HART通信智能变送仪表设计方案
摘 要
本文主要针对有线HART通信智能变送仪表，基于SD2057提供的HART调制解调解决方案和SD24A421提供的4-20mA电流环解决方案，参考HCF发布的HART物理层规范，阐述如何将HART信号耦合到4-20mA电流环传输链路中，实现符合HART物理层规范的HART通信智能变送仪表设计。
关键词：HART信号；SD2057；4-20mA；SD24A421；vwin 变化率。
引 言
HART(highway addressable remote transducer，可寻址远程传感器高速通道)通信协议,由美国Rosemount公司于20世纪80年代中期推出，之后又进行了修订和增补，作为开放标准由HART通信基金会HCF向全世界发布，主要用于现场智能变送仪表和控制室系统间进行数字通信。
因兼容传统的4～20mA模拟系统，并弥补了传统模拟系统单向单点传输和校准复杂的缺点，成为离散设备向现场总线发展的过渡产品，现今已被世界上三分之二以上的现场设备所采用，成为智能工业控制领域极为重要的国际标准之一，特别国内在智能控制领域的起步较晚，至少在近二十年间还将保持旺盛的生命力，占有相当的市场份额。
虽然HART7的规范标准已经引入了无线HART的应用，但是目前市场上的HART设备还是以有线为主。
本文以SDIC生产的SD2057 HART芯片和SD24A421 4-20mA DAC输出芯片为例，阐述如何将HART信号耦合到4-20mA电流环传输链路中，实现符合HART物理层规范的HART通信智能变送仪表设计。
电 路 设 计
图1显示采用SD2057和SD24A421设计的HART通信智能变送仪表典型应用电路。
主机发送HART信令从电流环LOOP+端进入HART通信智能变送仪表，经过外围带通滤波到达HART调制解调器SD2057进行解调。
HART通信智能变送仪表应答经SD2057转为HART信号，从SD2057的HART_OUT引脚输出,通过Cc耦合至SD24A421的C3引脚,转换为电流之后，经电流放大器放大之后，通过4-20mA向主机传输。
图1.带HART数字通信功能的典型4-20mA智能变送仪表
HART 信号耦合
图2在图1的基础上，描绘SD24A421的内部等效电路，显示了HART信号具体如何耦合到4-20mA中进行传输。
图2. HART发送信号耦合电路
HART协议是一种通过频移键控（FSK）技术传送数字信号的标准。它利用1200Hz和2200Hz来代表二进制中的1和0，并且这些正弦波信号以1mApp幅度、零直流量的形式叠加在4-20mA电流环上，如图3所示。
图3. HART发送的数字信号
从图2中电路参数可知，电流放大器的放大倍数为:
(1 + R5/R6) = (1 + 93kΩ/46.9Ω) = 1984
所以，在4-20mA中耦合1mApp的HART信号，需要在SD24A421的C3引脚向电流放大器的放大比例电阻R5灌入约500nApp的HART信号。
因SD24A421的C3引脚到电流放大器比例电阻R5有46.5kΩ电阻，等效于此引脚需要23.4mVpp电压输入信号。
从图2的电路可得，当SD2057 HART_OUT输出信号通过Cc输入到SD24A421 C3引脚时，SD24A421的C3引脚的电压可由以下公式计算得到：
VC3 = (XCc×VHART_OUT)/(XCc+(((XC2+R3)//XC3)//R4)) 注1
按HART协议物理层要求，需要一个25Hz的低通滤波，以R2·C2=R3·C3的两级低通RC级联的二阶滤波器(R2=4KΩ, R3=12.5KΩ)，其截止频率为：
f0 ≈ 0.523/(2×π×√(4k×C2×12.5k×C3))
则，C2 ≈ 832nF，C3 ≈ 266nF。可选择常规容值：C2=680nF、C3=220nF，或C2=470nF、C3=150nF。
为满足此要求，f0 = 25Hz，计算得到SD24A421的C2、C3引脚电容可设定为0.47uF和0.15uF。
在SD24A421的C2、C3固定的情况下，XCc可由以下公式计算得到：
XCc = (VC3×(((XC2+R3)//XC3)//R4))/(VHART_OUT -VC3)
因C3在HART通信的1200Hz和2200Hz下的等效阻抗XC3远小于R3和R4，所以可以使用以下的公式近似的求得XCc。
XCc = (VC3×XC3)/(VHART_OUT -VC3)注2
交流电路中电容器的容抗可以使用以下公式表示：
XC = 1/(2×π×f×C)
将此式代入XCc的计算公式，得到Cc可由以下公式进行计算：
Cc = (VC3×C3)/(VHART_OUT -VC3)注2
VHART_OUT=500mVpp，VC3=23.4mVpp，C3=0.15uF，不考虑SD2057输出阻抗的情况下，计算得到Cc = 7.36nF。
因此，可以将SD2057的HART_OUT信号耦合至SD24A421 C3引脚的电容CC设定为接近的标准电容6.8nF或8.2nF。为提高全温度范围内电路系统工作的稳定性，C2/C3/Cc等推荐采用NPO/C0G等低温漂陶瓷电容。
注1 公式中的“+”符合表示电路串联的意思(此公式的衍生公式同此说明)，电路中的电容和电阻串并联计算比较复杂，不能等同简单的加减。
注2 将公式简化计算的前提条件是SD24A421对地的电容C3在HART 1200Hz和2200Hz通信信号下的等效容抗XCc远小于R2、R3和R4，至少需要10倍的量级差距，否则无法使用简化公式计算Cc的容值。
模 拟 变 化 率
当HART通信智能变送仪表发生大幅电流阶跃时，会一定程度的破坏HART信号。HART协议物理层测试规范要求，在HART通信智能变送仪表最大变化率条件下，要求HART信号衰减到145mVpp振幅下，不影响HART通信。
因此，要求在HART通信智能变送仪表发生最大电流阶跃时，500Ω采样电阻的采集信号经过数字滤波器输出幅度不超过150mV峰值电压。
由HCF开发的数字滤波器，为带宽500Hz~10kHz的带通滤波器，10×增益。500Hz以下频率范围二阶滚降(-40dB/10倍频，或-12dB/倍频)，10kHz以上频率一阶滚降(-20dB/10倍频，或-6dB/倍频)。
HART通信智能变送仪表最大电流阶跃量为16mA(即：从4mA阶跃到20mA，或者从20mA阶跃到4mA）。在500Ω采样电阻的条件下，采集到的阶跃信号为8V，此8V的阶跃信号在经过数字滤波器后，要求输出不超过150mV峰值电压(考虑了滤波器10×增益)，那么至少需要将信号衰减55dB。
因此，为了满足HART协议物理层要求，HART通信智能变送仪表直流电流最大跳变等效频率应小于25Hz。
结合SD24A421内部电路，经过计算得到SD24A421的C2、C3引脚电容可设定为0.47uF和0.15uF，以实现近似25Hz的低通滤波。
此电容匹配可以根据计算进行相应的修改调整，但是经过修改调整后，需要对HART耦合的参数也进行相应调整。
小 结
对于智能变送仪表的HART信号耦合，关键的设计要点。
为满足HART协议规范对于模拟变化率的要求，4-20mA输出需要设计25Hz的低通滤波。
为确保HART信号按照HART协议的规范要求，需根据4-20mA电路设计计算得到灌入的HART信号大小，以实现4-20mA输出上耦合1mApp HART通信信号的设计。
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原文标题：智能变送仪表HART信号与4-20mA的耦合
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