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作者Tracey Johnson 自工業革命早期以來，人們就需要使用機械和設備進行測量、控制和通信，采用傳感器和執行器的儀表系統成為現代制造工廠的支柱。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發展到當前使用的“智能”系統，利用HART®（可尋址遠程傳感器高速通道）協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，討論現代硅集成電路技術使用的一些器件，為系統設計人員提供幫助。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？ 在模擬發射器中使用的主要通信方式是電流環路，正常范圍是從4 mA至20 mA，采用發射器、接收器和電源設備。它可以實現眾多功能，例如遠程校準、故障查詢和過程變量數據傳輸。低功耗發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”。這些電流環路非常可靠和穩定，在長途通信中具有很強的抗環境干擾能力。但是，它的一大劣勢是單環路僅允許單向通信（來自傳感器或發送至執行器），只能傳輸一個過程變量。 HART標準的引入提供了一種創建“智能”發射器的方式，方法是添加數字通信功能，共享用于傳統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 — 同時仍然為環路工作留下裕量。HART協議已經成為在智能設備和控制或監控系統之間通過模擬線路發送和接收數字信號的全球標準。 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、解調和信號發生功能，從而顯著減少了所需的外部元件數量。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。 發射路徑 圖2顯示了調制涉及的主要模塊：FSK直接數字合成 (DDS)引擎、DAC（開關電阻串類型）和緩沖區。要發送的數字數據通過UART輸入。調制器通過將RTS（請求發送）信號拉低來使能。調制器將TXD輸入端的UART編碼HART數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相位信號，因此在頻率之間切換時避免了出現任何輸出不連續。在HART_OUT上進行內部緩沖的主要優勢是產生很高的驅動能力，無需外部模擬緩沖，也不會出現它們帶來的問題。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。解調數據通過UART接口上的RXD引腳發送至主處理器。 我們選擇該接收架構的目的是讓AD5700能夠抵御惡劣工業環境中的噪聲和干擾。通過結合使用模擬濾波和數字濾波，可以在RXD引腳上實現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境中使用AD5700。它包括150 kΩ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電壓保護功能，因此即使是在要求最苛刻的工業環境中，也無需額外的保護電路。 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兼容系統的設計，從而提供更加可靠和經濟高效的穩定網絡解決方案。 低功耗應用示例 低功耗非常重要，因為環路供電的所有電路的功耗必須低于3.5 mA。圖4顯示了環路中的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”）的兩個共享數據通道的環路供電型發射器電路。
圖4. 在HART通信中，AD5421環路DAC和AD5700 HART 調制解調器作為環路供電型數據發射器。 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的低功耗規格極為重要。在滿足功耗規格方面，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, 開關, ADC和電流-輸出DACAD5700 HART調制解調器可以輕松與以下器件接口：AD5421，在上文所述的環路供電型智能發射器應用示例中使用；AD5422 16位電壓輸出和電流輸出DAC，用于現場儀表或模擬I/O卡；AD5755-116位四通道DAC，采用創新的動態電源控制技術，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，它可以簡化系統設計和增強可靠性，實現穩定HART兼容系統的快速輕松部署。 我邀請您在工程師技術論壇上的ADI社區就HART調制解調器發表評論。 AD5700單芯片HART調制解調器作為智能現場儀表演示解決方案的一部分，向HART通信基金會注冊。它成為業界功耗最低的完整HART調制解調器，完全符合HART通信協議，可在高噪聲的惡劣工業環境中精確編碼和解碼HART通信信號，確保快速而易于實施的可靠通信接口，并向HART通信基金會注冊。它需要的外部元件數相比替代解決方案減少了60%，并可節省超過75%的電路板空間。
作者簡介 Tracey Johnson [tracey.johnson@analog.com] 是精密數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轉換器 — 包括支持HART的智能發射器。Tracey在2003年畢業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。 |
