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4 mA至20 mA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4 mA至20 mA，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(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)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(huán)路工作留下裕量。HART協(xié)議已經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2 V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(shù)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(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0.75 V，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。