HART通信网络通过小型、灵活、低功耗调制解调器IC得到改进

自工业革命初期以来，就存在测量、控制和与机械设备通信的需求，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。采用 4mA 至 20mA 模拟电流信号通过导线传输数据和设置的通信长期以来一直被广泛使用。但是仪器仪表已经从那些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）协议等增强了通信能力。简而言之，直流和低频电流信号由独立的高频信号调制，这些信号在一对频率之间切换，这种技术称为频移键控 （FSK）。

本文介绍该技术的实现方式，提供一些应用示例，讨论现代硅集成电路技术为系统设计人员提供帮助的一些器件，并介绍当今最紧凑、功耗最低、电源电压最宽、完全兼容的HART调制解调器（调制-解调）IC——ADI公司AD5700。

什么是HART通信？

模拟变送器中使用的主要通信形式是正常范围为4 mA至20 mA的电流环路，采用变送器、接收器和电源。它支持远程校准、故障询问和过程变量数据传输等功能。低功耗发射器和接收器必须以 4 mA 或更低的最小电流工作，具体取决于错误指示所需的“裕量”。这些电流环路可靠、坚固耐用，并且在长距离通信距离内高度不受环境干扰的影响。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”发射器的方法，通过增加数字通信功能，共享用于传统4 mA至20 mA仪器的相同双绞线。4 mA至20 mA模拟电流由1 mA峰峰值FSK信号调制，而不会中断原始的主变量传输，同时仍留出操作环路的裕量。HART协议已成为智能设备与控制或监控系统之间通过模拟线发送和接收数字信息的全球标准。

在HART调制解调器IC内部

AD5700-1完整的HART调制解调器IC（图2）集成了所需的所有必要滤波、信号检测、调制、解调和信号生成功能，大大减少了所需的外部元件数量。该器件采用小型 4mm × 4mm 24 引脚 LFCSP 封装，仅需 2V 至 5.5V 单电源，工作温度范围为 –40°C 至 +125°C。

图2.AD5700-1的框图;-1 选项包括一个内部 0.5% 精度的 RC 振荡器。

传输路径

图2显示了调制中涉及的主要模块：FSK直接数字频率合成（DDS）引擎、DAC（开关电阻串类型）和缓冲器。要传输的数字数据通过UART到达。调制器通过将RTS（发送请求）信号调低来使能。调制器将 TXD 输入端的 UART 编码 HART 数据的位流转换为 1200 Hz （“1”） 和 2200 Hz （“0”） 音调的二进制序列（图 3）。DDS 以任一频率产生正弦数字字流，DAC 将其转换为大约 493mV p-p 模拟正弦波。该正弦信号在内部缓冲，出现在HART_OUT引脚上。DDS引擎固有地产生连续相位信号，从而避免在频率之间切换时出现任何输出不连续性。HART_OUT内部缓冲的一个关键优势是由此产生的高驱动能力，消除了对外部模拟缓冲器的需求及其隐含的问题。直流偏置至0.75 V的HART_OUT引脚应电容耦合到负载。有关详细信息，请参见AD5700/AD5700-1数据手册。

图3.AD5700/AD5700-1调制器波形

接收路径

当RTS为逻辑高电平时，调制器被禁用，解调器被使能，即调制解调器处于接收模式。接收器解调HART_IN引脚上的FSK调制信号。在这种模式下，相关模块是内部带通滤波器、ADC和DSP引擎。CD 上的高电平（载波检测）表示检测到有效的载波。解调后的数据通过UART接口上的RXD引脚发送到主机处理器。

选择接收架构是为了使AD5700在恶劣的工业环境中具有抗噪声和干扰能力。模拟和数字滤波的组合可在 RXD 引脚上实现出色的灵敏度和高精度输出。HART位流遵循具有起始位、8位数据、一个奇偶校验位和一个停止位的标准UART帧。在解调模式下，调制解调器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（滤波后的HART信号直接施加到ADC_IP）。外部滤波器模式支持AD5700在防爆和本质安全环境中使用。包括一个 150kΩ 电阻，可将电流限制在足够低的水平，以符合本质安全要求。建议在安全关键型应用中使用此选项，在这些应用中，调制解调器必须与环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。

附加块

图2所示的其余三个模块是前面提到的UART接口、内部基准和振荡器。RTS和TXD是调制的重要信号，而CD和RXD是解调的重要信号。AD5700可以接受外部2.5 V基准电压源，该基准电压源仅在AVDD电源大于2.7 V时使用。内部或外部基准选项的使用由REF_SEL引脚的极性控制。对于时钟，该器件支持多种方案，可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是首款集成内置低功耗、精度为0.5%的振荡器的HART调制解调器IC，可降低所需的外部电路和总成本。片上集成的众多功能大大简化了HART兼容系统的设计，从而产生了更可靠、更具成本效益和鲁棒的网络解决方案。

低功耗应用示例

低功耗很重要，因为由环路供电的所有电路的功耗必须低于3.5 mA。HART通信在环路中的应用示例如图4所示。AD5700 HART调制解调器与AD5421评估板上的16位串行输入环路供电4 mA至20 mA DAC和ADuCM360微控制器接口，用于演示用于两个共享数据通道测量压力（“5700”）和温度（“0”）的环路供电发送器电路。

图4.AD5421环路DAC和AD5700 HART调制解调器作为环路供电数据发送器，具有HART通信功能。

该电路已经过HART通信基金会的合规性测试、验证和注册为批准的HART解决方案。产品注册的详细信息可在其网站上找到。

在这种4 mA至20 mA环路供电应用中，最重要的限制是整个电路的功耗必须小于3.5 mA（“低报警”设置，比0 mA信号底低5.4 mA）。这就是AD5700的低功耗特性变得最重要的地方。在这里，每一微安都很重要，因此，如果设计中的每个IC都可以单独吸收足够小的电流，则不会超过3.5mA的预算，并且应用将按要求工作。AD124的典型发射和接收电流分别为86 μA和140 μA，相应的最大额定电流消耗分别为115 μA和5700 μA，因此不会对总电流预算产生重大影响。

结论

除了业界最低功耗的HART调制解调器IC，ADI公司还提供完整的HART解决方案功能，包括微控制器产品、放大器、精密基准电压源、开关、ADC和电流输出DAC。AD5700 HART调制解调器设计用于轻松连接：AD5421，在上面的环路供电智能发送器应用示例中使用;AD5422 16位电压和电流输出DAC，适用于现场仪表或模拟I/O卡;以及AD5755-1 16位、四通道DAC，采用创新的动态功率控制技术，适用于多通道应用。此外，设计用于轻松配接的组件可用于整个信号链。与AD5700/AD5700-1结合使用时，系统设计得到简化，可靠性得到增强，并且可以快速、轻松地部署可靠的HART兼容系统。

审核编辑：郭婷