测量、控制以及与机械或过程设备进行通信的需求，早在工业革命初期便已产生了。从那时起，工厂仪器仪表便成为了现代制造工厂的中枢。这些仪器仪表已经成功地完成了从气动和纯模拟电子系统到目前使用的“智能”系统的蜕变，并通过诸如HART（可寻址远程传感器高速通道）之类的协议增强了通信能力。简单地说，直流及低频电流信号是由在两种频率之间切换的独立高频信号调制而成的，这种技术被称为频移键控（FSK），如图1所示。

图1 当模拟过程变量仅从设备向主机传输时CONTROL ENGINEERING China版权所有，HART通信是双向的。图片来源：Analog Devices

        什么是HART？
        模拟发射器通信的主要形式是一个正常范围为4~20mA的电流回路，使用一个发射器、一个接收器及电源。它可以实现诸如远程校准、故障诊断和多过程变量传输的功能。低功率发射器和接收器必须在最小电流4mA或更小电流条件下运行，取决于故障指示所需的净空。这些电流回路可靠耐用，在长距离通信中具有很高的抗环境干扰能力。但它仍具有一个显著缺点，即一个单回路仅允许来自传感器或传输到执行机构的单向通信，并且只能传输一个过程变量。
        HART标准的出台提供了一种制造“智能”发射器的方法，即增加数字通信能力，并共享用于传统4-20mA仪表的双绞线。这可以通过将1mA峰到峰FSK信号调制到4-20mA模拟电流信号顶部来实现，无需中断原先的主变速传动装置，且仍能留下回路运行所需的余量。这种技术的使用，使HART成为了一种全球性的标准，用于在智能设备和控制或监控系统之间通过模拟线路进行数字信息的发送和接收。
        HART调制解调器内部
        AD5700-1是HART调制解调器的一种集成电路（IC），集成了专用通信所必需的支持功能。功能模块图（如图2）显示了HART调制解调器中包含的滤波、信号检测、调制、解调以及信号产生等所需功能。这种集成，减少了所需外部元件的数量，同时节省了成本和空间。

图2 图中显示了HART调制解调器中包含的滤波、信号检测、调制、解调以及信号产生等所需功能。

        从发送路径（图2上部）开始，调制所涉及的主要模块有： FSK直接数字频率合成（DDS）引擎，DAC（数字模拟转换器）以及缓冲器。发送的数字数据通过UART（通用异步收发器）接收。这种调制器是通过使/RTS（请求发送）信号为低来实现的。调制器在TXD输入端，将UART编码的HART数据比特流转换为1.2kHz（“1”）和2.2kHz（“0”）的二进制序列（图3）。DDS生成一列任一频率的正弦数字字符流，DAC则将其转换为峰到峰值约为493mV的模拟正弦波。此正弦信号在内部进行缓冲，并出现在HART_OUT引脚。DDS引擎生成固有的连续相信号www.cechina.cn，从而避免了在不同频率间切换时的输出不连续性。内部缓冲对于HART_OUT而言有一个极大优点，是由此可产生高驱动能力，能消除对外部模拟缓冲器的需求以及由此产生的问题。
        这个直流偏置为0.75 V的HART_OUT引脚应与负载进行电容性耦合。
        接下来是接收路径（图2下部），当/RTS为逻辑高电平时，调制器禁用，解调器可用，即调制解调器处于接收模式。接收器对HART_IN引脚上的FSK调制信号进行解调。在此模式下，涉及的模块包括内部带通滤波器、ADC（模数转换器）和DSP（数字信号处理器）引擎。CD（载波检测）数值高表明检测到一个有效载体。解调后的数据通过UART界面的RXD引脚发送到主机处理器。
        这种接收构造控制工程网版权所有，使调制解调器在恶劣的工业环境中能够耐受噪音和干扰。模拟和数字滤波的结合，使RXD引脚具有极高灵敏度和高精确度的输出。HART比特流遵循标准的UART结构，具有一个起始位，8个数据位，一个奇偶校验位和一个停止位。在解调模式下，调制解调器的过滤器具有两种配置选项：一个内部过滤器（HART信号施加到HART_IN）和一个外部过滤器（过滤后的HART信号被施加到ACP_IP）。外部过滤器模式支持调制解调器在防爆和本质安全环境中使用。一个150 kΩ的电阻将电流限制到较低水平，以符合本质安全要求。此选项建议在调制解调器必须与高电压供电回路相隔离的安全关键型应用中使用。在这种情况下，输入信号具有较高的瞬态电压保护，因而即便在最苛刻的工业环境中，也不需要附加其他的保护电路。
        图2中其余三个模块为UART界面、内部基准和振荡器。/RTS和TXD是用于调制的重要信号，而CD和RXD则对于解调十分重要。调制解调器还包含一个1.5 V的内部基准以及相关的缓冲区。另外，还可使用一个外部的2.5 V参考电压。对于时钟，设备支持多种时钟方案，以实现简单的低成本配置。AD5700可使用一个外部晶体，如陶瓷谐振器或CMOS输入。 AD5700 -1是HART调制解调器的第一个IC，与一个低功耗、准确度为0.5％的内部振荡器组合，可减少外部电路并节约成本。还有很多功能被集成在芯片上，简化了HART兼容系统的设计，使网络通信更可靠耐用、更具成本效益。

图3  使用一个二进制序列产生0和1。 0使用2.2 kHz，1使用1.2Hz。

        低功耗应用
        由于读数较低或为零的现场设备只有低电流供电，所有由环路供电的电路电流都必须低于3.5mA，因此低功耗是极为重要的因素。图4显示了在一个回路内HART通信的示例。AD5700 HART调制解调器在评估板上集成了16位AD5421、串行输入、回路供电、4~20 mA DAC以及ADuCM360微控制器等接口，形成了一个可测量压力和温度的具有两条共享数据信道的回路供电发射电路。

AD5700 HART调制解调器具有16位AD5421、串行输入、回路供电、4~20 mA DAC以及ADuCM360微控制器等接口，形成了一个具有两条共享数据信道的回路供电发射电路。

        该电路已通过HART 通讯基金会的一致性测试、验证及注册。在这样一个4~20 mA回路供电应用中，一个最重要的制约因素是使电流保持在3.5mA以下，即“低位报警”设定点以下，比4mA 信号平台低0.5mA。这便是为何诸如AD5700一类的调制解调芯片的低功耗规则如此重要。在这里，每微安都举足轻重www.cechina.cn，因此若设计中的每个IC各自的电流消耗能减到最少，就不会超过3.5mA的预算，应用程序也能按照预期运行。
        为设备发射器所设计的新零件，如AD5700，能与一个完整HART方案中的其他部件精密结合www.cechina.cn，包括微控制器产品、放大器、精密基准、开关、ADC以及电流输出DAC。这种有效的组合能简化设计且可靠性高，并且随着协议新功能的开发，可使一个稳定HART兼容系统的操作变得更为简易。