自工業革命初期以來，就存在測量、控制和與機械設備通信的需求，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。采用 4mA 至 20mA 模擬電流信號通過導線傳輸數據和設置的通信長期以來一直被廣泛使用。但是儀器儀表已經從那些純粹的模擬系統成熟到今天使用的“智能”系統，通過HART（高速公路可尋址遠程傳感器）協議等增強了通信能力。簡而言之，直流和低頻電流信號由獨立的高頻信號調制，這些信號在一對頻率之間切換，這種技術稱為頻移鍵控 （FSK）。

本文介紹該技術的實現方式，提供一些應用示例，討論現代硅集成電路技術為系統設計人員提供幫助的一些器件，并介紹當今最緊湊、功耗最低、電源電壓最寬、完全兼容的HART調制解調器（調制-解調）IC——ADI公司AD5700。

什么是HART通信？

模擬變送器中使用的主要通信形式是正常范圍為4 mA至20 mA的電流環路，采用變送器、接收器和電源。它支持遠程校準、故障詢問和過程變量數據傳輸等功能。低功耗發射器和接收器必須以 4 mA 或更低的最小電流工作，具體取決于錯誤指示所需的“裕量”。這些電流環路可靠、堅固耐用，并且在長距離通信距離內高度不受環境干擾的影響。然而，一個顯著的缺點是，單個回路只允許從傳感器或到執行器的單向通信，并且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”發射器的方法，通過增加數字通信功能，共享用于傳統4 mA至20 mA儀器的相同雙絞線。4 mA至20 mA模擬電流由1 mA峰峰值FSK信號調制，而不會中斷原始的主變量傳輸，同時仍留出操作環路的裕量。HART協議已成為智能設備與控制或監控系統之間通過模擬線發送和接收數字信息的全球標準。

在HART調制解調器IC內部

AD5700-1完整的HART調制解調器IC（圖2）集成了所需的所有必要濾波、信號檢測、調制、解調和信號生成功能，大大減少了所需的外部元件數量。該器件采用小型 4mm × 4mm 24 引腳 LFCSP 封裝，僅需 2V 至 5.5V 單電源，工作溫度范圍為 –40°C 至 +125°C。

圖2.AD5700-1的框圖;-1 選項包括一個內部 0.5% 精度的 RC 振蕩器。

傳輸路徑

圖2顯示了調制中涉及的主要模塊：FSK直接數字頻率合成（DDS）引擎、DAC（開關電阻串類型）和緩沖器。要傳輸的數字數據通過UART到達。調制器通過將RTS（發送請求）信號調低來使能。調制器將 TXD 輸入端的 UART 編碼 HART 數據的位流轉換為 1200 Hz （“1”） 和 2200 Hz （“0”） 音調的二進制序列（圖 3）。DDS 以任一頻率產生正弦數字字流，DAC 將其轉換為大約 493mV p-p 模擬正弦波。該正弦信號在內部緩沖，出現在HART_OUT引腳上。DDS引擎固有地產生連續相位信號，從而避免在頻率之間切換時出現任何輸出不連續性。HART_OUT內部緩沖的一個關鍵優勢是由此產生的高驅動能力，消除了對外部模擬緩沖器的需求及其隱含的問題。直流偏置至0.75 V的HART_OUT引腳應電容耦合到負載。有關詳細信息，請參見AD5700/AD5700-1數據手冊。

圖3.AD5700/AD5700-1調制器波形

接收路徑

當RTS為邏輯高電平時，調制器被禁用，解調器被使能，即調制解調器處于接收模式。接收器解調HART_IN引腳上的FSK調制信號。在這種模式下，相關模塊是內部帶通濾波器、ADC和DSP引擎。CD 上的高電平（載波檢測）表示檢測到有效的載波。解調后的數據通過UART接口上的RXD引腳發送到主機處理器。

選擇接收架構是為了使AD5700在惡劣的工業環境中具有抗噪聲和干擾能力。模擬和數字濾波的組合可在 RXD 引腳上實現出色的靈敏度和高精度輸出。HART位流遵循具有起始位、8位數據、一個奇偶校驗位和一個停止位的標準UART幀。在解調模式下，調制解調器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（濾波后的HART信號直接施加到ADC_IP）。外部濾波器模式支持AD5700在防爆和本質安全環境中使用。包括一個 150kΩ 電阻，可將電流限制在足夠低的水平，以符合本質安全要求。建議在安全關鍵型應用中使用此選項，在這些應用中，調制解調器必須與環路電源的高電壓隔離。在這種情況下，輸入具有更高的瞬態電壓保護，因此即使在最苛刻的工業環境中也不需要額外的保護電路。

附加塊

圖2所示的其余三個模塊是前面提到的UART接口、內部基準和振蕩器。RTS和TXD是調制的重要信號，而CD和RXD是解調的重要信號。AD5700可以接受外部2.5 V基準電壓源，該基準電壓源僅在AVDD電源大于2.7 V時使用。內部或外部基準選項的使用由REF_SEL引腳的極性控制。對于時鐘，該器件支持多種方案，可實現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是首款集成內置低功耗、精度為0.5%的振蕩器的HART調制解調器IC，可降低所需的外部電路和總成本。片上集成的眾多功能大大簡化了HART兼容系統的設計，從而產生了更可靠、更具成本效益和魯棒的網絡解決方案。

低功耗應用示例

低功耗很重要，因為由環路供電的所有電路的功耗必須低于3.5 mA。HART通信在環路中的應用示例如圖4所示。AD5700 HART調制解調器與AD5421評估板上的16位串行輸入環路供電4 mA至20 mA DAC和ADuCM360微控制器接口，用于演示用于兩個共享數據通道測量壓力（“5700”）和溫度（“0”）的環路供電發送器電路。

圖4.AD5421環路DAC和AD5700 HART調制解調器作為環路供電數據發送器，具有HART通信功能。

該電路已經過HART通信基金會的合規性測試、驗證和注冊為批準的HART解決方案。產品注冊的詳細信息可在其網站上找到。

在這種4 mA至20 mA環路供電應用中，最重要的限制是整個電路的功耗必須小于3.5 mA（“低報警”設置，比0 mA信號底低5.4 mA）。這就是AD5700的低功耗特性變得最重要的地方。在這里，每一微安都很重要，因此，如果設計中的每個IC都可以單獨吸收足夠小的電流，則不會超過3.5mA的預算，并且應用將按要求工作。AD124的典型發射和接收電流分別為86 μA和140 μA，相應的最大額定電流消耗分別為115 μA和5700 μA，因此不會對總電流預算產生重大影響。

結論

除了業界最低功耗的HART調制解調器IC，ADI公司還提供完整的HART解決方案功能，包括微控制器產品、放大器、精密基準電壓源、開關、ADC和電流輸出DAC。AD5700 HART調制解調器設計用于輕松連接：AD5421，在上面的環路供電智能發送器應用示例中使用;AD5422 16位電壓和電流輸出DAC，適用于現場儀表或模擬I/O卡;以及AD5755-1 16位、四通道DAC，采用創新的動態功率控制技術，適用于多通道應用。此外，設計用于輕松配接的組件可用于整個信號鏈。與AD5700/AD5700-1結合使用時，系統設計得到簡化，可靠性得到增強，并且可以快速、輕松地部署可靠的HART兼容系統。

審核編輯：郭婷