的輸出端有效地讀出傳感器接口地址和總線地址。移位寄存器520的七個輸出QA-QG和移位寄存器518的QH輸出包括了傳感器接口地址的8比特，它們分別被標(biāo)記為A0到A7。緊跟其后的是在移位寄存器518的輸出QD-QG中的總線地址。在優(yōu)選實(shí)施方案中，跟在傳感器地址后的第一比特對應(yīng)于總線A，第二比特對應(yīng)于總線B，第三比特對應(yīng)于總線C，第四比特對應(yīng)于總線D(如果使用的話)。附加總線可以根據(jù)需要增加。然而，既然這種實(shí)施方案只使用4根數(shù)據(jù)總線，到達(dá)移位寄存器518輸出端QC的隨后的比特被用來表示選中的數(shù)據(jù)總線是否工作在輔助模式下。移位寄存器518的輸出端QA和QB沒有被使用，但可供在擴(kuò)展的系統(tǒng)中使用。
參照圖14B，傳感器接口地址522的第一比特將在移位寄存器520輸出端QG處被讀出，而傳感器接口地址526的最后一比特將在移位寄存器518輸出端QH處被讀出。如圖14B中所示的一例，總線地址在比特528上有一個1，它將到達(dá)現(xiàn)在移位寄存器518輸出端QG，它表示總線A要被具有匹配的傳感器接口地址的傳感器接口使用。
觸發(fā)器530和532形成一個時間窗，在此期間傳感器地址和總線地址進(jìn)入移位寄存器518和520。當(dāng)上述總是1的第一比特進(jìn)入移位寄存器時，它同時也進(jìn)入觸發(fā)器530并且觸發(fā)它。當(dāng)那個比特到達(dá)移位寄存器520的QH輸出端，它觸發(fā)觸發(fā)器532，以使觸發(fā)器530復(fù)位。這樣又依次激活單穩(wěn)電路534，然后使移位寄存器518和520在接收附加的16比特地址之前復(fù)位和清零。這個復(fù)位操作發(fā)生在每個地址部分504，506，508和510中16個比特之間，但是其定時是這樣安排的，使得在數(shù)據(jù)被讀入并對前面的地址部分起作用之后，才進(jìn)行對移位寄存器的復(fù)位和清零。
因此，當(dāng)移位寄存器518，520在進(jìn)入的地址部分被存滿16比特時，標(biāo)以參考數(shù)字540的A0到A7包含選中傳感器接口的傳感器接口地址，而標(biāo)以參考數(shù)字542的A-D包含總線地址。輸出544將包含用于指示是否要進(jìn)入輔助模式的比特。
參照圖12，輸出端540上的傳感器接口地址比特被連接到一個八比特的比較芯片546上。當(dāng)使能(ENABLE)線524指示，該地址有效并且已經(jīng)被裝入移位寄存器518，520時，8比特比較芯片546將指定的地址和開關(guān)單元548中設(shè)定的傳感器接口的實(shí)際地址相比較。開關(guān)單元548為每個傳感器接口設(shè)定唯一的地址。它可以用機(jī)械開關(guān)而采取人工設(shè)置，或者象第一個實(shí)施方案那樣，可使用一種可電子設(shè)置的地址。
將會理解，圖12表現(xiàn)的是連接到總線的每個傳感器接口的電路。因此，上述的比較將同時發(fā)生在連接到控制總線上的每個傳感器接口。只有一個傳感器接口有指定的地址，并且只有一個產(chǎn)生與它的8比特比較芯片546的匹配。當(dāng)由546找到一個匹配時，輸出端550改變狀態(tài)，并且指示芯片552把與該傳感器接口有關(guān)的傳感器連接到總線地址輸出端口542中指定的總線地址上。
輸出端542指示使用一條數(shù)據(jù)總線，而且，由芯片552使用那條數(shù)據(jù)總線來關(guān)閉開關(guān)554，556，558和560中的一個。這些開關(guān)優(yōu)選地是繼電器，它們用來提供在傳感器連接點(diǎn)562和連接到點(diǎn)564，566，568和570的指定的數(shù)據(jù)總線之間的直接機(jī)械連接。在不需要帶有直接的電連接的輔助模式的地方，這些開關(guān)可以是場效應(yīng)管開關(guān)或某些其它類型的電子開關(guān)。
從以上說明可以看出，傳感器連接點(diǎn)562可以有一個傳感器與它連接，比如一個加速度計，或者可以有一個旁路總線與它連接，或者它可以連接到普通的控制設(shè)備。由于地址信號部分中指定的傳感器接口地址和總線地址，傳感器連接點(diǎn)562將被連接到合適的總線A，B，C或D上，而這些總線通常分別與點(diǎn)564，566，568和570相連。
前面給出的對旁路總線的描述已經(jīng)假定旁路總線是一個單數(shù)據(jù)總線，它與一個標(biāo)準(zhǔn)傳感器接口的傳感器連接點(diǎn)相連，而且通過尋址該傳感器接口和命令它旁路一個指定的數(shù)據(jù)總線而被切換到操作狀態(tài)。也可以看出到，在旁路總線兩端的傳感器接口可被分配以同樣的地址，這樣當(dāng)尋址時，它們就一起切換。
在一個替代旁路結(jié)構(gòu)中，來自8比特比較芯片546的輸出550可被用來切換對于所有數(shù)據(jù)、控制和電源總線上的多個繼電器(或一個多極繼電器)，用以在旁路電纜上旁路全部電纜，旁路電纜包含用于每個數(shù)據(jù)、控制和電源總線的兩根獨(dú)立線對。用于這種旁路電纜設(shè)計的繼電器有兩個位置，一個位置使輸入總線連接到通常的輸出總線；第二個位置使輸入總線連接到旁路電纜中的相應(yīng)旁路總線。
當(dāng)圖11和12中的傳感器接口靠近中央控制器時，本系統(tǒng)正常使用的加速度計可被直接連到數(shù)據(jù)總線，并且此傳感器直接驅(qū)動數(shù)據(jù)總線向中央控制器傳送數(shù)據(jù)。然而，當(dāng)中央控制器和傳感器接口間的距離過大時，加速度計直接驅(qū)動數(shù)據(jù)總線將是困難的。在這種情況下，可以使用圖13中所示的長線驅(qū)動器來驅(qū)動長導(dǎo)線并可靠地向中央控制器傳送數(shù)據(jù)。圖13的長線驅(qū)動器必須位于連接到傳感器連接點(diǎn)562的傳感器和數(shù)據(jù)總線之間。在優(yōu)選設(shè)計中，這是通過將連接點(diǎn)564、566、568和570和相關(guān)的數(shù)據(jù)總線A-D連接起來來完成的。
參照圖12和13，當(dāng)芯片552將傳感器連接點(diǎn)562和線564上數(shù)據(jù)總線A相連接時，它同時也切換與圖13中長線驅(qū)動器相連的輸出574。這就使繼電器驅(qū)動器576驅(qū)動繼電器578和580，并且使驅(qū)動器582連接在輸入564和輸出584(它與總線A相連)之間。這樣，當(dāng)選中了某條總線時，該總線的長線驅(qū)動器就被切換成使用狀態(tài)。
當(dāng)繼電器580工作時，它的下面一半接通恒流源二極管586并給驅(qū)動器582接上電源。這就允許在局部提供恒流源。此外，也就意味著，在長線驅(qū)動器不在使用時，它不消耗電源，這一點(diǎn)，對于如果系統(tǒng)中有大量的傳感器就至關(guān)重要了。
導(dǎo)線驅(qū)動器在分配盒21設(shè)計中格外有用，因?yàn)?個導(dǎo)線驅(qū)動器(每條總線一個)可以被四個以上的傳感器共享。圖11中的普通電路也以同樣的方式被共享。每條數(shù)據(jù)總線只需要一個導(dǎo)線驅(qū)動器，并且不管哪個數(shù)據(jù)總線被選中，都將會有在適當(dāng)?shù)臅r間被連接的其相關(guān)的導(dǎo)線驅(qū)動器。
從前述明顯的描述中，可以看出所提出的發(fā)明目的被高效地實(shí)現(xiàn)，并且由于在上述結(jié)構(gòu)中可作出某些改動而不背離本發(fā)明精神和范圍，因此希望將包含在以上描述的或附圖所示的所有內(nèi)容看作為說明性的，而不是限制性的。
這樣，前面已經(jīng)描述了本發(fā)明，下面是權(quán)利要求的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種多點(diǎn)控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包括形成一根電纜的多條并行數(shù)據(jù)總線；包含在電纜中的控制總線；中央控制器包括對應(yīng)于多條并行數(shù)據(jù)總線的多個總線接口電路，每個總線接口電路連接到對應(yīng)的數(shù)據(jù)總線上，用于接收在對應(yīng)的數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)，連接到控制總線的控制接口電路，控制接口電路適合于發(fā)送地址信號，此信號指定一個傳感器接口地址和多條數(shù)據(jù)總線中所選中的一條數(shù)據(jù)總線；以及具有相應(yīng)傳感器接口地址的多個傳感器接口，每個傳感器接口與一條以上的數(shù)據(jù)總線相連，每個傳感器接口包括一個適合連接傳感器的傳感器連接點(diǎn)，并且每個傳感器接口還包括一個與控制總線相連的地址識別電路，每個傳感器接口的地址識別電路響應(yīng)于控制總線中的地址信號，當(dāng)傳感器接口的相應(yīng)傳感器接口地址被包含在地址信號中時，將傳感器連接點(diǎn)連接到地址信號中指定的多條數(shù)據(jù)總線中所選中的一條數(shù)據(jù)總線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的多點(diǎn)控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，多條數(shù)據(jù)總線的每條數(shù)據(jù)總線都有一個第一端和一個第二端，并且每個總線接口電路可選擇地連接到相應(yīng)數(shù)據(jù)總線的第一端或第二端，用以經(jīng)由選中的第一或第二端通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)總線接收數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的多點(diǎn)控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，至少有兩個傳感器接口通過一個旁路總線連接在一起，而此旁路總線與至少兩個傳感器接口的傳感器連接點(diǎn)相連，由此，當(dāng)在地址信號中指定了至少兩個傳感器接口的地址時，該旁路總線可以用來傳送數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的多點(diǎn)控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，還包括形成第二根電纜的第二多條并行數(shù)據(jù)總線；包含在第二根電纜中的第二控制總線；中央控制器還包括對應(yīng)于第二多條并行數(shù)據(jù)總線的第二多個總線接口電路，每個第二多個總線接口電路連接到第二多條數(shù)據(jù)總線中的對應(yīng)的一條數(shù)據(jù)總線上；以及連接到第二控制總線上的第二控制接口電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的多點(diǎn)控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，所述的中央控制器還包括一個傳感器電源，此電源通過地址信號中指定的多條數(shù)據(jù)總線中的選中的數(shù)據(jù)總線，給具有地址信號中指定的傳感器接口地址的傳感器接口提供電源。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的多點(diǎn)控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，所述的傳感器電源包括一個恒流源。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的多點(diǎn)控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，所述的中央控制器包括第一多個輔助模式連接開關(guān)，它與多條數(shù)據(jù)總線中的相應(yīng)數(shù)據(jù)總線相連，并且多個傳感器接口包括第二輔助模式連接開關(guān)，此開關(guān)也連接到多條數(shù)據(jù)總線中的相應(yīng)的數(shù)據(jù)總線上，第一和第二多個輔助模式開關(guān)在中央控制器的控制下操作，以便在以下兩個模式之間切換，即一個模式是在選中的數(shù)據(jù)總線上給指定的傳感器接口提供電源的正常操作模式，另一個模式是在選中的數(shù)據(jù)總線上直接連接到指定傳感器的輔助模式。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的多點(diǎn)控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，所述的中央控制器還包括一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器，為了從由中央控制器接收到的模擬數(shù)據(jù)中提供數(shù)字式輸出數(shù)據(jù)，該轉(zhuǎn)換器可選擇地與多條數(shù)據(jù)總線中的指定的一條數(shù)據(jù)總線相連。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的多點(diǎn)控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，所述的中央控制器還包括一個與模數(shù)轉(zhuǎn)換器相連的并行輸出端，用以提供并行數(shù)字輸出數(shù)據(jù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的多點(diǎn)控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，所述的中央控制器還包括一個與模數(shù)轉(zhuǎn)換器相連的串行輸出端用以提供串行數(shù)字式輸出數(shù)據(jù)。
11.根據(jù)權(quán)利要求8的多點(diǎn)控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，所述的中央控制器還包括與模數(shù)轉(zhuǎn)換器相連的濾波器，用以在將模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)之前對模擬信號進(jìn)行濾波。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的多點(diǎn)控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，還包括多個導(dǎo)線驅(qū)動器，它們在遠(yuǎn)離中央控制器的位置上與多條數(shù)據(jù)總線中的相應(yīng)數(shù)據(jù)總線相連。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的多點(diǎn)控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，所述的多個導(dǎo)線驅(qū)動器包括一個局部恒流電源。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的多點(diǎn)控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，所述的多個導(dǎo)線驅(qū)動器當(dāng)不在使用時沒有接上電源。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的多點(diǎn)控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，所述的中央控制器還包括用于選擇想要的傳感器的輸入裝置。
16.根據(jù)權(quán)利要求1的多點(diǎn)控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，還包括遙控器，它適合控制該多點(diǎn)控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它在電纜中遠(yuǎn)離中央控制器一點(diǎn)處與多條并行數(shù)據(jù)總線和控制總線相連。
17.根據(jù)權(quán)利要求1的多點(diǎn)控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，還包括旁路電纜，此電纜包含有多條并行旁路數(shù)據(jù)總線和連接到兩個傳感器接口的旁路控制總線，用于將第一多條并行數(shù)據(jù)總線和第一控制總線切換到旁路電纜。
18.根據(jù)權(quán)利要求1的多點(diǎn)控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，所述的中央控制器還包括與多條并行數(shù)據(jù)總線中的相應(yīng)的并行數(shù)據(jù)總線相連的數(shù)據(jù)輸出裝置。
全文摘要
一個多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),它使用多條并行數(shù)據(jù)總線將中央控制器(10)連接到可尋址傳感器接口上,用以允許任一傳感器(14—16)經(jīng)由任一條數(shù)據(jù)總線(12)連接到中央控制器(10)上。每條數(shù)據(jù)總線(12)的兩端連接到中央控制器(10),允許傳感器接口即使在所有數(shù)據(jù)總線都被切斷的情況下也能被尋址訪問。數(shù)據(jù)總線(12)上的錯誤以及損壞的傳感器接口可以通過一條或多條旁路總線(406)被旁路掉,該旁路總線如所期望的那樣,可以可尋址地切換到使用狀態(tài)。
文檔編號G01M99/00GK1189214SQ96195121
公開日1998年7月29日 申請日期1996年6月5日 優(yōu)先權(quán)日1995年6月30日
發(fā)明者J·E·朱德, K·E·阿普萊, S·J·德弗蘭克斯科 申請人:振動測量公司