低功耗數據機IC助攻　HART通訊網路效能再躍升

圖1　HART通訊。

本文將以亞德諾(ADI)的AD5700為例，介紹該技術的實現方式，並提供一些應用範例，討論現代矽積體電路技術使用的一些元件，為系統設計人員提供協助。 該技術為當前最緊湊、功耗最低、電壓範圍最寬、完全符合規範的HART數據機(調變-解調)IC。

添通訊傳輸效能　HART通訊啟發想像

在類比發射器中使用的主要通訊方式是電流迴路，正常範圍是從4mA至20mA，採用發射器、接收器和電源設備。它可以實現眾多功能，例如遠端校準、故障查 詢和過程變數資料傳輸。低功耗發射器和接收器必須在4mA或更低的最小電流下運行，這要取決於錯誤指示所需的裕量(Headroom)。這些電流迴路非常可靠和 穩定，在長途通訊中具有很強的抗環境干擾能力。但是，它的一大劣勢是單迴路僅允許單向通訊(來自感測器或發送至執行器)，只能傳輸一個過程變數。

HART標準的引入提供了一種創建「智慧」發射器的方式，方法是添加數位通訊功能，共用用於傳統4mA至20mA儀器的同一根雙絞線。4mA至20mA類比電路由1mA 峰對峰值FSK訊號進行調變—而不中斷原始主變數傳輸—同時仍然為迴路工作留下裕量。HART協定已經成為在智慧設備和控制或監控系統之間通過類比線路發 送和接收數位訊號的全球標準。

HART數據機IC內部結構

AD5700-1完整HART數據機IC(圖2)整合了所有必需的濾波、訊號檢測、解調和訊號產生功能，從而顯著減少了所需的外部元件數量。它採用小型4mm×4mm、24引 腳LFCSP封裝，僅需要2V至5.5V單電源供電，在-40℃至+125℃的擴展溫度範圍內工作。

圖2　AD5700-1方塊圖；-1選項包括內部0.5%精密RC振盪器。

發射路徑

圖2顯示了調變涉及的主要模組：FSK直接數位合成(DDS)引擎、開關電阻串類型(DAC)和緩衝區。要發送的數位資料經由通用非同步收發傳輸器(UART)輸入。調 變器透過將請求發送(RTS)訊號拉低來啟動(Enabled)。調變器將TXD輸入端的UART編碼HART資料位元流轉換成一系列二進位1200Hz(「1」)和2200Hz(「0」)訊 號音(見圖3)。DDS在任何一種頻率下生成正弦數位字流，DAC將其轉換為大約493mV的p-p類比正弦波。此正弦波訊號在內部進行緩衝並在HART_OUT引腳上輸出 。該DDS引擎本身會產生連續相位訊號，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上進行內部緩衝的主要優勢是產生很高的驅動能力， 無需外部類比緩衝，也不會出現它們帶來的問題。HART_OUT引腳直流偏置至0.75V，並應容性耦合至負載。有關更多詳細資訊，請參見AD5700/AD5700-1資料手 冊。

圖3　AD5700/AD5700-1調變器波形。

接收路徑

當RTS處於邏輯高位準時，調變器停止(Disabled)，解調器啟動，也就是說數據機處於接收模式。接收器在HART_IN引腳上解調FSK調變訊號。在此模式下，相 關模組是內部帶通濾波器、類比數位轉換器(ADC)和數位訊號處理器(DSP)引擎。CD高位準(載波檢測)表示檢測到有效載波。解調資料經由UART介面上的RXD引 腳發送至主處理器。

選擇該接收架構的目的是讓AD5700能夠抵禦惡劣工業環境中的雜訊和干擾。透過結合使用類比濾波和數位濾波，可以在RXD引腳上實現出色的靈敏度和高度精 確的輸出。HART位元流之前是一個標準UART幀(Frame)，該幀包含一個起始位元、8位元資料、一個同位檢查位元和一個停止位元。在解調模式下，數據機具有 兩個濾波器配置選項：內部濾波器(HART訊號施加於HART_IN)和外部濾波器(濾波HART訊號直接施加於ADC_IP)。外部濾波器模式支援在防爆和本質安全型環境 中使用AD5700。它包括150kΩ電阻，這樣可以將電流限制在足夠低水準，以遵守本質安全要求。建議將此選項用於對安全至關重要的應用的操作，數據機必須 與迴路電源的高電壓隔離開。這種情況下，輸入端具有更高的暫態電壓保護功能，因此即使是在要求最苛刻的工業環境中，也無需額外的保護電路。

其他模組

圖2中顯示的其他三個模組是上文提及的UART介面、內部參考電壓和振盪器。RTS和TXD是用於調變的重要訊號，而CD和RXD則對解調非常重要。AD5700可以接收 外部2.5V基準，只有在AVDD電源大於2.7V時才能使用。對內部或外部基準選項的使用受REF_SEL針腳的極性控制。對於時脈，該元件支援多個方案，以實現簡 單的低成本可配置解決方案。AD5700可以使用外部晶體、陶瓷諧振器或互補式金屬氧化物半導體(CMOS)輸入。AD5700-1是首款整合內部低功耗0.5%精密振盪器 的HART數據機IC，降低了所需的外部電路以及總體成本。眾多內建整合功能顯著簡化了HART相容系統的設計，從而提供更加可靠和經濟高效的穩定網路解決方 案。

低功耗應用範例

低功耗非常重要，因為迴路供電的所有電路的功耗必須低於3.5mA。圖4顯示了迴路中的HART通訊應用範例。在AD5700控制板上，AD5700 HART數據機與AD5421 16位元串列輸入迴路供電型4mA至20mA DAC和ADuCM360微控制器介面連接，以展示用於測量壓力(「0」)和溫度(「1」)的兩個共用資料通道的迴路供電型發射 器電路。

圖4　在HART通訊中，AD5421迴路DAC和AD5700 HART數據機作為迴路供電型資料發射器。

電路已通過相容性測試和驗證，並註冊為HART通訊基金會認證的HART解決方案。產品註冊的詳細資訊在它們的網站上提供。

在此類4mA至20mA迴路供電型應用中，最重要的限制是整個電路的功耗必須低於3.5mA(「低限報警」設置，比4mA的訊號下限低0.5mA)。在此類應用中，AD5700 的低功耗規格極為重要。在滿足功耗規格方面，每微安培(μA)都非常重要，如果設計中的每個IC都抽取足夠小的電流，則不會超過3.5mA的預算，應用將能正 常運行。典型的發射和接收電流分別為124μA和86μA，相應的最大指定耗用電流分別為140μA和115μA，AD5700不會對整體電流預算產生很大影響。

除了業界功耗最低的HART數據機IC之外，ADI還提供完整HART解決方案功能，包括微控制器產品、放大器、精密基準、開關、ADC和電流-輸出DAC AD5700 HART 數據機可以輕鬆與以下元件介面：AD5421，在上文所述的迴路供電型智慧發射器應用範例中使用；AD5422 16位元電壓輸出和電流輸出DAC，用於現場儀錶或模 擬I/O卡；AD5755-1 16位元四通道DAC，採用創新的動態電源控制技術，用於多通道應用。此外，與AD5700/AD5700-1結合使用時，可簡化系統設計和增強可靠 性，實現穩定HART相容系統的快速輕鬆部署。

(本文作者任職於亞德諾半導體)