如何在支持HART的模擬輸入上實施硬件資料下載

HART(可尋址遠程傳感器高速通道的開放通信協(xié)議)協(xié)議允許在傳統(tǒng)的模擬4 mA至20 mA電流環(huán)路內(nèi)實現(xiàn)雙向1.2 kHz/2.2 kHz FSK (頻移鍵控)調(diào)制數(shù)字通信。這樣可實現(xiàn)傳感器/執(zhí)行器的查詢，并且能夠在設(shè)備安裝、監(jiān)控和維護過程中表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢。通過使用便攜式輔助器件查詢傳感器/執(zhí)行器，HART可為維護人員提供眾多便利，但要完全實現(xiàn)HART帶來的所有好處，必須將傳感器/執(zhí)行器連接至帶支持HART的電流輸入或輸出的控制系統(tǒng)。本文將重點闡述支持HART的電流輸入以及與向余量受限的4 mA至20 mA輸入設(shè)計中添加HART功能相關(guān)的難題。 我們先來看看HART FSK發(fā)送電路。圖1顯示了HART FSK發(fā)送電路的一種傳統(tǒng)方案，對此電路進行討論后我們將展示經(jīng)過改進的電路設(shè)計，改進后的電路可節(jié)省空間和成本。 圖1. 傳統(tǒng)HART FSK發(fā)送電路 在圖1中，Rsense用于將4 mA至20 mA信號轉(zhuǎn)換為可由ADC讀取的1 V至5 V信號。HART FSK發(fā)送電路可通過C1將±500 mV HART FSK信號交流耦合至4 mA至20 mA環(huán)路。這些信號要么為正弦波形，要么為梯形波形。HART調(diào)制解調(diào)器的輸出端需要驅(qū)動能力足夠強的沖器，因為Rsense的阻抗較低，而且電流環(huán)路電纜上的電容也可能很大。HART不發(fā)送信號時，緩沖器輸出相對環(huán)路是低阻抗，這可能會危及4 mA至20 mA信號發(fā)送。為此，開關(guān)(SW1)與緩沖器輸出串聯(lián)使用，以在不發(fā)送時提供高阻抗。 SW1開啟時，4 mA至20 mA環(huán)路可在1 V和5 V之間擺動。由于這種變化會交流耦合至SW1，開關(guān)的輸入端最多可能有±4 V的電壓。為此，開關(guān)可能需要±5 V或更大的雙極性電源，還有一種替代方案是使用光電開關(guān)。三態(tài)緩沖器是另一種選擇，但這種緩沖器可能需要雙極性電源。還有一種選擇是采用變壓器隔離方式?？紤]到HART的信號頻率，可能需要音頻變壓器，但這可能體積較大，消耗大量的電路板空間。 圖2顯示了經(jīng)過改進的HART FSK發(fā)送電路設(shè)計，這種設(shè)計的好處是能夠節(jié)省空間和成本。在此電路中，AD5700 HHART調(diào)制解調(diào)器的驅(qū)動能力足以將±500 mV FSK信號直接驅(qū)動至電流環(huán)路，無需使用外部緩沖器。 圖2. 經(jīng)過改進的HART FSK發(fā)送電路 調(diào)制解調(diào)器不發(fā)送信號時，AD5700的FSK輸出會偏置到0.75 V，阻抗為70 kΩ。R2和R3提供了更強的0.75 V偏置，R2和R3的交流阻抗為1.7 kΩ。此1.7 kΩ阻抗和C1所形成的高通濾波器可確保最差情況的4 mA至20 mA輸入信號，即25 Hz、200 Ω Rsense時為±16 mA，這會導(dǎo)致HART調(diào)制解調(diào)器FSK輸出被驅(qū)動至0 V和1.5 V之間。這意味著，整個輸入可使用電壓低至1.62 V的單極性電源運行，HART調(diào)制解調(diào)器的最小供應(yīng)電壓為1.62 V。 另一個考慮因素是輸入阻抗，輸入阻抗應(yīng)大于230 Ω。為了確保足夠大的輸入阻抗，250 Ω輸入電阻已分割為50 Ω和 200 Ω。交流輸入阻抗為R1 (Rsense || R2 || R3) 230 Ω。如果需要，可增大此阻抗，方法是增大0.75偏置電阻的值，即R2和R3。在FSK發(fā)送路徑中額外添加50 Ω電阻將在一定程度上使FSK信號衰減，但電壓仍然符合HART規(guī)范的要求。 由于電流環(huán)路是壓擺式，因此會有部分電流流經(jīng)C1、R2和R3。當(dāng)然，必須確保這不會顯著影響4 mA至20 mA模擬信號?？蓪? 此改進電路(如圖2所示)無需使用緩沖器、開關(guān)以及雙極性電源。這三個因素可大幅節(jié)省傳統(tǒng)HART FSK發(fā)送電路上的系統(tǒng)的空間和成本。 HART FSK輸入的電路如圖3所示。此電路提供一個帶通濾波器，能夠抑制低頻模擬信號發(fā)送，并且不受更高頻率的干擾影響。圖示的濾波器專為AD5700定制，因不同的HART調(diào)制解調(diào)器而有所不同。此帶通濾波器的一個特點是R1提供的150 kΩ輸入阻抗，提高抗瞬態(tài)噪聲干擾的能力。 圖3. HART FSK輸入 4 mA至20 mA電流測量電路如圖4所示。200 Ω精密Rsense電阻可將4 mA至20 mA信號轉(zhuǎn)換為0.8 V至4 V信號，這些信號之后可由ADC轉(zhuǎn)換。然后是可抑制HART FSK信號的雙極低通濾波器R2、C1、R3、C2。接著可將此信號饋入ADC進行轉(zhuǎn)換。 圖4. 電流測量電路 本文描述的電路已經(jīng)構(gòu)建成功并且經(jīng)過測試，可用作PLC/DCS四通道電壓和電流輸入的基準(zhǔn)電路，同時還兼容HART (CN0364)。本文描述的電路完全能夠在此電路板上實施，此外，電路板還可支持在四個輸入通道之間多路復(fù)用HART。測試相關(guān)通道時，F(xiàn)SK發(fā)送開關(guān)可保持開啟或關(guān)斷狀態(tài)，保持開啟時，電路與圖2中的電路完全相同。 本文已概述了如何在支持HART的模擬輸入上實施硬件。除此之外，還展示了使用AD5700 HART調(diào)制解調(diào)器的改進版HART FSK發(fā)送電路。此改進電路無需使用任何外部緩沖器或開關(guān)，而且還能節(jié)省電路板空間和成本。此電路還無需使用雙極性電源，這不僅能夠節(jié)省空間和成本，而且還能降低電源復(fù)雜性。 作者 Derrick Hartmann Derrick Hartmann 是ADI公司工業(yè)自動化部的系統(tǒng)應(yīng)用工程師，工作地點在麻薩諸塞州威明頓市。Derrick先前是ADI公司工業(yè)DAC產(chǎn)品系列的產(chǎn)品應(yīng)用工程師。Derrick畢業(yè)于愛爾蘭利默里克大學(xué)，獲得電子工程學(xué)位。 Michal Brychta Michal是一名高級應(yīng)用工程師，負責(zé)工業(yè)自動化系統(tǒng)。 他任職于ADI公司的工業(yè)和儀器儀表部門，工作地點在愛爾蘭利默里克。 Michal先前是ADI公司Σ-Δ型轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品應(yīng)用工程師，之前曾擔(dān)任儀器儀表以及工業(yè)電路和系統(tǒng)設(shè)計工程師長達10年。 Michal擁有捷克共和國布爾諾技術(shù)大學(xué)電子工程碩士學(xué)位。 (mbbeetchina)