JP2007531159A - Ｃａｎ出力を絶縁した２線式トランスミッタ - Google Patents

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Abstract

好ましくは双方向ＨＡＲＴ及びコントローラエリアネットワーク通信トランシーバライン（ＬＯＯＰ＋，ＬＯＯＰ−，ＣＡＮ，ＧＮＤ）を提供するトランスミッタ出力回路（４００，３００）を含むプロセス変量トランスミッタ（１００）。トランスミッタ出力回路はまた、センサ回路インタフェース接点（２０２）を含む。絶縁回路（２０１）は、センサ回路インタフェース接点と結合する。絶縁回路は、プロセス変量を感知するセンサ回路を含む。絶縁回路はさらに、センサ回路をＨＡＲＴ及びコントローラエリアネットワークトランシーバラインからガルバニックに絶縁するガルバニック絶縁バリヤ（２０４）を含む。積み重ね型電源（図９Ａ−９Ｂ）は電力管理を提供する。他の実施態様では、電流限界の診断出力（９３４）、起動時及び停止時のマイクロコントローラの時間流れ、ＬＯＩ（local operator interface）及び電力管理をなすコントローラエリアネットワークを含む。

Description

発明の背景
プロセス変量を感知し、そのプロセス変量の大きさを表す電気出力を発するためにプロセス変量トランスミッタが使用される。プロセス変量トランスミッタ中の電子及びセンサ部品がますます小型化され、より多くの機能がトランスミッタに追加されるにつれ、トランスミッタ内の回路は非常に密に実装されるようになり、トランスミッタに対して内部的な新たな電力管理、ノイズ及び干渉問題を招くようになる。
コントローラエリアネットワーク（ＣＡＮ）トランシーバラインをも含む２線式ＨＡＲＴトランスミッタ中の低レベルセンサ回路に影響するノイズに関して問題がある。ＣＡＮトランシーバラインを含む小型２線式プロセス変量トランスミッタにおいては、センサ回路中のノイズに対するより良好な防護を提供する必要がある。
また、給電の必要性に不適合であるループ給電からＣＡＮ回路及び他のトランスミッタ回路の給電の必要性を満たすことにも問題がある。
これらの問題を解決するトランスミッタが必要である。本発明の実施態様は、これらの問題及び他の問題に対して解決策を提供し、従来技術を上回る他の利点を提供する。
発明の概要
開示されるものは、双方向ＨＡＲＴ及びコントローラエリアネットワーク通信トランシーバラインを提供するトランスミッタ出力回路を含むプロセス変量トランスミッタである。トランスミッタ出力回路はまた、センサ回路インタフェース接点を含む。
絶縁回路がセンサ回路インタフェース接点に結合する。絶縁回路は、プロセス変量を感知するセンサ回路を含む。絶縁回路はさらに、センサ回路をＨＡＲＴ及びコントローラエリアネットワークトランシーバラインからガルバニックに絶縁するガルバニック絶縁バリヤを含む。
以下の詳細な説明を読み、添付図面を参照することにより、本発明の実施態様を特徴づける他の特徴及び利点が自明になるであろう。
例示する実施態様の詳細な説明
以下に説明する実施態様では、ＣＡＮトランシーバラインを備えたプロセス変量トランスミッタ中の高密度回路における電力管理、ノイズ及び干渉に伴う問題が軽減される。低レベルセンサ回路がプロセスアースに対して照合され、センサ回路とＨＡＲＴ及びコントローラエリアネットワーク（ＣＡＮ）トランシーバラインとの間にガルバニック絶縁バリヤが設けられる。ＨＡＲＴ及びＣＡＮトランシーバラインは、ノイズを低レベルセンサ回路に効果的に結合することができず、トランスミッタは、コンパクトなトランスミッタを作るために、小型化された部品を利用することができる。
積み重ね型電源が、電流の再利用により、ＣＡＮ回路及び他のトランスミッタ負荷を通過する電流が最小ループ電流を超えることを可能にする。
図１は、工業プロセス変量トランスミッタ１００の典型的な実施態様の内部接続図を示す。プロセス変量トランスミッタ１００は、トランスミッタ機能を提供するために電気的に接続されるプリント回路基板、たとえばセンサ基板２００、ＲＦＩ基板３００、出力基板４００及びＣＡＮ基板５００を含む。トランスミッタ１００は、流体プロセス入口管継手１０２に結合し、プロセス入口管継手１０２中のプロセス流体のプロセス変量、たとえば圧力、温度、流量などを感知する。
トランスミッタ１００は、トランスミッタ１００に対して外部にある工業プロセス制御ループ（図３に示す）に結合するループリード１０４、１０６を含む。トランスミッタ１００は、トランスミッタ１００をプロセスアース（図３に示す）に接続するための接地リード１０８を含むことができる。トランスミッタは、接地リード１０８によってプロセスアースに接続されるハウジング１１２を含む。ハウジング１１２はまた、プロセス入口１０２を介してプロセスアースに接続することもできる。トランスミッタ１００は、トランスミッタ１００に対して外部にある１個以上のＣＡＮ装置（図３に示す）への接続のためのＣＡＮトランシーバリード１１４を含む。
ループリード１０４、１０６は、ＨＡＲＴ通信に準拠する外部装置との通信のための双方向ＨＡＲＴ通信トランシーバラインである。ＣＡＮリード１１４は、ＣＡＮ通信に準拠する外部装置との通信のためのコントローラエリアネットワークトランシーバラインである。
好ましい実施態様では、リード１０４、１０６、１０８、１１４はフライングリードであるが、他の電気接続装置、たとえばねじ込み端子、圧着端子、マルチピンコネクタなどをも使用することができる。
トランスミッタ１００は、信号伝送のために２本の電力線１０４、１０６を使用する電子トランスミッタであるという意味で２線式トランスミッタである。２線式トランスミッタ１００はまた、接地リード１０８及びＣＡＮトランシーバリード１１４を含む。
ＣＡＮ基板５００は、コネクタ５０２によって出力基板４００上の対応する番号の接点Ｊ４−１〜Ｊ４−８に接続される接点Ｊ４Ａ−１〜Ｊ４Ａ−８を含む。センサ基板２００は、コネクタ２０２によって出力基板４００上の対応する番号の接点Ｊ２−１〜Ｊ２−８に接続される接点Ｊ５−１〜Ｊ５−８を含む。センサ基板接点Ｊ５−１〜Ｊ５−８はセンサ回路インタフェース接点を含む。センサ基板２００は、好ましくは、コネクタ２０２に接続されているセンサ基板回路を、プロセスアースに接続されているセンサ基板２００上の絶縁回路２０１から絶縁するガルバニックバリヤ２０４を含む。センサ基板２００は、センサ回路インタフェース接点に結合された絶縁回路を含む。
出力基板４００は、コネクタ４０２によってＲＦＩ基板３００上の対応する番号の接点Ｊ１−１〜Ｊ１−８に接続される接点Ｊ１−１〜Ｊ１−８を含む。コネクタ２０２、４０２、５０２は、フレキシブルリボンケーブル、インラインピン又はプリント回路基板間の接続を設けるための他の公知のコネクタを含むことができる。
以下、回路基板２００、３００、４００、５００上の回路の例を図２〜７、９〜１２に関連して説明する。図１に示す構成は例示的なものにすぎず、トランスミッタ中の回路基板の数及びタイプは、感知される具体的なプロセス変量及び特定の用途の必要性に応じて図示するものとは異なることもできるということが当業者には理解されよう。
図２は、センサ基板２００の典型的な実施態様のブロック図を示す。センサ基板２００上の絶縁回路２０１が接点Ｊ５−１〜Ｊ５−８からガルバニックに絶縁されている。プロセス圧力を感知するために、プロセス圧力センサ２０６がプロセス入口１０２に結合している。プロセス入口１０２は通常、プロセスアース１０３に接続するねじ込み式金属管継手を含む。プロセス入口１０２とプロセス圧力センサ２０６との間に流体接続の必要がある。センサ回路が、設けられているガルバニック絶縁ではなく、ＣＡＮトランシーバラインへのオーミック接続を有するならば、プロセスアースとセンサ回路との間でノイズカップリングが可能であろう。第二の圧力センサ２０８は、好ましくは、絶対圧力センサを含み、気圧又は第二のプロセス圧を感知する。センサ２０６、２０８は、センサ基板２００に含まれるように示されているが、センサの場所及び数は、感知されるプロセス変量のタイプに応じて異なることができ、センサは、図示するように回路基板上に設けることもできるし、あるいはまた、トランスミッタハウジング１１２（図１）に取り付けることもできるということが、当業者には理解されよう。
センサ２０６、２０８はセンサ回路２１０に結合し、このセンサ回路が、センサ２０６、２０８に給電し、データをライン２１４、２１６に提供し、図２に示すようなラインＳＣＬＯＣＫ、ＭＩＳＯ及びＭＯＳＩを含むＳＰＩシリアル通信バスを介してセンサ出力をマイクロコントローラ２２０に送る。センサ回路２１０は、好ましくは、マルチチャネルシグマ−デルタＡＤ（analog-to-digital）コンバータ回路を含む。マイクロコントローラ２２０は、好ましくは、ＳＰＩプロトコルからＳＣＩプロトコルへの通信プロトコル変換を提供するようにプログラムされているNational Semiconductor COP8SGE728M8マイクロコントローラを含む。
ガルバニックに絶縁された電源２２２が、センサ基板２００上の絶縁回路２０１を供給レールＶＤＤＡ、ＶＭＩＤ及びＶＳＳＡで給電し、また、クロック信号２２４を提供する。ガルバニックに絶縁された電源２２２は、ＨＡＲＴ及びＣＡＮトランシーバラインに間接的に接続される接点Ｊ５−１及びＪ５−８をセンサ基板２００上の低レベル絶縁回路２０１からガルバニックに絶縁するガルバニック絶縁バリヤ２０４の一部である絶縁変圧器（図７に示すようなもの）を含む。センサ基板２００上の低レベル回路２０１はハウジング１１２に接続され、このハウジングが通常、プロセスアース１０３に接続される。
電源２２２上の接点Ｊ５−２、３は、ループ接点１０４、１０６に照合される回路（出力基板４００上）に接続される。絶縁変圧器における絶縁によって提供されるガルバニック絶縁は、接点Ｊ５−２、３とプロセスアース１０３との間で電気絶縁性のバリヤを形成する。
クロック信号２２４はクロック整形器２２８に結合する。クロック整形器２２８は、マイクロコントローラ（プロトコルコンバータ）２２０及びセンサ回路２１０のクロック入力として使用するのに適した整形クロック出力２３０を提供する。パワーオンリセット回路２３２がパワーオンリセット信号２３４をマイクロコントローラ２２０のリセット入力に提供する。
供給レールＶＳＳＡは、好ましくは、ハウジング１１２に結合して、トランスミッタハウジング１００及びプロセス入口１０２が、トランスミッタ１００を包囲する環境からのノイズをセンサ基板２００上の低レベル回路に容量的に結合することができないようにする。この構成により、センサ基板２００上の低レベル回路は、金属ハウジング１１２である静電シールドによって効果的に包囲される。
マイクロコントローラ（プロトコルコンバータ）２２０は、センサ基板２００のための入出力データをガルバニックに絶縁されたシリアル双方向通信回路２３６に結合する。回路２３６は、ガルバニックバリヤ２０４の一部である絶縁変圧器（図６に示すようなもの）を含む。ガルバニックバリヤ２０４はセンサ基板２００上の回路を接点Ｊ５−１〜Ｊ５−８から絶縁する。ガルバニック絶縁により、トランスミッタ１００中、接点Ｊ５−１〜Ｊ５−８とセンサ基板２００上の低レベル回路との間の導電路はなくなる。ガルバニック絶縁バリヤは、センサ基板２００上の低レベル回路を、接地された金属ハウジング１１２に接続してノイズ排除性を得ることを可能にし、トランスミッタ１００中の高レベル回路は、迷走接地電流を回避するために、ループ端子１０４、１０６に対して照合される。ガルバニック絶縁バリヤ２０４は、電流ループとプロセスアースとの間の迷走接地電流を防止する。ガルバニック絶縁はまた、絶縁変圧器に代えて光アイソレータを使用することによって達成することもできる。情報及び電力はガルバニックバリヤを通過するが、電流は遮断され、ガルバニックバリヤを通過しない。
図３は、ＲＦＩ基板３００の典型的な実施態様を示す。ＲＦＩ基板３００は、２線式プロセス制御ループ３０１を介して、トランスミッタ１００に対して外部にあるループレシーバ３０２に結合する。ループレシーバ３０２は通常、トランスミッタ１００を給電する電流を提供するプロセス制御システムの入力チャネルである。ループレシーバ３０２は、好ましくは、トランスミッタ１００によって制御される４〜２０mAの大きさのループ電流を感知する。ループ電流は、センサ２０６（図２）によって感知される、補正済みの感知されたプロセス変量を表す。ループレシーバ３０２はまた、好ましくは、双方向ＨＡＲＴデジタル通信信号をトランスミッタ１００とで交換する。このようなＨＡＲＴデジタル通信信号は、４〜２０mA電流に重畳され、４〜２０mAの大きさの電流の感知を妨害しない周波数範囲にある。
ＲＦＩ基板３００はまた、外部ＣＡＮ装置３０４に結合する。外部ＣＡＮ装置は、図示するように、バイアライン３０７を介してループマイナスに対して照合される。π（pi）フィルタ３１１がＣＡＮライン３０６上でＲＦＩを取り除く。外部ＣＡＮ装置３０４は、トランスミッタ１００に対して外部にあり、コントローラエリアネットワーク（ＣＡＮ）シリアル通信プロトコルを使用してトランスミッタ１００と通信する。外部ＣＡＮ装置３０４は、トランスミッタ１００との通信を使用することができるいかなるタイプの工業用装置でも可能である。外部ＣＡＮ装置３０４は、たとえば、温度補正データをトランスミッタ１００に提供するための温度センサを含むことができる。外部ＣＡＮ装置３０４はまた、トランスミッタ１００からプロセス変量データを受けるローカルコントローラを含むことができる。外部ＣＡＮ装置３０４はまた、トランスミッタ１００の設計に類似した設計の別のトランスミッタを含むこともできる。したがって、トランスミッタ１００は、プロセス制御ループ３０１上でＨＡＲＴプロトコルを使用する、長距離通信用の第一の双方向シリアル通信能力を有し、さらに、ライン３０５、３０７上のローカル２線式接続でＣＡＮプロトコルを使用する、短距離通信用の第二の双方向シリアル通信能力を有する。
ＲＦＩ基板３００は、ライン３０６伝いにＣＡＮ外部装置３０４との通信を出力基板４００（図１）上の接点Ｊ１−８に結合する。ＣＡＮ外部装置４０２からの通信信号は、ライン３０６及び出力基板４００上の導体を通過してＣＡＮ基板５００（図１）上のコネクタＪ４Ａ−３に達する。
プロセスループ３０１からの電流は、ＲＦＩ基板３００により、ＲＦＩ基板３００上の接点Ｊ１−２及びＪ１−３を介して出力基板４００（図１）まで運ばれる。ＲＦＩ基板３００は、ＲＦＩを取り除き、ループレシーバ３０２からのループ電流を接点Ｊ１−１、３に結合する無線周波数干渉（ＲＦＩ：radio frequency interference）フィルタ３０８を含む。ＲＦＩフィルタ３０８は、可聴周波数範囲にある高めの周波数の重畳ＨＡＲＴデジタル通信の通過を許すように設計されている。電源回路の電源回路部３１０、３１２がＲＦＩ基板３００上に位置して、部分３１０、３１２とハウジング１１２との間に良好なヒートシンクのための直接的な熱接続を提供している。ＲＦＩフィルタのアース接続３０９がワイヤリングポストＷＰ５によってプロセスアース１０３に接続されている。アース接続３０９はまた、ワイヤリングポストＷＰ１４によってハウジング１１２に接続されている。
図４は、出力基板４００上のＣＡＮサポート回路４０３の典型的な実施態様を示す。ＣＡＮサポート回路４０３は、ＣＡＮ基板５００（図５Ａ、５Ｂに関連して以下に説明する）上の回路と協働して、外部ＣＡＮ装置３０４（図３）との通信のためのＣＡＮ通信プロトコルをサポートする双方向通信を提供する。
ＣＡＮサポート回路４０３はマイクロコントローラ４０４を含む。好ましい実施態様では、マイクロコントローラ４０４は、８ビットマイクロコントローラＡＴＭＥＧＡ１０３Ｌ型を含む。マイクロコントローラ４０４はまた、ＣＡＮサポート回路４０３を制御することに加え、好ましくは、センサ基板２００及び、出力基板４００のうち、４〜２０mAの電流出力及びＨＡＲＴシリアル通信出力をサポートする部分にも制御を加える。
ＣＡＮサポート回路４０３はまた、ＣＡＮコントローラ４０６を含む。好ましい実施態様では、ＣＡＮコントローラ４０６は、米アリゾナ州ChandlerのMicrochip Technology社のＭＣＰ２５１０型コントローラを含む。ＣＡＮコントローラ４０６は、ＣＡＮフォーマットの通信をＣＡＮＲＸライン４０８を介して受信し、ＣＡＮフォーマットの通信をＴＸＣＡＮ出力４１０で送信する。ゲート回路４１２で、ＴＸＣＡＮ出力４１０は、マイクロコントローラ４０４からのＫＥＹＳゲート出力４１４と組み合わされる。ＫＥＹＳ出力は、アクティブ化すると、マイクロコントローラ４０４が、入力されたコンフィギュレーション情報をローカルオペレータインタフェース（ＬＯＩ：local operator interface）を介して受けるプロセスにあることを示す。ゲート回路４１２は、ＬＯＩ上のキーを使用するコンフィギュレーションプロセスが進行中にある間、ＣＡＮＴＸＯライン４１６へのＣＡＮフォーマットの通信の送信を阻止する。典型的なＬＯＩが、Roperらの米国特許第６，４８４，１０７号の図４に関連して説明されている。このRoperらの米国特許第６，４８４，１０７号を引用例として本明細書に取り込む。ＬＯＩは、トランスミッタに対して外部にあり、マイクロコントローラ（たとえば図９Ｂのマイクロコントローラ８５２）との通信のために省略可能なリード８１３（図８）に接続することができる。
ＣＡＮコントローラ４０６は、ＭＯＳＩライン４１８及びＭＩＳＯライン４２０を含むＳＰＩシリアル通信バスを介してマイクロコントローラ４０４とでデータ（ＣＡＮフォーマットされていない）を通信する。マイクロコントローラ４０４はまた、チップセレクト信号ＣＳＣＡＮをＣＡＮコントローラ４０６に印加してＣＡＮコントローラ４０６との通信を制御する。ＣＡＮコントローラ４０６は、ＣＡＮ通信が処理されているとき、割り込み信号ＣＡＮＩＮＴ４２２をマイクロコントローラ４０４に送信する。
マイクロコントローラ４０４は、電力が２線式ループからトランスミッタ１００に印加されるとき、リセット信号ＣＡＮＲＥＳＥＴをＣＡＮコントローラ４０６に結合する。
図５Ａ、５Ｂは、ＣＡＮ基板５００上の回路の典型的な実施態様を示す。図５Ａ、５Ｂの回路は、図５Ａ、５Ｂを波線５２０、５２２に沿ってつなぎ合わせて１枚の図面にすると、理解しやすい。好ましい実施態様では、図５Ａ、５Ｂに示す回路は、先に引用した２００２年９月６日出願のLOW POWER PHYSICAL LAYER FOR A BUS IN AN INDUSTRIAL TRANSMITTERと題する米国特許出願第１０／２３６，８７４号に記載されているタイプの優性／劣性ＣＡＮドライバ構造を含む。
図５Ａには、優性ドライバ回路５８０が示されている。図５Ｂには、劣性ドライバ５８２、レシーバ５８４及び起動回路５８６が示されている。
図３に戻ると、双方向ＣＡＮ信号がＣＡＮ外部装置３０４によってライン３０６を伝わりＲＦＩ基板３００上の接点Ｊ１−８に送られる。ＲＦＩ基板３００上の接点Ｊ１−８は、図１に示すように、出力基板４００上の接点Ｊ１−８に接続する。出力基板４００上の接点Ｊ１−８は、導体４２６（図４）を介して出力基板４００上の接点Ｊ４−３に接続する。出力基板上の接点Ｊ４−３は、図５Ａに示すように、ＣＡＮ基板５００上の接点Ｊ４Ａ−３に接続する。このように、ＣＡＮ外部装置３０４は、図５Ａに示すように、一連の導体及び接点を介して導体５０４に接続される。
図５Ａでは、保護又はクランプダイオード５０６、５０８が導体５０４に接続されて導体５０４上の電圧を約＋３．７ボルト〜−０．７ボルトの範囲に制限している。このクランプ構造は、ノイズを制限し、通常レベルのＣＡＮ通信信号と干渉しない。
ゲート回路４１２（図４）がＣＡＮＴＸＯライン上にアウトバウンドしたＣＡＮ通信を生成すると、これらのアウトバウンドしたＣＡＮ通信は、コネクタＪ４−５（図４）及びコネクタＪ４Ａ−５（図５Ａ）を介して図５Ａのライン５１０（ＣＡＮＴＸＯ）に誘導される。図５Ａの回路は、ライン５１０上の比較的低電力のＣＡＮ通信ＣＡＮＴＸＯ信号を増幅してより高電力のレベルを提供し、それがライン５１２を伝わりライン５０４、さらにはＣＡＮ外部装置３０４に結合される。ＣＡＮ外部装置３０４が、トランスミッタ１００に対してインバウンドであるＣＡＮ通信を生成すると、図５Ｂの増幅器５５０がライン５０４上のインバウンドであるＣＡＮ通信を受信し、その信号を増幅してＣＡＮＲＸ信号をライン５１４上に提供する。ＣＡＮＲＸ信号は、コネクタＪ４Ａ−４（図５Ｂ）によってコネクタＪ４−４（図４）に誘導されてライン４０８（図４）に達し、ＣＡＮコントローラ４０６にＣＡＮＲＸ信号を提供する。
図５Ａでは、ＣＡＮＴＸＯ信号はインバータ５３２の入力に印加される。インバータ５３２の構成は、前縁及び後縁が鋭く画定されこと及びインバータ５３２の出力の信号が低いインピーダンスを有することを保証する。インバータ５３２の出力は、ＭＯＳＦＥＴ５３８を含む優性ドライバ回路５８０に結合される。
図６は、図２の回路における使用に適合したガルバニックに絶縁されたシリアル双方向通信回路の一例を示す。回路６００は、変圧器絶縁材によって第二の巻線６０６とガルバニックに絶縁された第一の巻線６０４を含む変圧器６０２を含む。絶縁材は、低レベル絶縁回路２０１（図２）を、ＨＡＲＴ及びＣＡＮトランシーバラインを駆動する高レベルループ照合回路（図１）からガルバニックに絶縁するガルバニックバリヤ２０４の一部を形成する。ガルバニックバリヤ２０４をはさんでの信号結合は、電気絶縁を提供するために、電気的ではなく磁気的である。
マイクロコントローラ２２０（図２、６）が、シリアル通信信号で巻線６０４を駆動する増幅器６１０に結合されて、データ及びコマンドをセンサ基板から送出する。対応するシリアル通信信号が、巻線６０６中に磁気的に誘発され、センサ基板からのデータ及びコマンドを形成ネットワーク６１２を介して出力基板に結合する。出力基板は、シリアル通信信号で巻線６０６を駆動する増幅器６２０に結合されて、データ及びコマンドを出力基板から送出する。対応するシリアル通信信号が、巻線６０４中に磁気的に誘発され、出力基板からのデータ及びコマンドを形成ネットワーク６２２を介してセンサ基板に結合する。このように、通信は、回路６００を通して双方向である。
図７は、図２の回路における使用に適合したガルバニックに絶縁された電源回路７００の一例を示す。回路７００は、変圧器絶縁材によって二次巻線７０６とガルバニックに絶縁された第一又は一次巻線７０４を含む変圧器７０２を含む。絶縁材は、低レベル絶縁回路２０１（図２）を、ＨＡＲＴ及びＣＡＮトランシーバラインを駆動する高レベルループ照合回路（図１）からガルバニックに絶縁するガルバニックバリヤ２０４の一部を形成する。ガルバニックバリヤ２０４をはさんでの電源結合は、電気絶縁を提供するために、電気的ではなく磁気的である。
変圧器７０２は、接点Ｊ５−３及びＪ５−２で給電電流を受ける。ＲＣネットワーク７１０が一次巻線７０４と直列状態にあって、変圧器を接点Ｊ５−３及びＪ５−２でのその駆動にとってより良好に適合させる。二次巻線７０６はブリッジ整流器７１２に接続されている。ブリッジ整流器７１２は、二次巻線７０６の出力を整流し、整流した出力を第一の調整回路７１４に印加し、この第一の調整回路が第一の低レベル電源電圧ＶＤＤＡを生成する。ＶＤＤＡは、消費電力を低くするために、好ましくは５．５ボルト未満である。ＶＤＤＡは、第二の低レベル電源電圧ＶＭＩＤを生成する第二の調整器７１６に接続されている。ＶＭＩＤは、好ましくは２．３ボルト未満である。センサ基板７１８上の共通導体が、ブリッジ整流器７１２、調整器７１４、７１６及び絶縁回路２０１に接続されている。
図８は、プロセス変量トランスミッタ８００を示す図である。プロセス変量トランスミッタ８００は、略円柱形の主ハウジングボディ８０２を含む。主ボディ８０２の第一端にあるプロセス入口８０４は、レンチで把持するための六角形の外面８０６と、プロセス流体をトランスミッタ８００に送るプロセス配管（図示せず）をねじ込むための内部ねじ穴８０８とを含む。場合によっては主本体とプロセスアースとの間に接地ワイヤを接続するための接地ねじ８１０が主ボディ８０２に設けられている。
トランスミッタ８００の第二端では、シールされた電気貫通コネクタ８１４から４本のフライングリード８１２が出ている。フライングリード８１２は、ＬＯＯＰ＋、ＬＯＯＰ−、ＣＡＮ及びＧＲＯＵＮＤリードを含む。フライングリードは、ピグテールスプライス、ワイヤナット及び圧着接合装置を使用することにより、簡便かつ経済的にフィールド線に接続することができる。
ハウジング８０２内の回路基板は周囲の大気からシールされている。ハウジング８０２は、ハウジング８０２内の低レベル回路のための静電シールドとして働く。好ましい実施態様では、ハウジング８０２は、長さＬが１９cm（７．５インチ）未満であり、直径Ｄが５cm（２インチ）未満である。
ＣＡＮトランシーバ出力を有する密に実装されたトランスミッタにおけるノイズ結合の問題が解消され、コンパクトなトランスミッタハウジングを使用することができる。
図９Ａ−９Ｂは、いっしょになって、トランスミッタ８２０中の特定の積み重ね電源機構を強調する、プロセス変量トランスミッタ８２０の実施態様の簡略図を示す。図９Ａ−９Ｂは、波線８２２に沿ってつなぎ合わせて積み重ね電源構造の１枚の図面にすると、理解しやすい。
トランスミッタ８２０は、図９Ａの左側でトランスミッタリードＷＰ１、ＷＰ２を２線式の４〜２０mA電流ループ８２４に接続することによって給電される。電流ループ８２４は、負荷抵抗８２８と直列に接続されたＤＣ電源８２６を含む。トランスミッタ８２０は、電流ループ８２４中のループ電流ＩＬＯＯＰを、プロセス変量トランスミッタ８２０によって感知されたプロセス変量８２５を表す電流レベルに制御する電流コントローラとして機能する。好ましい実施態様では、電流ループ８２４はまた、ループ電流ＩＬＯＯＰに重畳される双方向ＨＡＲＴ通信信号を運ぶ。
トランスミッタ８２０を給電するために電流ループ８２４から利用可能である給電の量は厳しく制限され、ループ電流ＩＬＯＯＰが４mAの電流の下限にあるとき、もっとも厳しく制限される。下限では、トランスミッタを通過する電流の合計量は４．０００mAであり、この電流レベルがプロセス変量８２５の表現として使用されるため、トランスミッタ給電要件を満たすために増大させることはできない。
一つの実施態様では、電流ループ８２４は、最悪条件下で約１２ボルト以下である最小電圧をリードＷＰ１、ＷＰ２で提供するために頼ることができる。しかし、電流ループ８２４によってリードＷＰ１、ＷＰ２で供給される電圧は調整されず、可変性要因、たとえばループ電源８２６の調整、ループワイヤの抵抗及び４〜２０mAの電流レベルに依存して、約４２．４ボルトの高さのレベルに達することもできる。
トランスミッタ８２０中の電子回路は、信頼しうる動作のための調整される電源電圧を要する。したがって、トランスミッタ８２０は第一の電圧調整器８３０を含む。トランスミッタ８２０中の電子回路に利用可能な電力を最大限にするため、第一の電圧調整器８３０は、リードＷＰ１、ＷＰ２に印加される非調整最低電圧から確実に生成することができる可能な最大調整電圧出力８４０を提供するように調節される。ＲＦＩチョーク８３２、８３４、逆極性保護ダイオード８３６及び電流感知抵抗器８３８によって消耗される電圧降下量を考慮すると、一つの実施態様における可能な最大調整電圧は、ＲＥＴＵＲＮ８３１とも呼ばれる電流加算ノード８３１に対して約９．５ボルトである。
この実施態様では、電流ループ８２４から利用可能な４．０００mAの電流のうち、約３．１mAの電流のみが、第一の電圧調整器８３０の第一の電圧出力８４０で利用可能である。残る０．９mAの電流は、ループ電流ＩＬＯＯＰをトランスミッタ８２０によって変調して一般には低レベルアラームを示す３．６mAの低い電流で＋／−０．５mAのＨＡＲＴ信号を生成することができることを保証するに十分な電流をダーリントントランジスタ８４２中に維持するために備蓄される。ＮＡＭＵＲ（Normenarbeitsgemeinshaft fur Mess- und Regeltechnik der chemischen Industrie）によって設けられた規格は、４〜２０mAのループ電流の３．６mA以下までの降下がトランスミッタのアラーム条件を示すということを求めている。トランスミッタがこのアラーム条件にあるとき、ＨＡＲＴ変調は、電流をさらに０．５mA低く読むおそれがある。トランスミッタの電源は、最悪条件ではわずか３．１mAの電流で調整されなければならない。トランスミッタの種々の電源機能は、３．１mA未満を引き出さなければならず、トランスミッタ８２０は、電流Ｉ１（ダーリントントランジスタ８４２中の）を、ループ電流が、プロセス変量のレベルを示す４〜２０mAの範囲のレベル及びアラーム条件を示す３．６mAのレベルになるように調節する。
したがって、一つの実施態様では、第一の電圧出力８４０で得られる合計電力は、約Ｐ＝ＶＩ＝（９．５ボルト）（３．１mA）＝２９．４５ミリワットである。この利用可能な合計電力は、ミリワット数においては、コントローラエリアネットワーク（ＣＡＮ）回路負荷８４４を他のトランスミッタ負荷、たとえばアナログ回路負荷８４６、変圧器駆動回路負荷８４８、ＭＯＤＡＣ負荷８５０ならびにデジタル及びマイクロコンピュータ回路負荷８５２とともに給電するのに十分である。
ＭＯＤＡＣ８５０は、ＭＯＤＥＭ及びＤＡＣの機能を組み合わせた回路である。ＭＯＤＥＭは、ノード８３１における感知電圧のＨＡＲＴ変調を感知する。ＭＯＤＥＭはまた、ＨＡＲＴ変調を増幅器８１１（図９Ａ）を介してダーリントントランジスタ８４２に送信することができる。ＤＡＣは、プロセス変量のデジタル表現（マイクロコントローラ（μＣ）回路８５２によって提供）を、ループ電流コントローラ８４３で入力として使用するためのアナログ電流に変換する。
しかし、トランスミッタ回路負荷の電圧及び電流特性（負荷特性）が第一の電圧調整器８３０の電圧及び電流特性（供給特性）に十分に適合していないことがわかる。トランスミッタ回路負荷は、第一の電圧調整器８３０から利用可能な３．１mAを大きく超える、合計で約４．１mAになる供給電流を要する。特に、ＣＡＮ回路負荷８４４は、外部ＣＡＮ装置が０．５mAを引き出すときの最悪条件下で約０．６mAを要する。当業者には、本出願で挙げた特定の電流レベルが単なる例であり、４〜２０mA規格、ＮＡＭＵＲ３．６mA規格及び＋／−０．５mAＨＡＲＴ変調規格の範囲内の設計変更で他のレベルの電流を使用することができることが理解されよう。供給電流限界は、規格内で電流ループの機能を乱さないように設定される。
トランスミッタ回路負荷（８４４、８４６、８４８、８５０）はまた、第一の電圧調整器８３０によって提供される一般的な９．５ボルトよりもずっと低い、通常は約５．２〜３．０ボルトの範囲の調整された電源電圧を要する。
このように、電流ループ８２４の電圧及び電流特性と、トランスミッタ回路負荷８４４、８４６、８４８、８５０の電圧及び電流特性との間には全体的な不適合がある。電流ループ８２４の特性は、元来、安全回路の物理に基づく長年の工業用計測機器規格によって固定されており、実際には、有意に変更することはできない。負荷８４４、８４６、８４８、８５０の特性は、利用可能な低電力集積回路によって固定されており、したがって、負荷特性を変更する実際的な機会はない。この問題は、ループ電流がトランスミッタによって測定されるプロセス変量８２５に正確に対応することを保証するためには、ループ電流ＩＬＯＯＰが感知され、フィードックが提供されなければならないという事実によって複雑化する。フィードバックを提供するために、電流Ｉ１（ダーリントントランジスタ８４２を通過する）、電流Ｉ２（第一の電圧調整器８３０を給電するために使用される）及び電流Ｉ３（第二の調整器８５４を給電するために使用される）を感知するための電流感知抵抗器８３８が設けられる。ループ電流コントローラ８４３が、ループ電流ＩＬＯＯＰがプロセス変量８２５を示すのに正しいレベルになるようにフィードバックに基づいて電流Ｉ１を制御する。
正のリードＷＰ１及び負のリードＷＰ２がループ電流ＩＬＯＯＰをトランスミッタ８２０の中及び外に運ぶ。トランスミッタ８２０の中では、ループ電流ＩＬＯＯＰは、第一の電流Ｉ１、第二の電流Ｉ２、第三の電流Ｉ３及び第四の電流Ｉ４を含むいくつかの電流成分に分離する。一般に、流れることはできるがループ電流に誤差を導入しない（較正がそのような誤差を効果的に打ち消すため）一定の小さな固定バイアス電流を除き、ＩＬＯＯＰ＝Ｉ１＋Ｉ２＋Ｉ３＋Ｉ４である。
トランスミッタ８２０はループ電流コントローラ８４３を含む。ループ電流コントローラ８４３は電流感知抵抗器８３８を含む。電流感知抵抗器８３８は、第一の電流Ｉ１、第二の電流Ｉ２及び第三の電流Ｉ３を運ぶ。電流感知抵抗器８３８は、ノード８３１で感知電圧を発生させ、それがフィードバックライン８４５を伝わりループ電流コントローラ８４３の入力までフィードバックされる。ループ電流コントローラ８４３は、プロセス変量８２５（ＭＯＤＡＣ８５０によって提供される入力）及びノード８３１における感知電圧の両方の関数として第一の電流Ｉ１を制御する。しかし、電流感知抵抗器８３８は電流Ｉ４を運ばない。電流Ｉ４は、電流感知抵抗器をバイパスし、負のリードＷＰ２に直接戻る。
トランスミッタ８２０は、給電のために正のリードＷＰ１に結合する第一の電圧調整器８３０を含む。第一の電圧調整器８３０は第一の電圧出力８４０を提供する。第一の電圧調整器８３０は電流Ｉ２によって給電される。電流Ｉ２は、第一の電圧調整器８３０を通過し、電流感知抵抗器８３８を通過することによって負のリードＷＰ２に戻る。
トランスミッタ８２０は、給電のために第一の電圧出力８４０に結合する第二の電圧調整器８５４を含む。第二の電圧調整器８５４は第二の電圧出力８５６を提供する。第二の電圧調整器８５４は電流Ｉ３によって給電される。第三の電流Ｉ３は、第二の電圧調整器８５４からライン８５５を伝わり電流感知抵抗器８３８に結合する。
トランスミッタ８２０は、第一の電圧出力８４０と第二の電圧出力８５６との間を流れる第一の負荷電流８４９を引き出す第一の負荷８４８（図７に示すような変圧器を駆動する変圧器駆動回路負荷８４８）を含む。
トランスミッタは、コントローラエリアネットワーク負荷８４４及び負荷８４６、８５０、８５２を含む第二の負荷を含む。第二の負荷はまた、コモンに戻される多数の小さな固定バイアス電流を含む。第二の負荷は、第二の電圧出力８５６と、チョーク８３４を介して負のリードＷＰ２に接続するＣＯＭＭＯＮリードとの間を流れる第二の負荷電流８５８を引き出す。第二の負荷電流８５８は電流感知抵抗器８３８をバイパスする。
第二の調整器８５４は、第二の負荷電流８５８（Ｉ４）の一部しか提供しない。第一のの負荷電流８４９は、第一の負荷８４８を通過したのち、第二の負荷をも通過する。第一の負荷と第二の負荷とは積み重ねられている、換言するならば、直列状態にあるため、第一の負荷８４８によって使用された電流は第二の負荷によって効果的に再利用される。この第一の負荷電流の再利用が、第二の調整器が提供しなければならない電流の量を減らす。負荷電流抵抗器８６０が第二の負荷電流を運ぶ。第二の調整器は、ノード８６２の電圧を、好ましくは４．３ボルトである固定電圧に調整する。このように、第二の電圧８５６は二つの電圧成分を含む。第二の電圧８５６は、通常は４．３ボルトである調整成分を含む。第二の電圧８５６はまた、抵抗器８６０をはさんでの電圧降下の関数として変化する可変性電圧成分を含む。このように、抵抗器８６０をはさんでの電圧降下は、第二の負荷電流８５８に比例する成分を含む。
ループ電流コントローラ８４３は第二の電圧８５６をライン８５７上で受ける。ループ電流コントローラ８４３は、第二の電圧８５６を感知して、第一の電流Ｉ１を、電流感知抵抗器８３８をバイパスする第二の負荷電流８５８に関して補正する。このように、ループ電流コントローラ８４３は、プロセス変量、すなわち抵抗器８３８によって感知されたループ電流の関数として、また、第二の負荷電流が抵抗器８３８を通過しないとしても、第二の負荷電流の関数として、電流Ｉ１を制御する。第一及び第二の負荷の積み重ねは、負荷電圧を加えて、利用可能な調整電圧により良好に適合させることを可能にする。第一及び第二の負荷の積み重ねは、利用可能な調整電流の一部が第一及び第二の負荷を通過することを可能にして、電流を効果的に再利用し、合計負荷電流がループから利用可能な調整電流を超えることを可能にする。このように、トランスミッタ８２０は、電流ループ８２４の電流及び電圧限界を超えることなく、コントローラエリアネットワーク（ＣＡＮ）負荷を他のトランスミッタ負荷とともにサポートすることができる。
図１０は、劣性ドライバ５８２（図５Ａにも示す）がＣＡＮ ＢＵＳ５０４（図５Ａにも示す）に供給することができる電流の量を制限するＣＡＮ電流制限器９１４を示す。図５Ｂで使用されている参照番号及び専門用語と同じである、図１０で使用されている参照番号及び専門用語は、同じ又は同種の特徴を特定する。
ＣＡＮ ＢＵＳ５０４が劣性状態（高レベル、通常は＋３ボルト）になるたび、ＤＣ電力がＣＡＮ ＢＵＳ５０４を介して外部ＣＡＮ装置（たとえばＬＣＤ）に提供される。優性状態（低レベル、通常は＋１ボルト）の間は、バルクコンデンサ９０４が充電され、ひとたびＣＡＮ ＢＵＳ５０４が劣性状態に戻ると、ＣＡＮ ＢＵＳ５０４への高電流パルスにとって十分な電荷が利用可能になる。
ＣＡＮ物理層電力は、劣性ドライバ５８２が供給導体９０６（ＣＡＮ ＶＤＤ）から引き出す電流を所定の限界に制限するように設計されている電流制限器９１４を介して提供される。一つの好ましい実施態様では、所定の限界は５００マイクロアンペアである。この電流制限器９１４は、過負荷又は短絡したＣＡＮ ＢＵＳ５０４がトランスミッタを４〜２０mA電流ループ（たとえば図１０の電流ループ８２４）上でその見積もられた零入力電流範囲の外に押し出さないことを保証する。電流制限器９１４は、ＣＡＮ ＢＵＳ５０４に利用可能な直流を制限して、ＣＡＮ ＢＵＳ５０４上の過負荷又は短絡が４〜２０mAトランスミッタ電流ループ上でオンスケール誤差を生じさせることを防ぐ。バルク蓄積コンデンサ９０４は、ＣＡＮ ＢＵＳ５０４が低レベルであるとき電荷を蓄積する。ＣＡＮ ＢＵＳ５０４が高レベルであるとき、電荷は、ＣＡＮ ＢＵＳ５０４によって給電される外部ＣＡＮ装置９３０に移送される。
電流制限器９１４は演算増幅器９１２を含む。演算増幅器９１２は、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）９１６を制御して電流限界を設けるレール間入出力（Ｉ／Ｏ）部品である。電流制限器９１４は、＋４．３Ｖレール９２６からＣＡＮ ＶＤＤライン９０６への電流を感知する感知抵抗器９１８を含む。電流制限器９１４は、増幅器９１２への電流限界基準を設ける分圧器を形成する抵抗器９２０、９２２を含む。電流制限器９１４は、ライン９２４（＋３Ｖ）とライン９２６（＋４．３Ｖ）との間で照合されて、図１３に関連して以下さらに詳細に説明するようなトランスミッタの規則的な起動シーケンスを保証する。
ＣＡＮ ＢＵＳ５０４上の補助的負荷に電力を効率的に提供するため、物理層は、ＣＡＮ ＢＵＳ５０４が低レベルにあるときに電荷を蓄積し、ＣＡＮ ＢＵＳ５０４が高レベルに戻ると電荷をＣＡＮ ＢＵＳ５０４に移送する。バルクコンデンサ９０４がこれを達成する。
コンデンサ９０４は、電流を制限するＦＥＴ９１６を介して充電されるため、ＣＡＮ ＢＵＳ５０４が高いピーク電流をコンデンサ９０４から引き出すと、コンデンサ９０４の電圧は瞬時に降下する。一つの実施態様では、コンデンサ９０４は、通信中に３．０ボルトの使用電圧を維持するのに十分な大きさの値を有する。これは、ＬＣＤのような外部ＣＡＮ装置が作動するのに十分な電源電圧を有することを保証する。コンデンサ９０４は通信パケットの合間に補充される。
電力がはじめて印加されたときに正しく起動する、又は短絡したＣＡＮ ＢＵＳ５０４から復旧するために、起動回路５８６が、ＣＡＮ ＢＵＳ５０４に電流を提供する代替経路を提供する。この要件を満たすため、バルク蓄積コンデンサ９０４が満杯に充電されたのち起動回路５８６中のＰＮＰトランジスタ９０２がオンになって電力をＣＡＮ ＢＵＳ５０４に提供する。起動回路５８６は、起動時又はバスがアースに短絡したのちの障害復旧時にＣＡＮバスを高レベルに引き上げる。起動回路５８６は、バルクコンデンサ９０４が電流をＣＡＮ ＢＵＳ５０４に提供する前に満杯に充電することを許すことにより、規則的な電力アップ及び電力の効率的な使用を提供する。ＣＡＮ物理層は、ＣＡＮ ＢＵＳ５０４が低レベルであるとき劣性ドライバ５８２をオフにして電流を節約する。これは、起動時又はバスがアースに短絡したのちに問題を提起する。バスはこれらのケースのいずれでも低レベルになるため、劣性ドライバ５８２はオフになる。バスを高レベルにしてそれを起動したり、短絡状態から復旧させたりするものは何もない。バイポーラＰＮＰトランジスタ９０２が、この機能を実行するためのプルアップ経路を提供する。トランジスタ９０２のエミッタが抵抗器９０８を介してライン９０６（ＣＡＮ ＶＤＤ）に接続され、トランジスタ９０２のベースが＋３Ｖに接続され（図示するように直接又は抵抗器を介して）、トランジスタ９０２のコレクタがＣＡＮ ＢＵＳ５０４に接続されている。この実施態様では、ひとたびライン９０６が約３．６ボルトに達すると、トランジスタ９０２がオンになり、ＣＡＮ ＢＵＳ５０４に電流を供給する。これが、物理層の要件に十分である３．６ボルトレール９０６を生成する。ひとたびレール９０６が３．６ボルトになると、コンデンサ９０４は満杯に充電され、さらなる電荷を蓄積するところはなくなる。プルアップ機構として電流をＣＡＮ ＢＵＳ５０４に供給することが許容される。
ＣＡＮ ＢＵＳ５０４が過度な負荷９１０を課されるならば、電流はアースに流れるが、ライン９０６は３．６ボルトに固定される。バス上にＤＣ負荷がないならば、電流は、トランジスタ９０２のベース／エミッタ接合部を通過し、＋３．０ボルトレールに入って再利用される。さらなる利点は、物理層が一定の電流を常に引き出し、そのため、ＤＣ電力制限回路が動的印加を受けず、それにより、シリアルバスに伴う交換負荷を＋４．３ボルト内部レール及び４〜２０mAループ調整回路から絶縁された状態に維持するということである。これは、比較的低速の低電力演算増幅器９１２の使用を可能にする。
場合によっては、診断回路９３２を図１０に示す回路に加えることができる。診断回路９３２は、ＣＡＮ電源回路に結合し、ライン５０４上でＣＡＮバスに供給される電力の調整の状態を示す診断出力９３４を提供する。過度な負荷９１０（たとえば過度なケーブルキャパシタンス）があるならば、診断出力９３４は、その問題をオペレータに警告することができる。負荷は、電流制限器９１４によって設定される０．５mA電流限界Isetを超えると、過度である。診断出力９３４は、好ましくは、図９ＢのデジタルμＣ回路８５２の一部であるマイクロコントローラに結合する。
好ましい態様では、診断回路９３２はＰＮＰトランジスタ９３６を含み、エミッタがトランジスタ９０２のベースに接続され、ベースが＋３Ｖに接続され、コレクタが、ＤＣコモンに結合する抵抗器９３８に接続されている。診断出力９３４は、抵抗器９３８とトランジスタ９３６のコレクタとの接合部に接続されている。
図１１は、図９Ａ−９Ｂ、１０に示すようなトランスミッタにおける使用に適合可能である電源回路を示す。図９Ａ−９Ｂ、１０で使用されている参照番号と同じである、図１１で使用されている参照番号は、同じ又は同種の特徴を指す。
ＣＡＮ外部装置９３０は、起動時にプログラム又は設定することができ、使用中にときどき再設定することができる特定の機構を有している。ＣＡＮコンフィギュレーションデータがＣＡＮ ＢＵＳ５０４を介してＣＡＮ外部装置９３０に移送されてＣＡＮ外部装置９３０を設定する。
ＣＡＮコンフィギュレーションデータは、ＨＡＲＴプロトコルを使用してトランスミッタを給電する２線式４−２０ループを介して送信される。ＭＯＤＡＣ８５０が、ＣＡＮコンフィギュレーションデータを含むＨＡＲＴメッセージを受け、そのＨＡＲＴメッセージを復調し、ＣＡＮコンフィギュレーションデータをマイクロコントローラ９５０に提供する。マイクロコントローラ９５０がＣＡＮコンフィギュレーションデータをＥＥＰＲＯＭ回路９５２に送信すると、そこでＣＡＮコンフィギュレーションデータとして不揮発的に記憶される。ひとたびＣＡＮ外部装置９３０が設定されると、２線式４−２０mAループに接続された別のＨＡＲＴ装置（通常はプロセス制御システム）がＣＡＮ外部装置９３０と通信することができる。
ＣＡＮ ＢＵＳ５０４が再起動されるたび、マイクロコントローラ９５０は自動的に最新バージョンのＣＡＮコンフィギュレーションデータをＥＥＰＲＯＭ回路９５２から検索し、ＣＡＮ回路９５６を使用して最新バージョンのＣＡＮコンフィギュレーションデータを外部ＣＡＮ装置９３０に送信する。
ときおり、トランスミッタを給電する２線式４−２０mAループ上で瞬間的な停電（「ブラウンアウト」）が起こることがある。マイクロコントローラ９５０がＣＡＮコンフィギュレーションデータをＥＥＰＲＯＭ９５２に書き込んでいる間にこのようなブラウンアウトの一つが起こるならば、データの書き込みを完了することができず、記憶されているＣＡＮコンフィギュレーションデータ９５４が破損する、又は使用不可になるおそれがある。これが起こると、プロセス制御システムは、実際にはＣＡＮ外部装置９３０が使用不可又は破損状態のコンフィギュレーションを有する場合にＣＡＮ外部装置９３０が最新の設定であると仮定して、ＣＡＮ外部装置９３０と通信することを試みるかもしれない。仮定されたＣＡＮコンフィギュレーションデータと実際のＣＡＮコンフィギュレーションデータとの不適合から制御システムの機能不良が生じかねない。このような不適合の可能性を減らすため、以下に記載する回路を設けてそのような不適合を防止する。
＋３Ｖ電源レールはエネルギー蓄積コンデンサ９５８を備えて、ループ給電が断たれたのち＋３Ｖ電源電圧がゆっくりと降下し、ＥＥＰＲＯＭ９５２へのＣＡＮコンフィギュレーションデータの書き込みを完了するのに十分な長さの期間＋３Ｖ供給を維持するようになっている。第一の調整電圧８４０（＋９．５Ｖ）はごく小さなエネルギー蓄積しか備えておらず、ループ給電が断たれると、＋９．５Ｖ供給はすぐに降下する。
＋９．５Ｖ電源は、抵抗器９６０、９６２を含む抵抗性分圧ドライバによって感知される。コンパレータ９６４が、その第一の入力を抵抗性分圧ドライバの出力９６６に接続され、その第二の入力を固定基準電圧９６８に接続されている。コンパレータ９６４は、抵抗性分圧ドライバの出力９６６を固定基準電圧９６８と比較する。コンパレータ出力９７０は、ループ給電が中断されたときを示す。コンパレータ出力９７０はＦＥＴ９７２に結合し、このＦＥＴが、ループ給電が中断されたとき作動するマイクロコントローラ９５０にブラウンアウト出力９７４を提供する。
ブラウンアウト出力９７４が作動すると、マイクロコントローラ９５０は、二つの動作を行うことによって応答する。第一の動作で、マイクロコントローラ９５０は、ＨＡＲＴ通信を使用して、プロセス制御システムに対して警告フラグを立てる。フラグは立てられたままになり、次にＨＡＲＴ通信が起こると、フラグはその通信に含まれて、ブラウンアウト状態が存在していたことをオペレータに警告する。警告フラグは、プロセス制御システムに対し、ＣＡＮコンフィギュレーションデータがブラウンアウトによって破損しているかもしれない可能性を警告する。電力が復旧したのち、プロセス制御システムは、ＣＡＮコンフィギュレーションデータの送信を繰り返すことによって応答する。第二の動作では、マイクロコントローラ９５０は、他のマイクロコントローラのタスクを遅らせ、コンデンサ９５８中の蓄積エネルギーのおかげで＋３Ｖ供給がまだ利用可能であるうちに記憶されたＣＡＮコンフィギュレーションデータ９５４の書き込みを速やかに完了することによって応答する。これら二つの動作が、外部ＣＡＮ装置のコンフィギュレーションがブラウンアウト中に使用不可にならない、又は破損しないことを保証する。
図１２は、図９Ａ−９Ｂ、１０、１１に示すようなトランスミッタにおける使用に適合可能である電源回路を示す。図９Ａ−９Ｂ、１０、１１で使用されている参照番号と同じである、図１２で使用されている参照番号は、同じ又は同種の特徴を述べる。
トランスミッタ中のデジタル及びマイクロコントローラ回路（たとえば図９Ｂのデジタル及びマイクロコントローラ回路８５２）は、比較的大きな電流スパイクを含む電流を＋３Ｖ電源から引き出す。これらの比較的大きな電流スパイクは、＋３Ｖ電圧調整回路１０００の出力の不安定性を生じさせることがある。一つの回路からの電流スパイクが、＋３供給に接続された他の回路に対してノイズ入力として作用するおそれがある。特に、マイクロコンピュータ９５０、ＥＥＰＲＯＭ９５２及びホール効果スイッチ１００２、１００４がノイズスパイクを生成する傾向にある。
＋３Ｖ調整器１０００は、抵抗器１００６によって＋３Ｖバスに結合される調整器出力を提供する。抵抗器１００６は通常、約１０オームである。＋３Ｖレールはエネルギー蓄積コンデンサ１００８によってバイパスされる。エネルギー蓄積コンデンサ１００８は通常、約２２マイクロファラドである。抵抗器１００６及びコンデンサ１００８の構成が、調整器１０００を離調する、又は＋３Ｖバス上のその負荷から減結合する傾向にあるＲＣ型ローパスフィルタを形成する。ＲＣフィルタを有する構造は、調整器出力の安定性を改善する傾向を示す。
＋３Ｖバスは、抵抗器１０１０及びコンデンサ１０１２を含むＲＣ型ローパスフィルタによってマイクロコントローラに結合される。抵抗器１０１０は通常、１５０オームであり、コンデンサ１０１２は通常、１マイクロファラドである。この構成は、マイクロコントローラ９５０によって生成されるノイズスパイクから＋３Ｖバスを絶縁する傾向を示す。その逆も同様である。
＋３Ｖバスは、抵抗器１０１４、１０１６及びコンデンサ１０１８を含むＲＣ型ローパスフィルタによってＥＥＰＲＯＭ９５２に結合される。抵抗器１０１４は通常、２７０オームであり、コンデンサ１０１８は通常、４７マイクロファラドである。抵抗器１０１６は通常、４７オームであり、コンデンサ１０１８への電流を制限する。この構成は、ＥＥＰＲＯＭ９５２によって生成されるノイズスパイクから＋３Ｖバスを絶縁する傾向を示す。その逆も同様である。
＋３Ｖバスは、ＦＥＴ１０２０によってホール効果スイッチ１００２、１００４に選択的に結合される。マイクロコントローラ９５０は、ライン１０２２上の出力ＳＷＳＴＡＲＴを作動させてＦＥＴ１０２０をオンにし、＋３Ｖバスをライン１０２４に結合する。ＲＣネットワーク１０２６、１０２８は、ライン１０２４上の給電をホール効果スイッチ１００２、１００４に結合する。ホール効果スイッチ１００２、１００４は、ループ電流の範囲及びゼロ設定を手作業でセットするために、ハンドヘルド型磁石によって作動させることができる。ホール効果スイッチ１００２、１００４は、作動すると、電力レールから大きな電流スパイクを引き出す傾向にある。
図１３は、トランスミッタ回路、たとえば図９Ａ、９Ｂ、１１、１２に示すトランスミッタ回路の給電の簡略タイミング図を示す。図１３中、水平軸１０５０が時間を表し、垂直軸が、表示された信号ごとに満杯の給電が存在するかどうかを表す。「高」レベルが、信号が満杯給電レベルに達していることを示し、「低」レベルが、満杯未満の給電を示す。
このタイミング図は、起動中及び停止中のエネルギー分布が、起動の初期にはマイクロコントローラを給電する方向に偏り、停止の後期にはマイクロコントローラの給電を断つ方向に偏るような、トランスミッタ中の供給レールのフル給電のシーケンスを示す。マイクロコントローラは、トランスミッタ中の他の回路の場合の起動シーケンスよりも長いソフトウェア「ブートアップ」シーケンスを含む。
４．３Ｖ電源がその満杯値に達する前にマイクロコントローラコントローラをブートアップし、ＭＯＤＡＣを制御させることが重要である。この構成は、ループ電流コントローラが、外部制御ループによってアラーム信号として誤解されるおそれのある過電流の初期スパイクを引き出すことを回避させる。
また、ブラウンアウトがある場合又は給電が断たれた場合に、マイクロコントローラがＣＡＮコンフィギュレーションデータの記憶を完了することが重要である。図１１に関連して先に説明したように、第一の出力（＋９．５Ｖ）の崩壊が、マイクロコントローラに対し、ＣＡＮコンフィギュレーションデータの記憶を完了するよう合図し、大きなキャパシタンス９５８は、マイクロコントローラがもはや作動することができないほどの低さまで＋３Ｖレールが降下する前に蓄積を完了するのに十分な長さの期間、マイクロコントローラ９５０を作動状態に維持する。
最初はオフであり、次いで１０５２でフル給電まで上げられたのち、１０５４でフル給電未満に降下するプロセス制御ループのシーケンスが示されている。１０５４における遷移は、ブラウンアウト又はループ給電の切断の一例である。
ループが最初に１０５２で給電されると、マイクロコントローラに給電を供給する調整器（たとえば図１２の調整器１０００又は図９Ｂの＋３Ｖ調整器）は、比較的大きなキャパシタンス（たとえば図１２のコンデンサ１００８、１０１２、１０１８）を充電し、調整器への入力供給（たとえば図９Ｂ、１２の＋４．３Ｖレール）はひどく負荷を受ける。＋３Ｖ調整器の出力は、図１３の１０５６で調整に入る。シーケンスにおいて次に、１０５８、１０６０で、＋４．３Ｖ電力がＣＡＮ回路及びアナログ回路に達する。最後に、はじめに調整された電圧（＋９．５Ｖ）が１０６２で調整に入る。
ループへのフル電力が１０５４で失われると、＋９．Ｖレールは速やかに降下し、マイクロコントローラは、１０６４で、進行中のＣＡＮコンフィギュレーション記憶を完了するようマイクロコントローラに合図するブラウンアウトフラグを受ける。図１１に示す回路は、そのようなブラウンアウトフラグが生成される方法を示す。シーケンスにおいて次に、４．３Ｖレールが降下し、ＣＡＮ回路及びアナログ回路が１０６６、１０６８で給電を失う。最後に、１０７０で、マイクロコントローラがその給電を失う。
好ましい実施態様を参照しながら本発明を説明したが、当業者は、本発明の範囲を逸することなく、形態及び詳細における変更を加えることができることを理解するであろう。
ＨＡＲＴ及びＣＡＮトランシーバラインを含む２線式プロセス変量トランスミッタ中の回路基板間の電気接続を示す図である。 プロセス変量トランスミッタ中のセンサ基板のブロック図である。 プロセス変量トランスミッタ中のＲＦＩ基板の略図である。 プロセス変量トランスミッタ中の出力基板上のコントローラエリアネットワーク（ＣＡＮ）回路の略図である。 プロセス変量トランスミッタ中のＣＡＮ基板上のＣＡＮ優性劣性駆動回路を示す図である。 プロセス変量トランスミッタ中のＣＡＮ基板上のＣＡＮ優性劣性駆動回路を示す図である。 ガルバニックに絶縁されたシリアル双方向通信回路を示す図である。 ガルバニックに絶縁された電源を示す図である。 プロセス変量トランスミッタを示す図である。 積み重ね型電源機構を備えたプロセス変量トランスミッタの簡略図である。 積み重ね型電源機構を備えたプロセス変量トランスミッタの簡略図である。 ＣＡＮ回路の劣性駆動のための電流制限器を示す図である。 ＣＡＮコンフィギュレーションデータを記憶する際に使用される電源回路を示す図である。 スパイクを絶縁する電源回路を示す図である。 ＣＡＮ回路を含むトランスミッタの給電の簡略タイミング図である。

Claims (27)

  1. 双方向ＨＡＲＴ及びコントローラエリアネットワーク通信トランシーバラインならびにセンサ回路インタフェース接点を提供するトランスミッタ出力回路と、
    センサ回路インタフェース接点に結合され、プロセス変量を感知するセンサ回路を含み、さらに、センサ回路をＨＡＲＴ及びコントローラエリアネットワークトランシーバラインからガルバニックに絶縁するガルバニック絶縁バリヤを含む絶縁回路と
    を含むプロセス変量トランスミッタ。
  2. センサ回路が第一及び第二の低レベル電源導体を含み、第一及び第二の低レベル電源導体の間の電圧差が５．５ボルト以下である、請求項１記載のプロセス変量トランスミッタ。
  3. センサ回路を包囲し、第一の低レベル電源導体に接続された静電シールドをさらに含む、請求項２記載のプロセス変量トランスミッタ。
  4. 静電シールドに電気的に接続されているプロセス流体入口を含む、請求項３記載のプロセス変量トランスミッタ。
  5. 静電シールドが、プロセスアースに接続可能である端子をトランスミッタの外面に含む、請求項３記載のプロセス変量トランスミッタ。
  6. 絶縁回路が、絶縁バリヤの第一の部分を含むガルバニックに絶縁された電源を含む、請求項１記載のプロセス変量トランスミッタ。
  7. ガルバニックに絶縁された電源が、互いに電気的に絶縁されている第一及び第二の変圧器巻線を含む変圧器を含む、請求項６記載のプロセス変量トランスミッタ。
  8. 絶縁回路が、絶縁バリヤの第二の部分を含むガルバニックに絶縁されたシリアル双方向通信回路をさらに含む、請求項６記載のプロセス変量トランスミッタ。
  9. ガルバニックに絶縁されたシリアル双方向通信回路が絶縁変圧器を含む、請求項８記載のプロセス変量トランスミッタ。
  10. ガルバニックに絶縁されたシリアル双方向通信回路が光アイソレータを含む、請求項８記載のプロセス変量トランスミッタ。
  11. ループ電流を制御するトランスミッタであって、
    トランスミッタ中で第一、第二、第三及び第四の電流を含むループ電流を運ぶ正及び負のリードと、
    第一の電流を運ぶ抵抗器を含み、プロセス変量及び抵抗器における感知電圧の両方の関数として第一の電流を制御するループ電流コントローラと、
    正のリードに結合し、第一の電圧を提供し、第二の電流を抵抗器を介して結合する第一の調整器と、
    第一の電圧に結合し、第二の電圧を提供し、第三の電流を抵抗器を介して結合する第二の調整器と、
    第一の電圧と第二の電圧との間に第一の負荷電流を運ぶ第一の負荷と、
    コントローラエリアネットワーク負荷を含み、抵抗器をバイパスする第二の負荷電流を第二の電圧と負のリードとの間に結合する第二の負荷と
    を含み、
    ループ電流コントローラが第二の電圧を感知して、抵抗器をバイパスする負荷電流に関して第一の電流を補正するトランスミッタ。
  12. 第一及び第二の負荷が電気的直列回路に積み重ねられ、第一の負荷電流の少なくとも一部が第二の負荷を通過する、請求項１１記載のトランスミッタ。
  13. 第一の負荷電流と第二の負荷電流との合計がループ電流の下限を超える、請求項１１記載のトランスミッタ。
  14. 第一及び第二の負荷が、ループ電流の供給特性に適合しない負荷特性を有する、請求項１１記載のトランスミッタ。
  15. ループ電流コントローラが、ループ電流がプロセス変量を示すようにフィードバックに基づいて第一の電流を制御する、請求項１１記載のトランスミッタ。
  16. ループに接続可能なプロセス変量トランスミッタであって、
    ＣＡＮバス接点及びコモン接点を含むコントローラエリアネットワーク出力接続と、
    供給電流を引き出し、蓄積エネルギー出力を提供し、供給電流限界を提供する電流リミッタ回路と、
    蓄積エネルギー出力から駆動電流を引き出し、駆動電流をＣＡＮバス接点に結合し、駆動電流限界を提供する劣性ドライバ回路と、
    ＣＡＮバスに結合された優性ドライバ回路と
    を含むプロセス変量トランスミッタ。
  17. 電流リミッタ回路がバルクコンデンサを含む、請求項１６記載のプロセス変量トランスミッタ。
  18. 供給電流限界が、電流ループの機能を乱さないように設定されている、請求項１６記載のプロセス変量トランスミッタ。
  19. 第一の電源レールによって給電されるマイクロコントローラと、
    マイクロコントローラから受けたコントローラエリアネットワークコンフィギュレーションデータを記憶するＥＥＰＲＯＭ回路と、
    第二の電源レールによって給電され、マイクロコントローラからコントローラエリアネットワークコンフィギュレーションデータを受けるコントローラエリアネットワーク回路と
    を含み、給電が断たれたとき、第二の電源レールの給電の前に第一の電源レールの給電が落ちるように順序付けされているプロセス変量トランスミッタ。
  20. トランスミッタが給電されたとき、第二の電源レールの前に第一の電源レールが給電される、請求項１９記載のプロセス変量トランスミッタ。
  21. 第一の電源レールが、スパイクを減結合するためのＲＣ型ローパスフィルタを含む、請求項２０記載のプロセス変量トランスミッタ。
  22. コントローラエリアネットワーク回路が、ローカルオペレータインタフェースのキーが押されたときＣＡＮ通信を中断するＫＥＹＳ回路を含む、請求項１９記載のプロセス変量トランスミッタ。
  23. 起動時、コントローラエリアネットワーク回路の前にマイクロコントローラが給電される、請求項１９記載のプロセス変量トランスミッタ。
  24. 停止時、コントローラエリアネットワーク回路が給電を停止された後もマイクロコントローラが給電され続ける、請求項２３記載のプロセス変量トランスミッタ。
  25. マイクロコントローラと、
    マイクロコントローラに結合され、外部ＣＡＮバスに電流を提供するコントローラエリアネットワークと、
    コントローラエリアネットワーク回路に結合され、外部ＣＡＮバスへの電流を感知し、電流が設定限界を超えていることを指示する診断出力をコントローラに提供する診断回路と
    を含むプロセス変量トランスミッタ。
  26. 診断回路が、コントローラエリアネットワーク回路に結合されたエミッタ及び診断出力に接続されたコレクタを有するトランジスタを含む、請求項２５記載のプロセス変量トランスミッタ。
  27. 診断回路が、コレクタとＤＣコモンとの間に結合する抵抗器をさらに含む、請求項２６記載のプロセス変量トランスミッタ。
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