利用调制解调器IC改进HART通信网络

自工业革命早期以来，人们就需要使用机械和设备进行测量、控制和通信，采用传感器和执行器的仪表系统成为现代制造工厂的支柱。通过传输线路，采用4 mA至20 mA模拟电流信号进行传输数据以及设置的通信方式长期以来一直在广泛使用。但仪表也在日臻成熟，从早期的纯模拟系统发展到当前使用的“智能”系统，利用HART（可寻址远程传感器高速通道）协议等技术增强了通信功能。简而言之，直流低频电路信号由独立的更高频率信号进行调制，信号在一对频率之间切换（图1）—这种技术称为频移键控(FSK)。

本文将介绍该技术的实施，并提供一些应用示例，讨论现代硅集成电路技术使用的一些器件，为系统设计人员提供帮助。此外，为了阐述该技术，我们还将介绍当前最紧凑、功耗最低、电压范围最宽、完全符合规范的HART调制解调器 （调制-解调）IC——ADI公司的AD5700。

图1. HART通信。

什么是HART通信？

在模拟发射器中使用的主要通信方式是电流环路，正常范围是从4 mA至20 mA，采用发射器、接收器和电源设备。它可以实现众多功能，例如远程校准、故障查询和过程变量数据传输。低功耗发射器和接收器必须在4 mA或更低的最小电流下运行，这要取决于错误指示所需的“裕量”。这些电流环路非常可靠和稳定，在长途通信中具有很强的抗环境干扰能力。但是，它的一大劣势是单环路仅允许单向通信（来自传感器或发送至执行器），只能传输一个过程变量。

HART标准的引入提供了一种创建“智能”发射器的方式，方法是添加数字通信功能，共享用于传统4 mA至20 mA仪器的同一根双绞线。4 mA至20 mA模拟电路由1 mA峰峰值FSK信号进行调制 — 而不中断原始主变量传输，同时仍然为环路工作留下裕量。HART协议已经成为在智能设备和控制或监控系统之间通过模拟线路发送和接收数字信号的全球标准


HART调制解调器IC内部结构

AD5700-1完整HART调制解调器IC（图2）集成了所有必需的滤波、信号检测、解调和信号发生功能，从而显著减少了所需的外部元件数量。它采用小型4 mm × 4 mm、24引脚LFCSP封装，仅需要2 V至5.5单电源供电，在–40℃至+125℃的扩展温度范围内工作。

图2. AD5700-1框图；-1选项包括内部0.5%精密RC振荡器。

发射路径

图2显示了调制涉及的主要模块：FSK直接数字合成 (DDS)引擎、DAC（开关电阻串类型）和缓冲区。要发送的数字数据通过UART输入。调制器通过将RTS（请求发送）信号拉低来使能。调制器将TXD输入端的UART编码HART数据位流转换成一系列二进制1200 Hz（“1”）和2200 Hz（“0”）信号音（见图3）。DDS在任何一种频率下生成正弦数字字流，DAC将其转换为大约493 mV的p-p模拟正弦波。此正弦波信号在内部进行缓冲并在HART_OUT引脚上输出。该DDS引擎本身会产生连续相位信号，因此在频率之间切换时避免了出现任何输出不连续。在HART_OUT上进行内部缓冲的主要优势是产生很高的驱动能力，无需外部模拟缓冲，也不会出现它们带来的问题。HART_OUT引脚直流偏置至0.75 V，并应容性耦合至负载。

图3. AD5700/AD5700-1调制器波形。

接收路径

当RTS处于逻辑高电平时，调制器禁用，解调器使能，也就是说调制解调器处于接收模式。接收器在HART_IN引脚上解调FSK调制信号。在此模式下，相关模块是内部带通滤波器、ADC和DSP引擎。CD高电平（载波检测）表示检测到有效载波。解调数据通过UART接口上的RXD引脚发送至主处理器。

我们选择该接收架构的目的是让AD5700能够抵御恶劣工业环境中的噪声和干扰。通过结合使用模拟滤波和数字滤波，可以在RXD引脚上实现出色的灵敏度和高度精确的输出。HART位流之前是一个标准UART帧，该帧包含一个起始位、8位数据、一个奇偶校验位和一个停止位。在解调模式下，调制解调器具有两个滤波器配置选项：内部滤波器（HART信号施加于HART_IN）和外部滤波器（滤波HART信号直接施加于ADC_IP）。外部滤波器模式支持在防爆和本安型环境中使用AD5700。它包括150 kΩ电阻，这样可以将电流限制在足够低水平，以遵守本质安全要求。建议将此选项用于对安全至关重要的应用的操作，调制解调器必须与环路电源的高电压隔离开。这种情况下，输入端具有更高的瞬态电压保护功能，因此即使是在要求最苛刻的工业环境中，也无需额外的保护电路。


其他模块

图2中显示的其他三个模块是上文提及的UART接口、内部基准和振荡器。RTS和TXD是用于调制的重要信号，而CD和RXD则对解调非常重要。AD5700可以接收外部2.5 V基准，只有在AVDD电源大于2.7 V时才能使用。对内部或外部基准选项的使用受REF_SEL针脚的极性控制。对于时钟，该器件支持多个方案，以实现简单的低成本可配置解决方案。AD5700可以使用外部晶体、陶瓷谐振器或CMOS输入。AD5700-1是首款集成内部低功耗0.5%精密振荡器的HART调制解调器IC，降低了所需的外部电路以及总体成本。众多片上集成功能显著简化了HART兼容系统的设计，从而提供更加可靠和经济高效的稳定网络解决方案。

低功耗应用示例

低功耗非常重要，因为环路供电的所有电路的功耗必须低于3.5 mA。图4显示了环路中的HART通信应用示例。在AD5700控制板上，AD5700 HART调制解调器与AD5421 16位串行输入环路供电型4 mA至20 mA DAC和ADuCM360 微控制器接口连接，以演示用于测量压力（“0”）和温度（“1”）的两个共享数据通道的环路供电型发射器电路。

图4. 在HART通信中，AD5421环路DAC和AD5700 HART调制解调器作为环路供电型数据发射器。

该电路已通过兼容性测试和验证，并注册为HART通信基金会认证的HART解决方案。产品注册的详细信息在它们的网站上提供。

在此类4 mA至20 mA环路供电型应用中，最重要的限制是整个电路的功耗必须低于3.5 mA（“低限报警”设置，比4 mA的信号下限低0.5 mA）。在此类应用中，AD5700的低功耗规格极为重要。在满足功耗规格方面，每微安都非常重要，如果设计中的每个IC都抽取足够小的电流，则不会超过3.5 mA的预算，应用将能正常运行。典型的发射和接收电流分别为124 μA和86 μA，相应的最大指定耗用电流分别为140 μA和115 μA，AD5700不会对整体电流预算产生很大影响。

结论

除了业界功耗最低的HART调制解调器IC之外，ADI公司还提供完整HART解决方案功能，包括微控制器产品, 放大器, 精密基准, 开关, ADC和电流-输出DACAD5700 HART调制解调器可以轻松与以下器件接口：AD5421，在上文所述的环路供电型智能发射器应用示例中使用；AD5422 16位电压输出和电流输出DAC，用于现场仪表或模拟I/O卡；AD5755-116位四通道DAC，采用创新的动态电源控制技术，用于多通道应用。此外，可以无缝匹配的元件也可用于整个信号链。与AD5700/AD5700-1结合使用时，它可以简化系统设计和增强可靠性，实现稳定HART兼容系统的快速轻松部署。