HART通訊的低耗電量應用
自工業革命初期以來，人類就依賴機械設備進行測量、控制和通訊。利用感測器和執行器的儀器系統已成為現代製造工廠的基石。幾十年來，透過傳輸線傳輸4mA至20mA類比電流訊號的通訊方式已被廣泛採用。然而，儀器技術已經發生了顯著變化，從早期的純模擬系統發展到如今的「智慧」系統，這些系統透過諸如…等技術增強了通訊能力。 HART（高速可尋址遠端發射器）協議從本質上講，直流低頻電路訊號由獨立的高頻訊號調製，訊號在頻率對之間切換（圖 1）—這種技術稱為頻移鍵控（FSK）。
圖 1. HART 通信
類比變送器中所採用的主要通訊方式是電流環路技術，其正常工作電流範圍為 4 mA 至 20 mA，由變送器、接收器和電源設備組成。該系統可實現多種功能，包括遠端校準、故障診斷和製程變數資料傳輸。低功耗變送器和接收器必須在 4 mA 或更低的最小電流下工作，具體電流值取決於誤差指示所需的「裕量」。這些電流環路展現出卓越的可靠性和穩定性，在長距離通訊中具有很強的環境幹擾抵抗能力。然而，其一個顯著的限制在於，單環路配置僅支援單向通訊（從感測器到執行器），一次只能傳輸一個製程變數。
HART 標準的引入提供了一種創建「智慧型」變送器的方法，它透過增加數位通訊功能，同時仍使用與傳統 4 mA 至 20 mA 儀表相同的雙絞線電纜。 4 mA 至 20 mA 類比電路採用 1 mA 峰峰值 FSK 訊號進行調製，在不中斷原有主變數傳輸的情況下，維持迴路運轉裕量。 HART 協定已成為智慧型裝置與控製或監控系統之間透過類比線路傳輸和接收數位訊號的全球標準。
我HART調變解調器IC的內部結構
HART調變解調器IC（圖2）整合了所有必要功能，包括濾波、訊號偵測、解調和訊號生成，從而顯著減少了所需的外部元件數量。它採用緊湊的4mm×4mm、24引腳LFCSP封裝，僅需2V至5.5V的單電源供電，工作溫度範圍為-40°C至+125°C。
圖 2. HART 數據機 IC（包含一個內部精度為 0.5% 的 RC 振盪器）
二、發射路徑
圖 2 展示了調變過程中涉及的關鍵模組：FSK 直接數位合成 (DDS) 引擎、DAC（開關電阻串型）和緩衝器。待傳輸的數位資料透過 UART 介面輸入。將 RTS（請求發送）訊號拉低即可啟動調變器。它將來自 TXD 輸入的 UART 編碼的 HART 資料位元流轉換為一系列 1200 Hz（「1」）和 2200 Hz（「0」）的二進位訊號（請參閱圖 3）。 DDS 產生這兩個頻率的正弦數位字流，DAC 將其轉換為約 493 mVpp 的類比正弦波。這些正弦波訊號經過內部緩衝後，透過 HART_OUT 接腳輸出。 DDS 引擎本身產生連續相位訊號，從而消除了頻率切換期間的輸出不連續性。 HART_OUT 內部緩衝的主要優點在於，它無需外部模擬緩衝器及其相關問題即可提供高驅動能力。 HART_OUT 接腳的直流偏壓為 0.75 V，應透過電容耦合連接到負載。
圖 3. 調製器波形
三、接收路徑
當RTS訊號為邏輯高電位時，調變器被停用，解調器被啟用，表示調變解調器工作在接收模式。接收器在HART_IN腳處解調FSK調變訊號。在此模式下，核心模組包含內部帶通濾波器、ADC和DSP引擎。高電平CD（載波偵測）表示偵測到有效載波。解調後的資料透過UART介面上的RXD接腳傳送到主處理器。
這種接收架構的選擇旨在使 AD5700 能夠在嚴苛的工業環境中承受噪音和乾擾。透過結合類比和數位濾波技術，RXD 引腳可實現卓越的靈敏度和高精度輸出。 HART 位元流最初採用標準 UART 訊框結構，包含起始位元、8 位元資料位元、奇偶校驗位元和停止位元。在解調模式下，數據機提供兩種濾波配置選項：內部濾波（將 HART 訊號施加到 HART_IN）和外部濾波（將濾波後的 HART 訊號直接施加到 ADC_IP）。外部濾波模式支援 AD5700 在防爆和本質安全環境中使用。它整合了一個 150KΩ 電阻，以限制電流水平，從而滿足本質安全要求。數據機必須與高壓迴路電源隔離，這可在輸入端提供增強的瞬態電壓保護。即使在最嚴苛的工業環境中，這種設計也無需額外的保護電路。
IV.其他模組
圖 2 所示的其他三個模組分別是前文提到的 UART 介面、內部基準電壓源和振盪器。 RTS 和 TXD 是調製的關鍵訊號，而 CD 和 RXD 對於解調至關重要。 AD5700 可接收外部 2.5V 基準電壓源，但僅在 AVDD 電源電壓超過 2.7V 時才能運作。內部基準電壓源和外部基準電壓源的選擇由 REF_SEL 引腳的極性控制。在時脈方面，該裝置支援多種配置，從而實現簡單、低成本且可自訂的解決方案。 AD5700 支援外部晶體、陶瓷諧振器或 CMOS 輸入。 AD5700-1 是首款整合內部低功耗 0.5% 精度振盪器的 HART 數據機 IC，顯著減少了所需的外部電路和整體成本。眾多晶片整合功能簡化了 HART 相容系統的設計，從而提供更可靠、更經濟高效的穩定網路解決方案。
五、低功耗應用範例
低功耗至關重要，因為所有由該迴路供電的電路都必須在 3.5 mA 以下運作。圖 4 展示了迴路內 HART 通訊應用的一個範例。在 AD5700 控制板上，AD5700 HART 數據機與 AD5421 16 位元串列輸入迴路供電的 4 mA 至 20 mA DAC 以及 ADuCM360 微控制器介面相連，展示了一個迴路供電的發射器電路，該電路包含兩個共享資料通道，分別用於測量壓力「01」）和壓力（「01」）。
圖 4. HART 通訊應用
在需要 4 mA 至 20 mA 電流範圍的環路供電應用中，關鍵限制在於將電路總功耗保持在 3.5 mA 以下（設定為「低限警報」閾值，比 4 mA 訊號下限低 0.5 mA）。這使得 AD5700 的低功耗特性特別重要。每一微安培的電流都至關重要——如果設計中的每個 IC 的電流都足夠小，系統就能在 3.5 mA 的預算範圍內穩定運作。 AD5700 的典型發射電流和接收電流分別為 124 µA 和 86 µA，相應的最大額定功耗分別為 140 µA 和 115 µA，因此其耗電量對整體電流預算的影響可忽略不計。