如何在支持HART的模擬輸入上實(shí)施硬件資料下載

HART(可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道的開(kāi)放通信協(xié)議)協(xié)議允許在傳統(tǒng)的模擬4 mA至20 mA電流環(huán)路內(nèi)實(shí)現(xiàn)雙向1.2 kHz/2.2 kHz FSK (頻移鍵控)調(diào)制數(shù)字通信。這樣可實(shí)現(xiàn)傳感器/執(zhí)行器的查詢，并且能夠在設(shè)備安裝、監(jiān)控和維護(hù)過(guò)程中表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)使用便攜式輔助器件查詢傳感器/執(zhí)行器，HART可為維護(hù)人員提供眾多便利，但要完全實(shí)現(xiàn)HART帶來(lái)的所有好處，必須將傳感器/執(zhí)行器連接至帶支持HART的電流輸入或輸出的控制系統(tǒng)。本文將重點(diǎn)闡述支持HART的電流輸入以及與向余量受限的4 mA至20 mA輸入設(shè)計(jì)中添加HART功能相關(guān)的難題。 我們先來(lái)看看HART FSK發(fā)送電路。圖1顯示了HART FSK發(fā)送電路的一種傳統(tǒng)方案，對(duì)此電路進(jìn)行討論后我們將展示經(jīng)過(guò)改進(jìn)的電路設(shè)計(jì)，改進(jìn)后的電路可節(jié)省空間和成本。 圖1. 傳統(tǒng)HART FSK發(fā)送電路 在圖1中，Rsense用于將4 mA至20 mA信號(hào)轉(zhuǎn)換為可由ADC讀取的1 V至5 V信號(hào)。HART FSK發(fā)送電路可通過(guò)C1將±500 mV HART FSK信號(hào)交流耦合至4 mA至20 mA環(huán)路。這些信號(hào)要么為正弦波形，要么為梯形波形。HART調(diào)制解調(diào)器的輸出端需要驅(qū)動(dòng)能力足夠強(qiáng)的沖器，因?yàn)镽sense的阻抗較低，而且電流環(huán)路電纜上的電容也可能很大。HART不發(fā)送信號(hào)時(shí)，緩沖器輸出相對(duì)環(huán)路是低阻抗，這可能會(huì)危及4 mA至20 mA信號(hào)發(fā)送。為此，開(kāi)關(guān)(SW1)與緩沖器輸出串聯(lián)使用，以在不發(fā)送時(shí)提供高阻抗。 SW1開(kāi)啟時(shí)，4 mA至20 mA環(huán)路可在1 V和5 V之間擺動(dòng)。由于這種變化會(huì)交流耦合至SW1，開(kāi)關(guān)的輸入端最多可能有±4 V的電壓。為此，開(kāi)關(guān)可能需要±5 V或更大的雙極性電源，還有一種替代方案是使用光電開(kāi)關(guān)。三態(tài)緩沖器是另一種選擇，但這種緩沖器可能需要雙極性電源。還有一種選擇是采用變壓器隔離方式?？紤]到HART的信號(hào)頻率，可能需要音頻變壓器，但這可能體積較大，消耗大量的電路板空間。 圖2顯示了經(jīng)過(guò)改進(jìn)的HART FSK發(fā)送電路設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)的好處是能夠節(jié)省空間和成本。在此電路中，AD5700 HHART調(diào)制解調(diào)器的驅(qū)動(dòng)能力足以將±500 mV FSK信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)至電流環(huán)路，無(wú)需使用外部緩沖器。 圖2. 經(jīng)過(guò)改進(jìn)的HART FSK發(fā)送電路 調(diào)制解調(diào)器不發(fā)送信號(hào)時(shí)，AD5700的FSK輸出會(huì)偏置到0.75 V，阻抗為70 kΩ。R2和R3提供了更強(qiáng)的0.75 V偏置，R2和R3的交流阻抗為1.7 kΩ。此1.7 kΩ阻抗和C1所形成的高通濾波器可確保最差情況的4 mA至20 mA輸入信號(hào)，即25 Hz、200 Ω Rsense時(shí)為±16 mA，這會(huì)導(dǎo)致HART調(diào)制解調(diào)器FSK輸出被驅(qū)動(dòng)至0 V和1.5 V之間。這意味著，整個(gè)輸入可使用電壓低至1.62 V的單極性電源運(yùn)行，HART調(diào)制解調(diào)器的最小供應(yīng)電壓為1.62 V。 另一個(gè)考慮因素是輸入阻抗，輸入阻抗應(yīng)大于230 Ω。為了確保足夠大的輸入阻抗，250 Ω輸入電阻已分割為50 Ω和 200 Ω。交流輸入阻抗為R1 (Rsense || R2 || R3) 230 Ω。如果需要，可增大此阻抗，方法是增大0.75偏置電阻的值，即R2和R3。在FSK發(fā)送路徑中額外添加50 Ω電阻將在一定程度上使FSK信號(hào)衰減，但電壓仍然符合HART規(guī)范的要求。 由于電流環(huán)路是壓擺式，因此會(huì)有部分電流流經(jīng)C1、R2和R3。當(dāng)然，必須確保這不會(huì)顯著影響4 mA至20 mA模擬信號(hào)?？蓪? 此改進(jìn)電路(如圖2所示)無(wú)需使用緩沖器、開(kāi)關(guān)以及雙極性電源。這三個(gè)因素可大幅節(jié)省傳統(tǒng)HART FSK發(fā)送電路上的系統(tǒng)的空間和成本。 HART FSK輸入的電路如圖3所示。此電路提供一個(gè)帶通濾波器，能夠抑制低頻模擬信號(hào)發(fā)送，并且不受更高頻率的干擾影響。圖示的濾波器專為AD5700定制，因不同的HART調(diào)制解調(diào)器而有所不同。此帶通濾波器的一個(gè)特點(diǎn)是R1提供的150 kΩ輸入阻抗，提高抗瞬態(tài)噪聲干擾的能力。 圖3. HART FSK輸入 4 mA至20 mA電流測(cè)量電路如圖4所示。200 Ω精密Rsense電阻可將4 mA至20 mA信號(hào)轉(zhuǎn)換為0.8 V至4 V信號(hào)，這些信號(hào)之后可由ADC轉(zhuǎn)換。然后是可抑制HART FSK信號(hào)的雙極低通濾波器R2、C1、R3、C2。接著可將此信號(hào)饋入ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 圖4. 電流測(cè)量電路 本文描述的電路已經(jīng)構(gòu)建成功并且經(jīng)過(guò)測(cè)試，可用作PLC/DCS四通道電壓和電流輸入的基準(zhǔn)電路，同時(shí)還兼容HART (CN0364)。本文描述的電路完全能夠在此電路板上實(shí)施，此外，電路板還可支持在四個(gè)輸入通道之間多路復(fù)用HART。測(cè)試相關(guān)通道時(shí)，F(xiàn)SK發(fā)送開(kāi)關(guān)可保持開(kāi)啟或關(guān)斷狀態(tài)，保持開(kāi)啟時(shí)，電路與圖2中的電路完全相同。 本文已概述了如何在支持HART的模擬輸入上實(shí)施硬件。除此之外，還展示了使用AD5700 HART調(diào)制解調(diào)器的改進(jìn)版HART FSK發(fā)送電路。此改進(jìn)電路無(wú)需使用任何外部緩沖器或開(kāi)關(guān)，而且還能節(jié)省電路板空間和成本。此電路還無(wú)需使用雙極性電源，這不僅能夠節(jié)省空間和成本，而且還能降低電源復(fù)雜性。 作者 Derrick Hartmann Derrick Hartmann 是ADI公司工業(yè)自動(dòng)化部的系統(tǒng)應(yīng)用工程師，工作地點(diǎn)在麻薩諸塞州威明頓市。Derrick先前是ADI公司工業(yè)DAC產(chǎn)品系列的產(chǎn)品應(yīng)用工程師。Derrick畢業(yè)于愛(ài)爾蘭利默里克大學(xué)，獲得電子工程學(xué)位。 Michal Brychta Michal是一名高級(jí)應(yīng)用工程師，負(fù)責(zé)工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)。 他任職于ADI公司的工業(yè)和儀器儀表部門(mén)，工作地點(diǎn)在愛(ài)爾蘭利默里克。 Michal先前是ADI公司Σ-Δ型轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品應(yīng)用工程師，之前曾擔(dān)任儀器儀表以及工業(yè)電路和系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師長(zhǎng)達(dá)10年。 Michal擁有捷克共和國(guó)布爾諾技術(shù)大學(xué)電子工程碩士學(xué)位。 (mbbeetchina)