專利名稱：用于預(yù)測性限制雙線儀器總線中的功耗的總線儀器和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于雙線儀器總線的總線儀器和方法，且更具體而言涉及用于預(yù)測性 限制雙線儀器總線中的功耗的總線儀器和方法。
背景技術(shù)：
總線回路(bus loop)常用于連接諸如在工業(yè)環(huán)境中的各種儀器。總線回路可以 向總線儀器提供電力?？偩€回路可以實現(xiàn)總線儀器和(多個)外部裝置之間的通信。例如， 總線回路常用于報告總線儀器測量且還可以實現(xiàn)總線儀器的控制。一個總線回路協(xié)議是雙線總線協(xié)議，因為內(nèi)在功率限制，有時被稱為4-20微安 (mA)總線。該總線協(xié)議可以用于簡單地僅使用兩個導(dǎo)線將儀器連接到總線，其中兩個導(dǎo)線 提供電力和電子通信。這種總線協(xié)議可以用在危險或爆炸環(huán)境中，例如在這些環(huán)境中，由于 安全原因，電力是受限的。公共雙線總線協(xié)議中的測量值的通信包含控制和改變汲取電流，使之處于預(yù)定范 圍，諸如4至20mA之間。在這種總線協(xié)議中，通過控制總線回路中的回路電流為4mA表示 零流條件。根據(jù)雙線總線協(xié)議，小于4mA的總線回路電流不是有效的測量，且可以包含總線 儀器的通電階段或一些其他方式的信令。同樣，最大流量可能導(dǎo)致總線儀器控制總線回路 電流約為20mA。主機(jī)(host)系統(tǒng)連接到雙線總線回路且提供調(diào)節(jié)的電力且接收從所有相連的總 線儀器用信號發(fā)送的通信。主機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換電流量(即，測量值)且將測量值傳遞到諸如監(jiān)控 計算機(jī)的外部裝置。受限的電流和受限的電力可能是有問題的。總線儀器必須準(zhǔn)確和可靠地操作而不 能超過電流限制。總線儀器中增加的功率需求可能導(dǎo)致儀器的電流需求超過可用協(xié)議規(guī)定 的量。而且，在最小流量的條件下，雙線總線儀器不能消耗多于4mA的電流。這種低電流水 平可能是有問題的，且可能是不足以操作總線儀器的電流。在一些實施例中，如果功耗達(dá)到或超過可用功率限制，則可能導(dǎo)致錯誤條件。在一 些實施例中，錯誤條件可能導(dǎo)致總線儀器的故障或不可靠操作。在一些實施例中，錯誤條件 可能導(dǎo)致總線儀器中處理器或多個處理器的重置。因此，在所有可能條件下，希望總線儀器的功耗保持低于可允許功率限制。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的一個方面中，一種總線儀器配置成預(yù)測性地限制功耗且適于與雙線儀 器總線一起使用，該總線儀器包含
傳感器；
分流(shunt)調(diào)節(jié)器，配置成分流過度電流；以及
控制器(controller)，耦合到該分流調(diào)節(jié)器和傳感器(sensor)，其中該控制器配置成 產(chǎn)生在回路電流込變化之后將可用于總線儀器的預(yù)測(predicted)可用功率Ppredieted，將預(yù)測可用功率Ppredi。ted與包含控制器功率P。。nte。llCT加上傳感器功率Psmsw的當(dāng)前時間功率Pttl 進(jìn)行比較，且如果預(yù)測可用功率Pralirted小于控制器功率P。。nte。llCT加上傳感器功率psms ，則 減小傳感器功率Psms 。優(yōu)選地，控制器還配置成從傳感器接收測量值且從該測量值產(chǎn)生預(yù)測回路電流L next，其中使用預(yù)測回路電流I^xt產(chǎn)生預(yù)測可用功率Ppredi。ted。優(yōu)選地，減小傳感器功率Psmstff包含減小提供到傳感器的傳感器電流Isms 。優(yōu)選地，控制器還配置成確定回路電阻&和電源電壓(supply voltage) Vs。優(yōu)選地，確定回路電阻&和電源電壓Vs包含以下預(yù)備步驟測量預(yù)定第一回路電 流Iu處的第一回路電壓Vu，測量預(yù)定第二回路電流U處的第二回路電壓\2，以及從第一 和第二回路電壓Vu和\2以及第一和第二回路電流Iu和U確定回路電阻&。在本發(fā)明的一個方面中，一種用于預(yù)測性地限制雙線儀器總線的總線儀器中的功 耗的方法，包含
產(chǎn)生預(yù)測可用功率Ppredi。ted，該預(yù)測可用功率Ppralirtral將在回路電流込變化之后可用于 總線儀器；
將預(yù)測可用功率Ppralirtral與包含控制器功率P。。nte。llCT加上傳感器功率Psmsw的當(dāng)前時 間功率Pttl進(jìn)行比較；以及
如果預(yù)測可用功率Ppralirtral小于控制器功率P。。nte。llCT加上傳感器功率psms ，則減小傳 感器功率Psms 。優(yōu)選地，該方法還包含從傳感器接收測量值且從該測量值產(chǎn)生預(yù)測回路電流L next，其中使用預(yù)測回路電流I^xt產(chǎn)生預(yù)測可用功率Ppredi。ted。優(yōu)選地，減小傳感器功率Psmstff包含減小提供到傳感器的傳感器電流Isms 。優(yōu)選地，該方法還包含確定回路電阻&和電源電壓Vs的預(yù)備步驟。優(yōu)選地，確定回路電阻&包含以下預(yù)備步驟測量預(yù)定第一回路電流Iu處的第一 回路電壓Vu，測量預(yù)定第二回路電流L處的第二回路電壓\2,以及從第一和第二回路電 壓Vu和N12以及第一和第二回路電流Iu和U確定回路電阻&。


在所有附圖上，相同的參考數(shù)字代表相同的元件。應(yīng)當(dāng)注意，附圖不一定按比例示
出ο圖1示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的總線回路系統(tǒng)。圖2示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的控制器。圖3是根據(jù)本發(fā)明的實施例用于預(yù)測性限制雙線儀器總線的總線儀器中的功耗 的方法的流程圖。
具體實施例方式圖1-3以及下面的描述示意了特定示例以教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員如何利用本發(fā)明 的最佳模式。用于教導(dǎo)本發(fā)明原理的目的，一些常規(guī)方面被簡化或省略。本領(lǐng)域技術(shù)人員 應(yīng)當(dāng)意識到本發(fā)明的范圍內(nèi)的這些示例的變型。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)意識到下面描述的特 征可以以各種方式組合以形成本發(fā)明的多種變型。因此，本發(fā)明不限于下面描述的特性示例，且僅由權(quán)利要求及其等價限定。圖1示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的總線回路系統(tǒng)100?？偩€回路系統(tǒng)100包括主 機(jī)系統(tǒng)1、雙線總線回路4以及連接到雙線總線回路4的總線儀器10。主機(jī)系統(tǒng)1可以包 括電源2、信令電阻器(signaling resistor) Rs以及耦合到信令電阻器&的測量裝置3。 在一些實施例中，總線回路系統(tǒng)100可以包括內(nèi)部安全(intrinsically safe) (I. S.)柵 (barrier)(見虛線)。I. S柵可以包含設(shè)計為防止危險環(huán)境的物理柵。主機(jī)系統(tǒng)1在雙線總線回路4上產(chǎn)生回路電壓\和回路電流Ip回路電壓\諸 如可以通過內(nèi)部安全(I. S.)協(xié)議或其他危險或爆炸保護(hù)協(xié)議基本上限定或限制。在一些 雙線總線回路系統(tǒng)100中，回路電壓Vl設(shè)置在16至36伏特(V)之間?；芈冯妷篤L依賴于 電源電壓Vs和回路電流Ip回路電流L由控制器20設(shè)置但是被適用總線或I. S.協(xié)議約 束。因此，控制器20可以以受限的方式改變回路電流Ip在這種協(xié)議中，回路電流、可以 限制為不大于24mA，且典型范圍為4mA到20mA (或IOmA至20mA)，以將測量值傳送至主機(jī) 系統(tǒng)1。然而，其他回路電流值是可以預(yù)期的且處于說明和權(quán)利要求的范圍內(nèi)。而且，電源 2提供的回路電壓\可以不固定且可能需要被測量以確定功率?；芈冯妷篭可以偏離電 源電壓Vs。電源L流經(jīng)信令電阻器&且形成可變電壓。測量裝置3測量信令電阻器&兩端 形成的電壓且將電壓轉(zhuǎn)換成測量信號。因此，回路電流l·將來自傳感器13和控制器20的 測量傳輸?shù)街鳈C(jī)系統(tǒng)1且最終傳輸?shù)?多個)外部裝置。另外，如有需要，數(shù)字通信信令可以 疊加在回路電流込上?？偩€儀器10可以包含任何方式的儀器。出于說明目的，總線儀器10可以包含流 量計。當(dāng)總線儀器10是包括Coriolis流量計或振動密度計的流量計時，傳感器13包含振 動驅(qū)動器?？偩€儀器10包括傳感器13、控制器20和分流調(diào)節(jié)器14。而且，總線儀器10可以 包括回路電流控制器23以及用于傳感器13和控制器20的電壓轉(zhuǎn)換器對和25。在一些實 施例中，傳感器13可以包含耦合到總線儀器10的單獨(dú)組件(未示出)。傳感器13可以包含 任何方式的傳感器，例如流量計。然而，其他傳感器是可預(yù)期的且落在說明和權(quán)利要求的范 圍內(nèi)?？刂破?0耦合且控制傳感器13和回路電流Ip控制器20可以操作傳感器13且 可以處理從傳感器13接收的信號以傳輸測量值作為以在雙線總線回路4中流過的可變回 路電流l·形式的模擬輸出電流。從圖可以看出，提供到總線儀器10的回路電流L包含在控制器20中流動的控制 器電流I。。nte。llCT、在傳感器13中流動的傳感器電流Ismsw以及在分流調(diào)節(jié)器14中流動的分 流電流Ishunt。應(yīng)當(dāng)理解，回路電流l·不固定。因為構(gòu)建于總線回路系統(tǒng)100內(nèi)的測量通信協(xié)議和功率限制，總線儀器10能夠消 耗主機(jī)系統(tǒng)1提供的所有電力(或者能夠要求比可用功率更多的功率)。因此，總線儀器10 可以是連接到雙線總線回路4的唯一儀器。因為回路電流込受限，總線儀器10可以僅消耗可用電流。因此，如果總線儀器10 產(chǎn)生的測量值對應(yīng)于IOmA的回路電流Iy且總線儀器僅需要8mA來產(chǎn)生測量，則總線儀器 10必須吸收(sink)或消耗過度的2mA以從主機(jī)系統(tǒng)1拉出10mA。分流調(diào)節(jié)器14配置成吸收過度的2mA電流。電源2提供包含回路電壓Vl乘以回路電流Il的總可用(available)功率Pavailable。 總可用功率Pavailable還包含總線儀器10的組件消耗的功率，即
Pavailable Pshunt+Psensor+Pcontrolle
r0控制器功率P。。nte。llCT相對固定。因此，可能希望改變傳感器功率Psmsw以避免超過總可用
功率P available°總線儀器10配置成預(yù)測性地限制雙線儀器總線中使用的功耗。總線儀器10配置 成產(chǎn)生在回路電流l·變化之后將可用于總線儀器10的預(yù)測可用功率Ppralirted，將預(yù)測可用 功率Ptmdirted和包含控制器功率P。。nte。llCT加上傳感器功率Psensw的當(dāng)前時間的功率Pttl進(jìn)行 比較，且如果預(yù)測可用功率Ppralirted小于控制器功率P。。nte。llCT加上傳感器功率psens ，則減小 傳感器13中的傳感器功率Psms 。以這種方式，在可以減小功率之前，功率不會超過限制。有利地，根據(jù)本發(fā)明的總線儀器和方法可以預(yù)測性地控制功耗以不超過適用總線 或I. S協(xié)議。而且，總線儀器和方法可以預(yù)先執(zhí)行功率調(diào)節(jié)，防止可能在總線儀器用完可用 功率時發(fā)生的欠壓(brown-out)、重置、錯誤測量值或其他問題。而且，該總線儀器和方法可 以根據(jù)功率限制基本維持間隔或緩沖，其中不希望的功率需求尖峰不會超過功率限制。圖2示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的控制器20?？刂破?0可以包括接口 201、處理系 統(tǒng)203、電流計250以及電壓計252。處理系統(tǒng)204耦合到分流調(diào)節(jié)器14、接口 201、電流計 250和電壓計252。在一些實施例中，控制器20經(jīng)由接口 201耦合到傳感器13?？刂破?0經(jīng)由接口 201從傳感器13接收傳感器信號?？刂破?0處理傳感器信 號以獲得數(shù)據(jù)。接口 201可以執(zhí)行任何必要或期望的信號調(diào)節(jié)，諸如任何形式的格式化、放 大、緩沖等。備選地，可以在處理系統(tǒng)203中執(zhí)行一些或全部信號調(diào)節(jié)。另外，接口 201可 以實現(xiàn)控制器20和外部裝置之間的通信。分流調(diào)節(jié)器14配置成分流過度電流。不被控制器20或傳感器13消耗的所有電 流被分流調(diào)節(jié)器14消耗。電流計250配置成測量電流且將測量結(jié)果提供到處理系統(tǒng)203。在一些實施例 中，電流計250可以測量分流電流Ishmt。在一些實施例中，電流計250可以測量傳感器電流
I sensor°電壓計252配置成測量總線回路電壓\且將測量結(jié)果提供到處理系統(tǒng)203?；芈?電壓\可以包含在總線儀器10處可用的電壓。處理系統(tǒng)203指導(dǎo)控制器20的操作且處理從傳感器13接收的測量結(jié)果。處理系 統(tǒng)203可以包含通用目的計算機(jī)、微處理系統(tǒng)、邏輯電路或一些其他通用目的或定制處理 裝置。處理系統(tǒng)203可以分布在多個處理裝置中。處理系統(tǒng)203可以包括任何形式的集成 或獨(dú)立的電子存儲介質(zhì)，諸如存儲系統(tǒng)204。存儲系統(tǒng)204可以存儲參數(shù)和數(shù)據(jù)、軟件例程、常量值以及變量值。例如，存儲系 統(tǒng)204可以存儲處理例程204、控制器功率Ml、預(yù)測可用功率Ppralieted M2、測量值對3、回路 電壓Vl 244、回路電阻& 245、電源電SVs 246、預(yù)測回路電流I^iext 247、回路電流I1^ 248 以及傳感器功率Psensw 249?？刂破鞴β?41是控制器20消耗的電功率?？刂破鞴β?41可以確定為預(yù)測可 用功率Pavailable減去傳感器功率和分流功率pshmt。控制器功率241可能需要僅被周 期性確定，因為控制器功率P。。nte。llCT將隨時間微小變化。
預(yù)測可用功率Ppredieted 242是針對特定測量值243預(yù)測的功耗。預(yù)測可用功率 Ppredicted 242用于確定測量值243是否將導(dǎo)致總線儀器10超過控制器功率P。。nte。llCT 241加 上傳感器功率Psensw 2490該確定可以用于減小功耗，使得預(yù)測回路電流Iuiext 247不導(dǎo)致 功耗超過總可用功率。測量值243包含從傳感器13接收的測量結(jié)果。在一些實施例中，測量值243在接 收新測量值時連續(xù)更新?；芈冯妷篭 244包含總線儀器10處的電壓的測量或其他確定?；芈冯妷篭 244 可以隨著回路電流l· 248變化而變化?；芈冯娮?amp; 245包含雙線總線回路4中固有的電阻的測量或其他確定(見下面的 等式1)?；芈冯娮?amp; 245可以設(shè)計為標(biāo)準(zhǔn)值且典型地將基本恒定。電源電壓Vs 246包含預(yù)定電壓值。電源電壓Vs 246根據(jù)等式2 (見下文)確定。預(yù)測回路電流Iyext 247包含基于(新)測量值243的未來回路電流的預(yù)測。預(yù)測 回路電流Iyext 247可以等于、大于或小于當(dāng)前回路電流L 2480因此，首先檢查預(yù)測回路 電流Iuiext 247以查看預(yù)測回路電流Iyext 247的應(yīng)用(作為實際回路電流込M8)是否將超 過總可用功率Pavailable 241.回路電流L 248根據(jù)測量值M3 (例如流速測量)而確定。測量值243指示回路 電流L 248且因此回路電流L 248已知。傳感器功率Psensw 249包含傳感器13消耗的功率。傳感器功率Psenstff 249包含傳 感器電流Isensw乘以已知的內(nèi)部調(diào)節(jié)電壓。傳感器電流Isensw可以通過電流計250測量。在操作中，處理例程240被處理系統(tǒng)203執(zhí)行。處理例程240控制總線儀器10以 產(chǎn)生一個或更多測量，諸如前面所討論的一個或更多流量測量。另外，處理例程240可以操 作總線儀器10以預(yù)測性限制功耗。如下面所討論，處理例程240可以執(zhí)行各種功率限制算 法。圖3是根據(jù)本發(fā)明的實施例用于預(yù)測性限制雙線儀器總線的總線儀器中的功耗 的方法的流程圖300。該方法基本在所有時間消耗全部可用功率。在步驟301，確定電源電 壓^和回路電阻&。這在傳感器操作之前完成，例如在起動或重置時完成。電源電壓^和 回路電阻&可以在操作之前從獲得的回路電壓\和回路電流Ij則量確定且隨后可以用在 總線儀器的操作中。在一些實施例中，從總線回路系統(tǒng)100的特性確定回路電阻&。例如，根據(jù)下式可 以從兩組電壓和電流測量確定回路電阻&
權(quán)利要求
1.一種總線儀器(10)，配置成預(yù)測性地限制功耗且適于與雙線儀器總線一起使用，該 總線儀器(10)包含傳感器(13);分流調(diào)節(jié)器(14)，配置成分流過度電流；以及控制器(20)，耦合到該分流調(diào)節(jié)器(14)和傳感器(13)，其中該控制器(20)配置成產(chǎn)生 在回路電流L變化之后將可用于總線儀器(10)的預(yù)測可用功率Ppralirtral，將預(yù)測可用功率 Predicted與包含控制器功率P。。nte。llCT加上傳感器功率Psmsm的當(dāng)前時間功率Pttl進(jìn)行比較，且 如果預(yù)測可用功率Pyirtral小于控制器功率P。。nte。llCT加上傳感器功率psms ，則減小傳感器功sensor°
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的總線儀器(10)，其中該控制器(20)還配置成從該傳感器 (13)接收測量值且從該測量值產(chǎn)生預(yù)測回路電流Iyext，其中使用預(yù)測回路電流Iyext產(chǎn)生 預(yù)測可用功率Ρρ—。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的總線儀器(10)，其中減小傳感器功率Psmsm包含減小提供到 傳感器(13)的傳感器電流Isms 。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的總線儀器(10)，其中該控制器(20)還配置成確定回路電阻& 和電源電壓Vs。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的總線儀器(10)，其中該控制器還配置成測量預(yù)定第一回路 電流Iu處的第一回路電壓vu，測量預(yù)定第二回路電流U處的第二回路電壓\2，以及從第 一和第二回路電壓Vu和\2以及第一和第二回路電流Iu和U確定回路電阻&。
6.一種用于預(yù)測性地限制雙線儀器總線的總線儀器中的功耗的方法，包含產(chǎn)生預(yù)測可用功率Ppredi。ted，該預(yù)測可用功率Ppralirtral將在回路電流込變化之后可用于 總線儀器；將預(yù)測可用功率Ppralirtral與包含控制器功率P。。nte。llCT加上傳感器功率Psmsw的當(dāng)前時 間功率Pttl進(jìn)行比較；以及如果預(yù)測可用功率Ppralirtral小于控制器功率P。。nte。llCT加上傳感器功率psms ，則減小傳 感器功率Psms 。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，該方法還包含 從傳感器接收測量值；從該測量值產(chǎn)生預(yù)測回路電流Iyrart，其中使用預(yù)測回路電流Iyrart產(chǎn)生預(yù)測可用功率
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中減小傳感器功率Psmsm包含減小提供到傳感器的 傳感器電流Ismsw。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，該方法還包含確定回路電阻&和電源電壓Vs的預(yù)備步驟。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中確定回路電阻&包含以下預(yù)備步驟 測量預(yù)定第一回路電流Iu處的第一回路電壓Vu ；測量預(yù)定第二回路電流Iu處的第二回路電壓以及從第一和第二回路電壓Vu和\2以及第一和第二回路電流Iu和U確定回路電阻&。
全文摘要
提供一種總線儀器(10)，該總線儀器(10)配置成預(yù)測性地限制功耗且適于與雙線儀器總線一起使用。該總線儀器(10)包含傳感器(13)、分流調(diào)節(jié)器(14)和控制器(20)。該控制器(20)配置成產(chǎn)生在回路電流IL變化之后將可用于總線儀器(10)的預(yù)測可用功率Ppredicted，將預(yù)測可用功率Ppredicted與包含控制器功率Pcontroller加上傳感器功率Psensor的當(dāng)前時間功率Pt0進(jìn)行比較，且如果預(yù)測可用功率Predicted小于控制器功率Pcontroller加上傳感器功率Psensor，則減小傳感器功率Psensor。
文檔編號G08C19/02GK102113036SQ200880130637
公開日2011年6月29日 申請日期2008年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月31日
發(fā)明者B. 麥卡納利 C., J. 海斯 P., M. 曼斯菲爾德 W. 申請人:微動公司