自工業(yè)革命早期以來，人們就需要使用機械和設備進行測量、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。通過傳輸線路，采用4mA至20mA模擬電流信號進行傳輸數(shù)據(jù)以及設置的通信方式長期以來一直在廣泛使用。但儀表也在日臻成熟，從早期的純模擬系統(tǒng)發(fā)展到當前使用的“智能”系統(tǒng)，利用HART?（可尋址遠程傳感器高速通道）協(xié)議等技術增強了通信功能。簡而言之，直流低頻電路信號由獨立的更高頻率信號進行調制，信號在一對頻率之間切換（圖1）—這種技術稱為頻移鍵控（FSK）。

　　圖1. HART通信。

　　本文將介紹該技術的實施，并提供一些應用示例，討論現(xiàn)代硅集成電路技術使用的一些器件，為系統(tǒng)設計人員提供幫助。此外，為了闡述該技術，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(guī)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4mA至20mA，采用發(fā)射器、接收器和電源設備。它可以實現(xiàn)眾多功能，例如遠程校準、故障查詢和過程變量數(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行，這要取決于錯誤指示所需的“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（來自傳感器或發(fā)送至執(zhí)行器），只能傳輸一個過程變量。

　　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(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信號進行調制 — 而不中斷原始主變量傳輸—同時仍然為環(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(jiān)控系統(tǒng)之間通過模擬線路發(fā)送和接收數(shù)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(shù)字合成（DDS）引擎、DAC（開關電阻串類型）和緩沖區(qū)。要發(fā)送的數(shù)字數(shù)據(jù)通過UART輸入。調制器通過將RTS（請求發(fā)送）信號拉低來使能。調制器將TXD輸入端的UART編碼HART數(shù)據(jù)位流轉換成一系列二進制1200Hz（“1”）和2200Hz（“0”）信號音（見圖3）。DDS在任何一種頻率下生成正弦數(shù)字字流，DAC將其轉換為大約493mV的p-p模擬正弦波。此正弦波信號在內部進行緩沖并在HART_OUT引腳上輸出。該DDS引擎本身會產生連續(xù)相位信號，因此在頻率之間切換時避免了出現(xiàn)任何輸出不連續(xù)。在HART_OUT上進行內部緩沖的主要優(yōu)勢是產生很高的驅動能力，無需外部模擬緩沖，也不會出現(xiàn)它們帶來的問題。HART_OUT引腳直流偏置至0.75V，并應容性耦合至負載。有關更多詳細信息，請參見AD5700/AD5700-1數(shù)據(jù)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，調制器禁用，解調器使能，也就是說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(shù)據(jù)通過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。通過結合使用模擬濾波和數(shù)字濾波，可以在RXD引腳上實現(xiàn)出色的靈敏度和高度精確的輸出。HART位流之前是一個標準UART幀，該幀包含一個起始位、8位數(shù)據(jù)、一個奇偶校驗位和一個停止位。在解調模式下，調制解調器具有兩個濾波器配置選項：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，以遵守本質安全要求。建議將此選項用于對安全至關重要的應用的操作，調制解調器必須與環(huán)路電源的高電壓隔離開。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，也無需額外的保護電路。

　　其他模塊

　　圖2中顯示的其他三個模塊是上文提及的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2.5V基準，只有在AVDD電源大于2.7V時才能使用。對內部或外部基準選項的使用受REF_SEL針腳的極性控制。對于時鐘，該器件支持多個方案，以實現(xiàn)簡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簡化了HART兼容系統(tǒng)的設計，從而提供更加可靠和經(jīng)濟高效的穩(wěn)定網(wǎng)絡解決方案。

　　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3.5mA。圖4顯示了環(huán)路中的HART通信應用示例。在AD5700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4mA至20mA 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

　　調制解調器作為環(huán)路供電型數(shù)據(jù)發(fā)射器。

　　該電路已通過兼容性測試和驗證，并注冊為HART通信基金會認證的HART解決方案。產品注冊的詳細信息在它們的網(wǎng)站上提供。

　　在此類4mA至20mA環(huán)路供電型應用中，最重要的限制是整個電路的功耗必須低于3.5mA（“低限報警”設置，比4mA的信號下限低0.5mA）。在此類應用中，AD5700的低功耗規(guī)格極為重要。在滿足功耗規(guī)格方面，每微安都非常重要，如果設計中的每個IC都抽取足夠小的電流，則不會超過3.5mA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124μA和86μA，相應的最大指定耗用電流分別為140μA和115μA，AD5700不會對整體電流預算產生很大影響。

　　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 微控制器產品， 放大器， 精密基準， 開關， 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(xiàn)場儀表或模擬I/O卡；AD5755-116位四通道DAC，采用創(chuàng)新的動態(tài)電源控制技術，用于多通道應用。此外，可以無縫匹配的元件也可用于整個信號鏈。與AD5700/AD5700-1結合使用時，它可以簡化系統(tǒng)設計和增強可靠性，實現(xiàn)穩(wěn)定HART兼容系統(tǒng)的快速輕松部署。