如何在过程控制中使用DS8500 HART调制解调器

     摘要：本应用笔记介绍了如何在过程控制中使用DS8500 HART调制解调器。本文讨论了DS8500与微控制器和4–20mA电流环的连接，以确保正确的HART通信。

　　引言

　　本应用笔记介绍了用于HART?通信的DS8500单芯片调制解调器，本文应与DS8500数据资料配合使用。不同应用可能要求不同的参数指标，本文介绍的参考设计只是用于过程控制电路的一个基本例子。

　　HART概述

　　高速可寻址远程传感器(HART)通信广泛用于数字信号传输，叠加在4–20mA电流环的模拟信号上。HART协议基于相位连续的频移键控(FSK)技术。比特0调制在2200Hz正弦信号，比特1调制在1200Hz正弦信号，波特率为1200bps。这两个频率可以非常容易地叠加到模拟电流环信号上，模拟信号范围为：直流至10Hz，不会影响其它信号。HART协议的独特优势使其能够在同一线路传输模拟和数字信号。

　　DS8500 HART调制解调器

　　DS8500是一款用于过程控制的HART调制解调器，提供连续相位的FSK调制和解调。这款具有丰富功能的低功耗调制解调器完全满足HART通信基金会设定的物理层规范。DS8500具有诸多功能，使用户能够方便、高效地设计具备HART调制解调功能的过程控制系统。

　　·可靠的信号侦测

　　·极少的外部元件

　　·正弦输出信号

　　·低功耗

　　·标准的3.6864MHz晶体

　　内置数字信号处理技术支持可靠的FSK_IN信号侦测；极少的外部元件用于将HART信号从噪声中提取出来。FSK_OUT为正弦信号，在系统中产生的谐波失真。

　　图1所示为DS8500在智能变送器应用中的顶层原理框图。设计突出展示了HART调制解调器及其外围IC之间的接口。

图1. 智能变送器通过DS8500 HART调制解调器与系统微控制器通信

　　DS8500的基本工作原理

　　时钟

　　DS8500需要一个为±1%的3.6864MHz时钟作为输入源，以确保系统正常工作。图2给出了一个典型的时钟电路。当XCEN置为高电平时，用户可将外部时钟直接接到XTAL1引脚。如果需要外部连接3.6864MHz晶体，XCEN应该置为低电平，并将晶体连接到XTAL1和XTAL2之间。

图2. 晶体与DS8500的连接

　　微控制器接口

　　HART协议要求信号通过指定的11位UART格式进行通信：一个起始位、8个数据位、一个校验位和一个停止位。DS8500的调制和解调电路需要与微控制器的UART接口连接，以满足协议要求。

　　解调模式下，DS8500需要一个有效的UART起始信号，用于同步数字通信。HART调制解调器和微控制器之间的接口如图1所示。按照图1所示框图，微控制器必须包含支持HART通信的软件协议栈。D_IN为DS8500的数字信号数据输入，调制后通过FSK_OUT输出。DS8500输出的数字信号数据通过D_OUT输出，该数据已经从FSK_IN信号进行解调。RST接收微控制器的请求信号，启动调制解调器的解调(Rx)或调制(Tx)模式。

　　/RST为DS8500提供复位信号，确保所有内部寄存器和滤波器从已知的默认状态开启。OCD为载波检测信号，确定解调器输入端是否具有幅度有效的FSK信号。OCD为逻辑高电平时，说明FSK_IN信号幅度大于120mV；逻辑低电平则说明FSK_IN输入信号的幅度小于80mV或没有载波信号。也可以利用微控制器为DS8500提供3.6864MHz时钟。

　　调制波形

　　图3所示为调制模式下的DS8500，D_IN为调制解调器输入，FSK_OUT为调制信号输出。数据以11位UART格式提供。

图3. 调制波形

　　解调波形

　　图4所示为解调模式下的DS8500，FSK_IN为调制解调器的输入，D_OUT为解调输出，连接到UART。

图4. 解调波形

　　外部滤波器

　　利用DS8500的数字功能和内置数字滤波器，只需少数外部无源器件即可实现调制解调功能。

　　从图5可以看出，在接收和发送侧只需很少的外部元件，DS8500解调器只需一个简单的、截止频率为10kHz的低通滤波器(R3、C3)和截止频率为480Hz的高通滤波器(C2、R2)，用于从模拟信号中提取HART信号并分离干扰信号。R1和R2构成的分压电阻为DS8500的接收侧电路提供VREF/2输入偏置电压，下列RC值只是一个示例；选择不同的RC值可以满足不同应用中的低通、高通滤波器的截止频率要求。

　　外部元件配合内部滤波器能够抑制低频模拟信号，避免对数字接收信号的干扰。除此之外，还能够有效衰减HART频带以外的高频干扰。

图5. 接收/发送侧的外部元件

　　DS8500从机或主机

　　DS8500调制解调器可以用于HART通信的从机侧或主机侧。典型情况下，在从机侧，HART调制解调器是智能变送单元的一部分；在主机侧，调制解调器是HART主机调制解调器线缆的一部分，将中央控制单元或手持单元连接到电流环。图6给出了主机、从机以及电流环之间的接口。

图6. HART装置连接

　　图7所示电路采用DS8500作为HART从机和智能过程发送器所需的顶层模块。以温度变送器为例，变送器的传感器对系统温度进行测量，以电流或电压形式将数据传递给ADC。ADC随后将这些模拟信号转化成微控制器能够处理的等效数字信号。微控制器提供远程存储和计算，典型情况下，微控制器是HART协议栈的主机并负责协议实施，还用于处理HART调制解调器的数据。微控制器提供传感器校准、线性化处理和信号调理。DAC主要用于驱动电流环。

　　图7. DS8500在HART通信的从机侧。D_IN通过微控制器UART接收数据，D_OUT发送数据至UART。/RST提供DS8500复位；OCD为载波检测信号，确定解调器输入是否存在有效幅度的FSK信号。

　　在主机侧，DS8500可以作为主机调制解调器的一部分，放置在中心控制单元或手持HART通信机的位置。图8所示为主机侧配置，这种情况下，DS8500通过RS-232串口与PC通信。HART协议通常由安装在计算机上的软件支持。

　　图8. DS8500置于HART通信的主机侧。D_IN通过微控制器的UART接收数据，D_OUT发送数据到UART。/RST提供DS8500复位；OCD为载波检测信号，确定解调器输入是否存在有效幅度的FSK信号。