HART通信網(wǎng)絡(luò)通過小型、靈活、低功耗調(diào)制解調(diào)器IC得到改進

自工業(yè)革命初期以來，就存在測量、控制和與機械設(shè)備通信的需求，采用傳感器和執(zhí)行器的儀表系統(tǒng)成為現(xiàn)代制造工廠的支柱。采用 4mA 至 20mA 模擬電流信號通過導(dǎo)線傳輸數(shù)據(jù)和設(shè)置的通信長期以來一直被廣泛使用。但是儀器儀表已經(jīng)從那些純粹的模擬系統(tǒng)成熟到今天使用的“智能”系統(tǒng)，通過HART（高速公路可尋址遠程傳感器）協(xié)議等增強了通信能力。簡而言之，直流和低頻電流信號由獨立的高頻信號調(diào)制，這些信號在一對頻率之間切換，這種技術(shù)稱為頻移鍵控 （FSK）。

本文介紹該技術(shù)的實現(xiàn)方式，提供一些應(yīng)用示例，討論現(xiàn)代硅集成電路技術(shù)為系統(tǒng)設(shè)計人員提供幫助的一些器件，并介紹當今最緊湊、功耗最低、電源電壓最寬、完全兼容的HART調(diào)制解調(diào)器（調(diào)制-解調(diào)）IC——ADI公司AD5700。

什么是HART通信？

模擬變送器中使用的主要通信形式是正常范圍為4 mA至20 mA的電流環(huán)路，采用變送器、接收器和電源。它支持遠程校準、故障詢問和過程變量數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋５凸陌l(fā)射器和接收器必須以 4 mA 或更低的最小電流工作，具體取決于錯誤指示所需的“裕量”。這些電流環(huán)路可靠、堅固耐用，并且在長距離通信距離內(nèi)高度不受環(huán)境干擾的影響。然而，一個顯著的缺點是，單個回路只允許從傳感器或到執(zhí)行器的單向通信，并且只能傳輸一個過程變量。

HART標準的引入提供了一種創(chuàng)建“智能”發(fā)射器的方法，通過增加數(shù)字通信功能，共享用于傳統(tǒng)4 mA至20 mA儀器的相同雙絞線。4 mA至20 mA模擬電流由1 mA峰峰值FSK信號調(diào)制，而不會中斷原始的主變量傳輸，同時仍留出操作環(huán)路的裕量。HART協(xié)議已成為智能設(shè)備與控制或監(jiān)控系統(tǒng)之間通過模擬線發(fā)送和接收數(shù)字信息的全球標準。

在HART調(diào)制解調(diào)器IC內(nèi)部

AD5700-1完整的HART調(diào)制解調(diào)器IC（圖2）集成了所需的所有必要濾波、信號檢測、調(diào)制、解調(diào)和信號生成功能，大大減少了所需的外部元件數(shù)量。該器件采用小型 4mm × 4mm 24 引腳 LFCSP 封裝，僅需 2V 至 5.5V 單電源，工作溫度范圍為 –40°C 至 +125°C。

圖2.AD5700-1的框圖;-1 選項包括一個內(nèi)部 0.5% 精度的 RC 振蕩器。

傳輸路徑

圖2顯示了調(diào)制中涉及的主要模塊：FSK直接數(shù)字頻率合成（DDS）引擎、DAC（開關(guān)電阻串類型）和緩沖器。要傳輸?shù)臄?shù)字數(shù)據(jù)通過UART到達。調(diào)制器通過將RTS（發(fā)送請求）信號調(diào)低來使能。調(diào)制器將 TXD 輸入端的 UART 編碼 HART 數(shù)據(jù)的位流轉(zhuǎn)換為 1200 Hz （“1”） 和 2200 Hz （“0”） 音調(diào)的二進制序列（圖 3）。DDS 以任一頻率產(chǎn)生正弦數(shù)字字流，DAC 將其轉(zhuǎn)換為大約 493mV p-p 模擬正弦波。該正弦信號在內(nèi)部緩沖，出現(xiàn)在HART_OUT引腳上。DDS引擎固有地產(chǎn)生連續(xù)相位信號，從而避免在頻率之間切換時出現(xiàn)任何輸出不連續(xù)性。HART_OUT內(nèi)部緩沖的一個關(guān)鍵優(yōu)勢是由此產(chǎn)生的高驅(qū)動能力，消除了對外部模擬緩沖器的需求及其隱含的問題。直流偏置至0.75 V的HART_OUT引腳應(yīng)電容耦合到負載。有關(guān)詳細信息，請參見AD5700/AD5700-1數(shù)據(jù)手冊。

圖3.AD5700/AD5700-1調(diào)制器波形

接收路徑

當RTS為邏輯高電平時，調(diào)制器被禁用，解調(diào)器被使能，即調(diào)制解調(diào)器處于接收模式。接收器解調(diào)HART_IN引腳上的FSK調(diào)制信號。在這種模式下，相關(guān)模塊是內(nèi)部帶通濾波器、ADC和DSP引擎。CD 上的高電平（載波檢測）表示檢測到有效的載波。解調(diào)后的數(shù)據(jù)通過UART接口上的RXD引腳發(fā)送到主機處理器。

選擇接收架構(gòu)是為了使AD5700在惡劣的工業(yè)環(huán)境中具有抗噪聲和干擾能力。模擬和數(shù)字濾波的組合可在 RXD 引腳上實現(xiàn)出色的靈敏度和高精度輸出。HART位流遵循具有起始位、8位數(shù)據(jù)、一個奇偶校驗位和一個停止位的標準UART幀。在解調(diào)模式下，調(diào)制解調(diào)器有兩個濾波器配置選項：內(nèi)部濾波器（HART信號施加于HART_IN）和外部濾波器（濾波后的HART信號直接施加到ADC_IP）。外部濾波器模式支持AD5700在防爆和本質(zhì)安全環(huán)境中使用。包括一個 150kΩ 電阻，可將電流限制在足夠低的水平，以符合本質(zhì)安全要求。建議在安全關(guān)鍵型應(yīng)用中使用此選項，在這些應(yīng)用中，調(diào)制解調(diào)器必須與環(huán)路電源的高電壓隔離。在這種情況下，輸入具有更高的瞬態(tài)電壓保護，因此即使在最苛刻的工業(yè)環(huán)境中也不需要額外的保護電路。

附加塊

圖2所示的其余三個模塊是前面提到的UART接口、內(nèi)部基準和振蕩器。RTS和TXD是調(diào)制的重要信號，而CD和RXD是解調(diào)的重要信號。AD5700可以接受外部2.5 V基準電壓源，該基準電壓源僅在AVDD電源大于2.7 V時使用。內(nèi)部或外部基準選項的使用由REF_SEL引腳的極性控制。對于時鐘，該器件支持多種方案，可實現(xiàn)簡單的低成本可配置解決方案。AD5700可以使用外部晶體、陶瓷諧振器或CMOS輸入。AD5700-1是首款集成內(nèi)置低功耗、精度為0.5%的振蕩器的HART調(diào)制解調(diào)器IC，可降低所需的外部電路和總成本。片上集成的眾多功能大大簡化了HART兼容系統(tǒng)的設(shè)計，從而產(chǎn)生了更可靠、更具成本效益和魯棒的網(wǎng)絡(luò)解決方案。

低功耗應(yīng)用示例

低功耗很重要，因為由環(huán)路供電的所有電路的功耗必須低于3.5 mA。HART通信在環(huán)路中的應(yīng)用示例如圖4所示。AD5700 HART調(diào)制解調(diào)器與AD5421評估板上的16位串行輸入環(huán)路供電4 mA至20 mA DAC和ADuCM360微控制器接口，用于演示用于兩個共享數(shù)據(jù)通道測量壓力（“5700”）和溫度（“0”）的環(huán)路供電發(fā)送器電路。

圖4.AD5421環(huán)路DAC和AD5700 HART調(diào)制解調(diào)器作為環(huán)路供電數(shù)據(jù)發(fā)送器，具有HART通信功能。

該電路已經(jīng)過HART通信基金會的合規(guī)性測試、驗證和注冊為批準的HART解決方案。產(chǎn)品注冊的詳細信息可在其網(wǎng)站上找到。

在這種4 mA至20 mA環(huán)路供電應(yīng)用中，最重要的限制是整個電路的功耗必須小于3.5 mA（“低報警”設(shè)置，比0 mA信號底低5.4 mA）。這就是AD5700的低功耗特性變得最重要的地方。在這里，每一微安都很重要，因此，如果設(shè)計中的每個IC都可以單獨吸收足夠小的電流，則不會超過3.5mA的預(yù)算，并且應(yīng)用將按要求工作。AD124的典型發(fā)射和接收電流分別為86 μA和140 μA，相應(yīng)的最大額定電流消耗分別為115 μA和5700 μA，因此不會對總電流預(yù)算產(chǎn)生重大影響。

結(jié)論

除了業(yè)界最低功耗的HART調(diào)制解調(diào)器IC，ADI公司還提供完整的HART解決方案功能，包括微控制器產(chǎn)品、放大器、精密基準電壓源、開關(guān)、ADC和電流輸出DAC。AD5700 HART調(diào)制解調(diào)器設(shè)計用于輕松連接：AD5421，在上面的環(huán)路供電智能發(fā)送器應(yīng)用示例中使用;AD5422 16位電壓和電流輸出DAC，適用于現(xiàn)場儀表或模擬I/O卡;以及AD5755-1 16位、四通道DAC，采用創(chuàng)新的動態(tài)功率控制技術(shù)，適用于多通道應(yīng)用。此外，設(shè)計用于輕松配接的組件可用于整個信號鏈。與AD5700/AD5700-1結(jié)合使用時，系統(tǒng)設(shè)計得到簡化，可靠性得到增強，并且可以快速、輕松地部署可靠的HART兼容系統(tǒng)。

審核編輯：郭婷