什么是 HART 協議？

HART（可尋址遠程傳感器高速通道協議）是一種雙向協議，用于促進智能變送器和主機控制系統之間的通信。在 HART 通信過程中，器件間傳輸的信息包括診斷數據、校準數據、故障排除信息及變送器讀數等內容。例如，溫度傳感器可以向 ADC 發送 7mA 信號，該信號代表 80 華氏度的溫度讀數。

HART 協議可幫助系統操作人員無需親臨現場尋找并測試設備，即可在工廠自動化環境中監測多臺設備。HART 實現的增強通信能力有助于提高工作效率并預測潛在故障，進而節省設計人員的時間和成本。

HART 的工作原理

• HART 傳輸是疊加在 4mA 至 20mA 信號上的移頻鍵控 (FSK) 信號（如圖 1 所示）。
• HART 同時也是半雙工模式，意味著主機可以與現場變送器通信，反之亦然。
• 現場器件向模擬輸入模塊中的數據轉換器發送稱為主變量 (PV) 的 4mA 至 20mA 模擬信號，該信號反映了現場器件所測量的內容（例如溫度、流量或壓力）。
• 像 DAC8740H 這樣的 HART 調制解調器使用移頻鍵控 (FSK) 來對 1.2kHz 或 2.2kHz 信號進行調制/解調，分別代表數字信號中的 1 和 0。數字信號包含來自主機和現場變送器的各類信息，其中包括器件狀態、診斷數據以及其他測量或計算值。

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

為什么在 HART 應用中使用多路復用器？

在系統設計中遇到的一個問題是，如何在不使用多個 HART 調制解調器的情況下增加 HART 網絡中的現場器件數量。傳統的 HART 調制解調器只有一個輸入通道，只能連接一個現場器件。如果系統設計人員希望與多個現場器件通信，就需要使用更多 HART 調制解調器，這不僅成本高昂，而且在設計中實施起來也頗具難度。

多路復用器解決了這個問題，支持設計人員將多個現場器件連接到一個 HART 調制解調器進行通信。這不僅增強了系統的功能，相對于在設計中使用多個 HART 調制解調器，還降低了成本。下面的圖 2 所示為 HART 通信的點對點實現方式，在工業通信系統設計中較為常見。在下圖中，ADC 將 R shunt 兩端的電壓數字化，并計算提供主變量值的智能變送器產生的電流。接著，DAC8740H 的輸入端 (MOD_IN) 對收到的 FSK 信號進行解調，輸出端 (MOD_OUT) 則對 FSK 信號進行調制，以便與現場變送器進行通信。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節點。HART 提供了一種簡單易用、質優價廉且十分可靠的工業通信設計方案。

圖 2 實現電流 AIN HART 信號的多路復用?（點對點）

設計注意事項

• 選擇具有低 Ron 和低 Ron 平坦度的多路復用器。這有助于更大程度減少信號失真，從而確保 HART 通信盡可能準確。
• 由于 HART 為半雙工模式，因此調制解調器的輸入和輸出可以耦合到同一節點，這意味著需要使用單通道多路復用器。接下來，設計人員必須根據要連接到 HART 調制解調器的現場器件數量來選擇多路復用器的輸入數量。例如，如果打算將 16 個器件連接到 HART 調制解調器，則需要使用 16:1 單通道多路復用器（如 CD74HC4067）。
• 很多 TI 模擬開關的帶寬通常在 MHz 范圍內，可以支持 HART 通信，并且模擬開關可以通過 IO 引腳支持 4mA 至 20mA 之間的任何電流。
• 像 DAC8740H 這樣的 HART 調制解調器可采用 2.7V 至 5.5V 的電源供電。設計人員需要選擇能夠在與 HART 調制解調器類似的電源電壓下運行的多路復用器。
• 觀看 TI 高精度實驗室視頻，了解多路復用器參數。
• 在 TI E2E? 設計支持論壇 上向我們提問。

參考資料

• 德州儀器 (TI)，在 4mA 至 20mA 系統中，將 HART 集成到 PLC 模擬輸入模塊以實現實時通信 應用簡報。
• 德州儀器 (TI)，回歸基礎：HART 協議簡介及其工作原理 技術文章。
• 德州儀器 (TI)，HART 協議基本指南 應用手冊。