業(yè)界功耗最低的HART調制解調器IC應用

自工業(yè)革命早期以來，人們就需要使用機械和設備進行測量、控制和通信，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。通過傳輸線路，采用 4 mA 至 20 mA 模擬電流信號進行傳輸數(shù)據以及設置的通信方式長期以來一直在廣泛使用。但儀表也在日臻成熟，從早期的純模擬系統(tǒng)發(fā)展到當前使用的“智能”系統(tǒng)，利用 HART?（可尋址遠程傳感器高速通道）協(xié)議等技術增強了通信功能。簡而言之，直流低頻電路信號由獨立的更高頻率信號進行調制，信號在一對頻率之間切換（圖 1）—這種技術稱為頻移鍵控(FSK)。

圖 1. HART 通信。

本文將介紹該技術的實施，并提供一些應用示例，討論現(xiàn)代硅集成電路技術使用的一些器件，為系統(tǒng)設計人員提供幫助。此外，為了闡述該技術，我們還將介紹當前最緊湊、功耗最低、電壓范圍最寬、完全符合規(guī)范的 HART 調制解調器（調制—解調）IC—ADI 公司的 AD5700。

什么是 HART 通信？

在模擬發(fā)射器中使用的主要通信方式是電流環(huán)路，正常范圍是從 4 mA 至 20 mA，采用發(fā)射器、接收器和電源設備。它可以實現(xiàn)眾多功能，例如遠程校準、故障詢和過程變量數(shù)據傳輸。

低功耗發(fā)射器和接收器必須在 4 mA 或更低的最小電流下運行，這要取決于錯誤指示所需的“裕量”。這些電流環(huán)路非?？煽亢头€(wěn)定，在長途通信中具有很強的抗環(huán)境干擾能力。但是，它的一大劣勢是單環(huán)路僅允許單向通信（來自傳感器或發(fā)送至執(zhí)行器），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)射器的方式，方法是添加數(shù)字通信功能，共享用于傳統(tǒng) 4 mA 至 20 mA 儀器的同一根雙絞線。4 mA 至 20 mA 模擬電路由 1 mA 峰峰值 FSK 信號進行調制—而不中斷原始主變量傳輸—同時仍然為環(huán)路工作留下裕量。HART 協(xié)議已經成為在智能設備和控制或監(jiān)控系統(tǒng)之間通過模擬線路發(fā)送和接收數(shù)字信號的全球標準。

HART 調制解調器 IC 內部結構

AD5700-1 完整 HART 調制解調器 IC（圖 2）集成了所有必需的濾波、信號檢測、解調和信號發(fā)生功能，從而顯著減少了所需的外部元件數(shù)量。它采用小型 4 mm × 4 mm、24 引腳 LFCSP封裝，僅需要 2 V 至 5.5 單電源供電，在–40°C 至+125°C 的擴展溫度范圍內工作。

圖 2. AD5700-1 框圖；-1 選項包括內部 0.5%精密 RC 振蕩器。

發(fā)射路徑

圖 2 顯示了調制涉及的主要模塊：FSK直接數(shù)字合成 (DDS)引擎、DAC（開關電阻串類型）和緩沖區(qū)。要發(fā)送的數(shù)字數(shù)據通過UART輸入。調制器通過將RTS（請求發(fā)送）信號拉低來使能。調制器將TXD輸入端的UART編碼HART數(shù)據位流轉換成一系列二進制 1200 Hz（“1”）和 2200 Hz（“0”）信號音（見圖 3）。DDS在任何一種頻率下生成正弦數(shù)字字流，DAC將其轉換為大約 493 mV的p-p模擬正弦波。此正弦波信號在內部進行緩沖并在HART_OUT引腳上輸出。該DDS引擎本身會產生連續(xù)相位信號，因此在頻率之間切換時避免了出現(xiàn)任何輸出不連續(xù)。在HART_OUT上進行內部緩沖的主要優(yōu)勢是產生很高的驅動能力，無需外部模擬緩沖，也不會出現(xiàn)它們帶來的問題。HART_OUT引腳直流偏置至 0.75 V，并應容性耦合至負載。有關更多詳細信息，請參見AD5700/AD5700-1 數(shù)據手冊。

圖 3. AD5700/AD5700-1 調制器波形。

接收路徑

當RTS處于邏輯高電平時，調制器禁用，解調器使能，也就是說調制解調器處于接收模式。接收器在HART_IN引腳上解調FSK調制信號。在此模式下，相關模塊是內部帶通濾波器、ADC和DSP引擎。CD高電平（載波檢測）表示檢測到有效載波。解調數(shù)據通過UART接口上的RXD引腳發(fā)送至主處理器。我們選擇該接收架構的目的是讓AD5700 能夠抵御惡劣工業(yè)環(huán)境中的噪聲和干擾。通過結合使用模擬濾波和數(shù)字濾波，可以在 RXD 引腳上實現(xiàn)出色的靈敏度和高度精確的輸出。HART位流之前是一個標準 UART 幀，該幀包含一個起始位、8 位數(shù)據、一個奇偶校驗位和一個停止位。在解調模式下，調制解調器具有兩個濾波器配置選項：內部濾波器（HART 信號施加于HART_IN）和外部濾波器（濾波 HART 信號直接施加于ADC_IP）。外部濾波器模式支持在防爆和本安型環(huán)境中使用AD5700。它包括 150 k? 電阻，這樣可以將電流限制在足夠低水平，以遵守本質安全要求。建議將此選項用于對安全至關重要的應用的操作，調制解調器必須與環(huán)路電源的高電壓隔離開。這種情況下，輸入端具有更高的瞬態(tài)電壓保護功能，因此即使是在要求最苛刻的工業(yè)環(huán)境中，也無需額外的保護電路。

4. 在 HART 通信中，AD5421 環(huán)路 DAC 和 AD5700 HART 調制解調器作為環(huán)路供電型數(shù)據發(fā)射器。

其他模塊

圖 2 中顯示的其他三個模塊是上文提及的UART接口、內部基準和振蕩器。RTS和TXD是用于調制的重要信號，而CD和RXD則對解調非常重要。AD5700 可以接收外部 2.5 V基準，只有在AVDD電源大于 2.7 V時才能使用。對內部或外部基準選項的使用受REF_SEL針腳的極性控制。對于時鐘，該器件支持多個方案，以實現(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 是首款集成內部低功耗 0.5%精密振蕩器的HART調制解調器IC，降低了所需的外部電路以及總體成本。眾多片上集成功能顯著簡化了HART兼容系統(tǒng)的設計，從而提供更加可靠和經濟高效的穩(wěn)定網絡解決方案。

低功耗應用示例

低功耗非常重要，因為環(huán)路供電的所有電路的功耗必須低于3.5 mA。圖 4 顯示了環(huán)路中的 HART 通信應用示例。在 AD5700控制板上，AD5700 HART 調制解調器與 AD5421 16 位串行輸入環(huán)路供電型 4 mA 至 20 mA DAC 和 ADuCM360 微控制器接口連接，以演示用于測量壓力（“0”）和溫度（“1”）的兩個共享數(shù)據通道的環(huán)路供電型發(fā)射器電路。

該電路已通過兼容性測試和驗證，并注冊為 HART 通信基金會認證的 HART 解決方案。產品注冊的詳細信息在它們的網站上提供。

在此類 4 mA 至 20 mA 環(huán)路供電型應用中，最重要的限制是整個電路的功耗必須低于 3.5 mA（“低限報警”設置，比 4 mA 的信號下限低 0.5 mA）。在此類應用中，AD5700 的低功耗規(guī)格極為重要。在滿足功耗規(guī)格方面，每微安都非常重要，如果設計中的每個 IC 都抽取足夠小的電流，則不會超過 3.5 mA 的預算，應用將能正常運行。典型的發(fā)射和接收電流分別為 124 μA和 86 μA，相應的最大指定耗用電流分別為 140 μA 和 115 μA，AD5700 不會對整體電流預算產生很大影響。

結論

除了業(yè)界功耗最低的 HART 調制解調器 IC 之外，ADI 公司還提供完整 HART 解決方案功能，包括微控制器產品、放大器、精密基準電壓源、開關、ADC 和電流—輸出 DAC。AD5700HART 調制解調器可以輕松與以下器件接口：AD5421，在上文所述的環(huán)路供電型智能發(fā)射器應用示例中使用；AD5422 16位電壓輸出和電流輸出 DAC，用于現(xiàn)場儀表或模擬 I/O 卡；AD5755-1 16 位四通道 DAC，采用創(chuàng)新的動態(tài)電源控制技術，用于多通道應用。此外，可以無縫匹配的元件也可用于整個信號鏈。與 AD5700/AD5700-1 結合使用時，它可以簡化系統(tǒng)設計和增強可靠性，實現(xiàn)穩(wěn)定 HART 兼容系統(tǒng)的快速輕松部署。

作者簡介

Tracey Johnson [tracey.johnson@analog.com]是精密數(shù)模轉換器部門的應用工程師，主要專注于用于流程控制應用的工業(yè)轉換器—包括支持 HART 的智能發(fā)射器。Tracey 在 2003 年畢業(yè)于愛爾蘭利默里克大學，獲得電子工程學士學位。她加入 ADI 公司擔任 DAC 部門的設計評估工程師，并在該職位上供職七年。