利用調制解調器IC改進HART通信網絡

自工業革命早期以來，人們就需要使用機械和設備進行測量、控制和通信，采用傳感器和執行器的儀表系統成為現代制造工廠的支柱。通過傳輸線路，采用4 mA至20 mA模擬電流信號進行傳輸數據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發展到當前使用的“智能”系統，利用HART（可尋址遠程傳感器高速通道）協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)。

本文將介紹該技術的實施，并提供一些應用示例，討論現代硅集成電路技術使用的一些器件，為系統設計人員提供幫助。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、完全符合規范的HART調制解調器 （調制-解調）IC——ADI公司的AD5700。

圖1. HART通信。

什么是HART通信？

在模擬發射器中使用的主要通信方式是電流環路，正常范圍是從4 mA至20 mA，采用發射器、接收器和電源設備。它可以實現眾多功能，例如遠程校準、故障查詢和過程變量數據傳輸。低功耗發射器和接收器必須在4 mA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”。這些電流環路非常可靠和穩定，在長途通信中具有很強的抗環境干擾能力。但是，它的一大劣勢是單環路僅允許單向通信（來自傳感器或發送至執行器），只能傳輸一個過程變量。

HART標準的引入提供了一種創建“智能”發射器的方式，方法是添加數字通信功能，共享用于傳統4 mA至20 mA儀器的同一根雙絞線。4 mA至20 mA模擬電路由1 mA峰峰值FSK信號進行調制 — 而不中斷原始主變量傳輸，同時仍然為環路工作留下裕量。HART協議已經成為在智能設備和控制或監控系統之間通過模擬線路發送和接收數字信號的全球標準


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、解調和信號發生功能，從而顯著減少了所需的外部元件數量。它采用小型4 mm × 4 mm、24引腳LFCSP封裝，僅需要2 V至5.5單電源供電，在–40℃至+125℃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。

發射路徑

圖2顯示了調制涉及的主要模塊：FSK直接數字合成 (DDS)引擎、DAC（開關電阻串類型）和緩沖區。要發送的數字數據通過UART輸入。調制器通過將RTS（請求發送）信號拉低來使能。調制器將TXD輸入端的UART編碼HART數據位流轉換成一系列二進制1200 Hz（“1”）和2200 Hz（“0”）信號音（見圖3）。DDS在任何一種頻率下生成正弦數字字流，DAC將其轉換為大約493 mV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相位信號，因此在頻率之間切換時避免了出現任何輸出不連續。在HART_OUT上進行內部緩沖的主要優勢是產生很高的驅動能力，無需外部模擬緩沖，也不會出現它們帶來的問題。HART_OUT引腳直流偏置至0.75 V，并應容性耦合至負載。

圖3. AD5700/AD5700-1調制器波形。