DS8500 HART調(diào)制解調(diào)器

　引言

　　本應(yīng)用筆記介紹了用于HART®通信的DS8500單芯片調(diào)制解調(diào)器，本文應(yīng)與DS8500數(shù)據(jù)資料配合使用。不同應(yīng)用可能要求不同的參數(shù)指標(biāo)，本文介紹的參考設(shè)計只是用于過程控制電路的一個基本例子。

　　HART概述

　　高速可尋址遠(yuǎn)程傳感器(HART)通信廣泛用于數(shù)字信號傳輸，疊加在4–20mA電流環(huán)的模擬信號上。HART協(xié)議基于相位連續(xù)的頻移鍵控(FSK)技術(shù)。比特0調(diào)制在2200Hz正弦信號，比特1調(diào)制在1200Hz正弦信號，波特率為1200bps。這兩個頻率可以非常容易地疊加到模擬電流環(huán)信號上，模擬信號范圍為：直流至10Hz，不會影響其它信號。HART協(xié)議的獨(dú)特優(yōu)勢使其能夠在同一線路傳輸模擬和數(shù)字信號。

　　DS8500 HART調(diào)制解調(diào)器

　　DS8500是一款用于過程控制的HART調(diào)制解調(diào)器，提供連續(xù)相位的FSK調(diào)制和解調(diào)。這款具有豐富功能的低功耗調(diào)制解調(diào)器完全滿足HART通信基金會設(shè)定的物理層規(guī)范。DS8500具有諸多功能，使用戶能夠方便、高效地設(shè)計具備HART調(diào)制解調(diào)功能的過程控制系統(tǒng)。

　　可靠的信號偵測

　　極少的外部元件

　　正弦輸出信號

　　低功耗

　　標(biāo)準(zhǔn)的3.6864MHz晶體

　　內(nèi)置數(shù)字信號處理技術(shù)支持可靠的FSK_IN信號偵測;極少的外部元件用于將HART信號從噪聲中提取出來。FSK_OUT為正弦信號，在系統(tǒng)中產(chǎn)生最低的諧波失真。

　　圖1所示為DS8500在智能變送器應(yīng)用中的頂層原理框圖。設(shè)計突出展示了HART調(diào)制解調(diào)器及其外圍IC之間的接口。

　　圖1. 智能變送器通過DS8500 HART調(diào)制解調(diào)器與系統(tǒng)微控制器通信

　　DS8500的基本工作原理

　　時鐘

　　DS8500需要一個精度為±1%的3.6864MHz時鐘作為輸入源，以確保系統(tǒng)正常工作。圖2給出了一個典型的時鐘電路。當(dāng)XCEN置為高電平時，用戶可將外部時鐘直接接到XTAL1引腳。如果需要外部連接3.6864MHz晶體，XCEN應(yīng)該置為低電平，并將晶體連接到XTAL1和XTAL2之間。

　　圖2. 晶體與DS8500的連接

　　微控制器接口

　　HART協(xié)議要求信號通過指定的11位UART格式進(jìn)行通信：一個起始位、8個數(shù)據(jù)位、一個校驗位和一個停止位。DS8500的調(diào)制和解調(diào)電路需要與微控制器的UART接口連接，以滿足協(xié)議要求。

　　解調(diào)模式下，DS8500需要一個有效的UART起始信號，用于同步數(shù)字通信。HART調(diào)制解調(diào)器和微控制器之間的接口如圖1所示。按照圖1所示框圖，微控制器必須包含支持HART通信的軟件協(xié)議棧。D_IN為DS8500的數(shù)字信號數(shù)據(jù)輸入，調(diào)制后通過FSK_OUT輸出。DS8500輸出的數(shù)字信號數(shù)據(jù)通過D_OUT輸出，該數(shù)據(jù)已經(jīng)從FSK_IN信號進(jìn)行解調(diào)。RST接收微控制器的請求信號，啟動調(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)位信號，確保所有內(nèi)部寄存器和濾波器從已知的默認(rèn)狀態(tài)開啟。OCD為載波檢測信號，確定解調(diào)器輸入端是否具有幅度有效的FSK信號。OCD為邏輯高電平時，說明FSK_IN信號幅度大于120mV;邏輯低電平則說明FSK_IN輸入信號的幅度小于80mV或沒有載波信號。也可以利用微控制器為DS8500提供3.6864MHz時鐘。

　　調(diào)制波形

　　圖3所示為調(diào)制模式下的DS8500，D_IN為調(diào)制解調(diào)器輸入，F(xiàn)SK_OUT為調(diào)制信號輸出。數(shù)據(jù)以11位UART格式提供。

　　圖3. 調(diào)制波形

　　解調(diào)波形

　　圖4所示為解調(diào)模式下的DS8500，F(xiàn)SK_IN為調(diào)制解調(diào)器的輸入，D_OUT為解調(diào)輸出，連接到UART。

　　圖4. 解調(diào)波形

　　外部濾波器

　　利用DS8500的數(shù)字功能和內(nèi)置數(shù)字濾波器，只需少數(shù)外部無源器件即可實現(xiàn)調(diào)制解調(diào)功能。

　　從圖5可以看出，在接收和發(fā)送側(cè)只需很少的外部元件，DS8500解調(diào)器只需一個簡單的、截止頻率為10kHz的低通濾波器(R3、C3)和截止頻率為480Hz的高通濾波器(C2、R2)，用于從模擬信號中提取HART信號并分離干擾信號。R1和R2構(gòu)成的分壓電阻為DS8500的接收側(cè)電路提供VREF/2輸入偏置電壓，下列RC值只是一個示例;選擇不同的RC值可以滿足不同應(yīng)用中的低通、高通濾波器的截止頻率要求。

　　外部元件配合內(nèi)部濾波器能夠抑制低頻模擬信號，避免對數(shù)字接收信號的干擾。除此之外，還能夠有效衰減HART頻帶以外的高頻干擾。

　　圖5. 接收/發(fā)送側(cè)的外部元件

　　DS8500從機(jī)或主機(jī)

　　DS8500調(diào)制解調(diào)器可以用于HART通信的從機(jī)側(cè)或主機(jī)側(cè)。典型情況下，在從機(jī)側(cè)，HART調(diào)制解調(diào)器是智能變送單元的一部分;在主機(jī)側(cè)，調(diào)制解調(diào)器是HART主機(jī)調(diào)制解調(diào)器線纜的一部分，將中央控制單元或手持單元連接到電流環(huán)。圖6給出了主機(jī)、從機(jī)以及電流環(huán)之間的接口。

　　圖6. HART裝置連接

　　圖7所示電路采用DS8500作為HART從機(jī)和智能過程發(fā)送器所需的頂層模塊。以溫度變送器為例，變送器的傳感器對系統(tǒng)溫度進(jìn)行測量，以電流或電壓形式將數(shù)據(jù)傳遞給ADC。ADC隨后將這些模擬信號轉(zhuǎn)化成微控制器能夠處理的等效數(shù)字信號。微控制器提供遠(yuǎn)程存儲和計算，典型情況下，微控制器是HART協(xié)議棧的主機(jī)并負(fù)責(zé)協(xié)議實施，還用于處理HART調(diào)制解調(diào)器的數(shù)據(jù)。微控制器提供傳感器校準(zhǔn)、線性化處理和信號調(diào)理。DAC主要用于驅(qū)動電流環(huán)。

　　圖7. DS8500在HART通信的從機(jī)側(cè)。D_IN通過微控制器UART接收數(shù)據(jù)，D_OUT發(fā)送數(shù)據(jù)至UART。/RST提供DS8500復(fù)位;OCD為載波檢測信號，確定解調(diào)器輸入是否存在有效幅度的FSK信號。

　　在主機(jī)側(cè)，DS8500可以作為主機(jī)調(diào)制解調(diào)器的一部分，放置在中心控制單元或手持HART通信機(jī)的位置。圖8所示為主機(jī)側(cè)配置，這種情況下，DS8500通過RS-232串口與PC通信。HART協(xié)議通常由安裝在計算機(jī)上的軟件支持。

　　圖8. DS8500置于HART通信的主機(jī)側(cè)。D_IN通過微控制器的UART接收數(shù)據(jù)，D_OUT發(fā)送數(shù)據(jù)到UART。/RST提供DS8500復(fù)位;OCD為載波檢測信號，確定解調(diào)器輸入是否存在有效幅度的FSK信號。