现场设备和用于回路供电现场设备的低功率无线通信模块

1.一种现场设备，包括：
多个端子，能够耦接到过程通信回路；
回路控制模块，耦接到所述多个端子中的一个，并且被配置为基于控制信号来控制流过所述回路控制模块的电流量；
现场设备主处理器，以可操作的方式耦接到所述回路控制模块以从所述回路控制模块接收所述现场设备主处理器的工作电流(I_Main)，并被配置为基于过程变量输出来提供所述控制信号；
低功率无线通信模块，以可操作的方式耦接到所述回路控制模块以从所述回路控制模块接收所述低功率无线通信模块的工作电流(I_BLE)，所述低功率无线通信模块以可通信的方式耦接到所述现场设备主处理器；以及
其特征在于，所述现场设备是回路供电现场设备，并且所述低功率无线通信模块具有活动模式和睡眠模式，并且所述低功率无线通信模块被配置为：获得对所述低功率无线通信模块处于所述睡眠模式时可用的工作电流(I_BLE)的测量，并基于对所述工作电流(I_BLE)的测量来修改所述低功率无线通信模块的活动周期。
2.根据权利要求1所述的现场设备，其特征在于，所述低功率无线通信模块包括：一对互补开关，具有彼此相反的开关状态，所述一对互补开关以可操作的方式耦接到低功率无线通信模块处理器以控制所述开关状态。
3.根据权利要求2所述的现场设备，其特征在于，在所述活动模式期间，所述一对互补开关中的第一开关闭合并对耦接到所述低功率无线通信模块处理器的主电容器进行充电。
4.根据权利要求3所述的现场设备，其特征在于，所述低功率无线通信模块处理器被配置为在测量功能期间命令所述第一开关断开并且命令所述一对互补开关中的第二开关闭合，在所述测量功能期间，所述低功率无线通信模块处于所述睡眠模式并且测试电容器被充电。
5.根据权利要求4所述的现场设备，其特征在于，所述低功率无线通信模块包括测试电流监控器，所述测试电流监控器以可操作的方式耦接到所述测试电容器并被配置为产生用于使所述低功率无线通信模块处理器从睡眠模式改变为活动模式的信号。
6.根据权利要求5所述的现场设备，其特征在于，所述测试电流监控器被配置为在所述测试电容器的电压满足选定阈值电压时产生所述信号。
7.根据权利要求5所述的现场设备，其特征在于，所述测试电流监控器是比较器。
8.根据权利要求5所述的现场设备，其特征在于，所述测试电容器具有0.15微法拉的值。
9.根据权利要求5所述的现场设备，其特征在于，所述测试电容器具有0.3微法拉的值。
10.根据权利要求1所述的现场设备，其特征在于，所述低功率无线通信模块被配置为以2.4GHz至2.4835GHz的频率进行通信。
11.根据权利要求1所述的现场设备，其特征在于，所述现场设备主处理器以可操作的方式耦接到过程传感器以测量所述过程传感二器的值，并基于测量值产生所述过程变量输出。
12.根据权利要求11所述的现场设备，其特征在于，所述过程变量输出被提供为范围在
4毫安与20毫安之间的电流，并且所述现场设备被配置为完全地由回路电流供电。
13.一种用于回路供电现场设备的低功率无线通信模块，所述低功率无线通信模块被配置为：与至少一个远程设备进行无线通信并接收可变的工作电流(I_BLE)，所述低功率无线通信模块包括：
一对互补开关，具有彼此相反的开关状态，所述一对互补开关由控制信号进行控制；
低功率无线通信模块处理器，耦接到所述一对互补开关并被配置为提供所述控制信号；以及
其特征在于，所述低功率无线通信模块具有活动模式和睡眠模式，所述低功率无线通信模块被配置为：获得对所述低功率无线通信模块处于所述睡眠模式时获得可用的工作电流(I_BLE)的测量，并基于对所述工作电流(I_BLE)的测量来修改所述低功率无线通信模块的活动周期。
14.根据权利要求13所述的低功率无线通信模块，其特征在于，所述低功率无线通信模块处理器被配置为在测量功能期间命令所述一对互补开关中的第一开关断开并且命令所述一对互补开关中的第二开关闭合，在所述测量功能期间，所述低功率无线通信模块处于所述睡眠模式并且测试电容器被充电。
15.根据权利要求14所述的低功率无线通信模块，其特征在于，所述低功率无线通信模块包括测试电流监控器，所述测试电流监控器以可操作的方式耦接到所述测试电容器，并被配置为产生用于使所述低功率无线通信模块处理器从睡眠模式改变为活动模式的信号。
16.根据权利要求15所述的低功率无线通信模块，其特征在于，所述测试电流监控器被配置为在所述测试电容器的电压满足阈值电压时产生所述信号。
17.根据权利要求16所述的低功率无线通信模块，其特征在于，所述阈值电压为1.8伏。
18.根据权利要求16所述的低功率无线通信模块，其特征在于，所述测试电流监控器是比较器。
19.根据权利要求16所述的低功率无线通信模块，其特征在于，所述可变的工作电流在
300微安与5毫安之间变化。

现场设备和用于回路供电现场设备的低功率无线通信模块\n技术领域\n[0001] 本实用新型涉及具有低能耗无线通信的回路供电现场设备的电源管理。\n背景技术\n[0002] 现场设备是可耦接到诸如制造或精炼过程之类的过程以通过提供测量和控制与该过程相关联的参数的一个或多个功能来支持该过程的设备。现场设备之所以如此命名，是因为它能够安装在现场。“现场”通常是过程安装中的外部区域，其可能受到极端气候、振动、湿度变化、电磁或射频干扰或其他环境挑战的影响。因此，这种现场设备的鲁棒物理封装为其提供了一次在“现场”中长时段(例如数年)工作的能力。\n[0003] 诸如过程变量发送器的现场设备在过程控制行业中用于远程感测过程变量。过程控制行业使用诸如致动器的现场设备来远程控制过程的物理参数，例如流量、温度等。过程变量可以从诸如过程变量发送器的现场设备发送到控制室，以用于将关于过程的信息提供给控制器。控制器然后可以将控制信息发送到诸如致动器的现场设备以修改过程参数。例如，与过程流体的压力有关的信息可以发送到控制室并用于控制诸如油精炼之类的过程。\n[0004] 过程变量发送器用于监测与诸如以下流体相关联的过程变量：化工、纸浆、石油、天然气、制药、食品和其他流体加工厂中的浆料、液体、蒸汽和气体。过程变量包括压力、温度、流量、液位、pH、电导率、浊度、密度、浓度、化学成分和其他流体属性。过程致动器包括控制阀、泵、加热器、搅拌器、冷却器、螺线管、通风口和其他流体控制设备。\n[0005] 一种用于发送信息的典型技术涉及控制流过过程控制回路的电流量。电流由控制室中的电流源提供，并且过程变量发送器根据其在现场中的位置来控制电流。例如，4mA信号可以用于指示零读数，而 20mA信号可以用于指示满量程读数。在一些情况下，数字信息可以叠加在4mA至20mA信号上，以用于获得附加通信能力。将数字通信叠加在4mA至20mA信号上的过程通信协议的一个示例是高速可寻址远程传感器(HART)协议。此外，此类设备可以从4mA至20mA电流回路接收其全部工作功率。这些设备被认为是“回路供电的”。\n[0006] 最近，已经尝试将通用无线通信以蓝牙低能耗(BLE)模块的形式结合到这种回路供电设备中。BLE是一种以2.4GHz至2.4835GHz 的通信频谱通过信道运行的无线通信技术，该信道是经典蓝牙信道的子集。与经典蓝牙相比，BLE旨在在保持相似的通信范围的同时提供减少的功率和费用。\n[0007] BLE使现场设备能够与附近的诸如智能手机和/或平板电脑的通用设备进行无线通信。这种简化为需要与现场设备进行交互以进行诸如调试、校准、维护、故障排除和修理这种现场设备的任务的用户提供了显著的便利。然而，BLE模块可以容易地消耗比这种回路供电设备所耦接的4mA至20mA电流回路所能供应的功率更多的功率。因此，需要为回路供电的现场设备提供更好的电源管理，以增加与回路供电现场设备中的BLE的兼容性以及增加BLE在回路供电现场设备中的采用率。\n实用新型内容\n[0008] 一种回路供电的现场设备，包括：可耦接到过程通信回路的多个端子；回路控制模块，耦接到多个端子之一，并被配置为基于控制信号来控制流过回路控制模块的电流量；现场设备主处理器，可操作地耦接到回路控制模块以从回路控制模块接收现场设备主处理器的工作电流(I_Main)，并被配置为基于过程变量输出来提供控制信号。低功率无线通信模块，可操作地耦接到回路控制模块以从回路控制模块接收低功率无线通信模块的工作电流(I_BLE)。低功率无线通信模块可通信地耦接到现场设备主处理器。低功率无线通信模块具有活动模式和睡眠模式。低功率无线通信模块被配置为：获得对低功率无线通信模块处于睡眠模式时的可用的工作电流(I_BLE)的测量，并基于对工作电流(I_BLE)的测量来修改低功率无线通信模块的活动周期。\n附图说明\n[0009] 图1是过程控制系统的系统框图，其示出了本文描述的实施例在其中有用的环境。\n[0010] 图2是根据一个实施例的现场设备电子器件的系统框图。\n[0011] 图3是根据一个实施例的BLE电子模块的系统框图。\n[0012] 图4是示出了根据一个实施例的在电源管理期间C_store进行充电和放电的时序图。\n[0013] 图5是示出了当I_active大于I_BLE时的两个BLE事件的时序图。\n[0014] 图6是根据一个实施例的改进的BLE电子模块的示意图。\n[0015] 图7是根据一个实施例的I_BLE测量的时序图。\n[0016] 图8是根据一个实施例的操作具有改进的集成I_BLE测量的蓝牙低能耗模块的方法的流程图。\n具体实施方式\n[0017] 在向现场设备提供集成BLE时，在可用输入功率下为回路供电设备提供最大蓝牙数据吞吐量是一项挑战。此外，蓝牙系统的可用输入功率通常不足以支持连续的BLE操作。\n因此，使用了储能电容器。根据下文描述的各种实施例，提供了一种低成本且节能的方法来检测蓝牙系统的可用输入功率并根据可用输入功率来调整蓝牙数据吞吐量。虽然将针对使用蓝牙低能耗的通信来描述本实用新型的实施例，但是可以明确设想，实施例使用其他类型的低功率无线通信是可行的。\n[0018] 图1是过程控制系统30的系统框图，其示出了本文描述的实施例在其中有用的一种具体环境。过程控制系统30包括经由过程控制回路36耦接到控制室34的过程设备32。过程设备32耦接到过程流体容器，例如管道46。本文中所使用的现场设备是使信号与过程参数相关或响应地影响过程参数的变化的任何设备。因此，现场设备32可以是过程变量发送器，其感测过程变量，例如压力、温度或诸如管道46 的过程容器中的液位。此外，现场设备\n32还可以是监控过程的操作或在过程控制回路上发送与过程相关的信息的设备。过程控制回路36 将过程设备32耦接到控制室34并且将激励电流提供给现场设备32。在所示示例中，过程控制回路36是两线4mA至20mA过程控制回路。\n[0019] 图2是根据一个实施例的现场设备32的电子器件50的系统框图。电子器件50包括一对端子52、54，它们可耦接到两线过程控制回路，例如过程控制回路36(如图1所示)。在所示示例中，端子52耦接到 4mA至20mA回路控制模块56，该模块56能够基于从主电子器件60 的主处理器58接收到的信号来设置或以其他方式确定流过其中的电流电平，如虚线62处所示意性地示出。退出回路控制模块56的回路电流被标记为I_Loop。该电流流入节点64，在节点64中电流被分为主电子器件电流(I_Main)和蓝牙低能耗电子器件电流(I_BLE)。可以理解，I_Main为包括主处理器58在内的主电子器件60提供了工作电流。主电子器件60提供了与现场设备的操作相关的所有功能。例如，在所示实施例中，主电子器件60耦接到或接收指示过程变量(例如，压力)的传感器信号66，并且基于感测到的过程变量来产生过程变量输出。过程变量输出由主处理器58通过命令回路控制模块56设置与过程变量相对应的回路电流来提供。还可以看出，BLE电子器件68 由电流I_BLE进行供电。BLE电子器件68通信地耦接到主处理器58，使得主处理器可以使用BLE电子器件68与一个或多个远程设备进行无线通信。BLE电子模块68可以包括商用低能耗蓝牙集成电路或符合低能耗蓝牙规范的任何定制电路。可以看出，BLE电子器件68可操作地耦接到BLE无线通信端口70，其示被意性地示出为天线。\n[0020] 可以理解的是，具有BLE电子模块68的现场设备的可用输入功率基于4mA至20mA回路控制而变化，该4mA至20mA回路控制由现场设备主处理器58基于测量到的过程变量(在附图标记66处示意性地示出)进行调节。BLE电子器件(I_BLE)的可用电流由以下等式1调节。\n[0021] 等式1：\n[0022] I_BLE＝I_LOOP‑I_Main\n[0023] I_Loop是4mA至20mA回路电流，而I_Main是主电子器件电流消耗。来自主电子器件和BLE电子器件的返回电流在电路公共端(图 2中标记为G)合并。I_Loop和I_Main两者在任何时间点彼此异步地更改。I_Loop电流是现场设备测量过程的函数。基于现场设备的功能活动，I_Main电流也是动态的。例如，当与过程变量发送器子系统进行数字通信时，I_Main增加1mA。作为结果，I_BLE电流取决于I_Loop 和I_Main的值而随时间变化。在一个示例中，I_BLE可以在300μA 与5mA之间变化。\n[0024] 图3是根据一个实施例的BLE电子模块68的系统框图。如图3 所示，I_BLE表示为具有电压限制VMAX的理想电流源80。BLE处理器82是负责BLE功能(例如，经由BLE无线通信端口来通信数据) 的主要BLE电力负载。BLE活动电流消耗(I_active)有时高于可用输入电流I_BLE。例如，可从德克萨斯州达拉斯的德州仪器以商品名 CC2642R2F销售的商用BLE处理器的I_active为3mA。然而，如上所述，作为I_BLE供应的潜在电流可以低至300μA。因此，BLE电子器件68使用电容器C_store 84作为在I_active大于I_BLE的情况下在活动模式期间向BLE电子器件68供电的能源。在睡眠模式期间，BLE 处理器82进入睡眠状态，并且I_active仅为几微安，这允许C_store 由I_BLE电流充电至其最大电压VMAX。\n[0025] 如图所示，VCAP 86是BLE处理器82的电压源。VCAP电压与 I_active和I_BLE之间的电流差成正比。当I_active大于I_BLE时， BLE电子器件活动时间受到限制，以避免VCAP电压欠压。事实上，一旦达到活动时间限制，BLE处理器82必须停止所有活动并进入其睡眠模式。仅在C_store充电至VMAX之后才能恢复活动。使用BLE 处理器82中的实时时钟来跟踪活动时间。\n[0026] 在一个实施例中，VCAP监控器87是当VCAP电压达到VMAX 时向BLE处理器82发送信号的电压比较器。此时，BLE处理器82 从其睡眠模式中断并允许切换回活动模式以继续BLE活动。活动模式恢复，直到达到活动时间限制，之后，C_store重复进行充电。\n[0027] 图4是示出了根据一个实施例的在电源管理期间C_store进行充电和放电的时序图。可以看出，在时间t1，BLE处理器82进入活动模式，如附图标记90所示意性地示出，在此期间VCAP电压86从VMAX 下降至Vlow。当这发生时，活动模式90停止，并且BLE处理器82在 C_store进行充电的同时进入其睡眠模式。该充电时间在附图标记92 处被示意性地示出。当VCAP达到VMAX并且VCAP监控器87向 BLE处理器82产生中断94时，充电时间结束。活动时间传递函数如下面的等式2所示。\n[0028] 等式2：\n[0029]\n[0030] 等式2中的活动时间是针对I_active大于I_BLE的条件进行定义，否则VCAP电压在整个周期时间期间保持在VMAX。充电时间传递函数如下面的等式3所示。\n[0031] 等式3：\n[0032]\n[0033] 除了I_active远小于I_BLE因此I_active可以忽略不计之外，等式3的充电时间传递函数与等式2类似。周期时间是活动时间和充电时间的组合。因此，周期时间＝活动时间+充电时间。\n[0034] 本文描述的实施例通常解决了当I_BLE的所需电流大于电流回路当前可提供的电流时的情况。\n[0035] 图5是示出了当I_active大于I_BLE时的两个示例性BLE事件的时序图。存在两种类型的活动模式事件：一种事件类型是周期性的，例如具有固定广告间隔T_adv的BLE广告；\n以及第二类型事件，例如 BLE处理器事件。BLE处理器事件是任何通用处理器任务，例如，产生由密码算法使用的安全密钥。在给定的T_adv内，BLE处理器事件活动时间受最小I_BLE的限制。BLE处理器事件的活动和充电周期时间的组合必须短于T_adv，使得广告事件可以从C_store在电压VMAX 处开始。此外，根据上述等式3，充电时间必须考虑到最小I_BLE。充电时间在最小I_BLE时最大。\n[0036] 当实际I_BLE大于I_BLE最小值时会出现问题。在这种情况下，基于由图5中的虚线\n100表示的等式3来减少充电时间。此外，充电时间减少允许增加活动时间限制。这导致BLE系统的效率更高。然而，在BLE处理器不知道实际I_BLE值的情况下，电源管理器设计默认对所有I_BLE的值使用最小I_BLE。作为结果，BLE系统在高于最小 I_BLE时会存在数据吞吐量低效的问题。根据本文所描述的实施例， BLE电子器件设置有低成本和节能的I_BLE测量设施。此外，以最大化活动时间作为测量到的I_BLE的函数的方式对I_BLE测量进行处理。\n[0037] 图6是根据本实用新型的一个实施例的改进的BLE电子模块的示意图。改进的模块\n110的一些组件类似于关于模块68(如图3所示) 所描述的组件，并且相似的组件标记类似的附图标记。可以看出，关于BLE处理器82采用了附加输入和附加输出。在所示示例中，添加了两个互补模拟开关112、114以供BLE处理器82在I_BLE测量操作与先前参考图3讨论的操作之间进行选择。作为互补模拟开关，当模拟开关112之一被接合时，另一个模拟开关必须脱离。更具体地，当SW_Main开关114闭合时，SW_Test开关112断开并且BLE系统完全如上面关于图3所描述的那样进行操作。然而，当SW_Test开关 112闭合并且SW_Main开关114断开时，BLE处理器82执行对I_BLE 电流的测量。图6还示出了可操作地耦接到Ctest_116和BLE处理器 82的I_BLE监控器117。在一个示例中，I_BLE监控器117是比较器。当VTST达到阈值VTH时，I_BLE监控器117向BLE处理器82提供信号(VINT)。\n[0038] 图7是根据一个实施例的I_BLE测量的时序图。在时间t0，BLE 处理器82从活动模式变为睡眠模式并启动实时时钟。在I_BLE测量的持续时间Test_Time期间，BLE处理器82保持在睡眠模式，并且 I_active电流消耗为几微安。在时间t0，I_BLE电流由SW_Test开关112转移并对测试电容器Ctest116进行充电，直到其电压达到阈值电压VTH118。当VTST达到VTH时，I_BLE监控器117(电压比较器) 输出信号VINT从逻辑低切换到逻辑高，其将BLE处理器\n82从睡眠状态中断。此时，BLE处理器82切换到活动模式，停止实时时钟，以及断开SW_Test开关112(从而闭合SW_Main开关114)。接下来， BLE处理器82在被从C_store 84供电的同时执行简单的I_BLE计算。 I_BLE测量计算通过重新排列等式3以提供下面的等式5来完成。\n[0039] 等式5：\n[0040]\n[0041] 等式5中的常数VTH和Ctest在使I_BLE测量节能方面发挥着重要作用。上述商用BLE模块的BLE处理器工作电压为1.8伏。因此，为避免电压电平偏移，最好将VTH设置为\n1.8V。同一BLE处理器的实时时钟分辨率约为30微秒。因此，选择Ctest使得Test_Time在I_BLE 跨度上足够长。由于相对较高的定时器电流消耗，通常不优选在BLE 处理器中使用精密定时器而是使用实时时钟。下面的表1提供了 VTH＝1.8V时的两个Ctest示例值，I_BLE的下限值和上限值分别为 300μA和3mA。3μA是BLE处理器的I_active，并且I_BLE最大MAX 为\n5mA。\n[0042] 表1\n[0043]\n[0044] 如表1中所述，“能耗”列是可用于进行I_BLE测量的总能量的百分比。对于上述示例BLE测量电子器件，总可用能量约为380微焦耳。参见表1中的示例2，I_BLE测量精度可以通过选择更大的Ctest来提高。然而，较低的Ctest值受益于更快的Test_Time和更低的能耗。\n[0045] 由于在这种情况下C_store充电时间快，I_BLE的高值可不需要高精度I_BLE_meas。当I_BLE大于I_active时尤其如此，例如当 I_BLE＝5mA和I_active＝3mA时，在这种情况下，VCAP监控器87将向BLE处理器发信号通知VCAP电压持续处于VMAX电平并且 C_store充电时间将保持在零。\n[0046] I_BLE测量的频率取决于I_BLE电流的预期变化率。在一个实施例中，现场设备的循环变化率时间常数为12mS。I_Main的变化率难以进行量化，但可以假设它在个位数毫秒范围内。考虑到这些变化率以及表1中的示例1，I_BLE测量频率可以设置为200Hz或每5毫秒一次。\n[0047] 图8是根据一个实施例的操作具有改进的集成I_BLE测量的蓝牙低能耗模块的方法的流程图。该方法可以基于测量到的I_BLE值推断 BLE处理器事件的周期时间。基于I_BLE测量频率来周期地重新计算周期时间。BLE处理器事件持续时间，即活动时间，会延长，直到推断的周期时间接近广告时段。在I_BLE电流快速从高到低的转换期间，推断周期时间容易超过完成BLE处理器事件之前的广告时段。在周期时间结束时添加了时间缓冲区以缓解此问题。时间缓冲区的持续时间应该很短，否则该方法的数据吞吐量效率优势会降低。增加I_BLE测量频率或使用其他方法以最小化时间缓冲是可能的。\n[0048] 方法200开始于框202，其接收I_active、VTH、VMAX和T_adv 形式的常数204。在框\n202，VCAP等于VMAX并且进入活动模式。接下来，在框206，BLE处理器的实时时钟用于设置和记录T_start值。在框208，SW_Main模拟开关114闭合(参见图6)并且SW‑Test开关112断开。\n在框210，BLE处理器82执行BLE处理器事件。在处理器事件被执行之后，控制转到框212，其中确定是否是测量I_BLE 的时间。如果不是测量I_BLE的时间，控制返回到框210，并且BLE 处理器82可以执行另一处理器事件。可以理解，该过程可以重复，直到最后是测量I_BLE的时间，此时控制经由线260转到框214。\n[0049] 在框214，BLE处理器82断开SW_Main模拟开关114并闭合 SW_Test开关112。控制然后转到框216，其中BLE处理器82基于其实时时钟来记录时间t0。然后，BLE处理器82改变为睡眠或待机模式，如框218所示。在框220，方法200确定是否已经接收到VINT 信号或中断。\n如果不是，则该方法等待直到最终接收到VINT，此时控制转到框222。在框222，BLE处理器82改变为活动模式，并且控制转到框224，其中BLE处理器82基于其实时时钟记录T_now。接下来，控制转到框226，其中SW_Test开关112断开并且SW_Main 开关114闭合。控制然后转到框\n228，其中BLE处理器82计算 I_BLE_meas＝Ctest(VTH/(T_now‑t0))。控制转到框230，其中BLE 处理器82计算\n[0050] VCAP＝VMAX‑((I_active‑I_BLE_meas)*(T_now‑T_start)/Cstore)。然后在框232将充电时间计算为等于C_store*(VMAX‑VCAP) /I_BLE_meas。最后，控制转到框234，其中将周期时间计算为 (T_now‑T_start)+充电时间。在计算出这些值之后，控制转到框236，其中确定周期时间加上时间缓冲区是否小于T_adv。如果是，则控制经由线240返回到框210。然而，如果不是，则控制转到框242，其中 BLE处理器82完成BLE处理器事件。当这完成时，则控制转到框244，其中BLE处理器82改变为睡眠或待机模式并在框246处结束周期。\n[0051] 总之，关于图8描述的方法通常最大化作为测量到的I_BLE的函数的活动时间，其实际上最大化了数据吞吐量。\n[0052] 虽然已经参考优选实施例对本实用新型进行了描述，但本领域技术人员将会认识到，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上做出修改。