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作者Tracey Johnson 自工業(yè)革命早期以來(lái)，人們就需要使用機械和設備進(jìn)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(chǎng)的支柱。通過(guò)傳輸線(xiàn)路，采用4 mA至20 mA模擬電流信號進(jìn)行傳輸數據以及設置的通信方式長(cháng)期以來(lái)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(fā)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(xié)議等技術(shù)增強了通信功能。簡(jiǎn)而言之，直流低頻電路信號由獨立的更高頻率信號進(jìn)行調制，信號在一對頻率之間切換（圖1）—這種技術(shù)稱(chēng)為頻移鍵控(FSK)。 
圖1. HART通信。 本文將介紹該技術(shù)的實(shí)施，并提供一些應用示例，討論現代硅集成電路技術(shù)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(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(shí)現眾多功能，例如遠程校準、故障查詢(xún)和過(guò)程變量數據傳輸。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�定，在長(cháng)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(lái)自傳感器或發(fā)送至執行器），只能傳輸一個(gè)過(guò)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(xiàn)。4 mA至20 mA模擬電路由1 mA峰峰值FSK信號進(jìn)行調制 — 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)成為在智能設備和控制或監控系統之間通過(guò)模擬線(xiàn)路發(fā)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(fā)生功能，從而顯著(zhù)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(fā)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(kāi)關(guān)電阻串類(lèi)型）和緩沖區。要發(fā)送的數字數據通過(guò)UART輸入。調制器通過(guò)將RTS（請求發(fā)送）信號拉低來(lái)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(jìn)制1200 Hz（“1”）和2200 Hz（“0”）信號音（見(jiàn)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(jìn)行緩沖并在HART_OUT引腳上輸出。該DDS引擎本身會(huì )產(chǎn)生連續相位信號，因此在頻率之間切換時(shí)避免了出現任何輸出不連續。在HART_OUT上進(jìn)行內部緩沖的主要優(yōu)勢是產(chǎn)生很高的驅動(dòng)能力，無(wú)需外部模擬緩沖，也不會(huì )出現它們帶來(lái)的問(wèn)題。HART_OUT引腳直流偏置至0.75 V，并應容性耦合至負載。有關(guān)更多詳細信息，請參見(jiàn)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(shí)，調制器禁用，解調器使能，也就是說(shuō)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(guān)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(guò)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(guò)結合使用模擬濾波和數字濾波，可以在RXD引腳上實(shí)現出色的靈敏度和高度精確的輸出。HART位流之前是一個(gè)標準UART幀，該幀包含一個(gè)起始位、8位數據、一個(gè)奇偶校驗位和一個(gè)停止位。在解調模式下，調制解調器具有兩個(gè)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A(yíng)DC_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 kΩ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)重要的應用的操作，調制解調器必須與環(huán)路電源的高電壓隔離開(kāi)。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(wú)需額外的保護電路。 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A(yíng)VDD電源大于2.7 V時(shí)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(shí)鐘，該器件支持多個(gè)方案，以實(shí)現簡(jiǎn)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(zhù)簡(jiǎn)化了HART兼容系統的設計，從而提供更加可靠和經(jīng)濟高效的穩定網(wǎng)絡(luò )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A(yíng)D5700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(gè)共享數據通道的環(huán)路供電型發(fā)射器電路。
圖4. 在HART通信中，AD5421環(huán)路DAC和AD5700 HART 調制解調器作為環(huán)路供電型數據發(fā)射器。 該電路已通過(guò)兼容性測試和驗證，并注冊為HART通信基金會(huì )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(lèi)4 mA至20 mA環(huán)路供電型應用中，最重要的限制是整個(gè)電路的功耗必須低于3.5 mA（“低限報警”設置，比4 mA的信號下限低0.5 mA）。在此類(lèi)應用中，AD5700的低功耗規格極為重要。在滿(mǎn)足功耗規格方面，每微安都非常重要，如果設計中的每個(gè)IC都抽取足夠小的電流，則不會(huì )超過(guò)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(huì )對整體電流預算產(chǎn)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(chǎn)品, 放大器, 精密基準, 開(kāi)關(guān), 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(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，用于現場(chǎng)儀表或模擬I/O卡；AD5755-116位四通道DAC，采用創(chuàng )新的動(dòng)態(tài)電源控制技術(shù)，用于多通道應用。此外，可以無(wú)縫匹配的元件也可用于整個(gè)信號鏈。與AD5700/AD5700-1結合使用時(shí)，它可以簡(jiǎn)化系統設計和增強可靠性，實(shí)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(shù)論壇上的ADI社區就HART調制解調器發(fā)表評論。 AD5700單芯片HART調制解調器作為智能現場(chǎng)儀表演示解決方案的一部分，向HART通信基金會(huì )注冊。它成為業(yè)界功耗最低的完整HART調制解調器，完全符合HART通信協(xié)議，可在高噪聲的惡劣工業(yè)環(huán)境中精確編碼和解碼HART通信信號，確�？焖俣子趯�(shí)施的可靠通信接口，并向HART通信基金會(huì )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(guò)75%的電路板空間。
作者簡(jiǎn)介 Tracey Johnson [tracey.johnson@analog.com] 是精密數模轉換器部門(mén)的應用工程師，主要專(zhuān)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(ài)爾蘭利默里克大學(xué)，獲得電子工程學(xué)士學(xué)位。她加入ADI公司擔任DAC部門(mén)的設計評估工程師，并在該職位上供職七年。 |
