摘 要

本文主要針對有線HART通信智能變送儀表，基于SD2057提供的HART調制解調解決方案和SD24A421提供的4-20mA電流環解決方案，參考HCF發布的HART物理層規范，闡述如何將HART信號耦合到4-20mA電流環傳輸鏈路中，實現符合HART物理層規范的HART通信智能變送儀表設計。

關鍵詞：HART信號；SD2057；4-20mA；SD24A421；模擬變化率。

引 言

HART(highway addressable remote transducer，可尋址遠程傳感器高速通道)通信協議,由美國Rosemount公司于20世紀80年代中期推出，之后又進行了修訂和增補，作為開放標準由HART通信基金會HCF向全世界發布，主要用于現場智能變送儀表和控制室系統間進行數字通信。

因兼容傳統的4～20mA模擬系統，并彌補了傳統模擬系統單向單點傳輸和校準復雜的缺點，成為離散設備向現場總線發展的過渡產品，現今已被世界上三分之二以上的現場設備所采用，成為智能工業控制領域極為重要的國際標準之一，特別國內在智能控制領域的起步較晚，至少在近二十年間還將保持旺盛的生命力，占有相當的市場份額。

雖然HART7的規范標準已經引入了無線HART的應用，但是目前市場上的HART設備還是以有線為主。

本文以SDIC生產的SD2057 HART芯片和SD24A421 4-20mA DAC輸出芯片為例，闡述如何將HART信號耦合到4-20mA電流環傳輸鏈路中，實現符合HART物理層規范的HART通信智能變送儀表設計。

電 路 設 計

圖1顯示采用SD2057和SD24A421設計的HART通信智能變送儀表典型應用電路。

主機發送HART信令從電流環LOOP+端進入HART通信智能變送儀表，經過外圍帶通濾波到達HART調制解調器SD2057進行解調。

HART通信智能變送儀表應答經SD2057轉為HART信號，從SD2057的HART_OUT引腳輸出,通過Cc耦合至SD24A421的C3引腳,轉換為電流之后，經電流放大器放大之后，通過4-20mA向主機傳輸。

圖1.帶HART數字通信功能的典型4-20mA智能變送儀表

HART 信號耦合

圖2在圖1的基礎上，描繪SD24A421的內部等效電路，顯示了HART信號具體如何耦合到4-20mA中進行傳輸。

圖2. HART發送信號耦合電路

HART協議是一種通過頻移鍵控（FSK）技術傳送數字信號的標準。它利用1200Hz和2200Hz來代表二進制中的1和0，并且這些正弦波信號以1mApp幅度、零直流量的形式疊加在4-20mA電流環上，如圖3所示。

圖3. HART發送的數字信號

從圖2中電路參數可知，電流放大器的放大倍數為:

(1 + R5/R6) = (1 + 93kΩ/46.9Ω) = 1984

所以，在4-20mA中耦合1mApp的HART信號，需要在SD24A421的C3引腳向電流放大器的放大比例電阻R5灌入約500nApp的HART信號。

因SD24A421的C3引腳到電流放大器比例電阻R5有46.5kΩ電阻，等效于此引腳需要23.4mVpp電壓輸入信號。

從圖2的電路可得，當SD2057 HART_OUT輸出信號通過Cc輸入到SD24A421 C3引腳時，SD24A421的C3引腳的電壓可由以下公式計算得到：

VC3 = (XCc×VHART_OUT)/(XCc+(((XC2+R3)//XC3)//R4)) 注1

按HART協議物理層要求，需要一個25Hz的低通濾波，以R2·C2=R3·C3的兩級低通RC級聯的二階濾波器(R2=4KΩ, R3=12.5KΩ)，其截止頻率為：

f0 ≈ 0.523/(2×π×√(4k×C2×12.5k×C3))

則，C2 ≈ 832nF，C3 ≈ 266nF。可選擇常規容值：C2=680nF、C3=220nF，或C2=470nF、C3=150nF。

為滿足此要求，f0 = 25Hz，計算得到SD24A421的C2、C3引腳電容可設定為0.47uF和0.15uF。

在SD24A421的C2、C3固定的情況下，XCc可由以下公式計算得到：

XCc = (VC3×(((XC2+R3)//XC3)//R4))/(VHART_OUT -VC3)

因C3在HART通信的1200Hz和2200Hz下的等效阻抗XC3遠小于R3和R4，所以可以使用以下的公式近似的求得XCc。

XCc = (VC3×XC3)/(VHART_OUT -VC3)注2

交流電路中電容器的容抗可以使用以下公式表示：

XC = 1/(2×π×f×C)

將此式代入XCc的計算公式，得到Cc可由以下公式進行計算：

Cc = (VC3×C3)/(VHART_OUT -VC3)注2

VHART_OUT=500mVpp，VC3=23.4mVpp，C3=0.15uF，不考慮SD2057輸出阻抗的情況下，計算得到Cc = 7.36nF。

因此，可以將SD2057的HART_OUT信號耦合至SD24A421 C3引腳的電容CC設定為接近的標準電容6.8nF或8.2nF。為提高全溫度范圍內電路系統工作的穩定性，C2/C3/Cc等推薦采用NPO/C0G等低溫漂陶瓷電容。

注1 公式中的“+”符合表示電路串聯的意思(此公式的衍生公式同此說明)，電路中的電容和電阻串并聯計算比較復雜，不能等同簡單的加減。

注2 將公式簡化計算的前提條件是SD24A421對地的電容C3在HART 1200Hz和2200Hz通信信號下的等效容抗XCc遠小于R2、R3和R4，至少需要10倍的量級差距，否則無法使用簡化公式計算Cc的容值。

模 擬 變 化 率

當HART通信智能變送儀表發生大幅電流階躍時，會一定程度的破壞HART信號。HART協議物理層測試規范要求，在HART通信智能變送儀表最大變化率條件下，要求HART信號衰減到145mVpp振幅下，不影響HART通信。

因此，要求在HART通信智能變送儀表發生最大電流階躍時，500Ω采樣電阻的采集信號經過數字濾波器輸出幅度不超過150mV峰值電壓。

由HCF開發的數字濾波器，為帶寬500Hz~10kHz的帶通濾波器，10×增益。500Hz以下頻率范圍二階滾降(-40dB/10倍頻，或-12dB/倍頻)，10kHz以上頻率一階滾降(-20dB/10倍頻，或-6dB/倍頻)。

HART通信智能變送儀表最大電流階躍量為16mA(即：從4mA階躍到20mA，或者從20mA階躍到4mA）。在500Ω采樣電阻的條件下，采集到的階躍信號為8V，此8V的階躍信號在經過數字濾波器后，要求輸出不超過150mV峰值電壓(考慮了濾波器10×增益)，那么至少需要將信號衰減55dB。

因此，為了滿足HART協議物理層要求，HART通信智能變送儀表直流電流最大跳變等效頻率應小于25Hz。

結合SD24A421內部電路，經過計算得到SD24A421的C2、C3引腳電容可設定為0.47uF和0.15uF，以實現近似25Hz的低通濾波。

此電容匹配可以根據計算進行相應的修改調整，但是經過修改調整后，需要對HART耦合的參數也進行相應調整。

小 結

對于智能變送儀表的HART信號耦合，關鍵的設計要點。

為滿足HART協議規范對于模擬變化率的要求，4-20mA輸出需要設計25Hz的低通濾波。

為確保HART信號按照HART協議的規范要求，需根據4-20mA電路設計計算得到灌入的HART信號大小，以實現4-20mA輸出上耦合1mApp HART通信信號的設計。