在工业自动化通信领域，HART（Highway Addressable Remote Transducer）协议发挥着至关重要的作用。它是在 4~20mA 恒流源输出的基础上，增加了一个 ±0.5mA 的 FSK（Frequency - Shift Keying，频移键控）的调制解调。其独特之处在于，用一个周期的 1200Hz 的正弦波作为数字逻辑 1，两个周期 2200Hz 的正弦波作为数字逻辑 0，这种设计十分巧妙。
目前，主流的 HART 芯片方案包括 AD5700 和 DS8500 等 HART 芯片。国内也有替代产品，例如晶华微的 SD 系列 HART 芯片。然而，这些芯片价格不菲，就算是国产替代，也需要大约 20 元才能实现，这对于成本敏感的项目来说是一个不小的负担。
那么，是否存在低成本的 HART 方案呢？答案是肯定的。一种可行的方法是使用芯片直接进行 DAC（Digital - to - Analog Converter，数字模拟转换器）输出，然后将其耦合到恒流源上进行 HART 的发送调制，再通过 ADC（Analog - to - Digital Converter，模拟数字转换器）采集 HART 的 FSK 波形进行接收解调。FSK 接收部分相对简单，只需设置一个直流偏置，将 HART 的接收波形耦合过去之后，利用单片机的 ADC 进行采集即可。为了减少干扰，在接收输入前级还可以增加带通滤波器对波形进行滤波。
不过，如果芯片没有 DAC 功能，该如何实现呢？这就是本期要重点介绍的使用 PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）和有源滤波来实现 HART 调制的方法。此方法参考了 TIDUA04A 文档《HART Field Transmitter for RTD Temperature Design Guide》，它使用了一个有源带通滤波器对 MCU（Microcontroller Unit，微控制单元）输出的 PWM 波进行滤波，然后将其耦合到恒流源回路中。
该有源带通滤波器电路的波特图显示，在 1200Hz 下，衰减 - 3dB，在 2200Hz 下大约也是衰减 - 3dB。这表明该带通滤波器的上下限频率为 1200Hz 和 2200Hz，除此之外，PWM 中的高次谐波都会受到不同程度的衰减。
我们对该电路输入占空比为 50%、幅值为 3.3V 的 1200Hz 和 2200Hz 的 PWM 信号后发现，1200Hz 的波形并不理想，甚至不太像正弦波，这主要是因为三次谐波的影响（1200Hz 下对三次谐波 3600Hz 的衰减不够多）。通过交流分析可知，该有源带通滤波器对 1200Hz 的三次谐波 3600Hz 仅衰减了 6.9dB，而对 2200Hz 的三次谐波 6600Hz 衰减了 15.9dB。由于 1200Hz 和 2200Hz 的三次谐波频率相差较大，很难同时对 1200Hz 的三次谐波进行大幅度衰减。
为了解决这一问题，德州仪器在另一份文档 TIDUAH2《Dual Sensor Measurement Using Single Current - Loop With FSK Modulation》中提出了改进方法。其思路很简单，通过 MOS 管控制有源滤波器中的电容并联，从而改变有源滤波器的特性，实现对 1200Hz 和 2200Hz 的分别滤波。当 FILTER_SEL 为高电平时，MOS 管打开，滤波参数调整为适合 1200Hz 的参数；当 FILTER_SEL 为低电平时，MOS 管截止，滤波参数调整为适合 2200Hz 的参数。
在这种参数下，对两个不同频率的三次谐波抑制效果都非常不错，以下是仿真结果和输入波形与调制波形的实测图。
总体而言，这种设计思路能够显著降低成本。但需要注意的是，HART 通信的物理层相对简单，复杂的是协议层的实现。采用硬件降本的方案，软件的工作量会相应增加，可谓有利有弊。如果不是成本压力巨大，可能使用专用的 HART 调制解调芯片仍然是更稳妥的选择。
