自工業(yè)革命早期以來，人們就需要使用機(jī)械和設(shè)備進(jìn)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(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)以及設(shè)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(dāng)前使用的“智能”系統(tǒng)，利用HART（可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道）協(xié)議等技術(shù)增強(qiáng)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(jìn)行調(diào)制，信號在一對頻率之間切換（圖1）—這種技術(shù)稱為頻移鍵控(FSK)。

本文將介紹該技術(shù)的實施，并提供一些應(yīng)用示例，討論現(xiàn)代硅集成電路技術(shù)使用的一些器件，為系統(tǒng)設(shè)計人員提供幫助。此外，為了闡述該技術(shù)，我們還將介紹當(dāng)前最緊湊、功耗最低、電壓范圍最寬、完全符合規(guī)范的HART調(diào)制解調(diào)器 （調(diào)制-解調(diào)）IC——ADI公司的AD5700。

圖1. HART通信。

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(shè)備。它可以實現(xiàn)眾多功能，例如遠(yuǎn)程校準(zhǔn)、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?？煽亢头€(wěn)定，在長途通信中具有很強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行調(diào)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)


HART調(diào)制解調(diào)器IC內(nèi)部結(jié)構(gòu)

AD5700-1完整HART調(diào)制解調(diào)器IC（圖2）集成了所有必需的濾波、信號檢測、解調(diào)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℃至+125℃的擴(kuò)展溫度范圍內(nèi)工作。

圖2. AD5700-1框圖；-1選項包括內(nèi)部0.5%精密RC振蕩器。

發(fā)射路徑

圖2顯示了調(diào)制涉及的主要模塊：FSK直接數(shù)字合成 (DDS)引擎、DAC（開關(guān)電阻串類型）和緩沖區(qū)。要發(fā)送的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通過UART輸入。調(diào)制器通過將RTS（請求發(fā)送）信號拉低來使能。調(diào)制器將TXD輸入端的UART編碼HART數(shù)據(jù)位流轉(zhuǎn)換成一系列二進(jìn)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(zhuǎn)換為大約493 mV的p-p模擬正弦波。此正弦波信號在內(nèi)部進(jìn)行緩沖并在HART_OUT引腳上輸出。該DDS引擎本身會產(chǎn)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(jìn)行內(nèi)部緩沖的主要優(yōu)勢是產(chǎn)生很高的驅(qū)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(yīng)容性耦合至負(fù)載。

圖3. AD5700/AD5700-1調(diào)制器波形。