基于A5191 HRT与SD2421带HART协议智能变送器解决方案 |
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摘 要：本文主要针对某带HART通讯现场仪表远程通信模块的设计与实现的要求，基于A5191 HRT提供的HART调制解调解决方案和SD2421提供的4~20mA电流环解决方案，完成带HART协议智能变送器的软硬件设计。
关键词：HART协议；A5191 HRT；SD2015;4~20mA电流环； SD2421
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rose-mount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，主要用于现场智能仪表和控制室系统间进行数字通信。由于兼容传统的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度产品，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事实上的国际标准，并在之后的一、二十年间还将保持旺盛的生命力，占有相当的市场份额。
在研制某智能现场仪表的过程中，使用单片HART调制解调器A5191 HRT和数模转换器SD2421设计实现了其中的HART协议远程通信模块，具有高精度、低功耗、低成本、工作可靠性高的优点。
A5191HRT介绍：
A5191HRT是AMI公司推出的单片HART调制解调器，采用相位连续的FSK半双工工作方式，数据率为1200bps。以下为其主要的功能特点：
1、 单芯片、半双工1200b/s 的FSK 调制解调器
2、 符合Bell202 标准，载波为1200Hz 和2200Hz
3、 工作电压3.0V～5.5V
4、 3V/3.3V/5V稳压器输出
5、 内部集成接收滤波器,以及输出HART波形整形电路
6、 可外接460.8kHz晶体或陶瓷谐振器或使用外部时钟源
7、 工业级工作温度:-40℃～+85℃
8、 28 脚PLCC 、32 脚LQFP封装以及32 脚QFN封装
9、 满足 RoHS 环保要求
A5191HRT管脚描述：
图1.A5191HRT管脚图
SD2421介绍：
SD2421是SDIC公司研制和生产的高精度、低功耗的4~20mA的D/A转换芯片，以下为其主要特点：
1、 4-20mA电流输出
2、 16位分辨率和单调性
3、 ±0.01%积分非线性
4、 3V/3.3V/5V稳压器输出
5、 2.5V和1.25V精密基准电压源输出
6、 最大静态电流520uA
7、 兼容HART通信协议
8、 灵活的抗扰串行接口
9、 可编程报警电流能力
10、 过流保护以及短路保护
11、 16引脚0.3英寸SOIC和PDIP封装
12、 -40℃至+85℃工业级工作温度范围
A5191HRT管脚描述：
图2.SD2421管脚图
VREF1：片内1.25V基准电压输出端。
VREF2：片内2.5V基准电压输出端。
VREF IN：基准电压输入端。
LV：稳压器输出（VCC）电压控制输入端。LV接COM，VCC=5V；LV通过0.01uF电容接VCC，VCC=3.3V；LV接VCC，则VCC=3V。
LATCH：DAC锁存控制逻辑输入端，LATCH信号上升沿将串行输入移位寄存器中的数据载入到DAC锁存器，更新DAC输出。
CLOCK：时钟输入端，DATA端上的数据在此CLOCK信号的上升沿逐个输入移位寄存器。
DATA：数据输入端，SD2421输入移位寄存器的数据从此端口加入，数据在CLOCK输入信号的上升沿必须有效。
LOOP RTN：电流环路中电流的返回端。
COM：芯片公共地，是SD2421模拟和数字输入输出以及稳压器输出的参考电位。
C3：外接滤波电容端。
C2：外接滤波电容端。
C1：外接滤波电容端。
DRIVE：内部稳压器驱动输出端，此信号负责驱动外部的调整管，建立相应的VCC电压。
COMP：外接补偿电容输入端。
BOOST：内部功率管的电流流入端。
VCC：芯片供电电源输入端，由外部的调整管供给。
电路设计：
图3.电路图
电路中的VCC由SD2421控制调整管Q1产生，可用于系统中其他电路供电。调整管Q1必须采用耗尽型的MOS管，可使用DN25D或BSP129。加上3.9V的稳压管D3可以防止某些情况下的上电冲击，防止电路出现故障时产生高压。二极管D2可防止外部输入的环路电源极性接反。电路中的2.5V和1.25V基准电压也由SD2421产生，可作为系统中传感器或A/D转换芯片的参考电压。SD2421管脚C1、C2、C3连接的电容建议采用NPO（或CG0）材质的陶瓷电容。C16（2.2uF），C17(4.7uF)，C28(4.7uF)建议采用钽电容。
A5191 HRT内部集成了符合bell202标准的调制器、解调器、接收滤波器、发送信号整形电路、载波检测等电路，由于A5191 HRT的这些特点，设计时如图3，需要的基准电压可以由SD2421 REFOUT1提供（当然也可使用REFOUT2，使用REFOUT2时改变R4和R8的电阻比例即可，推荐R4改为6.98k），其他则只使用一些外部无源元件，就能完成满足HART协议物理层要求的电路设计。
SD2421是SDIC公司推出的单片高性能数模转换器，只需外接一个FET调整管和少量的无源器件，控制器通过三线接口CLOCK、DATA和LATCH写入相应16位数字码，即可输出对应的16位分辨率4～20mA模拟电流。
HART信号通过C4与SD2421的C3引脚连接的电容分压，在C3引脚形成一个输入电压。经过芯片内部产生一个基准电流，放大N倍后叠加到环路上，即可在环路上产生1mA峰峰值的电流信号。从而将HART信号以1mA峰峰值零平均值形式叠加到环路上，通过环路传输，使得整个系统实现数字和模< |
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