【導(dǎo)讀】自工業(yè)革命早期以來，人們就需要使用機(jī)械和設(shè)備進(jìn)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(hào)進(jìn)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(jī)械和設(shè)備進(jìn)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(hào)進(jìn)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(dāng)前使用的“智能”系統(tǒng)，利用 HART®（可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道）協(xié)議等技術(shù)增強(qiáng)了通信功能。簡而言之，直流低頻電路信號(hào)由獨(dú)立的更高頻率信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，信號(hào)在一對(duì)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(shí)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(jì)人員提供幫助。此外，為了闡述該技術(shù)，我們還將介紹當(dāng)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(shí)現(xiàn)眾多功能，例如遠(yuǎn)程校準(zhǔn)、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(yùn)行，這要取決于錯(cuò)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(qiáng)的抗環(huán)境干擾能力。但是，它的一大劣勢(shì)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(gè)過程變量。
HART 標(biāo)準(zhǔn)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(hào)進(jìn)行調(diào)制—而不中斷原始主變量傳輸—同時(shí)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(hào)的全球標(biāo)準(zhǔn)。
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(hào)檢測、解調(diào)和信號(hào)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(kuò)展溫度范圍內(nèi)工作。
圖 2. AD5700-1 框圖；-1 選項(xiàng)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?jǐn)?shù)據(jù)通過UART輸入。調(diào)制器通過將RTS（請(qǐng)求發(fā)送）信號(hào)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(jìn)制 1200 Hz（“1”）和 2200 Hz（“0”）信號(hào)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(hào)在內(nèi)部進(jìn)行緩沖并在HART_OUT引腳上輸出。該DDS引擎本身會(huì)產(chǎn)生連續(xù)相位信號(hào)，因此在頻率之間切換時(shí)避免了出現(xiàn)任何輸出不連續(xù)。在HART_OUT上進(jìn)行內(nèi)部緩沖的主要優(yōu)勢(shì)是產(chǎn)生很高的驅(qū)動(dòng)能力，無需外部模擬緩沖，也不會(huì)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(fù)載。有關(guān)更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參見AD5700/AD5700-1 數(shù)據(jù)手冊(cè)。
圖 3. AD5700/AD5700-1 調(diào)制器波形。
接收路徑
當(dāng)RTS處于邏輯高電平時(shí)，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(hào)。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(shí)現(xiàn)出色的靈敏度和高度精確的輸出。HART位流之前是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn) UART 幀，該幀包含一個(gè)起始位、8 位數(shù)據(jù)、一個(gè)奇偶校驗(yàn)位和一個(gè)停止位。在解調(diào)模式下，調(diào)制解調(diào)器具有兩個(gè)濾波器配置選項(xiàng)：內(nèi)部濾波器（HART 信號(hào)施加于HART_IN）和外部濾波器（濾波 HART 信號(hào)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(xiàng)用于對(duì)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(hù)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(hù)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(gè)模塊是上文提及的UART接口、內(nèi)部基準(zhǔn)和振蕩器。RTS和TXD是用于調(diào)制的重要信號(hào)，而CD和RXD則對(duì)解調(diào)非常重要。AD5700 可以接收外部 2.5 V基準(zhǔn)，只有在AVDD電源大于 2.7 V時(shí)才能使用。對(duì)內(nèi)部或外部基準(zhǔn)選項(xiàng)的使用受REF_SEL針腳的極性控制。對(duì)于時(shí)鐘，該器件支持多個(gè)方案，以實(shí)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(jì)，從而提供更加可靠和經(jīng)濟(jì)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?yàn)榄h(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(gè)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(yàn)證，并注冊(cè)為 HART 通信基金會(huì)認(rèn)證的 HART 解決方案。產(chǎn)品注冊(cè)的詳細(xì)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(gè)電路的功耗必須低于 3.5 mA（“低限報(bào)警”設(shè)置，比 4 mA 的信號(hào)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(jì)中的每個(gè) IC 都抽取足夠小的電流，則不會(huì)超過 3.5 mA 的預(yù)算，應(yīng)用將能正常運(yùn)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(huì)對(duì)整體電流預(yù)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(zhǔn)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(dòng)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(gè)信號(hào)鏈。與 AD5700/AD5700-1 結(jié)合使用時(shí)，它可以簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和增強(qiáng)可靠性，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定 HART 兼容系統(tǒng)的快速輕松部署。
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