本應(yīng)用筆記介紹如何將DS8500 HART調(diào)制解調(diào)器用于過(guò)程控制應(yīng)用。本文解釋了如何將DS8500連接至微控制器和4–20mA電流環(huán)路，以確保正確的HART通信。

介紹

本應(yīng)用筆記介紹了用于HART通信的單芯片調(diào)制解調(diào)器DS8500。本文檔應(yīng)與DS8500數(shù)據(jù)資料配合使用。雖然應(yīng)用的具體要求可能有所不同，但此處所示的參考設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制電路的基本示例。

哈特概述

高速可尋址遠(yuǎn)程傳感器（HART）通信是疊加在4–20mA電流環(huán)路模擬信號(hào)上的數(shù)字信號(hào)的常用傳輸模式。HART協(xié)議基于相位連續(xù)頻移鍵控（FSK）技術(shù)。位 0 調(diào)制為 2200Hz 正弦信號(hào)，位 1 調(diào)制為 1200Hz 正弦信號(hào)，波特率為 1200bps。這兩個(gè)頻率可以很容易地疊加在模擬電流環(huán)路信號(hào)上，該信號(hào)在直流至10Hz的范圍內(nèi)，而不會(huì)影響任何一個(gè)信號(hào)。HART協(xié)議的這種獨(dú)特性使模擬和數(shù)字通信能夠在同一條線上同時(shí)進(jìn)行。

DS8500 HART 調(diào)制解調(diào)器

DS8500是一款HART調(diào)制解調(diào)器，為過(guò)程控制應(yīng)用提供相位連續(xù)FSK調(diào)制和解調(diào)。該器件是一款功能豐富的低功耗調(diào)制解調(diào)器，滿足HART通信基金會(huì)設(shè)定的物理層規(guī)范。DS8500具有許多特性，允許用戶輕松有效地設(shè)計(jì)需要HART調(diào)制解調(diào)器的過(guò)程控制系統(tǒng)。

可靠的信號(hào)檢測(cè)

外部元件少

正弦輸出信號(hào)

低功耗

標(biāo)準(zhǔn) 3.6864MHz 晶體

內(nèi)部數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)可實(shí)現(xiàn)可靠的FSK_IN信號(hào)檢測(cè);只需極少的外部元件即可將HART信號(hào)與噪聲分離。FSK_OUT是一種正弦信號(hào)，可為系統(tǒng)提供最低的諧波失真。

圖1所示為DS8500在智能過(guò)程變送器中的頂層框圖。該設(shè)計(jì)突出了HART調(diào)制解調(diào)器與其他外部IC之間的接口。

圖1.智能過(guò)程變送器采用DS8500 HART調(diào)制解調(diào)器與系統(tǒng)微控制器通信。

DS8500 基本工作原理

時(shí)鐘

DS8500需要3.6864MHz時(shí)鐘作為輸入源，精度為±1%，以保證正常工作。圖2所示為時(shí)鐘源的典型電路。當(dāng) XCEN 設(shè)置為高電平時(shí)，用戶可以將外部時(shí)鐘直接驅(qū)動(dòng)到 XTAL1 引腳上。如果需要外部 3.6864MHz 晶體，則應(yīng)將 XCEN 設(shè)置為低電平，并且晶體需要連接在 XTAL1 和 XTAL2 之間。

圖2.DS8500 的晶體連接。

微控制器接口

HART協(xié)議要求信號(hào)以特定的11位UART格式進(jìn)行通信：起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位、一個(gè)奇偶校驗(yàn)位和一個(gè)停止位。DS8500的調(diào)制器和解調(diào)器模塊需要與微控制器UART接口，以滿足協(xié)議要求。

在解調(diào)器模式下，DS8500需要有效的UART啟動(dòng)信號(hào)來(lái)同步數(shù)據(jù)通信。HART調(diào)制解調(diào)器和微控制器之間的接口也如圖1所示。回到圖1，微控制器必須包含通信所需的HART軟件堆棧。D_IN是輸入DS8500的數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)，將其調(diào)制為FSK_OUT信號(hào)。D_OUT是DS8500的數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)輸出，它已從FSK_IN信號(hào)解調(diào)。RTS 接收微控制器的請(qǐng)求，以啟動(dòng)調(diào)制解調(diào)器的解調(diào) （Rx） 或調(diào)制 （Tx） 模式。

/RST為DS8500提供復(fù)位，并確保所有內(nèi)部寄存器和濾波器從已知的默認(rèn)值開(kāi)始。OCD是一種載波檢測(cè)信號(hào)，用于確定解調(diào)器輸入端有效幅度的FSK信號(hào)。OCD上的邏輯高電平表示FSK_IN信號(hào)幅度大于120mV;邏輯低電平表示FSK_IN信號(hào)幅度小于80mV或沒(méi)有載波信號(hào)。微控制器可以為DS3提供6864.8500MHz時(shí)鐘。

調(diào)制器波形

圖3所示為調(diào)制模式下的DS8500，其中D_IN是調(diào)制解調(diào)器的輸入，F(xiàn)SK_OUT是調(diào)制輸出。數(shù)據(jù)以 11 位 UART 格式提供。

圖3.調(diào)制器波形。

解調(diào)器波形

圖4所示為DS8500在解調(diào)模式下，其中FSK_IN是調(diào)制解調(diào)器的輸入，D_OUT是UART的輸出。

圖4.解調(diào)器波形。

外部過(guò)濾器

由于DS8500及其內(nèi)置數(shù)字濾波器的數(shù)字特性，調(diào)制解調(diào)器工作所需的外部無(wú)源元件數(shù)量大大減少。

圖5顯示了接收端和發(fā)送端所需的少量外部元件。DS8500中的解調(diào)器只需要一個(gè)簡(jiǎn)單的截止頻率為10kHz的低通濾波器（R3，C3）和一個(gè)截止頻率為480Hz的高通濾波器（C2，R2），即可將HART信號(hào)與模擬信號(hào)和干擾分開(kāi)。由R1和R2組成的電阻分壓器提供V的輸入偏置電壓裁判/2 DS8500的接收側(cè)電路。下面顯示的 RC 值只是一個(gè)示例;如果滿足低通和高通濾波器的截止頻率，則可以使用一組不同的RC值。

這些外部元件和內(nèi)部濾波器共同抑制低頻模擬信號(hào)，防止它們影響數(shù)字接收。此外，高頻分量也會(huì)衰減，以防止HART擴(kuò)展頻段以上的干擾。

圖5.接收/發(fā)送側(cè)外部元件。

DS8500 作為從機(jī)或主站

DS8500調(diào)制解調(diào)器可用于HART通信的從側(cè)或主機(jī)側(cè)。通常，在從機(jī)側(cè)，HART調(diào)制解調(diào)器是智能過(guò)程變送器單元的一部分;在主站側(cè)，調(diào)制解調(diào)器是HART主調(diào)制解調(diào)器電纜的一部分，用于將中央控制單元或手持設(shè)備連接到電流環(huán)路。圖6顯示了主環(huán)路、從環(huán)路和電流環(huán)路之間的接口。

圖6.HART設(shè)備連接。

圖7所示為使用DS8500電路的HART從站和智能過(guò)程變送器所需的頂級(jí)模塊。溫度過(guò)程變送器就是該電路的一個(gè)例子。過(guò)程變送器上的傳感器以電流或電壓為單位測(cè)量系統(tǒng)溫度，然后將數(shù)據(jù)傳遞到ADC。反過(guò)來(lái)，ADC將這些模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字等效信號(hào)，供微控制器處理。微控制器提供遠(yuǎn)程存儲(chǔ)器和計(jì)算能力。微控制器通常托管HART堆棧，并負(fù)責(zé)協(xié)議實(shí)現(xiàn);它還處理來(lái)自HART調(diào)制解調(diào)器的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。微控制器功能還可用于傳感器校準(zhǔn)、線性化和信號(hào)調(diào)理。DAC主要負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)電流環(huán)路。

圖7.DS8500位于HART通信的從端。D_IN從微控制器的UART接收數(shù)據(jù)。D_OUT將數(shù)據(jù)傳輸?shù)経ART。/RST是DS8500復(fù)位。OCD是一種載波檢測(cè)信號(hào)，用于確定解調(diào)器輸入端具有有效幅度的FSK信號(hào)。

在主機(jī)側(cè)，DS8500可以是主機(jī)調(diào)制解調(diào)器的一部分，位于中央控制單元或手持式HART通信器上。圖 8 顯示了主機(jī)端配置。在這種情況下，DS8500通過(guò)RS-232串行端口與PC通信。HART協(xié)議通常由可以安裝在計(jì)算機(jī)上的軟件支持。

圖8.DS8500位于HART通信的主站。D_IN從微控制器的UART接收數(shù)據(jù)。D_OUT將數(shù)據(jù)傳輸?shù)経ART。/RST是DS8500復(fù)位。OCD是一種載波檢測(cè)信號(hào)，用于確定解調(diào)器輸入端具有有效幅度的FSK信號(hào)。

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審核編輯：郭婷