HART通信的低功耗应用
自工业革命初期以来，人类就依赖机械设备进行测量、控制和通信。利用传感器和执行器的仪器系统已成为现代制造工厂的基石。几十年来，通过传输线传输4mA至20mA模拟电流信号的通信方式已被广泛采用。然而，仪器技术已经发生了显著变化，从早期的纯模拟系统发展到如今的“智能”系统，这些系统通过诸如……等技术增强了通信能力。 HART（高速可寻址远程发射器）协议从本质上讲，直流低频电路信号由独立的高频信号调制，信号在频率对之间切换（图 1）——这种技术被称为频移键控（FSK）。
图 1. HART 通信
模拟变送器中采用的主要通信方式是电流环路技术，其正常工作电流范围为 4 mA 至 20 mA，由变送器、接收器和电源设备组成。该系统可实现多种功能，包括远程校准、故障诊断和过程变量数据传输。低功耗变送器和接收器必须在 4 mA 或更低的最小电流下工作，具体电流值取决于误差指示所需的“裕量”。这些电流环路展现出卓越的可靠性和稳定性，在长距离通信中具有很强的环境干扰抵抗能力。然而，其一个显著的局限性在于，单环路配置仅支持单向通信（从传感器到执行器），一次只能传输一个过程变量。
HART 标准的引入提供了一种创建“智能”变送器的方法，它通过增加数字通信功能，同时仍使用与传统 4 mA 至 20 mA 仪表相同的双绞线电缆。4 mA 至 20 mA 模拟电路采用 1 mA 峰峰值 FSK 信号进行调制，在不中断原有主变量传输的情况下，保持回路运行裕量。HART 协议已成为智能设备与控制或监控系统之间通过模拟线路传输和接收数字信号的全球标准。
我HART调制解调器IC的内部结构
HART调制解调器IC（图2）集成了所有必要功能，包括滤波、信号检测、解调和信号生成，从而显著减少了所需的外部元件数量。它采用紧凑的4mm×4mm、24引脚LFCSP封装，仅需2V至5.5V的单电源供电，工作温度范围为-40°C至+125°C。
图 2. HART 调制解调器 IC（包含一个内部精度为 0.5% 的 RC 振荡器）
二、发射路径
图 2 展示了调制过程中涉及的关键模块：FSK 直接数字合成 (DDS) 引擎、DAC（开关电阻串型）和缓冲器。待传输的数字数据通过 UART 接口输入。将 RTS（请求发送）信号拉低即可激活调制器。它将来自 TXD 输入的 UART 编码的 HART 数据比特流转换为一系列 1200 Hz（“1”）和 2200 Hz（“0”）的二进制信号（参见图 3）。DDS 生成这两个频率的正弦数字字流，DAC 将其转换为约 493 mVpp 的模拟正弦波。这些正弦波信号经过内部缓冲后，通过 HART_OUT 引脚输出。DDS 引擎本身产生连续相位信号，从而消除了频率切换期间的输出不连续性。HART_OUT 内部缓冲的主要优势在于，它无需外部模拟缓冲器及其相关问题即可提供高驱动能力。 HART_OUT 引脚的直流偏置电压为 0.75 V，应通过电容耦合连接到负载。
图 3. 调制器波形
三、接收路径
当RTS信号为逻辑高电平时，调制器被禁用，解调器被启用，表明调制解调器工作在接收模式。接收器在HART_IN引脚处解调FSK调制信号。在此模式下，核心模块包含内部带通滤波器、ADC和DSP引擎。高电平CD（载波检测）表示检测到有效载波。解调后的数据通过UART接口上的RXD引脚发送到主处理器。
这种接收架构的选择旨在使 AD5700 能够在严苛的工业环境中承受噪声和干扰。通过结合模拟和数字滤波技术，RXD 引脚可实现卓越的灵敏度和高精度输出。HART 比特流最初采用标准 UART 帧结构，包含起始位、8 位数据位、奇偶校验位和停止位。在解调模式下，调制解调器提供两种滤波配置选项：内部滤波（将 HART 信号施加到 HART_IN）和外部滤波（将滤波后的 HART 信号直接施加到 ADC_IP）。外部滤波模式支持 AD5700 在防爆和本质安全环境中使用。它集成了一个 150KΩ 电阻，以限制电流水平，从而满足本质安全要求。调制解调器必须与高压回路电源隔离，这可在输入端提供增强的瞬态电压保护。即使在最严苛的工业环境中，这种设计也无需额外的保护电路。
IV.其他模块
图 2 所示的其他三个模块分别是前文提到的 UART 接口、内部基准电压源和振荡器。RTS 和 TXD 是调制的关键信号，而 CD 和 RXD 对于解调至关重要。AD5700 可以接收外部 2.5V 基准电压源，但仅在 AVDD 电源电压超过 2.7V 时才能工作。内部基准电压源和外部基准电压源的选择由 REF_SEL 引脚的极性控制。在时钟方面，该器件支持多种配置，从而实现简单、低成本且可定制的解决方案。AD5700 支持外部晶体、陶瓷谐振器或 CMOS 输入。AD5700-1 是首款集成内部低功耗 0.5% 精度振荡器的 HART 调制解调器 IC，显著减少了所需的外部电路和总体成本。众多片上集成功能简化了 HART 兼容系统的设计，从而提供更可靠、更经济高效的稳定网络解决方案。
五、低功耗应用示例
低功耗至关重要，因为所有由该回路供电的电路都必须在 3.5 mA 以下运行。图 4 展示了回路内 HART 通信应用的一个示例。在 AD5700 控制板上，AD5700 HART 调制解调器与 AD5421 16 位串行输入回路供电的 4 mA 至 20 mA DAC 以及 ADuCM360 微控制器接口相连，演示了一个回路供电的发射器电路，该电路包含两个共享数据通道，分别用于测量压力（“0”）和温度（“1”）。
图 4. HART 通信应用
在需要 4 mA 至 20 mA 电流范围的环路供电应用中，关键限制在于将电路总功耗保持在 3.5 mA 以下（设置为“低限报警”阈值，比 4 mA 信号下限低 0.5 mA）。这使得 AD5700 的低功耗特性尤为重要。每一微安的电流都至关重要——如果设计中的每个 IC 的电流都足够小，系统就能在 3.5 mA 的预算范围内稳定运行。AD5700 的典型发射电流和接收电流分别为 124 µA 和 86 µA，相应的最大额定功耗分别为 140 µA 和 115 µA，因此其功耗对整体电流预算的影响可以忽略不计。