什么是 HART 協(xié)議？

HART（可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道協(xié)議）是一種雙向協(xié)議，用于促進(jìn)智能變送器和主機(jī)控制系統(tǒng)之間的通信。在 HART 通信過程中，器件間傳輸?shù)男畔ㄔ\斷數(shù)據(jù)、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)、故障排除信息及變送器讀數(shù)等內(nèi)容。例如，溫度傳感器可以向 ADC 發(fā)送 7mA 信號(hào)，該信號(hào)代表 80 華氏度的溫度讀數(shù)。

HART 協(xié)議可幫助系統(tǒng)操作人員無需親臨現(xiàn)場(chǎng)尋找并測(cè)試設(shè)備，即可在工廠自動(dòng)化環(huán)境中監(jiān)測(cè)多臺(tái)設(shè)備。HART 實(shí)現(xiàn)的增強(qiáng)通信能力有助于提高工作效率并預(yù)測(cè)潛在故障，進(jìn)而節(jié)省設(shè)計(jì)人員的時(shí)間和成本。

HART 的工作原理

• HART 傳輸是疊加在 4mA 至 20mA 信號(hào)上的移頻鍵控 (FSK) 信號(hào)（如圖 1 所示）。
• HART 同時(shí)也是半雙工模式，意味著主機(jī)可以與現(xiàn)場(chǎng)變送器通信，反之亦然。
• 現(xiàn)場(chǎng)器件向模擬輸入模塊中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器發(fā)送稱為主變量 (PV) 的 4mA 至 20mA 模擬信號(hào)，該信號(hào)反映了現(xiàn)場(chǎng)器件所測(cè)量的內(nèi)容（例如溫度、流量或壓力）。
• 像 DAC8740H 這樣的 HART 調(diào)制解調(diào)器使用移頻鍵控 (FSK) 來對(duì) 1.2kHz 或 2.2kHz 信號(hào)進(jìn)行調(diào)制/解調(diào)，分別代表數(shù)字信號(hào)中的 1 和 0。數(shù)字信號(hào)包含來自主機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)變送器的各類信息，其中包括器件狀態(tài)、診斷數(shù)據(jù)以及其他測(cè)量或計(jì)算值。

圖 1 HART 通信 - 4mA 至 20mA 信號(hào)上的移頻鍵控 (FSK)

為什么在 HART 應(yīng)用中使用多路復(fù)用器？

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中遇到的一個(gè)問題是，如何在不使用多個(gè) HART 調(diào)制解調(diào)器的情況下增加 HART 網(wǎng)絡(luò)中的現(xiàn)場(chǎng)器件數(shù)量。傳統(tǒng)的 HART 調(diào)制解調(diào)器只有一個(gè)輸入通道，只能連接一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)器件。如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員希望與多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)器件通信，就需要使用更多 HART 調(diào)制解調(diào)器，這不僅成本高昂，而且在設(shè)計(jì)中實(shí)施起來也頗具難度。

多路復(fù)用器解決了這個(gè)問題，支持設(shè)計(jì)人員將多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)器件連接到一個(gè) HART 調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行通信。這不僅增強(qiáng)了系統(tǒng)的功能，相對(duì)于在設(shè)計(jì)中使用多個(gè) HART 調(diào)制解調(diào)器，還降低了成本。下面的圖 2 所示為 HART 通信的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)方式，在工業(yè)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中較為常見。在下圖中，ADC 將 R shunt 兩端的電壓數(shù)字化，并計(jì)算提供主變量值的智能變送器產(chǎn)生的電流。接著，DAC8740H 的輸入端 (MOD_IN) 對(duì)收到的 FSK 信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，輸出端 (MOD_OUT) 則對(duì) FSK 信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，以便與現(xiàn)場(chǎng)變送器進(jìn)行通信。最后，由于 HART 為半雙工模式，因此輸入和輸出可以耦合到同一個(gè)節(jié)點(diǎn)。HART 提供了一種簡(jiǎn)單易用、質(zhì)優(yōu)價(jià)廉且十分可靠的工業(yè)通信設(shè)計(jì)方案。

圖 2 實(shí)現(xiàn)電流 AIN HART 信號(hào)的多路復(fù)用?（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)）

設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

• 選擇具有低 Ron 和低 Ron 平坦度的多路復(fù)用器。這有助于更大程度減少信號(hào)失真，從而確保 HART 通信盡可能準(zhǔn)確。
• 由于 HART 為半雙工模式，因此調(diào)制解調(diào)器的輸入和輸出可以耦合到同一節(jié)點(diǎn)，這意味著需要使用單通道多路復(fù)用器。接下來，設(shè)計(jì)人員必須根據(jù)要連接到 HART 調(diào)制解調(diào)器的現(xiàn)場(chǎng)器件數(shù)量來選擇多路復(fù)用器的輸入數(shù)量。例如，如果打算將 16 個(gè)器件連接到 HART 調(diào)制解調(diào)器，則需要使用 16:1 單通道多路復(fù)用器（如 CD74HC4067）。
• 很多 TI 模擬開關(guān)的帶寬通常在 MHz 范圍內(nèi)，可以支持 HART 通信，并且模擬開關(guān)可以通過 IO 引腳支持 4mA 至 20mA 之間的任何電流。
• 像 DAC8740H 這樣的 HART 調(diào)制解調(diào)器可采用 2.7V 至 5.5V 的電源供電。設(shè)計(jì)人員需要選擇能夠在與 HART 調(diào)制解調(diào)器類似的電源電壓下運(yùn)行的多路復(fù)用器。
• 觀看 TI 高精度實(shí)驗(yàn)室視頻，了解多路復(fù)用器參數(shù)。
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參考資料

• 德州儀器 (TI)，在 4mA 至 20mA 系統(tǒng)中，將 HART 集成到 PLC 模擬輸入模塊以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信 應(yīng)用簡(jiǎn)報(bào)。
• 德州儀器 (TI)，回歸基礎(chǔ)：HART 協(xié)議簡(jiǎn)介及其工作原理 技術(shù)文章。
• 德州儀器 (TI)，HART 協(xié)議基本指南 應(yīng)用手冊(cè)。