自工業(yè)革命早期以來(lái)，人們就需要使用機(jī)械和設(shè)備進(jìn)行測(cè)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(guò)傳輸線路，采用4mA至20mA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(zhǎng)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(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(jiǎn)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(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(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4mA至20mA，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)、故障查詢(xún)和過(guò)程變量數(shù)據(jù)傳輸。低功耗發(fā)射器和接收器必須在4mA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(zhǎng)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(lái)自傳感器或發(fā)送至執(zhí)行器），只能傳輸一個(gè)過(guò)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)4mA至20mA儀器的同一根雙絞線。4mA至20mA模擬電路由1mA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(guò)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(cè)、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2V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(kāi)關(guān)電阻串類(lèi)型）和緩沖區(qū)。要發(fā)送的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通過(guò)UART輸入。調(diào)制器通過(guò)將RTS（請(qǐng)求發(fā)送）信號(hào)拉低來(lái)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1200Hz（“1”）和2200Hz（“0”）信號(hào)音（見(jiàn)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493mV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(wú)需外部模擬緩沖，也不會(huì)出現(xiàn)它們帶來(lái)的問(wèn)題。HART_OUT引腳直流偏置至0.75V，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(jiàn)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(shuō)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(cè)）表示檢測(cè)到有效載波。解調(diào)數(shù)據(jù)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(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(guò)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 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(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(kāi)。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(wú)需額外的保護(hù)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(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2.5V基準(zhǔn)，只有在AVDD電源大于2.7V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(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(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(jiǎn)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3.5mA。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4mA至20mA DAC和ADuCM360 微控制器接口連接，以演示用于測(cè)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。

　　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。

　　該電路已通過(guò)兼容性測(cè)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(lèi)4mA至20mA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3.5mA（“低限報(bào)警”設(shè)置，比4mA的信號(hào)下限低0.5mA）。在此類(lèi)應(yīng)用中，AD5700的低功耗規(guī)格極為重要。在滿(mǎn)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(guò)3.5mA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124μA和86μA，相應(yīng)的最大指定耗用電流分別為140μA和115μA，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)， 開(kāi)關(guān)， ADC和電流-輸出DACAD5700 HART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(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(yīng)用。此外，可以無(wú)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(jiǎn)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。