【導讀】自工業(yè)革命早期以來，人們就需要使用機械和設(shè)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(jù)以及設(shè)置的通信方式長期以來一直在廣泛使用。
自工業(yè)革命早期以來，人們就需要使用機械和設(shè)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(jù)以及設(shè)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(shù)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(diào)制，信號在一對頻率之間切換（圖 1）—這種技術(shù)稱為頻移鍵控(FSK)。
圖 1. HART 通信。
本文將介紹該技術(shù)的實施，并提供一些應(yīng)用示例，討論現(xiàn)代硅集成電路技術(shù)使用的一些器件，為系統(tǒng)設(shè)計人員提供幫助。此外，為了闡述該技術(shù)，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(diào)制解調(diào)器（調(diào)制—解調(diào)）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(shè)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(jù)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)路非常可靠和穩(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(diào)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(jīng)成為在智能設(shè)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(diào)制解調(diào)器 IC 內(nèi)部結(jié)構(gòu)
AD5700-1 完整 HART 調(diào)制解調(diào)器 IC（圖 2）集成了所有必需的濾波、信號檢測、解調(diào)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(nèi)工作。
圖 2. AD5700-1 框圖；-1 選項包括內(nèi)部 0.5%精密 RC 振蕩器。
發(fā)射路徑
圖 2 顯示了調(diào)制涉及的主要模塊：FSK直接數(shù)字合成 (DDS)引擎、DAC（開關(guān)電阻串類型）和緩沖區(qū)。要發(fā)送的數(shù)字數(shù)據(jù)通過UART輸入。調(diào)制器通過將RTS（請求發(fā)送）信號拉低來使能。調(diào)制器將TXD輸入端的UART編碼HART數(shù)據(jù)位流轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為大約 493 mV的p-p模擬正弦波。此正弦波信號在內(nèi)部進行緩沖并在HART_OUT引腳上輸出。該DDS引擎本身會產(chǎn)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(nèi)部緩沖的主要優(yōu)勢是產(chǎn)生很高的驅(qū)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(yīng)容性耦合至負載。有關(guān)更多詳細信息，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處于邏輯高電平時，調(diào)制器禁用，解調(diào)器使能，也就是說調(diào)制解調(diào)器處于接收模式。接收器在HART_IN引腳上解調(diào)FSK調(diào)制信號。在此模式下，相關(guān)模塊是內(nèi)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(diào)數(shù)據(jù)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(gòu)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(jié)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(jù)、一個奇偶校驗位和一個停止位。在解調(diào)模式下，調(diào)制解調(diào)器具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 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(zhì)安全要求。建議將此選項用于對安全至關(guān)重要的應(yīng)用的操作，調(diào)制解調(diào)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。
圖4.在 HART 通信中，AD5421 環(huán)路 DAC 和 AD5700 HART 調(diào)制解調(diào)器作為環(huán)路供電型數(shù)據(jù)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(nèi)部基準和振蕩器。RTS和TXD是用于調(diào)制的重要信號，而CD和RXD則對解調(diào)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(nèi)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(nèi)部低功耗 0.5%精密振蕩器的HART調(diào)制解調(diào)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(shè)計，從而提供更加可靠和經(jīng)濟高效的穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)解決方案。
低功耗應(yīng)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(yīng)用示例。在 AD5700控制板上，AD5700 HART 調(diào)制解調(diào)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(jù)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(chǎn)品注冊的詳細信息在它們的網(wǎng)站上提供。
在此類 4 mA 至 20 mA 環(huán)路供電型應(yīng)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(shè)置，比 4 mA 的信號下限低 0.5 mA）。在此類應(yīng)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(shè)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(yīng)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(yīng)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(chǎn)生很大影響。
結(jié)論
除了業(yè)界功耗最低的 HART 調(diào)制解調(diào)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(chǎn)品、放大器、精密基準電壓源、開關(guān)、ADC 和電流—輸出 DAC。AD5700HART 調(diào)制解調(diào)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(yīng)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(shù)，用于多通道應(yīng)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(jié)合使用時，它可以簡化系統(tǒng)設(shè)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。
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