HART通信智能變送儀表設(shè)計(jì)方案

摘 要

本文主要針對(duì)有線HART通信智能變送儀表，基于SD2057提供的HART調(diào)制解調(diào)解決方案和SD24A421提供的4-20mA電流環(huán)解決方案，參考HCF發(fā)布的HART物理層規(guī)范，闡述如何將HART信號(hào)耦合到4-20mA電流環(huán)傳輸鏈路中，實(shí)現(xiàn)符合HART物理層規(guī)范的HART通信智能變送儀表設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：HART信號(hào)；SD2057；4-20mA；SD24A421；模擬變化率。

引 言

HART(highway addressable remote transducer，可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道)通信協(xié)議,由美國(guó)Rosemount公司于20世紀(jì)80年代中期推出，之后又進(jìn)行了修訂和增補(bǔ)，作為開放標(biāo)準(zhǔn)由HART通信基金會(huì)HCF向全世界發(fā)布，主要用于現(xiàn)場(chǎng)智能變送儀表和控制室系統(tǒng)間進(jìn)行數(shù)字通信。

因兼容傳統(tǒng)的4～20mA模擬系統(tǒng)，并彌補(bǔ)了傳統(tǒng)模擬系統(tǒng)單向單點(diǎn)傳輸和校準(zhǔn)復(fù)雜的缺點(diǎn)，成為離散設(shè)備向現(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)展的過渡產(chǎn)品，現(xiàn)今已被世界上三分之二以上的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備所采用，成為智能工業(yè)控制領(lǐng)域極為重要的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)之一，特別國(guó)內(nèi)在智能控制領(lǐng)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(dāng)?shù)氖袌?chǎng)份額。

雖然HART7的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)引入了無線HART的應(yīng)用，但是目前市場(chǎng)上的HART設(shè)備還是以有線為主。

本文以SDIC生產(chǎn)的SD2057 HART芯片和SD24A421 4-20mA DAC輸出芯片為例，闡述如何將HART信號(hào)耦合到4-20mA電流環(huán)傳輸鏈路中，實(shí)現(xiàn)符合HART物理層規(guī)范的HART通信智能變送儀表設(shè)計(jì)。

電 路 設(shè) 計(jì)

圖1顯示采用SD2057和SD24A421設(shè)計(jì)的HART通信智能變送儀表典型應(yīng)用電路。

主機(jī)發(fā)送HART信令從電流環(huán)LOOP+端進(jìn)入HART通信智能變送儀表，經(jīng)過外圍帶通濾波到達(dá)HART調(diào)制解調(diào)器SD2057進(jìn)行解調(diào)。

HART通信智能變送儀表應(yīng)答經(jīng)SD2057轉(zhuǎn)為HART信號(hào)，從SD2057的HART_OUT引腳輸出,通過Cc耦合至SD24A421的C3引腳,轉(zhuǎn)換為電流之后，經(jīng)電流放大器放大之后，通過4-20mA向主機(jī)傳輸。

圖1.帶HART數(shù)字通信功能的典型4-20mA智能變送儀表

HART 信號(hào)耦合

圖2在圖1的基礎(chǔ)上，描繪SD24A421的內(nèi)部等效電路，顯示了HART信號(hào)具體如何耦合到4-20mA中進(jìn)行傳輸。

圖2. HART發(fā)送信號(hào)耦合電路

HART協(xié)議是一種通過頻移鍵控（FSK）技術(shù)傳送數(shù)字信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)。它利用1200Hz和2200Hz來代表二進(jìn)制中的1和0，并且這些正弦波信號(hào)以1mApp幅度、零直流量的形式疊加在4-20mA電流環(huán)上，如圖3所示。

圖3. HART發(fā)送的數(shù)字信號(hào)

從圖2中電路參數(shù)可知，電流放大器的放大倍數(shù)為:

(1 + R5/R6) = (1 + 93kΩ/46.9Ω) = 1984

所以，在4-20mA中耦合1mApp的HART信號(hào)，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(hào)。

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(hào)。

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

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

按HART協(xié)議物理層要求，需要一個(gè)25Hz的低通濾波，以R2·C2=R3·C3的兩級(jí)低通RC級(jí)聯(lián)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(guī)容值：C2=680nF、C3=220nF，或C2=470nF、C3=150nF。

為滿足此要求，f0 = 25Hz，計(jì)算得到SD24A421的C2、C3引腳電容可設(shè)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(jì)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(yuǎn)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(jì)算公式，得到Cc可由以下公式進(jìn)行計(jì)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(jì)算得到Cc = 7.36nF。

因此，可以將SD2057的HART_OUT信號(hào)耦合至SD24A421 C3引腳的電容CC設(shè)定為接近的標(biāo)準(zhǔn)電容6.8nF或8.2nF。為提高全溫度范圍內(nèi)電路系統(tǒng)工作的穩(wěn)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(lián)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(lián)計(jì)算比較復(fù)雜，不能等同簡(jiǎn)單的加減。

注2 將公式簡(jiǎn)化計(jì)算的前提條件是SD24A421對(duì)地的電容C3在HART 1200Hz和2200Hz通信信號(hào)下的等效容抗XCc遠(yuǎn)小于R2、R3和R4，至少需要10倍的量級(jí)差距，否則無法使用簡(jiǎn)化公式計(jì)算Cc的容值。

模 擬 變 化 率

當(dāng)HART通信智能變送儀表發(fā)生大幅電流階躍時(shí)，會(huì)一定程度的破壞HART信號(hào)。HART協(xié)議物理層測(cè)試規(guī)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(hào)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(fā)生最大電流階躍時(shí)，500Ω采樣電阻的采集信號(hào)經(jīng)過數(shù)字濾波器輸出幅度不超過150mV峰值電壓。

由HCF開發(fā)的數(shù)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(hào)為8V，此8V的階躍信號(hào)在經(jīng)過數(shù)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(hào)衰減55dB。

因此，為了滿足HART協(xié)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(yīng)小于25Hz。

結(jié)合SD24A421內(nèi)部電路，經(jīng)過計(jì)算得到SD24A421的C2、C3引腳電容可設(shè)定為0.47uF和0.15uF，以實(shí)現(xiàn)近似25Hz的低通濾波。

此電容匹配可以根據(jù)計(jì)算進(jìn)行相應(yīng)的修改調(diào)整，但是經(jīng)過修改調(diào)整后，需要對(duì)HART耦合的參數(shù)也進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

小 結(jié)

對(duì)于智能變送儀表的HART信號(hào)耦合，關(guān)鍵的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

為滿足HART協(xié)議規(guī)范對(duì)于模擬變化率的要求，4-20mA輸出需要設(shè)計(jì)25Hz的低通濾波。

為確保HART信號(hào)按照HART協(xié)議的規(guī)范要求，需根據(jù)4-20mA電路設(shè)計(jì)計(jì)算得到灌入的HART信號(hào)大小，以實(shí)現(xiàn)4-20mA輸出上耦合1mApp HART通信信號(hào)的設(shè)計(jì)。