A5191HRT型HART调制解调器的原理与应用
作者：北京理工大学电子工程系 顾伟 周建明
摘 要：首先介绍A5191HRT型HART调制解调器的原理。A5191HRT内部集成了符合Bell202标准的较完整的调制解调电路,与微处理器接口方便,便于构建智能现场仪表的HART协议通信模块电路。最后给出某智能现场仪表基于A5191HRT和AD421型电流环数,模转换器的HART协议通信模块设计。
关键词：HART协议;串行通信;频移键控;调制解调器
1 引言
20世纪70年代中期,工业控制仪表发展为统一的二线制4 mA~20 mA电流环标准模拟信号体制。80年代后,数字技术的发展使大量智能控制仪表采用了微控制器(MCU),仪表与控制设备之间传输的信息量增加,迫切需要一种全数字双向通信规范。美国Rose—mount公司制定的HART协议是兼容现行4 mA一20 mA模拟系统的过渡性现场总线标准,得到了非常广泛的应用,成为智能工业控制领域事实上的国际标准。
AMI Semiconductor公司的A5191HRT型HART调制解调器用于构建智能现场仪表的HART协议通信模块,具有外围电路简单和工作可靠性高等特点。
2 HART协议
HART(Highway Addressable Remote Transducer)协议是美国Rose—mount公司于20世纪80年代中期推出的,主要用于现场智能仪表和控制系统间的数字通信。HART协议在低频的4 mA,20 mA模拟信号上叠加音频数字信号,进行双向数字通信．具有同时进行点对点4 mA～20 mA模拟和数字通信、多站通信方式、多种信息传输、开放的体系结构可免费获得等优点。
HART协议参考ISO／OSI模型(开放系统互联模型),采用简化的3层模型结构,即第一层物理层、第二层数据链路层和第七层应用层。物理层规定信号的传输方法,采用基于Bell202标准的FSK频移键控信号,在低频4 mA一20 mA模拟信号上叠加音频数字信号进行双向通信,数字信号幅度为0．5 mA,数据率达1200 b／s,以1200 Hz代表逻辑…1 i,2200 Hz代表逻辑…0 i。FSK频移键控信号波形如图1(a)所示。
数据链路层规定HART协议帧格式．实现建立、维护、终结链路通讯的功能。应用层为HART协议命令集,用于实现HART指令。
HART协议的FSK频移键控信号和4 mA～20mA电流环模拟信号叠加后同时传输的示意图如图1(b)所示。由于FSK信号的平均值为0,所以不影响传送给控制系统的4 mA一20 mA电流环模拟信号的大小．保证了与现有模拟系统的兼容性。
3 A5191HRT的工作原理
3．1 ASl91HRT的性能与引脚功能
A5191HRT是应用于HAftT现场仪表的单片CMOS调制解调器,其主要性能如下：
(1)单片、半双工1200 b／s速率的频移键控(FSK)调制解调器,可替代SYM20C15;
(2)Bell202标准的FSK频移键控信号,载波为1200Hz和2200 Hz;
(3)内部集成了接收带通滤波器电路和发送信号波形整形电路：
(4)外接460．8 kHz晶体或陶瓷滤波器内部时钟振荡器或者使用外部输入时钟;
(5)工作温度范围为一40℃~+85℃;
(6)电源电压为3．O V～5．0 V;
(7)满足HAftr协议物理层的要求;
(8)功耗低。
另外,为了节省功耗,A5191HRT在进行发送操作时可将接收电路关闭,进行接收操作时也可将发送电路关闭．这种工作方式适合于HART协议的半双工通信方式。
A5191HRT采用28引脚PLCC和32引脚LQFP封装,引脚排列如图2所示。
主要引脚的功能如表1所示。
3．2 A5191HRT的内部结构与工作原理
