HART(可尋址遠程傳感器高速通道的開放通信協議)協議允許在傳統的模擬4 mA至20 mA電流環路內實現雙向1.2 kHz/2.2 kHz FSK (頻移鍵控)調制數字通信。這樣可實現傳感器/執行器的查詢，并且能夠在設備安裝、監控和維護過程中表現出顯著的優勢。通過使用便攜式輔助器件查詢傳感器/執行器，HART可為維護人員提供眾多便利，但要完全實現HART帶來的所有好處，必須將傳感器/執行器連接至帶支持HART的電流輸入或輸出的控制系統。本文將重點闡述支持HART的電流輸入以及與向余量受限的4 mA至20 mA輸入設計中添加HART功能相關的難題。 我們先來看看HART FSK發送電路。圖1顯示了HART FSK發送電路的一種傳統方案，對此電路進行討論后我們將展示經過改進的電路設計，改進后的電路可節省空間和成本。 圖1. 傳統HART FSK發送電路 在圖1中，Rsense用于將4 mA至20 mA信號轉換為可由ADC讀取的1 V至5 V信號。HART FSK發送電路可通過C1將±500 mV HART FSK信號交流耦合至4 mA至20 mA環路。這些信號要么為正弦波形，要么為梯形波形。HART調制解調器的輸出端需要驅動能力足夠強的沖器，因為Rsense的阻抗較低，而且電流環路電纜上的電容也可能很大。HART不發送信號時，緩沖器輸出相對環路是低阻抗，這可能會危及4 mA至20 mA信號發送。為此，開關(SW1)與緩沖器輸出串聯使用，以在不發送時提供高阻抗。 SW1開啟時，4 mA至20 mA環路可在1 V和5 V之間擺動。由于這種變化會交流耦合至SW1，開關的輸入端最多可能有±4 V的電壓。為此，開關可能需要±5 V或更大的雙極性電源，還有一種替代方案是使用光電開關。三態緩沖器是另一種選擇，但這種緩沖器可能需要雙極性電源。還有一種選擇是采用變壓器隔離方式。考慮到HART的信號頻率，可能需要音頻變壓器，但這可能體積較大，消耗大量的電路板空間。 圖2顯示了經過改進的HART FSK發送電路設計，這種設計的好處是能夠節省空間和成本。在此電路中，AD5700 HHART調制解調器的驅動能力足以將±500 mV FSK信號直接驅動至電流環路，無需使用外部緩沖器。 圖2. 經過改進的HART FSK發送電路 調制解調器不發送信號時，AD5700的FSK輸出會偏置到0.75 V，阻抗為70 kΩ。R2和R3提供了更強的0.75 V偏置，R2和R3的交流阻抗為1.7 kΩ。此1.7 kΩ阻抗和C1所形成的高通濾波器可確保最差情況的4 mA至20 mA輸入信號，即25 Hz、200 Ω Rsense時為±16 mA，這會導致HART調制解調器FSK輸出被驅動至0 V和1.5 V之間。這意味著，整個輸入可使用電壓低至1.62 V的單極性電源運行，HART調制解調器的最小供應電壓為1.62 V。 另一個考慮因素是輸入阻抗，輸入阻抗應大于230 Ω。為了確保足夠大的輸入阻抗，250 Ω輸入電阻已分割為50 Ω和 200 Ω。交流輸入阻抗為R1 (Rsense || R2 || R3) 230 Ω。如果需要，可增大此阻抗，方法是增大0.75偏置電阻的值，即R2和R3。在FSK發送路徑中額外添加50 Ω電阻將在一定程度上使FSK信號衰減，但電壓仍然符合HART規范的要求。 由于電流環路是壓擺式，因此會有部分電流流經C1、R2和R3。當然，必須確保這不會顯著影響4 mA至20 mA模擬信號。可將 此改進電路(如圖2所示)無需使用緩沖器、開關以及雙極性電源。這三個因素可大幅節省傳統HART FSK發送電路上的系統的空間和成本。 HART FSK輸入的電路如圖3所示。此電路提供一個帶通濾波器，能夠抑制低頻模擬信號發送，并且不受更高頻率的干擾影響。圖示的濾波器專為AD5700定制，因不同的HART調制解調器而有所不同。此帶通濾波器的一個特點是R1提供的150 kΩ輸入阻抗，提高抗瞬態噪聲干擾的能力。 圖3. HART FSK輸入 4 mA至20 mA電流測量電路如圖4所示。200 Ω精密Rsense電阻可將4 mA至20 mA信號轉換為0.8 V至4 V信號，這些信號之后可由ADC轉換。然后是可抑制HART FSK信號的雙極低通濾波器R2、C1、R3、C2。接著可將此信號饋入ADC進行轉換。 圖4. 電流測量電路 本文描述的電路已經構建成功并且經過測試，可用作PLC/DCS四通道電壓和電流輸入的基準電路，同時還兼容HART (CN0364)。本文描述的電路完全能夠在此電路板上實施，此外，電路板還可支持在四個輸入通道之間多路復用HART。測試相關通道時，FSK發送開關可保持開啟或關斷狀態，保持開啟時，電路與圖2中的電路完全相同。 本文已概述了如何在支持HART的模擬輸入上實施硬件。除此之外，還展示了使用AD5700 HART調制解調器的改進版HART FSK發送電路。此改進電路無需使用任何外部緩沖器或開關，而且還能節省電路板空間和成本。此電路還無需使用雙極性電源，這不僅能夠節省空間和成本，而且還能降低電源復雜性。 作者 Derrick Hartmann Derrick Hartmann 是ADI公司工業自動化部的系統應用工程師，工作地點在麻薩諸塞州威明頓市。Derrick先前是ADI公司工業DAC產品系列的產品應用工程師。Derrick畢業于愛爾蘭利默里克大學，獲得電子工程學位。 Michal Brychta Michal是一名高級應用工程師，負責工業自動化系統。 他任職于ADI公司的工業和儀器儀表部門，工作地點在愛爾蘭利默里克。 Michal先前是ADI公司Σ-Δ型轉換器產品應用工程師，之前曾擔任儀器儀表以及工業電路和系統設計工程師長達10年。 Michal擁有捷克共和國布爾諾技術大學電子工程碩士學位。 (mbbeetchina)