用于监测和/或控制动态环境的输入/输出设备和方法与流程

用于监测和/或控制动态环境的输入/输出设备和方法
1.相关申请的交叉引用
2.本技术主张于2019年11月5日提交的题为“用于监测和/或控制动态环境的输入/输出方法和设备(input/output methods and apparatus for monitoring and/or controlling dynamic environments)”的美国临时申请第62/931,188号的优先权权益，所述申请以全文引用的方式并入本文中。


背景技术：

3.一些现代自动化或半自动化机器(例如，在诸如工厂组装和/或检验线等工业环境中)可包含数十或数百组件，所述组件可由一个或多个远程装置控制和/或监测。举例来说，可存在数据和/或控制信号可发送到的和/或可从中接收数据和/或控制信号的不同组件(例如传感器、致动器、编码器、电机、电源、光源、成像器、图像处理器、输送机、控制器、信号处理器、信号产生器等)。
4.在各种类型的工厂中使用的现代制造机器可包括可从许多不同供应商获得的数百个此类不同组件。各种组件的不同生态系统允许现代机器的设计者在机器中组装可满足几乎无限的设计目标集合的多个组件，而无需为每一唯一应用发明定制组件。可由多个组件构造的机器的实例包含制造机器、自主车辆、现代汽车、飞行器、风力涡轮机和电厂。
5.通常，机器的组件以比任何一个终端用户应用程序所需的更大量来产生，以使得与组件制造相关联的固定和可变成本减小。此商业模式是基于将大量组件出售给许多终端用户和/或在许多不同终端用户应用程序中使用的期望。大量生产的结果是机器的许多组件被设计成独立于任何特定终端用户应用程序。因此，此类组件将通常不针对任何特定应用程序而优化。在设计阶段不具有组件优化可使得在自动化或半自动化机器中使用相对较大数目个组件，其中组件的整体功能性或能力可为未充分利用的。此外，可能需要添加一个或多个调适组件以调适一个或多个所包含组件的功能性以实现自动化或半自动化机器的特定设计目标。总而言之，机器组件的非定制一般性可使得明显增加了包括此类组件的自动化或半自动化机器的复杂性和成本。


技术实现要素：

6.本文中描述了涉及用于自动化或半自动化机器的可编程输入/输出接口电路的发明性设备和方法。可编程接口电路的实例可用于例如辅助控制自动化或半自动化机器的动态环境，且可安装在控制器与待控制的和/或可从中接收数据的机器的一个或多个组件之间。此类组件包含传感器和致动器，例如但不限于热传感器、光传感器、风传感器、压力传感器、速度传感器、接近度检测器、应变计、x射线检测器、辐射传感器、化学传感器、水分或湿度传感器、火焰传感器、烟尘或灰尘传感器、光源、光幕、电流计、编码器、电机、电源、光源、成像器、图像处理器、输送机、控制器、信号处理器、信号产生器、机器人技术装备等。根据一些实施方案，可(在使用之前或在机器操作期间实时)对本实施方案的可编程接口电路进行编程以与使用不同信令类型(例如，不同类型的数字和模拟信令方案)的广泛多种组件介
接。在一些实施方案中，所述接口电路可发射和接收通过同一信令信道的不同信令类型。发射和接收通过同一信令信道的不同信令类型的能力可产生较少互连缆线、较少互连复杂性、控制设备的较小覆盖面积、实施方案和操作的成本降低以及更可靠的操作。
7.总而言之，各种实施方案涉及可在隔离通信控制器与机器的组件之间自适应性地传送信号的可编程接口电路。在一个实例实施方案中，所述可编程接口电路包括用以从所述隔离通信控制器接收编程输入的多个互连件，以及用以在所述可编程接口电路与所述组件之间携载信号的信令信道。所述可编程接口电路还包括：可编程模拟i/o电路，其用以连接到所述信令信道并且从所述隔离通信控制器接收第一信号；可编程数字i/o电路，其用以连接到所述信令信道并且从所述隔离通信控制器接收第二信号；以及电流感测电路，其用以感测在所述信令信道中流动的电流的量。在操作期间，基于当施加到所述多个互连件时的所述编程输入中的至少第一者，所述可编程接口电路为可编程的，以基于从所述隔离通信控制器接收的所述第一信号而将第一模拟信号提供到所述信令信道或基于从所述隔离通信控制器接收的所述第二信号而将第一数字信号提供到所述信令信道。
8.在实例实施方案中，所述可编程接口电路包括多个互连件和信令信道以在所述可编程接口电路与所述组件之间携载信号。所述可编程接口电路还包括：可编程模拟i/o电路，其用以连接到所述信令信道并且从所述隔离通信控制器接收第一信号；以及可编程数字i/o电路，其用以连接到所述信令信道并且从所述隔离通信控制器接收第二信号。在操作期间，基于当施加到所述多个互连件时的所述编程输入中的至少第一者，所述可编程接口电路为可编程的，以基于从所述隔离通信控制器接收的所述第一信号而将第一模拟信号提供到所述信令信道或基于从所述隔离通信控制器接收的所述第二信号而将第一数字信号提供到所述信令信道。
9.一些实施方案涉及操作可编程接口电路的方法。操作可编程接口电路的实例方法可包含接收对接口电路进行编程以从隔离通信控制器接收第一信号以供发射到机器的组件的第一编程输入的动作，其中所述第一信号可为模拟信号或数字信号。所述实例方法可进一步包含从所述隔离通信控制器接收所述第一信号且将基于所接收第一信号的第一输出信号发射到所述可编程接口电路的信令信道的动作，其中所述第一输出信号具有与所述所接收第一信号相同的信令类型。所述实例方法还可包含：接收对所述接口电路进行编程以在所述信令信道处从所述组件接收第二信号的第二编程输入，其中所述第二信号具有与所述第一信号不同的信令类型；以及将基于所接收第二信号的第一输入信号发射到所述隔离通信控制器。
10.可从以下描述结合附图更全面地理解本教示内容的前述和其它方面、实施方案和特征。应了解，下文更详细地论述的前述方面、实施方案和特征与额外方面、实施方案和特征的所有组合(假设此类方面、实施方案和特征并非彼此不一致)被考虑为本文中所公开的发明性主题的部分。确切地说，出现在本公开结尾处的所要求的主题的所有组合被考虑为本文中所公开的发明性主题的部分。
附图说明
11.本领域的技术人员将理解附图主要是用于说明性目的且并非意图对本文中所描述的发明性主题的范围进行限制。附图未必按比例绘制；在一些情况下，本文中所公开的发
明性主题的各个方面可在图中夸大或放大地展示以助于理解不同特征。在图式中，相同参考标号通常指相同特征(例如，功能上类似和/或结构上类似的元件)。
12.图1描绘用于机器自动化的常规控制架构和设备的一部分的实例；
13.图2a描绘可用于图1中所展示的常规控制架构的线束的实例；
14.图2b描绘图1中所展示的常规控制架构的仪器机架中的布线的实例；
15.图3描绘根据一些发明性实施方案的用于包含可编程接口模块315和可编程接口电路440的机器的自动化的控制架构和设备的一部分的实例；
16.图4a描绘用于包含可编程接口模块、模数转换器、数模转换器和隔离通信控制器的柔性i/o控制器封装的实例互连；
17.图4b描绘根据一些发明性实施方案的图3中所展示的可编程接口模块的实例，其中所述模块可包含多个可编程接口电路，且其中每一可编程接口电路可包含可编程模拟i/o电路和可编程数字i/o电路；
18.图5a示出根据一些发明性实施方案的可用在图4b中所展示的可编程接口模块中的可编程模拟i/o电路的实例；
19.图5b示出根据一些发明性实施方案的可用在图4b中所展示的可编程接口模块中的可编程数字i/o电路的实例；
20.图5c示出根据一些发明性实施方案的可用在图4b中所展示的可编程接口模块中的可编程信号路由和隔离电路的实例；
21.图5d示出根据一些发明性实施方案的可用以编程图4b中所展示的可编程接口模块中的电压电源电平的可编程偏置电路的实例；
22.图5e示出根据一些发明性实施方案的可用在图4b中所展示的可编程接口模块中的可编程数字i/o电路的另一实例；
23.图6a示出根据一些发明性实施方案的用以在图4b中所展示的可编程接口模块中实施可编程模拟i/o信令的替代性电路的实例；
24.图6b示出根据一些发明性实施方案的用以在图4b中所展示的可编程接口模块中实施可编程模拟i/o信令的替代性电路的实例；以及
25.图7描绘根据一些发明性实施方案的与用于机器的自动化或半自动化控制的方法相关联的动作。
具体实施方式
26.下文为关于用于监测和/或控制动态环境的发明性输入/输出方法和设备的各种概念以及其实施方案的详细描述。应了解，本文中所论述的各种概念可以多种方式实施。本文中主要出于说明性目的提供特定实施方案和应用的实例。
27.确切地说，上文和下文所描述的图式和实例实施方案并不意图将本公开的范围限制于本文所论述的实例实施方案。借助于互换所描述或所示出元件中的至少一些，其它实施方案是可能的。此外，在可使用已知组件来部分地或完全具现化所公开实例实施方案的某些元件的情况下，在一些情况下，仅描述了此类已知组件的对于理解本实施方案所必需的那些部分，并且省略了对此类已知组件的其它部分的详细描述，以免混淆实例实施方案的基本的突出发明性概念。
28.图1描绘例如用于可在制造设施中实施的机器150的自动化的常规控制架构和设备的一部分的简化实例。在图1中，可编程逻辑控制器(plc)105可发送和接收信号到至少一个信号变换器110-1以最终与机器150的组件进行通信。尽管图式中仅展示一个plc，但应了解，可存在安置于制造设施中的各个位置处的多个此类plc(例如，在一些实施方案中为数十或甚至数百个plc)。在一些情况下，每一plc可耦合到多个信号变换器110-1、110-2、
……
，所述信号变换器又经由一个或多个线束115耦合到自动化或半自动化机器150中的组件120、130、140。
29.在图1中，出于说明的目的，机器150展示为包含三个实例组件，即，传感器120、步进式电机130和热控仪器140(加热器和/或冷却器)。在实际应用中，机器150(以及制造设施中的其它机器)可具有耦合到可编程逻辑控制器105的更少、更多和/或不同类型的组件(虽然一般来说，通常将在机器150中包含至少一个或多个传感器120)。机器150的组件响应于命令信号和/或所感测的信号而在动态环境中操作。一个组件的动作可取决于由一个或多个传感器120感测到的另一组件的动作和/或动态环境的改变。
30.在类似于图1展示的实施方案中，可编程逻辑控制器105可经由多个互连件108连接到多个信号变换器110-1、110-2、
……
110-n且与所述多个信号变换器进行通信。信号变换器可被设计成处理特定的信令类型，且可存在针对每一信令类型而不同地设计的信号变换器。举例来说，可存在用于模拟第一信令类型的第一信号变换器110-1和用于数字第一信令类型的第二信号变换器110-2。可存在用于不同于模拟第一信令类型的模拟第二信令类型的第三信号变换器，等等。每一信号变换器可具有多个引脚(例如，用于输入/输出信令信道的物理导电互连件)，所述多个引脚可用于将电线和/或缆线113如所描绘直接连接到线束115。plc 105、信号变换器110和线束115可呈现为图2a的照片中所展示的那样。通常，可存在连接到信号变换器且连接到机器150的相应组件的不同数目个电线和/或缆线113。
31.图2b展示可结合装备机架210出现的布线拥塞的实例，所述装备机架在照片中几乎不可见。通常，装备机架和/或电子机箱可用于安装可编程逻辑控制器105、信号变换器110、线束115和用于自动化机器的其它接口设备。对于一些自动化或半自动化制造机器，可能需要含有多个plc、信号变换器、线束的多个机架和复杂布线(例如，大量互连缆线和定制缆线线束集合)。当多个plc、信号变换器和线束安装在装备机架210中时，所述机架可通过布线变得非常拥塞，从而很难进行服务。除了在初始设定时的复杂性之外，故障处理和维修此类装备可为非常复杂的、费时的且成本高的任务。在一些情况下，机架、布线、线束和plc可被组装且容纳于若干大型、昂贵的电机柜中，从而产生如图2a和图2b中所展示的设备。
32.机器自动化的挑战可包含在自动化或半自动化机器中可靠地连接、协调和控制(通常在明显高速操作下)若干不同组件。如上文所描述，克服此类挑战可增加机器的大量工程改造时间、复杂性和成本。对于新机器设计而言，挑战可能更加困难。在一些使用情况下，电力和通信标准可至少部分地约束系统复杂性的范围。尽管如此，协调存在的多个电力和/或通信标准的任务，再加上存在多个不同的机器组件及其相应电力和通信/信令要求，可使得投资大量时间、精力和成本。
33.本技术人已认识到并了解，将用于自动化的系统中的不同组件，包含各种工厂环境中的制造机器，进行组合的复杂性还可限制所得系统的可靠性，从而产生较低的正常运行时间和相当大的维修和维护成本。此类降低的可靠性可意味着使用由若干自动化的常规
且不同的组件构成的系统增加了操作机器的风险(例如，增加的与维修相关联的停工时间和成本的风险)。
34.设计组件在自动化或半自动化机器中的布置、组装这些不同组件以及使其全部恰当地运行的过程可能需要显著的人力资本，这在一些情况下超出了机器自身的零件成本。本技术人还已认识到并了解，此类陡峭经济是对自动化或半自动化机器中的自动化利用的实质性约束。前述复杂性、风险和成本因素中的一些或全部可为针对其中可应用自动化的经济的各种领域(例如，超出工厂自动化或半自动化环境)中的机器自动化的门控考量。此类区域可包含但不限于办公室、住宅、自主车辆、现代汽车、通信系统、流体处置或处理系统、废料加工厂、电厂和气体和/或电力网格。
35.在机器中的各种组件的互连的进一步考量中，本技术人还已认识到并了解，已开发并部署多个工业以太网标准以对控制机器组件(其在一些情况下可被称为“周边装置”)具有良好效果。虽然一些组件或周边装置可根据此类工业以太网标准受控制，但机器的其它组件可能需要相对更简单的控制接口，其实例包含但不限于接纳单端和差分的基于二进制电压和基于电流的连接的控制接口，以及经由模拟电流和电压信号的信令。出于各种原因，大多数(若非所有)这些连接应维持组件之间的电隔离，同时准许数据的自由流动，且在一些情况下还准许电力的自由流动。
36.鉴于布线和与用于机器自动化的多个不同组件介接的潜在复杂性，本技术人已认识到并了解与机器自动化相关联的若干上述挑战，所述挑战可通过可编程接口电路和模块来缓解。本技术人认识到并了解，快速部署不太昂贵且更可靠的自动化或半自动机器的重要部分包含改进至少一些基本系统组件的集成、充分利用联网和分布式控制(例如，与在带有复杂布线的集中式大型电机柜中具有电力和控制相反)，以及利用自适应性和可编程(柔性)接口电路系统以供用于输入和输出信令。
37.鉴于前述内容，图3描绘用于自动化或半自动化机器的设备和控制架构的一部分，其实施系统组件的改进集成和联网以及自适应性和可编程(柔性)接口电路系统以供用于输入和输出信令。在图3中，系统控制器301提供各种控制和编程信号，且从机器350的一个或多个组件接收信息。在一些实施方案中，系统控制器301通过有线或无线链路305经由一个或多个串行通信信道而进行通信。可充当系统控制器301的控制器的实例包含但不限于plc、个人计算机、膝上型计算机、微处理器、微控制器、分布式机器控制器，或其某一组合。在一个示范性实施方案中，系统控制器301可包含购自马萨诸塞州剑桥(cambridge,massachusetts)的opteon公司的maestro 16。关于maestro 16控制器的信息当前可见于www.opteontech.com/seamless-systems/beyond-plcs。maestro 16所采用的发明性技术描述于在2016年10月4日发布的题为“用于监测和/或控制动态环境的方法、设备和系统(methods,apparatus,and systems for monitoring and/or controlling dynamic environments)”的美国专利第9,459,607号中，所述专利以全文引用的方式并入本文中。除其它益处，在系统控制器301中采用maestro 16提供了用于机器自动化的紧凑的、经济的和极低时延控制解决方案。
38.如图3中所示出，隔离通信控制器310可经由有线或无线链路305从系统控制器301接收信号且将信号发射到所述系统控制器。隔离通信控制器310可在链路305与最终连接到机器350的工厂布线之间提供电隔离(例如，电压和电流的隔离)。在一些实施方案中，隔离
通信控制器310可从系统控制器301接收时间多路复用的串行化信号，将所接收的信号电隔离，且将串行化隔离信号转换成被应用到可编程接口模块315的并行化编程输入以对模块315的操作模式进行编程，如下文中进一步论述。隔离通信控制器310还可从一个或多个可编程接口模块315接收并行化数据且将所述数据串行化，并且将串行化数据电隔离以供经由链路305发射到系统控制器301。隔离通信控制器310可使用信号多路复用器来将串行信号转换为并行信号，且反之亦然，并且可采用光隔离器和/或其它光隔离电路组件来实现电隔离。
39.关于自适应性和可编程接口电路系统，隔离通信控制器310可连接到可编程接口模块315，包含如下文中进一步描述的可编程接口电路440、580，以将不同信令类型的控制信号和电力提供到自动化或半自动化机器350中的广泛多种组件，和/或从所述广泛多种组件接收不同信令类型的输入信号。可编程接口模块315和其电路系统的有利方面为其包含一个或多个自适应性信令信道(所谓的“柔性i/o”信道)，其中每一信令信道可被编程以发送和/或接收不同模拟和数字信令类型。隔离通信控制器310和可编程接口模块315的组合在本文中被称为“柔性i/o控制器”450，其允许到和来自分别采用不同信令类型的机器350中的一个或多个组件的电隔离和不同信令。在柔性i/o控制器450的不同实施方案中，可编程接口模块315可并入为具有隔离通信控制器310的相同封装中的电路系统，或可封装为可非常接近于隔离通信控制器而安装的单独模块。
40.在一个方面中，柔性i/o控制器450允许系统控制器301实现与可编程接口模块315可连接到的机器350的几乎任何组件或装置的兼容性。根据下文所描述的一些发明性实施方案，可在每一接口模块315与接口模块所连接到的组件或接线盒318之间使用同一类型的缆线和连接器。与如图2a和图2b中所示出的常规系统实施方案相比，柔性i/o控制器450因此提供最佳且稳固的解决方案以解决需要分别实施复杂且繁琐的布线布置的多个信号变换器的问题，以及与此类布置相关联的各种挑战(包含容易发生断裂或其它故障，以及处理断裂和其它故障的重大困难)。
41.如图3中所展示，可编程接口模块315可位于隔离通信控制器310与机器350的一个或多个组件320、325、330、340之间。根据一些实施方案，可编程接口模块315可被配置成与至多16个机器组件介接。然而，在一些情况下，可编程接口模块315可被配置成与任何合适数目个组件(例如，2、4、5、6、8、9、10、12、16、20、32等)介接。举例来说，如下文结合图4b更详细地论述，可编程接口模块315可包括可编程接口电路440的n个复本，其中每一电路440用于在隔离通信控制器310与机器组件之间介接。在一些情况下，可编程接口模块315可进一步包括可编程接口电路580的不同实施方案的m个复本，其中每一电路580用于在隔离通信控制器310与机器组件之间介接。在一些实施方案中，n和m的值可为在1与50之间的相同或不同的正整数。
42.用于机器自动化的设备还可包含可编程接口模块315所连接到的接线盒318。一个可编程接口模块315可使用额外缆线319连接到一个或多个接线盒318。根据一个实例实施方案，来自接口模块315的每一缆线319可支持具有至多四个机器组件的柔性i/o信令，且连接到一个接线盒318。个别缆线314可从接线盒318延伸到每一组件320、330、340。
43.可编程接口模块315可包含一个或多个缆线319所连接到的一个或多个信令端口317。信令端口317可包括多个导电互连件以携载不同类型的模拟和/或数字信号，以及电力
和参考电位。根据实例实施方案，可编程接口模块315上可存在至多四个或更多个信令端口317，以使得可编程接口模块可向至多16个机器组件提供柔性i/o信令信道，但具有更少或更多机器组件和信令端口317的支持信令的接口模块也是可能的。
44.在一些实施方案中，同一类型的连接器(公或母)可用于每一信令端口317且对应的配对连接器用于每一缆线319、314的端部。根据一些实施方案，缆线319可针对每一信令端口和每一可编程接口模块315而全部为同一类型。在一些情况下，缆线可为8线或12线以太网或工业以太网缆线(例如，cat 5系列或cat 6系列缆线)，其具有插入可编程接口模块315的标准插座(例如，rj-45、m8或m12母或公插座)中的标准以太网或工业以太网连接器(例如，rj-45、m8或m12公或母插头)。因此，可使用发明性实施方案的可编程接口模块315来实现不同连接性设备(例如，电线和线束)的显著简化、减少或消除。
45.应了解，一些实施方案可采用不同于以太网缆线的缆线和连接器，或使用具有不同数目个信号电线的缆线和连接器。在一些情况下，可在可编程接口模块315与机器和/或控制器310中的一个或多个组件之间实施一个或多个无线链路。另外或替代地，不同类型的缆线和连接器可用于具有柔性i/o信令能力的单个可编程接口模块315。
46.根据一些实施方案，可编程接口模块315与隔离通信控制器310之间可存在数据和电力互连件401。此类互连件可含于包含隔离通信控制器和可编程接口模块两者的封装或外壳内。替代地，当分开封装控制器310和接口模块315时，可使用一个、两个或更多个多线缆线和连接器来形成数据和电力互连件。
47.如上文所指出，如图3中所展示且根据本文中所描述的实施方案，采用包含可编程接口模块315的柔性i/o控制器450可显著减少需要或消除对常规自动化或半自动化机器架构中通常所需的不同离散信号变换器110、复杂线束、不同连接器和缆线以及调适组件的使用。可根据图3架构与图1架构的比较来设想此类减少的实例。如下文更详细地描述，通过可编程接口模块315有可能实现减小自动化复杂性，所述可编程接口模块可基本上增强隔离通信控制器的输入/输出信道的功能性，以使得信道可为可控地自适应性的(“柔性”)以供处置不同类型的模拟和数字信号。输入/输出信道的此类自适应性在本文中可被称为“柔性i/o”、“柔性i/o信令”或“柔性i/o信道”。
48.包括此类柔性i/o信令信道的多个隔离通信控制器310和可编程接口模块315可一起用作隔离通信控制器的网络以控制自动化或半自动化机器，用于制造应用或其它自动化应用，所述机器具有与机器的相应组件的互连相关联的尤其较小的复杂性，以及具有低时延和增加的操作可靠性。此类自动化或半自动化应用包含但不限于制造设施、办公室、住宅、自主车辆、采用多个处理器和电子控制模块的现代汽车、通信系统、流体处置或处理系统、废料加工厂、电厂和气体和/或电力网格。
49.图4a描绘其中隔离通信控制器310封装有至少一个可编程接口模块315的柔性i/o控制器450的实例。所述图示展示可编程接口模块315与隔离通信控制器310之间的一些互连件401的其它细节。互连件401可包括用于每一可编程接口电路440上的多个互连件401的多个电线(例如，带状缆线)。根据一些实施方案，源自可编程接口电路440、580的数字输入线(din)可直接连接到隔离通信控制器310。在一些情况下，可将模拟输入(ain)和输出(aout)线分别提供到模数转换器(adc)480和数模转换器(dac)482，其中发生向或从数字信号的转换以用于与控制器310进行通信。
50.在图4b中，以简化框图描绘可编程接口模块315的实例。可编程接口模块315可包含可编程偏置电路405，所述可编程偏置电路可用于对施加到可编程接口模块315中的一个或多个组件的电源电压+v
dc
的值进行编程。根据一些实施方案，可编程接口模块315可包含一个或多个可编程接口电路440、580，所述可编程接口电路各自包括可编程模拟输入/输出电路系统410和可编程数字输入/输出电路系统420。模拟i/o电路410和数字i/o电路420可使用至少一些导电互连件401而从隔离通信控制器310接收信号并将信号发射到所述隔离通信控制器。可编程接口模块315可进一步包含可编程信号路由和隔离电路系统430。根据一些实施方案，由模拟i/o电路410和数字i/o电路420产生的输出信号可通过信号路由和隔离电路系统430在信令端口317处被引导到一个或两个输出导电互连件452、454(分别标记为adio和diff)。在一些情况下，信号路由和隔离电路系统430可被编程为使得输出互连件中的一者(例如，互连件452)相对于接地电位或其它参考电位提供单端信令。在一些情况下，信号路由和隔离电路系统430可被编程为使得输出互连件中的一者(例如，互连件454)可提供接地或固定参考电压或到地面的电阻路径以用于其它输出互连件上的单端信令。在一些实施方案中，信号路由和隔离电路系统430可被编程为使得两个输出互连件452、454允许相对于彼此的差分信令。
51.在一些实施方案中，可编程接口模块315可包含可编程接口电路440的单个版本的多个复本(例如，电路系统410、420、430的复本)，其中每一可编程接口电路可与一个或多个机器组件进行通信。在一些实施方案中，在可编程接口模块315中可存在可编程接口电路440的至少四个复本，以使得可编程接口模块具有四个信令信道(至多八个导电互连件452、545)以使用8线缆线319与四个机器组件进行通信。因而，标准工业m8或m12布线可用于连接到接口模块315。然而，本发明可编程接口模块315不限于接口电路440的四个复本和标准m8或m12缆线。在一些情况下，可编程接口模块315可具有可编程接口电路440的少于或多于四个复本。
52.在一些情况下，在可编程接口模块315内可存在可编程接口电路440、580的两个或更多个不同版本的复本。下文结合图5e描述此实施方案的实例。
53.图5a中示出了实例可编程模拟i/o电路410的其它细节。在一些实施方案中，可编程模拟i/o电路410包括第一多路复用器510、第二多路复用器515、可切换模拟输出信号驱动器520、电流传感器530和可切换接收信号驱动器540。第一多路复用器510、输出信号驱动器520和电流传感器530可连接以形成可编程或可切换输出信号驱动器，所述可编程或可切换输出信号驱动器输出以电压电平对信号进行编码(例如，用作电压源)或以电流电平对信号进行编码(例如，用作电流源)的信号。因此，可编程模拟i/o电路系统410可输出模拟电压源信号或模拟电流源信号。接收信号驱动器540可被编程以接收单端模拟信号或差分模拟信号。
54.在一些实施方案中，第一多路复用器510可体现为多路复用芯片512，所述多路复用芯片可被编程(通过互连件amode)以选择两个输入信号(in1、in2)中的一者以设置在多路复用芯片512的输出处。此类芯片的实例为被配置成用于多路复用操作的sn74lvc1g3157单刀双掷模拟开关，其可购自德克萨斯州达拉斯的德克萨斯仪器公司。然而，在一些情况下，可采用其它多路复用电路。举例来说，通用场效应晶体管(fet)可用于将两个信号中的一者可控地切换到共用输出线上。当多路复用芯片512在使用中时，来自芯片的输出可连接
到例如输出信号驱动器520中的运算放大器522的非反相端子。多路复用芯片(展示为连接到标记为amode的导电互连件)的可编程“选择”输入可用于编程用于可编程模拟i/o电路系统410的模拟电压模式(例如，基本上为电压源输出)或模拟电流模式(例如，基本上为电流源输出)的操作。在图5a的示意图中可将电压源或电流源输出提供到互连件p3，所述输出可耦合到具有互连件p3的电路系统(展示于图5c中)以控制第一输出互连件452(adio)中的电压或电流。在一些实施方案中，图式中的导电互连件可体现为印刷电路板、电线或连接器的引脚上的导电迹线或衬垫，或其某一组合。
55.用于第一多路复用器510的多路复用芯片512的第一输入in1可携载与在第一输出互连件452(adio)中流动的电流电平成比例的信号。电流电平可由具有电流感测芯片532的电流传感器530感测，所述电流感测芯片被布置成感测连接在电压或电流供应+v
dc
与第一输出互连件452之间的线路上的电流流动(图5a和图5c中的互连件p1连接在电路实施方案中)。电流感测芯片532的实例为由加利福尼亚州米尔皮塔斯的线性技术公司以前出售的且现在可从马萨诸塞州诺伍德的模拟装置购得的lt6106电流感测芯片。然而，可使用其它电流感测电路(例如，使用通用运算放大器代替专用芯片的感测电路)。根据图5a的所示实施方案，将电阻器r3放置在电力供应线中，所述电力供应线通过互连件p1将电力递送到第一输出互连件452。可感测跨越电阻器r3的电压差以提供与在第一输出互连件452中流动(例如，追溯到或来源于互连件452)的电流成比例的信号。用于多路复用芯片512的第二输入in2可携载与可编程接口电路440的第一输出互连件452(adio)处的电压电平成比例的信号。举例来说，第二输入in2可通过互连件p2耦合到第一输出互连件452(例如，连接通过一个或多个电阻器r14和接收信号驱动器540)。
56.通过从第一输入in1或第二输入in2选择信号，可将电流电平感测或电压电平感测在反馈电路路径中提供到模拟输出信号驱动器520中的运算放大器522的非反相端子。因此，输出信号驱动器520可在两个不同反馈回路之间切换。当使用电压电平感测(选择in2输入)时，可编程接口电路440的模拟i/o部分可在电压对电压模式中操作。在此情况下，来自放大器522的输出电压与提供到放大器的反相端子的输入电压成比例(例如，通过标记为aout的导电互连件)。在一些情况下，隔离通信控制器310可将模拟信号直接供应到aout(例如，隔离通信控制器可包含机载dac)。在其它情况下，可使用数模转换器(dac)(如图4a中所描绘在隔离通信控制器与接口模块之间，或在接口模块315的前端处)以将来自隔离通信控制器310的数字信号转换成提供到aout的模拟信号。
57.当使用电流电平感测(选择in1输入)时，可编程接口电路440的模拟i/o部分可在电流输出模式中操作。在此类配置中，来自放大器522的输出电流与通过aout提供到放大器的反相端子的输入电压成比例。可从如上文所描述的隔离通信控制器310或dac接收输入电压。
58.可编程接口电路440的额外特征为其可至少在第一输出互连件452(adio，经由互连件p2)上接收模拟信号，且将所接收模拟信号提供到隔离通信控制器310(例如，通过互连件ain)或提供到将对应数字信号提供到控制器310的模数转换器(adc)，如图4a中所示出。可切换接收信号驱动器540可用于监测输出信号，所述输出信号被递送到第一输出互连件452(adio)以供用于单端模拟信号或递送到输出互连件452、454(adio和diff)两者以供用于差分模拟信号。举例来说，具有多路复用器芯片512的第二多路复用器515可用于在提供
接收驱动器运算放大器542的不同配置的输入in1与in2之间切换。当基于施加到互连件(adifsel)的信号而选择第一输入(in1)时，运算放大器542的反相端子可连接到参考电位(例如，接地)。在此配置中，所述运算放大器用作用于经由互连件p2所感测到的信号的单端非反相放大器，所述信号连接到第一输出互连件(adio)。当选择第二输入(in2)时，运算放大器的反相端子可连接到第二输出互连件454(diff)。在此配置中，运算放大器542充当用于跨越输出互连件(adio)和(diff)呈现的差分模拟信号的差分放大器。在一些情况下，第二多路复用器512的选择引脚(示出为连接到标记为adifsel的互连件)可改为连接到收发器570(展示于图5b中)的互连件(标记为rxen)以避免额外互连件。
59.自可切换接收信号驱动器540的运算放大器542的输出可被提供到将信号提供到隔离通信控制器的互连件(ain)(或提供到将信号提供到隔离通信控制器的adc，如图4a中所描绘)。当接收或感测模拟信号时，第一输出互连件452可与输出信号驱动器520的运算放大器522的输出隔离且与数字i/o电路系统420隔离，如下文结合可编程信号路由和隔离电路系统430进一步详细描述。
60.可编程数字i/o电路系统420的实例在图5b中示出。根据一些实施方案，数字i/o电路系统420包含可调整的高电平逻辑驱动器550、低电平逻辑驱动器560和收发器570。高电平逻辑驱动器550和低电平逻辑驱动器560可用于在第一输出互连件452(adio)上提供单端逻辑信号。收发器570可用于在第一输出互连件452上提供单端逻辑信号或在第一输出互连件452(adio)和第二输出互连件454(diff)上提供差分逻辑信号，且还可用于接收单端和差分逻辑信号。
61.由于模拟和数字i/o电路系统的通用性，因此在一些实施方案中，可编程接口电路315可支持标准化网络通信。举例来说，一个或多个数字信令信道可被编程以支持根据标准信令协议的rs485通信。作为更具体的实例，数字i/o电路420可被编程以使用用于双线rs-485联网信道的两个互连件452、454来支持线性总线拓扑。替代地，两个数字i/o电路420可被编程以支持四线、全双工rs-485联网信道。可由可编程接口模块支持的其它联网协议包含但不限于profibus和can总线。
62.根据一些实施方案，可通过电流镜552和继电器驱动器554实施可调整的高电平逻辑驱动器550。电流镜和继电器驱动器可(经由互连件p4)驱动晶体管584(展示于图5c中)，所述晶体管将任何合适的电压+v
dc
切换到第一输出互连件452上。以此方式，电流镜552和继电器驱动器554可提供从隔离通信控制器310(例如，在标记为doutp的导电互连件处)接收到的高逻辑值到适合于机器350的组件的任何电压电平+v
dc
的转变以解译为逻辑高电平。所述组件可连接到第一输出互连件452。在一些实施方案中，电压值+v
dc
可为用户可编程的，如下文结合图5d所描述。高电平逻辑驱动器550的其它实施方案是可能的。在一些情况下，来自隔离通信控制器310的输出可足以直接驱动晶体管584，且可能不需要电流镜552和继电器驱动器554。在一些实施方案中，电流镜和继电器驱动器可由放大器、线路驱动器、缓冲器或其某一组合替换。
63.根据一些实施方案，低电平逻辑驱动器560可部分地通过晶体管562实施。晶体管可被配置成响应于从隔离通信控制器310(例如，经由导电互连件doutn)接收的信号而将例如接地电位的低电平参考电压切换到第一输出互连件452上(通过互连件p2)。在一些情况下，电阻器r17和第二晶体管t8可与晶体管562组合使用以建立到将由连接到第一输出互连
件452的组件解译为逻辑低电平的电压的安全下拉电流。在一些情况下，低电平逻辑驱动器560可用于反转来自隔离通信控制器的逻辑信号。举例来说，晶体管562可为由正电压接通的n-fet，并且晶体管582和584(图5c)可置于接通状态中。在此类配置中，逻辑信号驱动晶体管562将在第一输出互连件452处反转。当晶体管562置于断开状态时，其可有效地将低电平逻辑驱动器560的电路系统与第一输出互连件452隔离。
64.在一些实施方案中，收发器570可通过收发器芯片572实施。收发器芯片的实例为由加利福尼亚州米尔皮塔斯的线性技术公司以前出售的且现在可从马萨诸塞州诺伍德的模拟装置购得的ltc2876收发器芯片。此类收发器芯片可在两个输出互连件(tr1、tr2)上提供用户可选择的单端或差分数字发射和接收。在一些情况下，收发器芯片572可用于在5伏逻辑电平或3伏逻辑电平下发射和接收数字信号。逻辑信号电平可例如通过施加到收发器的v
cc
电源引脚的电压电平来设定。收发器570可具有可连接到隔离通信控制器310且用于编程收发器以分别发射或接收数字信号的可编程输入互连件(标记为txen、rxen)。收发器570可进一步包含可连接到隔离通信控制器310的数字数据互连件(标记为din、dout)。数字数据互连件din可用于将从机器350中的组件接收到的数字数据发射到隔离通信控制器310。数字数据互连件dout可用于将从隔离通信控制器310接收到的数字数据发射到机器350中的组件。尽管专用收发器芯片572可用于一些实施方案，但在替代性实施方案中，收发器570可由更多基础电路组件(例如，经封装晶体管、电阻器等)形成。
65.根据一些实施方案，数字i/o电路系统420可包含在第一输出互连件452(经由互连件p2)与参考电压(在所示实例中为接地)之间连接的分流开关(例如，晶体管586)。在一些情况下，可包含与晶体管586的电流携载端子串联的低阻抗电阻器r4。此晶体管可用于在第一输出互连件上提供逻辑低电平值。其还可用于提供用于从第一输出互连件452接收到的电流的低阻抗吸收(例如，当从传感器接收模拟信号时)。举例来说，电阻器r4的值可为10欧姆与500欧姆之间的任何值。低阻抗路径可用于电流感测或电流编码的通信操作以及用于差分模拟电压测量。
66.在一些实施方案中，数字i/o电路系统420可进一步包含第二分流开关(例如晶体管，未展示)，所述第二分流开关在第二输出互连件454(diff)与参考电压(例如，接地)之间连接。此第二分流开关可用于例如在第二输出互连件454上提供参考电压以用于单端发射或接收。数字i/o电路系统420可包含与模拟i/o电路系统410的对应互连件连接的互连件p2、p4和p5。
67.图5c示出可在可编程接口电路440中实施的可编程信号路由和隔离电路系统430的实例。根据一些实施方案，路由和隔离电路系统包括被配置成将模拟或数字信号切换到第一输出互连件452(adio)上和/或将模拟和数字电路系统与第一输出互连件452隔离的多个晶体管。举例来说，第一晶体管582可被配置为在模拟信号被输入到模拟i/o电路系统410(例如，从互连件aout处的隔离通信控制器310接收到，且通过图5a的模拟信号驱动器520输出到互连件p3)时驱动第一输出互连件452上的模拟信号的放大器。第一晶体管582可为功率fet，例如为可从宾夕法尼亚州莫尔文的威士科技公司购得的硅尼克斯si3459bdv功率mosfet。当数字信号被提供到第一输出互连件452时，第一晶体管582可置于接通状态，以使得电压电源可被提供到路由和隔离电路系统430的第二晶体管584。
68.第二晶体管584(其还可为功率晶体管且可为与第一晶体管582相同的模型)可用
于在第一输出互连件452上驱动逻辑信号。举例来说，施加到高电平逻辑驱动器550的输入的逻辑信号(例如，在图5b的互连件doutp处提供)可在电压中转变且通过第二晶体管584切换到第一输出互连件452上。
69.当不通过模拟i/o电路系统410或高电平逻辑驱动器550提供信令时，第一晶体管582和第二晶体管584可置于接通状态以将高电压电平+v
dc
供应到第一输出互连件452。在此配置中，根据一些实施方案，数字信号互连件doutn和低电平逻辑驱动器560可用于驱动第一输出互连件452上的反转逻辑信号。
70.在一些情况下，可编程信号路由和隔离电路系统430的晶体管和低电平逻辑驱动器560的晶体管562可被认为隔离开关。举例来说，当这些晶体管中的相关晶体管处于断开状态时，其可将第一输出互连件与模拟电路系统、数字电路系统和/或与模拟和数字电路系统相关联的电压电平隔离。根据一些实施方案，使用这些晶体管允许了不同类型的数字和模拟信号通过具有一个或两个输出互连件452(adio)、454(diff)的同一信令信道的柔性i/o信令(发射和接收)。
71.如上文所描述，根据一些实施方案，可在可编程接口电路440(例如，用于提供正电压摆幅和负电压摆幅的电路的+v
dc
和-v
dc
)中使用的电压电源可为用户编程的。图5d示出用于针对上文所描述电路部分中的任一者或组合而编程电源电压的实例可编程偏置电路405。根据一些实施方案，可编程偏置电路405可包含被配置成接收第一偏置电压(在所示实例中为+24v)的第一端子591以及被配置成接收第二偏置电压(在所示实例中为+5v)的第二端子592，以上所述端子可连接到提供偏置电压+v
dc
的输出偏置端子598。其它偏置值可用于其它实施方案。第一晶体管593可用于将具有较高偏置值的第一端子连接到输出偏置端子598。当较高偏置电源连接到输出端子时，齐纳二极管d8可用于有效地将较低偏置电源与输出偏置端子隔离。在一些情况下，第二晶体管595可用于接通或断开第一晶体管593(例如，在第一晶体管所需的栅极电压高于由隔离通信控制器的逻辑驱动器提供的栅极电压的情况下)。可通过设定或清除逻辑输入(标记为vdsel)来选择偏置值。尽管仅展示可由单个可编程逻辑输入选择的两个偏置值，但可例如通过添加更多晶体管、偏置输入端子和可编程逻辑输入来添加和选择额外偏置值。
72.可用于操作可编程接口模块315和其接口电路440的一些实例电压偏置值包含但不限于24v dc、5v dc和3.3v dc。在一些实施方案中，可编程接口模块315可包含电源电路系统和/或组件以在内部且与隔离通信控制器隔离地产生偏置电压。在此类实施方案中，可编程接口模块315可在本地共享经由机器的本地部分中的互连缆线319、314上的电线连接到接口模块的组件的接地参考，且避免可在机器的较大部分上出现的接地差异。在一些情况下，可编程接口模块315还可或替代地与经由机器的本地部分中的互连缆线上的一个或多个电线连接到接口模块的组件在本地共享一个或多个偏置电源。
73.再次参考图4b，从可编程模拟i/o电路系统410、可编程数字i/o电路系统420和可编程信号路由和隔离电路系统430的以上描述将了解到，互连件401上的各种设定可配置或编程接口电路440以处置不同类型的模拟和数字信令。接下来描述一些实例设定。本领域技术人员将了解，所描述的设定取决于用于实施接口电路440中的隔离开关的晶体管的类型和/或数目。因此，当不同类型和/或不同数目的晶体管用于实施隔离开关时，所述设定可不同。
74.对于到机器350的组件的模拟信号发射，第二晶体管584可置于允许模拟信号穿过直到第一输出互连件452的接通(即，导电)状态(例如，doutp设定成逻辑高值)中，分流晶体管586可置于将参考电位(在所示实施方案中为接地)与第一输出互连件452隔离的断开(即，不导电)状态(互连件cursink清除到逻辑低值)中，且低电平逻辑驱动器560的晶体管562可置于将低电平逻辑驱动器电路系统与第一输出互连件452隔离的断开状态(doutn清除到逻辑低值)中。将了解，模拟信号发射可根据如上文所描述的模式选择(在互连件amode上作出模式选择)而处于电流模式或电压模式中。此外，可通过由隔离通信控制器310将此类信号施加到互连件aout而将模拟数据发射为时变信号、静态dc值或叠加在dc值上的时变信号(例如，叠加在dc电流上的串行数据)。
75.对于模拟信号接收，至少第二晶体管584可置于断开状态(doutp清除到低逻辑值)中以将高电平逻辑驱动器550、放大器520、电流传感器530和电源+v
dc
的电路系统与第一输出互连件452隔离。在一些情况下，第一晶体管582还可置于断开状态(aout清除到低或零电压电平)。低电平逻辑驱动器560的晶体管562可置于断开状态以用于模拟信号接收。在一些情况下，分流晶体管586可置于接通状态(cursink设定为逻辑高值)中以基于所接收电流而吸收用于模拟信号接收的模拟电流。替代地，基于所接收电压，第三晶体管586可置于断开状态(cursink设定为逻辑低值)中以用于模拟信号接收。此外，模拟数据可被接收为时变信号、临时静态值，或叠加在临时静态值上的时变信号。临时静态值可在1微秒与10秒之间的时段内没有值变化。
76.当时变信号叠加在临时静态值上时，由隔离通信控制器进行的用于模拟信号接收的适当数字滤波可允许读取dc电流或电压信息，同时还读取叠加在dc电流或电压上的串行数字信息。根据一些实施方案，串行数字信息可经叠加以用于信号发射和/或接收，作为在4至20ma的范围内的dc电流的+/-1ma调制。根据一些实施方案，可通过隔离通信控制器或机器的组件接收并解码300波特与230.4千波特之间的叠加数据的波特率以及较高速率。
77.当例如ltc2876收发器芯片之类的收发器芯片572在收发器570中使用时，可能需要在模拟信号发射和接收期间将其输出置于高阻抗状态。对于ltc2876收发器芯片，这可通过将芯片的接收启用引脚(在所示实施方案中连接到互连件rxen)置于高逻辑电平且将芯片的发射启用引脚(在图示中连接到互连件txen)置于低逻辑电平来完成。不同收发器芯片或收发器配置可能需要其它设定。
78.对于经由收发器570的差分信号发射和接收，至少第二晶体管584可置于断开状态(doutp清除到逻辑低值)中以将高电平逻辑驱动器550、放大器520、电流传感器530和电源+v
dc
的电路系统与第一输出互连件452(adio)隔离。在一些情况下，第一晶体管582还可置于断开状态(aout清除到低或零电压电平)。低电平逻辑驱动器560的晶体管562还可置于断开状态(doutn清除到低逻辑值)中以用于差分信号发射。分流晶体管586还可置于断开状态(cursink清除到逻辑低值)中以将参考电位(在实例中为接地)与差分信号线(adio和diff)隔离。
79.用于差分数字信令的发射模式和接收模式可通过在收发器芯片572上设定引脚值而建立。举例来说，当ltc2876收发器芯片在收发器中使用时，将其接收启用引脚(连接到rxen)清除到逻辑低值以及将其发射启用引脚(连接到txen)清除到逻辑低值将收发器配置成在第一输出互连件452(adio)和第二输出互连件454(diff)上接收差分数字信号且将对
应数字信号提供到芯片的数字输出(连接到互连件din)处的隔离通信控制器310。相反，将收发器芯片的接收启用引脚设定为逻辑高值以及将其发射启用引脚设定为逻辑高值将收发器配置成将在芯片的数字输入(连接到互连件dout)处接收到的数字信号从隔离通信控制器310发射到连接到第一输出互连件452(adio)和第二输出互连件454(diff)的组件作为差分数字信号。不同收发器配置可能需要其它设定。
80.根据一些实施方案，可通过收发器570执行单端数字接收。举例来说，当ltc2876收发器芯片在收发器中使用时，将其接收启用引脚(连接到rxen)清除到逻辑低值以及将其发射启用引脚(连接到txen)清除到逻辑低值将收发器配置成在第一输出互连件452(adio)上接收单端数字信号。还可清除第二晶体管584、第三晶体管586和任选地第一晶体管582以隔离其相应电路系统。在此配置中，当第一输出互连件452(adio)上的电压电平大于+v
dc
的值的二分之一(归因于所示实施方案中的第二输出互连件454上的分压器567)时，逻辑高值将呈现在收发器的输出(连接到din)上。当第一输出互连件452(adio)上的电压电平低于+v
dc
的值的二分之一时，逻辑低值将呈现在收发器的输出(din)上。如果当从一些发射器接收单端数字信号时需要电流上拉，那么第一晶体管582和第二晶体管可设定成接通状态。如果当从一些发射器接收单端数字信号时需要电流下拉，那么低电平数字驱动器560的晶体管562可设定成接通状态。
81.可通过高电平逻辑驱动器550和/或低电平逻辑驱动器560来执行单端数字发射，如上文所描述。基于前述描述，本领域技术人员将显而易见的是用以实现单端数字发射的互连件的设定。当执行单端数字发射时，收发器570的输出可置于高阻抗状态，如上文所描述。通过选择用于+v
dc
的电压电平，可在用户编程的逻辑高电压电平下执行单端数字发射。
82.如果需要，可在一定程度上将隔离通信控制器310与可编程接口模块315之间的互连件401中的一个或多个与隔离通信控制器的输出和/或其它部分电隔离。举例来说，光隔离、电容隔离或电感隔离电路或其某一组合可用于提供电隔离的程度(例如，以与非所需dc电压、dc电流隔离和/或防止信号串扰)。
83.在一些实施方案中，数字i/o电路系统的两种变化可用于接口模块315中。图5e描绘图5b中所展示的数字i/o电路系统的变化。图5e的数字i/o电路系统580包含高电平逻辑驱动器550和低电平逻辑驱动器560，但不包含收发器芯片572。替代地，数字i/o电路系统580使用一对齐纳二极管d20、d21来将所接收电压钳位到约3伏。所述对二极管提供将从由组件的发射器输出的极广泛范围的信令电压接收到的单端数字信号转变为用于隔离通信控制器310的合适数字输入信号电平的稳固方式。对于所展示的实例，所接收单端数字信号可减小到大致3伏。通过在齐纳二极管对上提供不同的电源电压，所接收单端数字信号可减小到其它数字电压值(例如，5伏、1.8伏、1.5伏等)。
84.图5e的数字i/o电路系统580可用于单端数字发射和接收(例如，当不需要差分数字信令时)。数字i/o电路系统580可与上文在可编程接口模块315的一些接口电路440中所描述的模拟i/o电路系统410串联使用。
85.在一些实施方案中，替代性电路可用于可编程接口模块315的部分。此类替代性电路描述于2019年11月5日提交的题为“用于监测和/或控制动态环境的输入/输出方法和设备(input/output methods and apparatus for monitoring and/or controlling dynamic environments)”的美国临时申请第62/931,188号中，结合在所述应用中发现的图
4a、图4b和图5。实施模拟i/o信令而非图5a的模拟电路的替代性电路的实例展示于图6a和图6b中。
86.图6a示出根据一些实施方案的可用于在隔离通信控制器310与组件320、325、330、340之间发射和接收模拟信号的替代性可编程模拟i/o电路610的实例。模拟i/o电路610可包括电压电流转换器642和多个开关652、654、656、658(其可至少部分地通过晶体管实施)。在一些实施方案中，模拟i/o电路610可与模数转换器480和数模转换器482中的一者或两者组合。当隔离通信控制器310能够输出和接收模拟信号时，接着可不使用模数转换器480和数模转换器482。根据一些实施方案，模拟i/o电路610可在其两个输出互连件652、654(an1、an2)上包含齐纳二极管电压限制器，所述齐纳二极管电压限制器可限制出现在每一线路上的电压的量(例如，在所示实例中为24v和5v)。模拟i/o电路610可进一步包含用于滤波、电压调整、电流调整和/或限流的电阻器和电容器。
87.当根据图6a的电路在可编程接口电路440中使用时，其可替换图5a的可编程模拟i/o电路410。举例来说，第一多路复用器510、第二多路复用器515、模拟输出信号驱动器520和电流传感器530可被去除且被图6a的电路系统替换。接收信号驱动器540可被去除或被改变为不可切换的电压跟随器或放大器。此外，可去除可编程信号路由和隔离电路系统430的第一晶体管582。限流电阻器可保持在第二晶体管584与电压电源+v
dc
之间。图6a的可编程模拟i/o电路610可与图5b的可编程数字i/o电路420串联操作。举例来说，替代性可编程模拟i/o电路610的第一输出互连件632(p2)可连接到可编程接口电路440的第一输出互连件452(adio)，且可编程模拟i/o电路610的第二输出互连件634(diff)可连接到可编程接口电路440的第二输出互连件454(diff)。
88.更详细地说，电压电流转换器642可接收模拟电压信号且输出具有与模拟电压信号成正比且表示所述模拟电压信号的电流值的模拟电流信号。电流转换器642可在具有机器的组件的电流回路中驱动信号，且在一些情况下输出4ma至20ma或在大致那些值之间的电流电平。在一些实施方案中，电流转换器642可输出用于0.2毫安(ma)至25ma或在大致那些值之间的信令的电流电平。实例电流转换器为可自德克萨斯州达拉斯的德克萨斯仪器公司购得的xtr117电流回路发射器。电流转换器642可布置有开关652、654，所述开关可将电压电流转换器642与输出隔离且在置于断开状态(即，开路或高阻抗状态)时与数字i/o电路系统610隔离，或允许其接收源自隔离通信控制器310的模拟信号且将模拟电流信号输出到第一输出互连件632(p2)上。
89.根据一些实施方案，第一开关652可为双掷开关。在第一位置(通过互连件amode上的信号设定或清除)中，其可将携载来自隔离通信控制器的被转换成模拟信号的数字输出(daout)的互连件连接到电压电流转换器642的输入。在第二位置中，其可将第一输出互连件632(p2)连接到电压电流转换器642的输入以用于将经由p2接收到的信号发射到机器350的组件。
90.举例来说，第三开关656可用于在从组件接收模拟信号时提供到地面的电流路径(例如，经由电阻器r30的低阻抗路径)，或在将模拟信号发射到组件时提供参考电压(例如，接地)。第三开关可例如通过置于互连件(标记为gnden)上的编程输入来被编程。第四开关658还可用于在从组件接收模拟信号时提供到地面的电流路径。编程输入可实施为但不限于编程电压信号、编程电流信号或编程光学信号。
91.用于各种类型的模拟信号发射和接收的四个开关652、654、656、658的设定将基于前述描述而对数字和模拟电子器件领域中的技术人员显而易见。对于数字信号发射和接收，第一开关652、第二开关654和第四开关658可置于断开(开路或高阻抗)状态中。对于差分数字发射和接收，第三开关656可置于断开状态。对于单端数字发射和接收以及单端模拟发射，第三开关656可置于接通(短路或低阻抗)状态中。四个开关652、654、656、658可通过置于连接到开关的互连件(分别标记为amode、aouten、gnden和refen)上的编程输入来被编程。
92.图6b描绘可编程模拟i/o电路612的另一可能实施方案。图6b的实施方案类似于图5a的实施方案，不同之处在于接收信号驱动器541是不可切换的。替代地，接收信号驱动器541具有被配置为跟随器的运算放大器542。接收信号驱动器540、541中的运算放大器542可容纳来自输出阻抗范围的信号。对于图6b的实施方案，多路复用器512的第二输入通过电阻路径(r14)连接到输出互连件p2，且连接到分流电阻支路(r16和t1)，所述分流电阻支路可在t1传导时提供电流的到地面的路径。图6b的电路比图5a的电路少一个芯片且可在不需要差分模拟信号接收时使用。
93.尽管上文所描述的电路主要针对正电源(例如，对地正电位)描述，但所述电路可由电子器件领域的技术人员基于用于在负电压下操作或在正和负电压的范围内操作的以上描述而容易地调适。虽然大部分信息信令在许多应用中涉及正电位，但一些模拟信号(例如，来自传感器)可包括负电压。在此类情况下，可使用信号的电平移位，或可将负电位电源添加到模拟i/o电路系统(例如，以对模拟输出信号驱动器520和/或接收信号驱动器540供电)，以使得可接收和发射在正电压值到负电压值范围内的信号。在此类情况下，可修改可编程信号路由和隔离电路系统430以处置正电压摆幅和负电压摆幅。
94.根据一些实施方案，由上述可编程接口电路440构造的可编程接口模块315可具有用于每一接口电路440的两个输出互连件452、454(adio、diff)。在一些情况下，四个接口电路440可包含于接口模块315中。因而，可存在来自接口模块的可用于与机器的四个组件介接的8个输出互连件。在此情况下，具有上文所描述的连接器的8线或10线以太网缆线可用于将接口模块315连接到位于组件附近的接线盒318，如图3中所示出。接线盒318可接收以太网缆线且将个别电线或缆线14延伸到每一组件。在其它实施方案中，接口模块315中可存在更多或更少的接口电路440，且可适当地使用不同缆线和连接器。
95.在一些实施方案中，可能需要在互连缆线上提供电力(例如，+v
dc1
、+v
dc2
、-v
dc1
等)和/或参考电位(例如，接地)。在一些此类情况下，可使用具有额外电线和引脚的缆线和连接器(例如，10线而非8线)。在其它此类情况下，可不使用一些接口电路440的第二输出互连件454和/或不将其连接到参考电位。举例来说，如果已知第二输出互连件454中的一个或多个将仅用于单端信令，那么其可接地。替代地，如果使用了图5e的单端数字i/o电路580，那么不存在第二输出互连件454(diff)，其可释放8线以太网缆线的一个或多个电线以携载电力(+v
dc
)和/或参考电位(接地)。
96.可编程接口模块315中使用的接口电路440的数目将至少部分地确定缆线和连接器互连件所需的电线和引脚的数目。引脚分配连接器可以任何合适的方式布置。举例来说，具有仅四个可编程接口电路440的接口模块315可使用8引脚连接器和标准8线以太网缆线。当在缆线上提供电压电源和参考电压时，引脚配置可如表1中所展示。在此实例中，接口电
路440中的两者可包含图5e的单端数字i/o电路580，而另外两者包含图5b的数字i/o电路系统420。替代性引脚分配可在其它实施方案中使用。在一些实施方案中，引脚分配可标准化且被认为工业标准。
97.引脚编号信号1adio_12adio_23adio_34adio_45+v
dc
6diff_17gnd8diff_2
98.表1：8线以太网缆线的实例引脚分配。
99.上文所描述的所公开电路可将去往和来自高速、联网、隔离通信控制器310的隔离数字信号转变成向和/或从周边装置发送和/或接收信号所必需的电流和电压，所述周边装置可在常用或自定义电压和电流范围下实施广泛多种信令方案(例如，单端、差分、电流模式、电压模式、数字和模拟)。信令类型和电压或电流电平可为用户选定的且经由隔离通信控制器310在互连件401上被编程。可编程性可根据一些实施方案而实施于硬件中(例如，作为用户可设定的开关)，或根据一些实施方案而实施于软件中，或实施于硬件和软件设定的组合中。软件可编程性可实施为提供在每信道基础上对信令类型、数据方向、电压电平、电流电平等的选择的下拉菜单。所述软件可为操作用于中央控制器301的软件的系统和与中央控制器进行通信的一个或多个隔离通信控制器310的部分。
100.在一些实施方案中，所公开电路可封装在可遍及机器分布的紧凑ip67或类似加固型壳套中。在一些实施方案中，不太加固的壳套可能为可用的。根据一些实施方案，经封装壳套可包含隔离通信控制器310和可编程接口模块315。在其它实施方案中，经封装壳套可包含仅可编程接口模块315。通过在整个机器中分布此类封装壳套，可显著减少或消除用于机器控制的定制线束、长缆线和电机柜。举例来说，与用于复杂自动化或半自动化机器的常规互连方法相比，用于互连机器的以太网缆线(例如，防水、行业标准以太网缆线)的数目可使用本实施方案的隔离通信控制器310和可编程接口模块315减少了超过16倍。
101.使用本实施方案的可编程接口模块315操作机器350的组件的各种方法是可能的。与实例方法700相关联的动作展示于图7的流程图中。用于在控制器(例如，隔离通信控制器)与机器的一个或多个组件之间的信令的实例方法700可包含在接口电路处接收对接口电路440进行编程(动作705)的编程输入以从控制器接收第一类型的信号以用于发射到机器350的组件320、330、340，其中第一类型的信号可为模拟信号或数字信号。方法700可进一步包含从隔离通信控制器接收(动作710)第一类型的信号(例如，在到可编程接口电路440的模拟或数字输入中的一者处(aout、dout、doutp、doutn))，且将第一类型的输出信号发射(动作720)到可编程接口电路440的信令信道(adio或adio和diff)。所发射信号可基于所接收第一类型的信号。在控制器与机器的一个或多个组件之间的信令的方法可另外或替代地包括接收用以对接口电路440进行编程(动作730)的第二编程输入以在信令信道处接收第
二类型的信号，其中第二类型的信号为模拟信号或数字信号，以及在信令信道处接收(动作740)第二类型的信号。所述方法可进一步包含将基于所接收第二类型的信号的第二类型的信号发射(动作750)到控制器。可在通话和收听操作中执行此动作组合，其中通话处于第一模式且收听处于第二模式。替代地，当在现有设定中略微改动信令信道时(例如，在组件的变化之后)，可执行此动作组合。方法700可包含与接口电路440的进一步编程相关联的其它动作以接收和发射各种类型的模拟和数字信号(例如，单端数字、差分数字、单端模拟、差分模拟、电压源模拟和电流源模拟信号)。
102.在一些实施方案中，信令信道可在操作期间被重新编程以发射和/或接收不同类型的模拟和数字信号。举例来说，时分多路复用可通过信道实施，以使得在第一时段期间，信令信道被编程以将第一类型的模拟信号发射到第一机器组件。在后续第二时段期间，相同信令信道可被编程以将第二类型的数字信号发射到第二机器组件。多路复用器(例如，位于接线盒318处或之后)可用于将信号路由到不同组件。在后续第三时段期间，相同信令信道可被编程以接收模拟或数字信号。此类时分多路复用可允许信令信道的其它多个不同用途。
103.所公开实施方案的可编程接口电路的各种配置是可能的。下文列出此类配置的实例。
104.(1)一种可编程接口电路(440)，其用以在隔离通信控制器(310)与机器(350)的组件(320、330、340)之间自适应性地传送信号，所述可编程接口电路包括：多个互连件(401)，其用以从所述隔离通信控制器接收编程输入；信令信道(452、454)，其用以在所述可编程接口电路与所述组件之间携载信号；可编程模拟i/o电路(410、610、612)，其用以耦合到所述信令信道且从所述隔离通信控制器接收第一模拟信号；可编程数字i/o电路(420、580)，其用以耦合到所述信令信道且从所述隔离通信控制器接收第一数字信号；以及电流感测电路(530)，其用以感测在所述信令信道中流动的电流的量，其中基于施加到所述多个互连件的所述编程输入中的至少第一者，所述可编程接口电路在操作期间为可编程的，以基于所述第一模拟信号而将第二模拟信号提供到所述信令信道或基于所述第一数字信号而将第二数字信号提供到所述信令信道。
105.(2)根据配置(1)所述的可编程接口电路，其中所述可编程接口电路基于所述编程输入中的至少第二者而为可编程的以接收通过所述信令信道的模拟和数字信号。
106.(3)根据配置(1)或(2)所述的可编程接口电路，其中所述可编程接口电路基于所述编程输入中的至少第二者而为可编程的以发射通过所述信令信道的至少两个不同类型的模拟信号作为所述第二模拟信号。
107.(4)根据配置(3)所述的可编程接口电路，其中所述至少两个不同类型的模拟信号中的第三模拟信号为电流源模拟信号。
108.(5)根据配置(1)至(4)1中任一项所述的可编程接口电路，其中所述可编程接口电路进一步包括耦合到所述信令信道的至少一个放大电路，以提供由所述信令信道发射的具有4毫安(ma)至24ma的输出电流的所述第二模拟和第二数字信号。
109.(6)根据配置(1)至(5)1中任一项所述的可编程接口电路，其中所述可编程接口电路基于所述编程输入中的至少第二者而为可编程的以发射和接收通过所述信令信道的至少两个类型的数字信号。
110.(7)根据配置(1)至(6)1中任一项所述的可编程接口电路，其中所述可编程模拟i/o电路包括：第一反馈电路路径；第二反馈电路路径；运算放大器，其具有反馈输入；以及多路复用器，其被配置成基于所述编程输入中的至少第二者而将所述反馈输入连接到所述第一反馈电路路径或所述第二反馈电路路径。
111.(8)根据配置(7)所述的可编程接口电路，其中所述第一反馈电路路径感测所述信令信道的电压，并且所述第二反馈电路路径感测在所述信令信道中流动的电流的所述量。
112.(9)根据配置(1)至(8)1中任一项所述的可编程接口电路，其中所述可编程数字i/o电路包括：
113.第一电路，其被配置成将所述信令信道驱动到逻辑高电平；以及
114.第二电路，其被配置成将所述信令信道驱动到逻辑低电平。
115.(10)根据配置(9所述的可编程接口电路，其中所述第二电路包含开关以基于所述编程输入中的至少第二者而将所述逻辑低电平与所述信令信道隔离。
116.(11)根据配置(1)至(10)1中任一项所述的可编程接口电路，其中所述可编程数字i/o电路包括在所述多个互连件中的一个或多个与所述信令信道之间连接的收发器。
117.(12)根据配置(11)所述的可编程接口电路，其中所述收发器基于所述编程输入中的至少第二者而为可编程的以发射和接收单侧和差分数字信号。
118.(13)根据配置(1)至(12)1中任一项所述的可编程接口电路，其与经由所述多个互连件中的一个或多个而连接到所述可编程接口电路的所述隔离通信控制器组合。
119.(14)根据配置(13)所述的组合，其中所述隔离通信控制器包括可编程逻辑控制器或微控制器。
120.(15)根据配置(13)或(14)所述的组合，其进一步包含所述组件。
121.(16)根据配置(15)所述的组合，其中所述组件为传感器、电机或致动器，或成像设备中的至少一者。
122.在下文列出其他配置实例。在一些实施方案中，配置(1)的附属方面(2)至(16)中的一个或多个可与以下配置中的一个或多个组合。
123.(17)一种可编程接口电路(440)，其用以在隔离通信控制器(310)与机器(350)的组件(320、330、340)之间自适应性地传送信号，所述可编程接口电路包括：多个互连件(401)，其用以接收编程输入；信令信道(452、454)，其用以在所述可编程接口电路与所述组件之间携载信号；可编程模拟i/o电路(410、630)，其具有运算放大器(522或542)以耦合到所述信令信道且为可编程的以从所述隔离通信控制器接收第一模拟信号；以及可编程数字i/o电路(420)，其用以耦合到所述信令信道且为可编程的以从所述隔离通信控制器接收第一数字信号，其中基于施加到所述多个互连件的所述编程输入中的至少第一者，所述可编程接口电路在操作期间为可编程的，以基于所述第一模拟信号而将第二模拟信号提供到所述信令信道或基于所述第一数字信号而将第二数字信号提供到所述信令信道。
124.(18)根据配置(17)所述的可编程接口电路，其进一步包括：可切换输出信号驱动器，其用以在所述可编程模拟i/o电路中接收所述第一模拟信号，其中用于所述可切换输出信号驱动器的反馈信号被配置成基于所述编程输入中的至少第二者而从电流感测模式切换到电压感测模式。
125.(19)根据配置(18)所述的可编程接口电路，其中所述可切换输出信号驱动器包括
所述运算放大器。
126.(20)根据配置(18)所述的可编程接口电路，其进一步包括电流感测电路以感测在所述信令信道中流动的电流的量，并且在所述电流感测模式中提供用于所述可切换输出信号驱动器的所述反馈信号。
127.(21)根据配置(17)至(20)中任一项所述的可编程接口电路，其进一步包括所述可编程模拟i/o电路中的可切换接收信号驱动器，所述可切换接收信号驱动器包含被配置成在单端放大器与差分放大器之间切换的放大器。
128.(22)根据配置(17)至(21)中任一项所述的可编程接口电路，其中所述可编程接口电路基于所述编程输入中的至少第二者而为进一步可编程的以接收通过所述信令信道的模拟和数字信号。
129.(23)根据配置(17)至(22)中任一项所述的可编程接口电路，其中所述可编程接口电路基于所述编程输入中的至少第二者而为可编程的以发射通过所述信令信道的至少两个不同信令类型的模拟信号。
130.(24)根据配置(17)至(23)中任一项所述的可编程接口电路，其中所述可编程接口电路基于所述编程输入而为可编程的以发射和接收通过所述信令信道的至少两个类型的数字信号。
131.(25)根据配置(17)至(24)中任一项所述的可编程接口电路，其进一步包括可编程信号路由和隔离电路以将所述可编程模拟i/o电路和所述可编程数字i/o电路耦合到所述信令信道。
132.(26)根据配置(17)至(25)中任一项所述的可编程接口电路，其中所述可编程信号路由和隔离电路包含晶体管以将所述可编程数字i/o电路的至少一部分与所述信令信道隔离。
133.(27)根据配置(17)至(26)中任一项所述的可编程接口电路，其与经由所述多个互连件中的一个或多个而连接到所述可编程接口电路的所述隔离通信控制器组合。
134.(28)根据配置(27)所述的组合，其中所述隔离通信控制器包括可编程逻辑控制器或微控制器。
135.(29)根据配置(27)或(28)所述的组合，其进一步包含所述组件。
136.以下配置可与配置(2)至(16)以及(18)至(29)的方面组合实施。
137.(30)一种可编程接口电路(440)，其用以在隔离通信控制器(310)与机器(350)的组件(320、330、340)之间自适应性地传送信号，所述可编程接口电路包括：多个互连件(401)，其用以接收编程输入；信令信道(452、454)，其用以在所述可编程接口电路与所述组件之间携载信号；可编程模拟i/o电路(410、630)，其用以耦合到所述信令信道且为可编程的以从所述隔离通信控制器接收第一模拟信号；以及可编程数字i/o电路(420)，其用以耦合到所述信令信道且为可编程的以从所述隔离通信控制器接收第一数字信号，其中所述可编程模拟i/o电路包括：第一反馈电路路径；第二反馈电路路径；运算放大器，其具有反馈输入；以及多路复用器，其用于基于所述编程输入中的至少第一者而将所述反馈输入连接到所述第一反馈电路路径或所述第二反馈电路路径。
138.可实施操作上文所列配置的可编程接口电路的各种方法。下文列出此类方法的实例。
139.(31)一种操作可编程接口电路(440)的方法，所述方法包括：接收对接口电路进行编程(705)以从隔离通信控制器(310)接收第一信号以供发射到机器(350)的组件(320、325、330、340)的第一编程输入，其中所述第一信号可为模拟信号或数字信号；从所述隔离通信控制器接收(710)所述第一信号；将基于所接收第一信号的第一输出信号发射(720)到所述可编程接口电路的信令信道，其中所述第一输出信号具有与所述所接收第一信号相同的信令类型；接收对所述接口电路进行编程(730)以在所述信令信道处从所述组件接收第二信号的第二编程输入，其中所述第二信号具有与所述第一信号不同的信令类型；在所述信令信道处接收(740)所述第二信号；以及将基于所接收第二信号的第一输入信号发射(750)到所述隔离通信控制器。
140.(32)根据(31)所述的方法，其中所述第一信号为差分模拟信号。
141.(33)根据(31)或(32)所述的方法，其中所述第一信号为具有在4ma与24ma之间的幅度的电流源模拟信号。
142.(34)根据(31)至(33)中任一项所述的方法，其中所述第一信号为差分数字信号。
143.(35)根据(31)至(34)中任一项所述的方法，其中所述第一信号为低电压差分数字信号。
144.(36)根据(31)至(36)中任一项所述的方法，其中所述第二信号为需要两个或四个信令电线的标准化网络通信信号。
145.(37)根据(31)至(37)中任一项所述的方法，其中所述第二信号为差分模拟信号。
146.(38)根据(31)至(38)中任一项所述的方法，其中所述第二信号为具有在4ma与24ma之间的幅度的电流源模拟信号。
147.(39)根据(31)至(39)中任一项所述的方法，其中所述第二信号为差分数字信号。
148.(40)根据(31)至(40)中任一项所述的方法，其中所述第二信号为低电压差分数字信号。
149.(41)根据(31)至(41)中任一项所述的方法，其中所述第一信号为电流源模拟信号，并且所述第二信号为电压源模拟信号。
150.(42)根据(31)至(42)中任一项所述的方法，其中发射所述第一输出信号包括至少基于所述第一编程输入而选择用于所述可编程接口电路中的运算放大器的反馈电路。
151.(43)根据(31)至(43)中任一项所述的方法，其中接收所述第二信号包括至少基于所述第二编程输入而在用于所述可编程接口电路中的运算放大器的单端放大模式或差分放大模式之间进行选择。
152.(44)根据(31)至(44)中任一项所述的方法，其中将所述第一输入信号发射到所述隔离通信控制器包括将可编程数字i/o电路系统的至少一部分与所述信令信道电隔离。
153.(45)根据(31)至(45)中任一项所述的方法，其中将所述第一输入信号发射到所述隔离通信控制器包括将可编程模拟i/o电路系统的至少一部分与所述信令信道电隔离。
154.尽管已在本文中描述和示出了各种发明性实施方案，但是本领域普通技术人员将容易想到用于执行功能和/或获得结果和/或本文中所描述的一个或多个优点的多种其它构件和/或结构，并且此类变化和/或修改中的每一者均被认为在本文中所描述的发明性实施方案的范围内。更一般来说，本领域的技术人员将容易认识到，本文中所描述的所有参数、尺寸、材料以及配置意味着为示范性的，并且实际参数、尺寸、材料和/或配置将取决于
本发明教示内容所用于的一种或多种具体应用。本领域的技术人员顶多使用常规实验就将识别或能够确定本文中所描述的特定发明性实施方案的许多等效者。因此，应理解，前述实施方案是仅借助于实例呈现的，并且在所附权利要求书及其等效者的范围内，可以不同于具体描述和要求保护的方式来实践发明性实施方案。本公开的发明性实施方案涉及本文中所描述的每一个别特征、系统、制品、材料和/或方法。此外，如果此类特征、系统、制品、材料和/或方法并非互不一致，则两个或更多个此类特征、系统、制品、材料和/或方法的任何组合包含在本公开的发明性范围内。
155.上述实施方案可以众多方式中的任一种来实施。举例来说，可使用硬件、软件或其组合来实施所述实施方案。当在软件中实施时，软件代码可在任何合适的处理器或处理器组上实行，无论所述处理器是设置在单个计算机中还是分布在多个计算机当中。
156.并且，多种本发明概念可实施为一个或多个方法，已提供了所述方法的实例。作为方法的部分而执行的动作可以任何合适的方式排序。因此，可构造其中以与所示次序不同的次序执行动作的实施方案，其可包含同时执行一些动作，即使在说明性实施方案中被展示为顺序动作。
157.如本文中所定义和使用的所有定义应理解为字典定义上的控制、通过引用并入的文档中的定义和/或所定义术语的普通含义。
158.如本文在本说明书和权利要求书中所使用，除非明确地相反指示，否则不定冠词“一(a和an)”应理解为意味着“至少一个”。
159.如本文在本说明书和权利要求书中所使用，短语“和/或”应理解为意指如此结合的元件中的“任一者或两者”，即元件在一些情况下结合存在而在其它情况下分开存在。通过“和/或”列出的多个元件应按相同方式解释，即如此结合的元件中的“一个或多个”。可任选地存在除通过“和/或”从句具体识别的元件之外的其它元件，无论是与具体识别的那些元件相关还是不相关。因此，作为非限制性实例，在与诸如“包括”之类的开放式语言结合使用时，对“a和/或b”的引用在一种实施方案中可指仅a(任选地包含除b之外的元件)；在另一种实施方案中指仅b(任选地包含除a之外的元件)；在又一种实施方案中指a和b两者(任选地包含其它元件)，等等。
160.如本文中在本说明书和权利要求书中所使用，“或”应理解为具有与如上所定义的“和/或”相同的含义。举例来说，当分离列表中的项时，“或”或“和/或”应解释为包含性的，即包含多个元件或元件列表中的至少一个，而且包含多个元件或元件列表中的多于一个，以及任选地额外未列出的项。仅明确地相反指示的术语，如
“……
中的仅一个”或
“……
中的恰好一个”，或者在权利要求书中使用时，“由
……
组成”将指代包含多个元件或元件列表中的恰好一个元件。一般来说，如本文中所使用的术语“或”应在前面为例如“任一”、
“……
中的一个”、
“……
中的仅一个”或
“……
中的恰好一个”等排它性术语时仅解释为指示排它性替代方案(即，“一个或另一个但并非两者”)。“基本上由
……
组成”在权利要求书中使用时应具有如其在专利法领域中所使用的普通含义。
161.如本文中在说明书和权利要求书中所使用，提及一个或多个元件的列表时短语“至少一个”应理解为意指至少一个元件，所述至少一个元件选自元件的列表中的元件中的任何一个或多个，但不一定包含元件的列表内具体列出的每一个元件中的至少一个，而不排除元件的列表中的元件的任何组合。此定义还允许可任选地存在除在短语“至少一个”所
指的元件的列表内具体识别的元件之外的元件，而无论是与具体识别的那些元件相关还是不相关。因此，作为非限制性实例，“a和b中的至少一个”(或等效地“a或b中的至少一个”，或等效地“a和/或b中的至少一个”)在一种实施方案中可指至少一个，任选地包含多于一个的a，而不存在b(并且任选地包含除b之外的元件)；在另一种实施方案中指至少一个，任选地包含多于一个的b，而不存在a(并且任选地包含除a之外的元件)；在又一种实施方案中指至少一个，任选地包含多于一个的a，并且指至少一个，任选地包含多于一个的b(并且任选地包含其它元件)，等等。
162.在权利要求书中以及在上述说明书中，例如“包括”、“包含”、“带有”、“具有”、“含有”、“涉及”、“容纳”、“由
……
构成”等所有连接词应理解为开放的，即意指包含但不限于。如美国专利局专利审查程序手册第2111.03节中所阐述，只有连接词“由
……
组成”和“基本上由
……
组成”应分别为封闭式或半封闭式连接词。
163.术语“约”、“大致”和“大体上”可用以指代值(例如，数值范围中所使用的一个或多个目标值)，且意图涵盖将被视为在发明性实施方案的范围内的参考值加和减变化。变化的量在一些实施方案中可多达
±
5％，在一些实施方案中多达
±
10％，且在一些实施方案中多达
±
20％的所列值。术语“基本上”用以指代可变化不超过
±
3％的值。