КАБЕЛЬНАЯ СХЕМА С ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКОЙ СИГНАЛОВ Российский патент 2012 года по МПК G01D21/00 

Изобретение относится к кабельной схеме в соответствии с ограничительной частью пункта 1 и к системе для передачи измеренных данных согласно пункту 30 формулы изобретения. Кроме того, изобретение относится к способу передачи измерительных сигналов по пункту 31 и к способу передачи измерительных сигналов по пункту 32 формулы изобретения.

В технике автоматизации процессов используется множество различных датчиков для регистрации переменных процесса. Примерами таких датчиков являются датчики рН, газовые датчики, датчики расхода, датчики массового потока и т.д. В современных промышленных установках такие датчики часто эксплуатируются в суровых окружающих условиях, например датчики подвержены воздействию коррозионных химикалий, влиянию жары, вибраций и т.д.

Для подключения этих датчиков к вышеуказанной измерительной системе зарекомендовала себя их связь через бесконтактный интерфейс с кабельной схемой, соединенной посредством кабелей с измерительным преобразователем. В случае бесконтактного интерфейса речь может идти, например, об оптическом, емкостном или индуктивном интерфейсе. За счет использования бесконтактного интерфейса становятся ненужными подверженные износу электрические контакты. Поскольку такой сенсорный модуль не имеет отверстий для электрических контактов, его поверхность герметична. Материал поверхности сенсорного модуля полностью охватывает его и может быть приспособлен к соответствующему назначению или к соответствующей коррозионной среде.

В DE 10218606 А1 описан потенциометрический датчик. Этот датчик, в частности датчик рН или датчик редокс-потенциала, включает в себя элементарный датчик для регистрации потенциометрической величины, в частности значения рН или редокс-потенциала, и интерфейс для подачи зависимого от потенциометрической величины сигнала на вышестоящий блок, в частности трансмиттер. При этом потенциометрический датчик содержит цифровую память данных, прочно соединенную с чувствительным элементом.

В DE 10313639 А1 описан электрохимический газовый датчик. Модуль газового датчика включает в себя элементарный датчик для регистрации концентрации газа, цифровую память для хранения данных датчика или данных процесса и бесконтактный интерфейс для подключения к вышестоящему блоку для электропитания модуля газового датчика и вышестоящего блока.

Задачей изобретения является повышение качества передачи данных между сенсорным модулем и кабельной схемой.

Эта задача решается посредством признаков, приведенных в пунктах 1, 30, 31, 32 формулы изобретения.

Предпочтительные варианты осуществления изобретения приведены в зависимых пунктах.

Изобретение относится к кабельной схеме, соединенной через бесконтактный интерфейс с сенсорным модулем. Посредством кабеля кабельная схема соединена с измерительным преобразователем. Для улучшения передачи сигналов в кабельной схеме в тракт передачи сигналов интегрируется блок обработки сигналов, например микроконтроллер. Блок сигнальной обработки отвечает за сигнальную обработку данных, передаваемых в обоих направлениях между измерительным преобразователем и сенсорным модулем.

Данные, передаваемые от измерительного преобразователя по кабелю к кабельной схеме, принимаются и обрабатываются блоком сигнальной обработки. Затем блок сигнальной обработки передает эти данные через бесконтактный интерфейс к сенсорному модулю.

В обратном направлении передачи кабельная схема принимает данные через бесконтактный интерфейс от сенсорного модуля. Эти данные принимаются блоком сигнальной обработки, обрабатываются и передаются через кабельный интерфейс к измерительному преобразователю.

Включенный в сигнальный тракт блок сигнальной обработки действует в обоих направлениях передачи в качестве репитера. За счет приема и повторной передачи данных улучшается качество переданных сигналов. В частности, улучшаются растянутые фронты, и корректируется тайминг принятых сигналов. Качественное улучшение сигналов в кабельной схеме приводит к улучшению качества передачи для обмена данными между сенсорным модулем и измерительным преобразователем. Благодаря предлагаемому решению можно уменьшить число ошибок передачи.

Помимо улучшения качества передачи интеграция сигнального процессора в сигнальный тракт дает дополнительные преимущества. В соответствии с одним предпочтительным вариантом осуществления изобретения можно создать посредством блока сигнальной обработки индексную структуру, обеспечивающую адресацию специфических параметров кабельной схемы. За счет этого можно со стороны измерительного преобразователя обратиться к специфическим параметрам кабельной схемы. В частности, измерительный преобразователь может запрашивать с помощью индексной структуры информацию о типе, изготовителе, серийном номере и версии программного обеспечения кабельной схемы. Измерительный преобразователь может адресовать параметры кабельной схемы и сенсорного модуля отдельно.

Интеграция блока сигнальной обработки в сигнальный тракт кабельной схемы дает, кроме того, дополнительные преимущества. В соответствии с одним предпочтительным вариантом осуществления изобретения между кабельной схемой и сенсорным модулем может происходить информационный обмен, при котором оба блока информируют друг друга о соответственно поддерживаемых функциях.

В одном предпочтительном варианте осуществления изобретения кабельная схема накладывает на переданные от измерительного преобразователя к сенсорному модулю телеграммы собственную информацию, чтобы, таким образом, открыть коммуникационный канал к сенсорному модулю. Также сенсорный модуль может накладывать на переданные от измерительного преобразователя телеграммы информацию для кабельной схемы. Преимущественно неиспользованные биты телеграмм используются для информационного обмена между кабельной схемой и сенсорным модулем.

С помощью этого информационного обмена кабельная схема может передавать сенсорному модулю запрос о том, какие функции поддерживаются им. В качестве ответа на это сенсорный модуль может накладывать на переданную к измерительному преобразователю телеграмму информацию о том, какие функции он поддерживает. Таким образом, кабельная схема получает сведения о способностях сенсорного модуля.

В соответствии с одним предпочтительным вариантом осуществления изобретения кабельная схема решает, следует ли для передачи данных через бесконтактный интерфейс переключиться на альтернативный метод кодирования. С помощью интегрированного в сигнальный тракт блока обработки сигналов можно выбрать предпочтительный метод кодирования для передачи данных через бесконтактный интерфейс.

В одном предпочтительном варианте осуществления изобретения для передачи через бесконтактный интерфейс применяется метод кодирования, альтернативный часто применяемому в уровне техники методу кодирования NRZ (Non-Return-to-Zero - без возврата к нулю). Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения, для передачи данных через бесконтактный интерфейс можно использовать, например, метод кодирования 8В10В или манчестерский метод кодирования. За счет этого улучшается качество передачи данных через бесконтактный интерфейс.

Ниже изобретение более подробно поясняется на нескольких примерах его осуществления, изображенных на чертежах, на которых представляют:

- фиг.1: обмен данными между измерительным преобразователем, кабельной схемой и сенсорным модулем;

- фиг.2: блок-схему кабельной схемы в соответствии с уровнем техники;

- фиг.3: вариант кабельной схемы и сенсорного модуля;

- фиг.4: блок-схему предложенной кабельной схемы;

- фиг.5: характеристику усилителя класса Е;

- фиг.6: обмен данными между кабельной схемой и сенсорным модулем для выбора альтернативного метода кодирования.

На фиг.1 изображена предложенная система для регистрации и передачи измеренных значений. Система включает в себя сенсорный модуль 1, связанный через бесконтактный интерфейс 2 с кабельной схемой 3. Понятие «бесконтактный» должно при этом обозначать, что интерфейс со стороны датчика электрически или гальванически изолирован от интерфейса со стороны трансмиттера. Бесконтактный интерфейс 2 может быть выполнен, например, оптическим, емкостным или индуктивным, причем на фиг.1 изображен индуктивный интерфейс. Чтобы зарегистрированные данные можно было передавать вышестоящей системе, кабельная схема 3 посредством кабеля 4 соединена с измерительным преобразователем 5. Последний, в свою очередь, может быть связан с полевой шиной.

Сенсорный модуль 1 включает в себя элементарный датчик 6. Он может представлять собой, например, датчик расхода, датчик массового потока, датчик рН, газовый датчик или какой-либо другой датчик. Кроме того, сенсорный модуль 1 включает в себя микропроцессор 7, оборудованный преимущественно интегрированным аналого-цифровым преобразователем 8 для преобразования зарегистрированных элементарным датчиком 6 аналоговых измеренных значений в соответствующие цифровые значения. Преимущественно сенсорный модуль 1 включает в себя, кроме того, цифровую память 9 данных, в которой могут храниться данные датчика или данные процесса. Преимущественно в цифровой памяти 9 хранятся также калибровочные данные для соответствующего элементарного датчика 6, с помощью которых его аналоговые сигналы могут быть преобразованы в соответствующие физические измеренные значения. Полученные для элементарного датчика 6 калибровочные значения могут храниться в сенсорном модуле 1 так, что обеспечивается твердое соответствие калибровочных данных элементарному датчику 6. Поскольку каждый сенсорный модуль 1 несет в себе свои собственные калибровочные данные, нельзя спутать различные наборы калибровочных данных.

В варианте, представленном на фиг.1, бесконтактный интерфейс 2 выполнен индуктивным. Индуктивный интерфейс включает в себя расположенную со стороны кабельной схемы 3 первичную катушку 10 и расположенную со стороны сенсорного модуля 1 вторичную катушку 11. Когда сенсорный модуль надевается посредством вставной соединительной муфты на кабельную схему 3, первичная 10 и вторичная 11 катушки приводятся в определенное пространственное положение по отношению друг к другу, в результате чего между кабельной схемой 3 и сенсорным модулем 1 в обоих направлениях могут передаваться высокочастотные сигналы. За счет этого обеспечивается обмен данными между кабельной схемой 3 и сенсорным модулем 1. Кроме того, через индуктивный интерфейс может также осуществляться электропитание сенсорного модуля 1. Для этого выработанный кабельной схемой 3 высокочастотный сигнал принимается и выпрямляется вторичной катушкой 11 сенсорного модуля 1, чтобы выработать, таким образом, рабочее напряжение для микропроцессора 7, цифровой памяти 9 и, возможно, также для элементарного датчика 6.

Дополнительно к бесконтактному интерфейсу 2 кабельная схема 3 содержит интерфейс к кабелю 4, через который происходит обмен данными с измерительным преобразователем 5. В варианте, представленном на фиг.1, передача данных между измерительным преобразователем 5 и кабельной схемой 3 происходит по стандарту EIA485. Для преобразования передаваемых сигналов в стандарт EIA485 измерительный преобразователь 5 содержит интерфейсный преобразователь 12 EIA485, а кабельная схема 3 оборудована интерфейсным преобразователем 13 EIA485.

Общая связь между измерительным преобразователем 5, кабельной схемой 3 и сенсорным модулем 1 происходит в полудуплексном режиме. Это значит, что данные передаются либо от измерительного преобразователя 5 через кабельную схему 3 к сенсорному модулю 1, либо в обратном направлении от сенсорного модуля 1 через кабельную схему 3 к измерительному преобразователю 5. Одновременно передавать и принимать данные в полудуплексном режиме невозможно. Соответствующее направление передачи задается при этом за счет сигнала 14 направления, вырабатываемого расположенным на кабельной схеме 3 микроконтроллером 15. Последний переключает направление передачи данных каждый раз тогда, когда передача так называемой «телеграммы» завершена.

Прежде всего, направление передачи данных установлено так, что они могут передаваться от измерительного преобразователя 5 к сенсорному модулю 1. Передаваемая телеграмма кодируется интерфейсным преобразователем 12 и по кабелю 4 передается к кабельной схеме 3. Принятые данные декодируются интерфейсным преобразователем 13 и подаются к Rx-входу микроконтроллера 15. Последний принимает поступивший на Rx-вход сигнал, обрабатывает его и передает к модулятору 16. В этом отношении интегрированный в сигнальный тракт микроконтроллер 15 действует в качестве репитера. Обработанный сигнал поступает к модулятору 16, который модулирует высокочастотный сигнал для передачи через индуктивный интерфейс в соответствии с передаваемыми данными. Модулированный высокочастотный сигнал передается от первичной катушки 10 к вторичной катушке 11 и может быть затем со стороны сенсорного модуля 1 обработан микропроцессором 7.

Микроконтроллер 15 обнаруживает, когда передача телеграммы от измерительного преобразователя 5 к сенсорному модулю 1 завершена, и переключает затем направление передачи. Теперь данные могут передаваться в обратном направлении от сенсорного модуля 1 через кабельную схему 3 к измерительному преобразователю 5. Со стороны сенсорного модуля 1 передаваемая телеграмма модулируется микропроцессором 7 до высокочастотного сигнала. Модулированный высокочастотный сигнал передается через вторичную катушку 11 к первичной катушке 10 и попадает оттуда к демодулятору 17. Последний извлекает модулированные данные из высокочастотного сигнала и направляет эти данные к интегрированному в сигнальный тракт микроконтроллеру 15. Тот обрабатывает полученные от демодулятора 17 данные и передает их через свой Тх-выход к интерфейсному преобразователю 13. В этом отношении интегрированный в сигнальный тракт микроконтроллер 15 действует также в обратном направлении передачи в качестве репитера для принятых от сигнального модуля 1 данных. Эти данные преобразуются затем интерфейсным преобразователем 13 в стандарт EIA485 и по кабелю 4 передаются к измерительному преобразователю 5. В нем данные декодируются интерфейсным преобразователем 12.

Для лучшего понимания изобретения на фиг.2 изображена кабельная схема 18 в соответствии с уровнем техники. В этой кабельной схеме 18 микроконтроллер 19 не интегрирован в сигнальный тракт. Микроконтроллер 19 рассчитан только на то, чтобы наблюдать передачу данных по сигнальным проводам 20, 21 и в зависимости от этого вырабатывать сигнал 22 направления для переключения направления передачи. В кабельной схеме 18 принятые от интерфейсного преобразователя 23 сигналы без дальнейшей обработки поступают к модулятору 24. Последний вырабатывает в соответствии с этими данными модулированный высокочастотный сигнал, который затем через первичную катушку 25 передается к сенсорному модулю. Вдоль сигнального тракта ухудшается качество передаваемого сигнала, растягивается тайминг, и частично теряется крутизна фронтов. В результате могут возникнуть ошибки передачи.

То же относится к передаче сигналов в обратном направлении. Принятый от первичной катушки 25 модулированный высокочастотный сигнал подается к демодулятору 26, и демодулированный сигнал поступает без дальнейшей обработки непосредственно к интерфейсному преобразователю 23. Также в этом случае возникает ухудшение качества сигнала вдоль тракта передачи, причем тайминг частично теряется, а фронты сигнала растягиваются.

Сравнив решения, представленные на фиг.1 и 2, можно обнаружить, что за счет интегрирования микроконтроллера 15 в сигнальный тракт можно реализовать функцию репитера. Ее реализация не требует дополнительных затрат на детали. Микроконтроллер 15 включается в процесс передачи данных и вырабатывает принятые сигналы каждый раз заново. За счет этого принятые данные обрабатываются в отношении тайминга и крутизны фронтов. Это активно препятствует ухудшению качества сигналов вдоль тракта передачи. В обоих направлениях передачи данных микроконтроллер 15 устраняет возможные ошибки, вызванные растянутыми фронтами или проблемами с таймингом. Таким образом, измерительный преобразователь и сенсорный модуль принимают сигналы улучшенного качества, а вследствие улучшенного качества сигналов уменьшается частота ошибок передачи.

На фиг.3 изображен вариант кабельной схемы 28, расположенной на конце кабеля 27. Кроме того, изображен сенсорный модуль 29, который может быть соединен с кабельной схемой 28 посредством вставной соединительной муфты, так что через индуктивный интерфейс может осуществляться передача данных и энергии. Сенсорный модуль 29 включает в себя элементарный датчик 30 для регистрации измеренных значений. Корпус сенсорного модуля 29 имеет резьбу 31 для монтажа последнего в арматуре. На обращенном от элементарного датчика 30 конце сенсорного модуля 29 предусмотрен цилиндрический концевой участок 32, в котором расположена вторичная катушка 33 индуктивного интерфейса. В боковой поверхности цилиндрического концевого участка 32 выполнены прорези байонетного затвора.

Цилиндрический концевой участок 32 сенсорного модуля 29 имеет торцевую выемку 34, которая служит гнездом для отформованного на корпусе кабельной схемы 28 цилиндрического носика 35. Внутри цилиндрического носика 35 находится ферритовый сердечник с первичной катушкой индуктивного интерфейса. При надевании кабельной схемы 28 на сенсорный модуль 29 расположенная внутри носика первичная катушка приводится в определенное пространственное положение относительно вторичной катушки, так что между кабельной схемой 28 и сенсорным модулем 29 может происходить передача данных и энергии. Корпус кабельной схемы 28 имеет на своем торце втулкообразную боковую поверхность 36, которая аксиально выступает и коаксиально окружает носик 35. При надевании кабельной схемы 28 на сенсорный модуль 29 втулкообразная боковая поверхность 36 охватывает, по меньшей мере, часть цилиндрического концевого участка 32 сенсорного модуля 29. Направленные радиально внутрь выступы на втулкообразной боковой поверхности 36 находятся тогда в зацеплении с прорезями байонетного затвора и фиксируют вставную соединительную муфту.

На фиг.4 изображена блок-схема кабельной схемы 37, кабельная схема 37 посредством кабеля 38 соединена с измерительным преобразователем. Кабель 38 включает в себя электропитание U_b, массу GND и два сигнальных провода А, В, по которым данные в полудуплексном режиме могут передаваться к измерительному преобразователю и приниматься от него. Сигнальные провода А, В соединены посредством фильтра 39 с ЕIА485-интерфейсом 40. Кабель 38 может иметь длину до нескольких сотен метров. В этой связи на тракте передачи между измерительным преобразователем и кабельной схемой могут возникать электромагнитные помехи. Задачей фильтра 39 является отфильтровывание этих электромагнитных помех, прежде чем принятые данные будут направлены к ЕIА485-интерфейсу 40 и декодированы в нем.

Декодированные данные подаются на Rx-вход микроконтроллера 41. Последний интегрирован как в тракт прямой, так и в тракт обратной передачи. Кроме того, микроконтроллер 41 вырабатывает сигнал 42 направления, который устанавливает направление передачи данных. Микроконтроллер 41 преобразует полученные от EIA485-интерфейса 40 данные в управляющий сигнал 43 для усилителя 44 класса Е. В варианте, представленном на фиг.4, микроконтроллер 41 вырабатывает управляющий сигнал 43 с помощью реализованного в виде программного обеспечения модулятора 45. Поэтому не требуется отдельного, реализованного в виде аппаратного обеспечения модулятора для формирования управляющего сигнала 43. Вместо этого управляющий сигнал 43 вырабатывается посредством хранящейся в микроконтроллере 41 стандартной программы обработки сигнала.

Задачей усилителя 44 является формирование высокочастотного сигнала для передачи через индуктивный интерфейс. Посредством управляющего сигнала 43 передаваемые данные модулируются до этого высокочастотного сигнала. Модулированный высокочастотный сигнал подается к первичной катушке 46 индуктивного интерфейса и передается через него к сенсорному модулю.

Для модуляции высокочастотного сигнала существуют различные возможности. Первой возможностью является подача к усилителю 44 высокочастотного управляющего сигнала 43, причем передаваемые данные накладываются на управляющий сигнал 43 в виде частотной модуляции. Этот метод модуляции изображен на фиг.5. Она представляет амплитуду выработанного усилителем 44 высокочастотного сигнала как функцию частоты управляющего сигнала 43. Максимальная амплитуда достигается тогда, когда частота управляющего сигнала 43 приблизительно соответствует резонансной частоте f_Res усилителя 44. Эта резонансная частота может составлять, например, 230 кГц. Если управляющий сигнал 43 имеет частоту f₁, то вырабатывается высокочастотный сигнал с амплитудой A₁. Если управляющий сигнал 43 имеет частоту f₂, то амплитуда выработанного усилителем 44 высокочастотного сигнала уменьшается до значения A₂. За счет частотной модуляции частоты управляющего сигнала 43 можно подвергнуть выработанный усилителем 44 высокочастотный сигнал амплитудной модуляции, чтобы, таким образом, передавать данные к сенсорному модулю.

В одном предпочтительном варианте микроконтроллер 41 включает в себя аналого-цифровой преобразователь 47, который контролирует амплитуду выработанного усилителем 44 высокочастотного сигнала и, при необходимости, регулирует частоту высокочастотного управляющего сигнала 43, поддерживая амплитуду высокочастотного сигнала постоянной. Если в микроконтроллере 41 предусмотреть регулирующий контур для подрегулирования амплитуды сигнала, то кабельную схему 37 можно согласовать с разными сенсорными модулями с разным потреблением энергии.

В качестве альтернативы описанной частотной модуляции могут применяться другие методы модуляции, чтобы подвергнуть высокочастотный сигнал амплитудной модуляции. Например, может осуществляться нагрузочная модуляция выработанного усилителем 44 высокочастотного сигнала. В этом методе модуляции микроконтроллер 41 вырабатывает низкочастотный управляющий сигнал, причем в соответствии с этим управляющим сигналом на выходе усилителя 44 включается нагрузка. За счет этой нагрузочной модуляции выработанный усилителем 44 высокочастотный сигнал подвергается амплитудной модуляции. Таким образом, передаваемые данные модулируются до высокочастотного сигнала.

В обратном направлении передачи кабельная схема 37 принимает через первичную катушку 46 переданный сенсорным модулем высокочастотный сигнал. Принятый высокочастотный сигнал попадает к демодулятору 48, который демодулирует принятый сигнал и передает полученные таким образом данные к микроконтроллеру 41. В случае демодулятора 48 речь может идти, например, о выпрямителе огибающей, который осуществляет дифференциальную обработку огибающей высокочастотного сигнала. В микроконтроллере 41 полученные от демодулятора 48 данные обрабатываются и через Тх-выход микроконтроллера 41 подаются к ЕIА485-интерфейсу 40, после чего они по кабелю 38 направляются к измерительному преобразователю. В этом отношении микроконтроллер 41 действует также в обратном направлении передачи в качестве репитера, который обрабатывает полученный от демодулятора 48 сигнал и передает его заново.

В варианте, представленном на фиг.4, электропитание кабельной схемы 37 осуществляется от измерительного преобразователя через кабель 38. В частности, питающее напряжение U_b вырабатывается измерительным преобразователем. При этом кабель 38 между измерительным преобразователем и кабельной схемой 37 может иметь длину до нескольких сотен метров. Вдоль этого тракта происходит падение напряжения приблизительно 150 мВ на 100 м кабеля. По этой причине приложенное к кабельной схеме 37 напряжение U_b подвержено определенным колебаниям. Чтобы иметь в распоряжении стабилизированное питающее напряжение V_CC, кабельная схема 37 включает в себя преобразователь 49 напряжения, который преобразует выработанное измерительным преобразователем напряжение U_b в определенное рабочее напряжение V_CC. Предпочтительно использовать в качестве преобразователя 49 напряжения импульсный блок питания, поскольку импульсные блоки питания имеют очень высокий кпд - 90% и более. Стабилизированное питающее напряжение V_CC подается к микроконтроллеру 41, усилителю 44 и демодулятору 48. В частности, стабилизированное питающее напряжение важно для демодулятора 48 во избежание ошибок при декодировании принятых от индуктивного интерфейса сигналов. За счет использования стабилизированного питающего напряжения можно вырабатывать амплитудно-модулированный высокочастотный сигнал с более высокой точностью. В общем, за счет использования стабилизированного питающего напряжения уменьшается опасность ошибок при передаче данных через индуктивный интерфейс.

Дополнительно к уже описанным преимуществам, касающимся, главным образом, улучшения качества сигналов, интегрирование микроконтроллера 41 в сигнальный тракт позволяет использовать различные функции, предоставляемые в распоряжение программируемым микроконтроллером 41. Эти новые функции описаны ниже.

Интегрирование микроконтроллера 41 в сигнальный тракт кабельной схемы 37 обеспечивает создание индексной структуры, с помощью которой специфические параметры кабельной схемы 37 могут запрашиваться измерительным преобразователем. В решениях, известных из уровня техники, измерительный преобразователь может задействовать только параметры сенсорного модуля; целенаправленное запрашивание параметров кабельной электроники было невозможно. В предложенном решении, напротив, интегрированный в сигнальный тракт микроконтроллер 41 может управлять специфическими параметрами кабельной схемы 37 с помощью отдельной, полностью независимой от сенсорного модуля индексной структуры. За счет этого кабельная схема воспринимается измерительным преобразователем как отдельно адресуемая функция. В частности, это открывает измерительному преобразователю возможность адресовать параметры кабельной схемы 37, с одной стороны, и параметры сенсорного модуля, с другой стороны, с помощью отдельных индексных структур и обращаться к обеим функциям отдельно. Например, измерительный преобразователь может обращаться к параметрам сенсорного модуля через слот 0x01, а к параметрам кабельной схемы - через слот 0xF1.

В качестве специфических параметров кабельной схемы 37 могут запрашиваться один или несколько следующих: тип, код или серийный номер кабельной схемы, сведения об ее изготовителе или информация о версии реализованного в ней программного обеспечения. Такие сведения часто объединяются под термином «Common Equipment Record» (CER).

Кроме того, кабельная схема может быть оборудована температурным датчиком, причем через индексную структуру можно обращаться к соответственно измеренной температуре кабельной схемы. В соответствии с другим предпочтительным вариантом находящийся в кабельной схеме микроконтроллер регистрирует рабочие часы с помощью счетчика, причем текущее показание счетчика можно считывать с помощью индексной структуры. В соответствии с другим предпочтительным вариантом в качестве альтернативы или дополнительно регистрируется количество рабочих часов, в течение которых превышалась заданная температура.

С помощью индексной структуры все эти параметры могут запрашиваться измерительным преобразователем, а затем отображаться в диспетчерской или на ПК. Таким образом, пользователю предоставляется обзор имеющихся компонентов системы и ее текущий статус. Кроме того, измерительный преобразователь может контролировать рабочее состояние кабельной схемы.

Кроме того, благодаря включенному в сигнальную цепь микроконтроллеру преимущественно обеспечивается новый вид обмена данными между кабельной схемой и сенсорным модулем. При этом микроконтроллер может запрашивать поддерживаемые сенсорным модулем функции и методы кодирования. Этот обмен данными более подробно описан ниже.

В системе передачи, представленной на фиг.1, измерительный преобразователь 5 конфигурирован как ведущий, тогда как кабельная схема 3 и сенсорный модуль 1 работают в подчиненном режиме. Это значит, что измерительный преобразователь 5 обладает контролем над всей передачей данных между измерительным преобразователем, кабельной схемой и сенсорным модулем. Поэтому кабельная схема не может самопроизвольно связываться с сенсорным модулем.

Чтобы, тем не менее, обеспечить инициированный кабельной схемой информационный обмен между нею и сенсорным модулем, микроконтроллер вводит собственную информацию в переданные от измерительного преобразователя к сенсорному модулю телеграммы. Например, микроконтроллер может описывать неиспользованные биты телеграмм, чтобы, таким образом, направлять запросы сенсорному модулю. Если сенсорный модуль поддерживает также функции, то он может отвечать на такие запросы, накладывая на переданную от сенсорного модуля к измерительному преобразователю телеграмму соответствующий ответ. Например, сенсорный модуль может сообщить микроконтроллеру в этом ответе о том, какой метод кодирования он поддерживает.

На фиг.6 изображен процесс связи между кабельной схемой и сенсорным модулем. На первом этапе 50 измерительный преобразователь 51 передает кабельной схеме 53 телеграмму 52. Кабельная схема 53 содержит интегрированный в сигнальный тракт микроконтроллер 54. Последний модифицирует некоторые неиспользованные переданные биты телеграммы 52 и, таким образом, передает с ней запрос на сенсорный модуль 55. Если телеграмма включает в себя контрольную сумму, то микроконтроллер модифицирует также эту контрольную сумму в соответствии с измененными переданными битами. Модифицированная телеграмма 56 передается затем от кабельной схемы 53 через бесконтактный интерфейс к сенсорному модулю 55. Таким образом, создается новый канал связи между кабельной схемой 53 и сенсорным модулем 55. На первом этапе 50 телеграмма 52 и модифицированная телеграмма 56 передаются в соответствии с методом кодирования NRZ, который, по стандарту, применяется для передачи данных между измерительным преобразователем 51, кабельной схемой 53 и сенсорным модулем 55.

Если сенсорный модуль представляет собой более старую модель, которая не поддерживает описанный вид связи между кабельной схемой и сенсорным модулем, то переданный с телеграммой запрос остается без ответа. Если же сенсорный модуль поддерживает связь между кабельной схемой и сенсорным модулем, то переданный кабельной схемой запрос обнаруживается и на него дается ответ.

Предположим, что сенсорный модуль 55 поддерживает описанную связь с кабельной схемой 53. На втором этапе 57 представлено, как сенсорный модуль 55 отвечает на запрос кабельной схемы 53. Для ответа на запрос сенсорный модуль 55 накладывает на переданную к измерительному преобразователю 51 телеграмму соответствующий ответ. В нем сенсорный модуль 55 информирует о том, какую функцию он поддерживает. Например, сенсорный модуль 55 может информировать в этом ответе кабельную схему 53 о том, какие поддерживаются другие методы кодирования, кроме NRZ. Чтобы закодировать в телеграмме ответ на запрос кабельной схемы 53, сенсорный модуль 55 модифицирует неиспользованные переданные биты телеграммы и создает, таким образом, кодированную дополнительной информацией телеграмму 58, которая передается кабельной схеме 53. Со стороны кабельной схемы телеграмма 58 анализируется микроконтроллером 54. Последний узнает, таким образом, какие функции поддерживаются сенсорным модулем 55. Затем микроконтроллер 54 передает соответствующую телеграмму 59 к измерительному преобразователю 51. При этом дополнительный информационный обмен между кабельной схемой 53 и сенсорным модулем 55 не нарушает передачу данных между измерительным преобразователем 51 и сенсорным модулем 55. Также на втором этапе 57 передача данных осуществляется в соответствии с методом кодирования NRZ, который, по стандарту, применяется для передачи данных.

Микроконтроллер 54 знает теперь как объем функций кабельной схемы 53, так и поддерживаемые сенсорным модулем 55 функции. В частности, из ответа сенсорного модуля 55 микроконтроллер 54 знает, какие альтернативные методы кодирования, за исключением метода NRZ, поддерживаются сенсорным модулем 55. Микроконтроллер 54 может теперь решить, следует ли переключить связь между кабельной схемой 53 и сенсорным модулем 55 на другой метод кодирования, и какой метод кодирования для этой связи должен применяться в будущем.

Предположим, что микроконтроллер принимает решение кодировать в будущем переданные через бесконтактный интерфейс телеграммы методом 8В10В, который поддерживается как кабельной схемой 53, так и сенсорным модулем 55. Для передачи данных через бесконтактный интерфейс метод 8В10В дает по сравнению с методом NRZ различные преимущества. Одно из них состоит в том, что кодированный методом 8В10В сигнал имеет постоянную долю постоянного напряжения, тогда как в случае метода NRZ доля постоянного напряжения переменная. Поэтому при применении метода NRZ во время передачи данных через бесконтактный интерфейс в определенных условиях может произойти компенсация среднего значения напряжения посредством продольных конденсаторов, что может вызвать ошибки передачи. Поэтому такие методы кодирования, как метод 8В10В или манчестерский метод, при которых доля постоянного напряжения постоянная, лучше подходят для надежной передачи данных через бесконтактный интерфейс.

На третьем этапе 60 микроконтроллер 54 заставляет сенсорный модуль 55 переключиться на новый метод кодирования 8В10В. Телеграмма 61, которую кабельная схема 53 принимает от измерительного преобразователя 51, кодируется соответствующей командой на переключение. Для этой цели микроконтроллер 54 описывает неиспользованные биты телеграммы 61. Модифицированная телеграмма передается сенсорному модулю 55. Следует сказать, что также на третьем этапе 60 вся коммуникация еще закодирована методом NRZ.

Со стороны сенсорного модуля 55 принятая кабельной схемой 53 телеграмма 62 анализируется, и содержащаяся в этой телеграмме команда на переключение обнаруживается. В соответствии с этой командой на переключение на четвертом этапе 63 передача данных между кабельной схемой 53 и сенсорным модулем 55 переключается на новый метод кодирования 8В10В. Следующая телеграмма 64, передаваемая от сенсорного модуля 55 к кабельной схеме 53, уже закодирована методом 8В10В. Поскольку, начиная с этого момента, вся передача данных через бесконтактный интерфейс происходит методом 8В10В, повышается надежность передачи данных между кабельной схемой 53 и сенсорным модулем 55.

Кабельная схема 53 принимает телеграмму 64 и обрабатывает ее посредством микроконтроллера 54. Затем микроконтроллер 54 передает принятые данные в виде телеграммы 65 дальше к измерительному преобразователю 51. При этом на тракте передачи между кабельной схемой 53 и измерительным преобразователем 51 может продолжать применяться прежний метод кодирования NRZ. Передача данных между кабельной схемой 53 и измерительным преобразователем 51 происходит по кабелю, так что на этом тракте передачи даже при применении метода NRZ не возникает проблем передачи. Критической, в первую очередь, является передача данных через бесконтактный интерфейс, при которой применение альтернативного метода кодирования приводит к улучшению качества передачи.

Интегрирование микроконтроллера 54 в сигнальный тракт кабельной схемы 53 позволяет гибко выбирать подходящий метод кодирования для передачи данных между кабельной схемой 53 и сенсорным модулем 55. За счет применения предпочтительного метода кодирования, например метода 8В10В или манчестерского метода, можно повысить надежность передачи данных через бесконтактный интерфейс.

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в кабельных схемах для соединения сенсорного модуля с измерительным преобразователем. Технический результат - расширение функциональных возможностей. Для достижения данного результата кабельная схема содержит бесконтактный интерфейс для передачи сигналов между кабельной схемой и сенсорным модулем, причем сенсорный модуль гальванически отделен от кабельной схемы, а передача сигналов между кабельной схемой и сенсорным модулем происходит оптическим, индуктивным или емкостным путем. Кроме того, кабельная схема содержит блок обработки сигналов и кабельный интерфейс для подключения кабеля, соединяющего кабельную схему с измерительным преобразователем. Блок обработки сигналов интегрирован в сигнальный тракт. Блок обработки сигналов принимает через кабельный интерфейс сигналы от измерительного преобразователя, обрабатывает их и передает через бесконтактный интерфейс к сенсорному модулю, а также принимает через бесконтактный интерфейс сигналы от сенсорного модуля, обрабатывает их и передает через кабельный интерфейс к измерительному преобразователю. 4 н. и 27 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Кабельная схема (3) для соединения сенсорного модуля (l) с измерительным преобразователем (5), содержащая бесконтактный интерфейс (2) для передачи сигналов между кабельной схемой (3) и сенсорным модулем (1), причем сенсорный модуль (1) гальванически отделен от кабельной схемы (3), а передача сигналов между кабельной схемой (3) и сенсорным модулем (1) происходит оптическим, индуктивным или емкостным путем, блок (15) обработки сигналов, при этом блок (15) обработки сигналов содержит микроконтроллер, и кабельный интерфейс (13) для подключения кабеля (4), соединяющего кабельную схему (3) с измерительным преобразователем (5), отличающаяся тем, что блок (15) обработки сигналов интегрирован в сигнальный тракт и выполнен с возможностью приема через кабельный интерфейс (13) сигналов от измерительного преобразователя (5), их обработки и передачи через бесконтактный интерфейс (2) к сенсорному модулю (1), а также приема через бесконтактный интерфейс (2) сигналов от сенсорного модуля (1), их обработки и передачи через кабельный интерфейс (13) к измерительному преобразователю (5), при этом блок (15) обработки сигналов действует в качестве репитера для передачи сигналов в обоих направлениях передачи между измерительным преобразователем (5) и сенсорным модулем (1) для улучшения качества сигнала и уменьшения числа ошибок передачи.

2. Схема по п.1, отличающаяся тем, что репитер выполнен с возможностью обработки сигналов в отношении тайминга и крутизны фронтов.

3. Схема по п.1, отличающаяся тем, что передача данных между измерительным преобразователем и кабельной схемой происходит в соответствии со стандартом EIA485.

4. Схема по одному из пп.1-3, отличающаяся тем, что бесконтактный интерфейс содержит вставной соединительный элемент с первичной стороны, а сенсорный модуль содержит вставной соединительный элемент с вторичной стороны, причем вставные соединительные элементы с первичной и вторичной сторон выполнены с возможностью соединения между собой посредством вставной соединительной муфты.

5. Схема по п.4, отличающаяся тем, что передача сигналов между вставными соединительными элементами с первичной и вторичной сторон происходит индуктивно, причем вставной соединительный элемент с первичной стороны содержит первичную катушку, а вставной соединительный элемент с вторичной стороны - вторичную катушку.

6. Схема по одному из пп.1-3, 5, отличающаяся тем, что бесконтактный интерфейс представляет собой индуктивный интерфейс, причем сенсорный модуль выполнен с возможностью питания энергией через индуктивный интерфейс.

7. Схема по одному из пп.1-3, 5, отличающаяся тем, что она содержит преобразователь напряжения, выполненный с возможностью преобразования выработанного измерительным преобразователем напряжения в определенное рабочее напряжение для питания кабельной схемы.

8. Схема по п.1, отличающаяся тем, что она содержит усилитель класса Е, выполненный с возможностью вырабатывания высокочастотного сигнала для передачи сигналов между кабельной схемой и сенсорным модулем.

9. Схема по п.8, отличающаяся тем, что блок обработки сигналов выполнен с возможностью вырабатывания управляющего сигнала для усилителя класса Е, причем выработанный усилителем класса Е высокочастотный сигнал модулируется в соответствии с управляющим сигналом.

10. Схема по п.9, отличающаяся тем, что управляющий сигнал для усилителя класса Е служит для модулирования высокочастотному сигналу передаваемых данных.

11. Схема по п.8 или 9, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью передачи модулированного высокочастотного сигнала через бесконтактный интерфейс к сенсорному модулю.

12. Схема по одному из пп.1-3, 5, 8-10, отличающаяся тем, что она содержит демодулятор для демодуляции высокочастотного сигнала, принятого через бесконтактный интерфейс от сенсорного модуля.

13. Схема по одному из пп.1-3, 5, 8-10, отличающаяся тем, что передача данных между измерительным преобразователем, кабельной схемой и сенсорным модулем происходит в полудуплексном режиме.

14. Схема по одному из пп.1-3, 5, 8-10, отличающаяся тем, что блок обработки сигналов выполнен с возможностью вырабатывания в зависимости от переданных данных переключающего сигнала для переключения направления передачи.

15. Схема по одному из пп.1-3, 5, 8-10, отличающаяся тем, что измерительный преобразователь конфигурирован как ведущий, сенсорный модуль конфигурирован как подчиненный, при этом кабельная схема конфигурирована как вспомогательный сенсорному модулю подчиненный.

16. Схема по одному из пп.1-3, 5, 8-10, отличающаяся тем, что блок обработки сигналов выполнен с возможностью создания индексной структуры, посредством которой специфические параметры кабельной схемы могут быть адресованы измерительным преобразователем.

17. Схема по одному из пп.1-3, 5, 8-10, отличающаяся тем, что блок обработки сигналов выполнен с возможностью создания индексной структуры, посредством которой измерительным преобразователем может осуществляться доступ в режиме записи и/или чтения к специфическим параметрам кабельной схемы.

18. Схема по одному из пп.1-3, 5, 8-10, отличающаяся тем, что она содержит одну или несколько ячеек памяти, в которых хранятся специфические параметры кабельной схемы, причем специфические параметры кабельной схемы могут быть адресованы измерительным преобразователем через отдельную индексную структуру независимо от сенсорного модуля.

19. Схема по п.18, отличающаяся тем, что блок обработки сигналов выполнен с возможностью наложения на передаваемые от измерительного преобразователя к сенсорному модулю телеграммы сообщения для сенсорного модуля, причем блок обработки сигналов выполнен с возможностью описания неиспользованных переданных битов телеграммы.

20. Схема по п.18, отличающаяся тем, что блок обработки сигналов выполнен с возможностью наложения на передаваемые от измерительного преобразователя к сенсорному модулю телеграммы следующих сообщений для сенсорного модуля:
- запроса, какие предпочтительные методы кодирования поддерживаются сенсорным модулем;
- требования переключения с применяемого в данный момент метода кодирования на предпочтительный метод кодирования.

21. Схема по п.19 или 20, отличающаяся тем, что блок обработки сигналов выполнен с возможностью согласования соответствующей контрольной суммы с измененными переданными битами.

22. Схема по одному из пп.1-3, 5, 8-10, 19, 20, отличающаяся тем, что сенсорный модуль выполнен с возможностью наложения на передаваемые от него к измерительному преобразователю телеграммы сообщения для кабельной схемы, причем описываются неиспользованные переданные биты телеграммы.

23. Схема по одному из пп.1-3, 5, 8-10, 19, 20, отличающаяся тем, что сенсорный модуль выполнен с возможностью наложения на передаваемые от него к измерительному преобразователю телеграммы следующих сообщений для кабельной схемы:
- ответа, какие предпочтительные методы кодирования поддерживаются сенсорным модулем.

24. Схема по одному из пп.1-3, 5, 8-10, 19, 20, отличающаяся тем, что блок обработки сигналов выполнен с возможностью обработки специфических переданных битов, переданных от сенсорного модуля к измерительному преобразователю телеграмм, чтобы определить, какие предпочтительные методы кодирования поддерживаются сенсорным модулем.

25. Схема по одному из пп.1-3, 5, 8-10, 19, 20, отличающаяся тем, что в случае, если она и сенсорный модуль поддерживают другие предпочтительные методы кодирования, передача данных между кабельной схемой и сенсорным модулем переключается на предпочтительный метод кодирования, тогда как для передачи данных между измерительным преобразователем и кабельной схемой продолжает применяться стандартный метод кодирования.

26. Схема по п.25, отличающаяся тем, что стандартный метод кодирования представляет собой метод кодирования без возврата к нулю.

27. Схема по п.25, отличающаяся тем, что предпочтительные методы кодирования представляют собой методы кодирования, при которых доля постоянного напряжения в сигнале, в основном, постоянная.

28. Схема по п.25, отличающаяся тем, что предпочтительные методы кодирования представляют собой один из следующих методов: метод 8В 10В, манчестерский метод.

29. Система передачи измеренных данных, содержащая кабельную схему (3) по одному из пп.1-28, измерительный преобразователь (5), соединенный кабелем (4) с кабельным интерфейсом (13) кабельной схемы (3), и сенсорный модуль (1), выполненный с возможностью обмена данными через бесконтактный интерфейс (2) с кабельной схемой (3).

30. Способ передачи измерительных сигналов в измерительной системе, причем измерительная система содержит измерительный преобразователь (5), кабельную схему (3) с блоком (15) обработки сигналов и сенсорный модуль (1), причем передачу сигналов между кабельной схемой (3) и сенсорным модулем (1) осуществляют через бесконтактный интерфейс (2), отличающийся тем, что:
- передают сигнал от измерительного преобразователя (5) к кабельной схеме (3);
- принимают сигнал кабельной схемой (3);
- обрабатывают принятый сигнал блоком (15) обработки;
- модулируют несущий сигнал в соответствии с принятым от измерительного преобразователя (5) сигналом;
- передают модулированный несущий сигнал через бесконтактный интерфейс (2) к сенсорному модулю (1);
- при этом блок (15) обработки сигналов действует в качестве репитера для передачи сигналов в обоих направлениях передачи между измерительным преобразователем (5) и сенсорным модулем (1) для улучшения качества сигнала и уменьшения числа ошибок передачи.

31. Способ передачи измерительных сигналов в измерительной системе, причем измерительная система содержит измерительный преобразователь (5), кабельную схему (3) с блоком (15) обработки сигналов и сенсорный модуль (1), причем передачу сигналов между кабельной схемой (3) и сенсорным модулем (1) осуществляют через бесконтактный интерфейс (2), отличающийся тем, что:
- передают модулированный несущий сигнал через бесконтактный интерфейс (2) к кабельной схеме (3);
- принимают модулированный несущий сигнал кабельной схемой (3);
- демодулируют принятый через бесконтактный интерфейс (2) модулированный несущий сигнал;
- обрабатывают демодулированный сигнал блоком (15) обработки;
- передают обработанный сигнал от кабельной схемы (3) к измерительному преобразователю (5);
- при этом блок (15) обработки сигналов действует в качестве репитера для передачи сигналов в обоих направлениях передачи между измерительным преобразователем (5) и сенсорным модулем (1) для улучшения качества сигнала и уменьшения числа ошибок передачи.