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本應用筆記介紹如何將DS8500 HART調制解調器用于過程控制應用。本文解釋了如何將DS8500連接至微控制器和4–20mA電流環路，以確保正確的HART通信。

介紹

本應用筆記介紹了用于HART通信的單芯片調制解調器DS8500。本文檔應與DS8500數據資料配合使用。雖然應用的具體要求可能有所不同，但此處所示的參考設計是實現過程控制電路的基本示例。

哈特概述

高速可尋址遠程傳感器（HART）通信是疊加在4–20mA電流環路模擬信號上的數字信號的常用傳輸模式。HART協議基于相位連續頻移鍵控（FSK）技術。位 0 調制為 2200Hz 正弦信號，位 1 調制為 1200Hz 正弦信號，波特率為 1200bps。這兩個頻率可以很容易地疊加在模擬電流環路信號上，該信號在直流至10Hz的范圍內，而不會影響任何一個信號。HART協議的這種獨特性使模擬和數字通信能夠在同一條線上同時進行。

DS8500 HART 調制解調器

DS8500是一款HART調制解調器，為過程控制應用提供相位連續FSK調制和解調。該器件是一款功能豐富的低功耗調制解調器，滿足HART通信基金會設定的物理層規范。DS8500具有許多特性，允許用戶輕松有效地設計需要HART調制解調器的過程控制系統。

可靠的信號檢測

外部元件少

正弦輸出信號

低功耗

標準 3.6864MHz 晶體

內部數字信號處理技術可實現可靠的FSK_IN信號檢測;只需極少的外部元件即可將HART信號與噪聲分離。FSK_OUT是一種正弦信號，可為系統提供最低的諧波失真。

圖1所示為DS8500在智能過程變送器中的頂層框圖。該設計突出了HART調制解調器與其他外部IC之間的接口。

圖1.智能過程變送器采用DS8500 HART調制解調器與系統微控制器通信。

DS8500 基本工作原理

時鐘

DS8500需要3.6864MHz時鐘作為輸入源，精度為±1%，以保證正常工作。圖2所示為時鐘源的典型電路。當 XCEN 設置為高電平時，用戶可以將外部時鐘直接驅動到 XTAL1 引腳上。如果需要外部 3.6864MHz 晶體，則應將 XCEN 設置為低電平，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協議要求信號以特定的11位UART格式進行通信：起始位、8個數據位、一個奇偶校驗位和一個停止位。DS8500的調制器和解調器模塊需要與微控制器UART接口，以滿足協議要求。

在解調器模式下，DS8500需要有效的UART啟動信號來同步數據通信。HART調制解調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的數字信號數據，將其調制為FSK_OUT信號。D_OUT是DS8500的數字信號數據輸出，它已從FSK_IN信號解調。RTS 接收微控制器的請求，以啟動調制解調器的解調（Rx）或調制（Tx）模式。

/RST為DS8500提供復位，并確保所有內部寄存器和濾波器從已知的默認值開始。OCD是一種載波檢測信號，用于確定解調器輸入端有效幅度的FSK信號。OCD上的邏輯高電平表示FSK_IN信號幅度大于120mV;邏輯低電平表示FSK_IN信號幅度小于80mV或沒有載波信號。微控制器可以為DS3提供6864.8500MHz時鐘。

調制器波形

圖3所示為調制模式下的DS8500，其中D_IN是調制解調器的輸入，FSK_OUT是調制輸出。數據以 11 位 UART 格式提供。

圖3.調制器波形。

解調器波形

圖4所示為DS8500在解調模式下，其中FSK_IN是調制解調器的輸入，D_OUT是UART的輸出。

圖4.解調器波形。

外部過濾器

由于DS8500及其內置數字濾波器的數字特性，調制解調器工作所需的外部無源元件數量大大減少。

圖5顯示了接收端和發送端所需的少量外部元件。DS8500中的解調器只需要一個簡單的截止頻率為10kHz的低通濾波器（R3，C3）和一個截止頻率為480Hz的高通濾波器（C2，R2），即可將HART信號與模擬信號和干擾分開。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的接收側電路。下面顯示的 RC 值只是一個示例;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。

這些外部元件和內部濾波器共同抑制低頻模擬信號，防止它們影響數字接收。此外，高頻分量也會衰減，以防止HART擴展頻段以上的干擾。

圖5.接收/發送側外部元件。

DS8500 作為從機或主站

DS8500調制解調器可用于HART通信的從側或主機側。通常，在從機側，HART調制解調器是智能過程變送器單元的一部分;在主站側，調制解調器是HART主調制解調器電纜的一部分，用于將中央控制單元或手持設備連接到電流環路。圖6顯示了主環路、從環路和電流環路之間的接口。

圖6.HART設備連接。

圖7所示為使用DS8500電路的HART從站和智能過程變送器所需的頂級模塊。溫度過程變送器就是該電路的一個例子。過程變送器上的傳感器以電流或電壓為單位測量系統溫度，然后將數據傳遞到ADC。反過來，ADC將這些模擬信號轉換為數字等效信號，供微控制器處理。微控制器提供遠程存儲器和計算能力。微控制器通常托管HART堆棧，并負責協議實現;它還處理來自HART調制解調器的數字數據。微控制器功能還可用于傳感器校準、線性化和信號調理。DAC主要負責驅動電流環路。