使HART沟通

支持hart的过程仪表无处不在，但是它是如何通信的呢?新的芯片设计支持这种经过时间考验的协议。

通过特蕾西约翰逊 2012年12月6日

测量、控制和与机械和工艺设备通信的需求自工业革命早期就已经存在。从那时起，工厂仪器仪表已成为现代制造工厂的支柱。这种仪器已经从纯粹的模拟系统成熟到今天使用的“智能”系统，通过HART(高速公路可寻址远程传感器)等协议增强了通信能力。简单地说，直流和低频电流信号是由在一对频率之间切换的独立的高频信号调制的——一种称为频移键控(FSK)的技术，如图1所示。

什么是HART?

在模拟发射机中使用的主要通信形式是正常范围为4-20 mA的电流环路，采用发射机、接收机和电源。它实现了远程校准、故障查询和多个过程变量的传输等功能。低功率发射器和接收器必须在最小电流下工作，4 mA或更小，这取决于错误指示所需的净空。这些电流回路是可靠的和稳健的，并提供高免疫力的环境干扰在长通信距离。然而，一个显著的缺点是，单个回路只允许从传感器或到执行器的单向通信，并且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”发射机的方法，通过增加数字通信能力，共享用于传统4-20 mA仪器的双绞线。这是通过在4-20 mA模拟电流信号上调制1 mA峰峰FSK信号来实现的，而不中断原始的初级变量传输，并且仍然为操作环路留下头部空间。使用这种技术，HART已成为通过智能设备和控制或监控系统之间的模拟线发送和接收数字信息的全球标准。

HART调制解调器内部

AD5700-1是一款HART调制解调器IC，集成了支持这种专用通信所需的功能。功能框图(图2)说明了HART调制解调器中包含的滤波、信号检测、调制、解调和信号生成。这种集成减少了所需的外部组件的数量。

从传输路径(图2的上半部分)开始，涉及调制的主要模块是:FSK直接数字合成(DDS)引擎，DAC(数模转换器)和缓冲区。要传输的数字数据通过UART(通用异步接收发射机)到达。调制器是通过降低/RTS(发送请求)信号来启用的。调制器在TXD输入端将uart编码的HART数据位流转换为1.2 kHz(“1”)和2.2 kHz(“0”)音调的二进制序列(图3)。DDS以任意频率产生正弦数字字流，DAC将其转换为大约493 mV的峰对峰模拟正弦波。这个正弦信号是内部缓冲的，出现在HART_OUT引脚。DDS引擎固有地产生连续的相位信号，从而避免在频率之间切换时输出不连续。HART_OUT上的内部缓冲的一个关键好处是产生的高驱动能力，消除了对外部模拟缓冲区的需求及其带来的问题。HART_OUT引脚，直流偏置到0.75 V，应该电容耦合到负载。

继续到接收路径(图2的下半部分)，当/RTS为逻辑高时，调制器被禁用，解调器被启用，也就是说，调制解调器处于接收模式。接收机在HART_IN引脚上解调FSK调制信号。在这种模式下，相关的模块是内部带通滤波器，ADC(模数转换器)和DSP(数字信号处理器)引擎。高的CD(载波检测)表示检测到有效的载波。解调数据通过UART接口上的RXD引脚发送到主机处理器。

该接收结构使调制解调器在恶劣的工业环境中对噪声和干扰具有很强的抗扰能力。模拟和数字滤波的组合结果在卓越的灵敏度和RXD引脚上的高精度输出。HART比特流遵循一个标准的UART帧，该帧包含一个开始位、8位数据、一个奇偶校验位和一个停止位。在解调模式下，调制解调器有两个滤波器配置选项:一个内部滤波器(HART信号应用于HART_IN)和一个外部滤波器(经过滤波的HART信号应用于ACP_IP)。外部滤波器模式支持在防爆和本质安全的环境中使用调制解调器。150 kΩ电阻将电流限制在足够低的水平，以符合本质安全要求。建议此选项用于安全关键应用，其中调制解调器必须与回路电源的高电压隔离。在这种情况下，输入具有更高的瞬态电压保护，因此，即使在最苛刻的工业环境中，也不需要额外的保护电路。

图2中显示的其余三个块是UART接口、内部引用和振荡器。/RTS和TXD是调制的重要信号，CD和RXD是解调的重要信号。调制解调器还包含一个1.5 V的内部基准和相关的缓冲器。或者，外部2.5 V参考也可以使用。对于时钟，该设备支持多种时钟方案，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是首个内置低功耗0.5%精度振荡器的HART调制解调器IC，减少了外部电路和成本。芯片上集成的许多功能简化了hart兼容系统的设计，从而实现更可靠、更经济、更可靠的网络通信。

低功耗应用程序

低功耗很重要，因为所有由环路供电的电路必须保持在3.5 mA以下。图4演示了一个循环中的HART通信示例。AD5700 HART调制解调器与AD5421 16位串行输入环路供电4-20 mA DAC和ADuCM360微控制器连接在评估板上。这演示了用于两个共享数据通道的环路供电发射机电路，测量压力和温度。

该电路已通过HART通信基金会的合规测试、验证和注册。在这种4-20 mA回路供电应用中，最重要的限制是保持在3.5 mA以下，这是“低警报”设置，比4 mA信号地板低0.5 mA。这就是像AD5700这样的调制解调器芯片的低功耗规格变得最重要的地方。在这里，每个微安都很重要，所以如果设计中的每个IC都能单独最小化电流消耗，3.5 mA的预算将不会超过，应用程序将按要求运行。

用于设备发射器的新设计组件，如AD5700，可与完整HART解决方案的其他部分无缝集成，包括微控制器产品、放大器、精密参考器件、开关、adc和电流输出dac。随着协议不断开发新的功能，这种有效的组合可以简化设计、提高可靠性和易于部署健壮的hart兼容系统。

Tracey Johnson是Analog Devices的精密DAC应用工程师。

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