Umwelteinflüsse können das Signal beeinträchtigen. Um diese Probleme zu beheben, wird für die Datenübertragung üblicherweise der 4-20-mA-Stromschleifenstandard verwendet.
In Stromschleifensystemen ist ein Messumformer mit einem Wandler verbunden, der eine Prozessgröße wie Temperatur, Druck oder Durchfluss überwacht. Der Messumformer ist in Reihe mit einer Gleichstromversorgung geschaltet und wandelt das Ausgangssignal des Wandlers in einen Strom von 4 mA bis 20 mA um. 4-20-mA-Instrumente und -Steuerungen unterstützen typischerweise Alarmsignale für Zustände knapp unter 4 mA und über 20 mA. Bei Messumformern werden Stromwerte unter 4 mA und über 20 mA zur Anzeige eines Fehlers verwendet. Die Empfehlung NE43 wurde entwickelt, um die Fehleranzeige von Messumformern und die Interpretation dieser Signale durch Steuerungssysteme zu standardisieren und so eine bessere analoge Integration zu ermöglichen. Die NE43 definiert 3,8 mA bis 20,5 mA als gültige Messwerte und zeigt Sättigung im Bereich von 3,8 mA bis 4 mA sowie von 20 mA bis 20,5 mA an.
Dank der Verwendung des 4-20-mA-Stromschleifenstandards spielt es keine Rolle, ob die Spannung aufgrund langer Leitungen deutlich abfällt oder die Schleifenspannung durch den Anlauf eines großen Motors an anderer Stelle im Werk schwankt: Der Messumformer hält den Strom für die jeweilige Prozessgröße konstant (siehe Abbildung 1). Ein weiterer Vorteil dieses Standards ist, dass das Gerät auch über die Stromschleife versorgt werden kann. In diesem Fall darf die Stromaufnahme des gesamten Geräts maximal 3,5 mA betragen.
Abbildung 1. 4-20-mA-Stromschleife.
Unter den verschiedenen Kommunikationsprotokollen in der Anlagenautomatisierung zeichnet sich das HART-Protokoll (Highway Addressable Remote Transducer) als beste Gesamtlösung für die digitale Erfassung von Diagnose- und Geräteinformationen bei gleichzeitiger Kompatibilität mit bestehenden 4-20-mA-Automatisierungsarchitekturen aus. Die Standard-HART-Übertragung nutzt Frequenzumtastung (FSK). Die Standard-FSK-Frequenzen betragen 1200 Hz (für Binär 1) und 2200 Hz (für Binär 0), die Übertragungsrate 1200 Bit pro Sekunde. Alternativ zum Standard-FSK-Signal kann ein kohärentes Signal mit 8-Wege-Phasenumtastung (C8PSK) verwendet werden. In diesem Projekt wird das Standard-FSK-Protokoll eingesetzt.
Andere Versionen des Protokolls unterstützen zusätzlich rein sinusförmige oder trapezförmige Signale. Erstere sind gebräuchlicher, während letztere vor allem bei sehr hohen Datenraten zum Einsatz kommen. In diesem Projekt arbeitet das Modem ausschließlich mit einem sinusförmigen Signal. Das resultierende HART-Signal muss gleichstromsymmetrisch sein und darf die analoge Signalgebung in keiner Weise stören.
Das HART-Protokoll basiert auf dem siebenschichtigen OSI-Modell (Open Systems Interconnectivity). Dieses Modell beschreibt sieben Schichten, die Computersysteme zur Kommunikation in einem Netzwerk nutzen. Ein HART-Modem arbeitet auf der physikalischen Schicht (Schicht 1).
HART wurde für industrielle Prozessmess- und -steuerungsanwendungen entwickelt und gilt aufgrund der Kombination von analoger und digitaler Kommunikation als Hybridprotokoll. Es kann eine einzelne Variable über ein analoges 4–20-mA-Signal übertragen und gleichzeitig zusätzliche Informationen in einem digitalen Signal übermitteln. Abbildung 2 zeigt das grundlegende Schema eines HART-Systems.
Abbildung 2. Typisches Beispiel eines HART-Systems.
Das digitale Informationssignal wird mittels Low-Level-Modulation über die Standard-4-20-mA-Stromschleife übertragen. Wichtig ist, dass das digitale Signal die analoge Messung nicht beeinflusst, da es mittels Standardfilterverfahren vom analogen Signal getrennt wird.
Dank seiner integrierten Funktionen und Fähigkeiten bietet der Renesas SLG47011 eine hohe Leistungsfähigkeit in HART-Modem-Anwendungen. Abbildung 3 zeigt das allgemeine Schaltbild des auf dem SLG47011 basierenden Modems. Mit geringfügigen Schaltungsänderungen kann es sowohl als Host (Steuerungs- oder Überwachungssystem) als auch als Feldgerät (Sensor) eingesetzt werden. Neben der grundlegenden Funktionalität für das HART-Modem verfügt der SLG47011 (wie andere GreenPAK-ICs) über zahlreiche weitere Logikblöcke, die zur Implementierung zusätzlicher kundenspezifischer Schaltungen (z. B. eines Watchdog-Timers) verwendet werden können.
Abbildung 3. Allgemeines Schaltbild des HART-Modems basierend auf dem SLG47011.
Das Modem empfängt Signale mit einer Dauer von 833 µs über eine 4-20-mA-Leitung und wandelt diese nach der Filterung mithilfe des UART-Protokolls in Bits um. Ebenso sendet das Modem Signale, die vom UART-Code in eine Sinuswelle umgewandelt und über die 4-20-mA-Leitung übertragen werden.
Abbildung 4 zeigt ein Beispiel für das HART-Protokollsignal.
Details zu den externen analogen Komponenten des HART-Modems
Abbildung 5. Schaltplan des externen analogen Teils des HART-Modems.
Für den ordnungsgemäßen Betrieb und die Einhaltung der offiziellen HART-Standardspezifikation enthält die Schaltung einen aktiven Filter, der Signale außerhalb des Frequenzbereichs von 1200 bis 2200 Hz dämpft. Dadurch wird verhindert, dass Rauschen im Stromkreis die korrekte Demodulation der Pakete beeinträchtigt. Der Operationsverstärker U2 ist als aktiver Bandpassfilter in Sallen-Key-Topologie konfiguriert, um sicherzustellen, dass nur das relevante modulierte Signal zur Weiterverarbeitung an das HART-Modem gesendet wird.
Die Schaltung verfügt über eine Hysterese zur Einstellung der Empfangs-/Sendeschwelle, die durch die Widerstände R3, R4 und R5 gesteuert wird. Die Hysteresewerte wurden gemäß den HART-Spezifikationen berechnet. Der Puffer U1 ist mit dem Ausgang des SLG47011-DAC verbunden und somit vor Lasteinflüssen geschützt. R1, R2 und C3 bilden den Offset des Operationsverstärkers U2. R6, R7 und C4 dienen als Hochpassfilter, während R8 und C5 einen Tiefpassfilter bilden.
Dieses Projekt verwendet einen externen 4-MHz-Takt, um die Spezifikationen zu erfüllen. Dank der Flexibilität des SLG47011 kann jedoch mit geringfügigen Anpassungen auch eine andere Taktfrequenz verwendet werden. Dieses Beispiel ist für den Betrieb des Modems mit einem sinusförmigen Ausgangssignal mit einer Spitze-Spitze-Amplitude von 500 mV ausgelegt. Da dieser Wert in den Spezifikationen nicht standardisiert ist, kann die Amplitude problemlos an die Bedürfnisse des jeweiligen Projekts angepasst werden.
Jeder kostengünstige Verstärker mit einer Bandbreite von mindestens 10 kHz und einem Ausgangsstrom von mehr als 1 mA kann als externer Operationsverstärker verwendet werden. Der Wert der Eingangs-Offsetspannung ist nicht kritisch.
GreenPAK-Design:
Das SLG47011-basierte HART-Modem kombiniert Stromschleifen-Signalmodulation und -demodulation. Abbildung 6 zeigt das interne Layout des Modems im Go Configure Software Hub.
Abbildung 6. Gehen Sie zu „Konfigurieren“ > „HART-Modem-Schaltplan“
FSK)
zur Datenkodierung und -übertragung, genauer gesagt ein 1200-Hz-Signal für eine binäre „1“ und ein 2200-Hz-Signal für eine binäre „0“. Zunächst sendet der Host ein aktiv-niedriges Sendeanforderungssignal (RTS), um den Modulationsmodus zu aktivieren. CNT7/DLY7 und CNT6/DLY6 werden nach Empfang dieses Signals aktiviert.
Wird eine logische Null an Pin 4 gesendet, gibt die 4-Bit-LUT1 ein 222-kHz-Signal von CNT7/DLY7 aus. Liegt hingegen eine logische Eins an Pin 4 an, gibt sie ein 121-kHz-Signal von CNT6/DLY6 aus. Der Speicherkontrollzähler zählt von 0 bis 100, was 101 Abtastwerten einer Sinuswelle entspricht und die vom HART-Protokoll benötigten Frequenzen bereitstellt.
Die ROM-Tabelle speichert die Werte zur Erzeugung der Sinuswelle. Der DAC wandelt diese digitalen Daten aus dem ROM in ein Sinussignal (ohne Phasenverschiebung) um. Dieses Signal wird anschließend über einen Puffer dem aktuellen Schleifensignal hinzugefügt.
Um die Taktfrequenz des Modulators zu ändern, muss die Anzahl der Abtastwerte, in die die erzeugte Sinuswelle unterteilt wird, neu berechnet werden. Folglich müssen in der Speichertabelle neue Werte für die geänderten Daten berechnet werden. Zusätzlich müssen basierend auf der neuen Abtastwertanzahl neue Zählerdatenwerte für CNT/DLY6 und CNT/DLY7 ausgewählt werden.
Abbildung 7 zeigt die Signalverläufe für die Übertragung modulierter Daten.
Kanal 1 (gelb/oberste Linie) – HART OUT.
Kanal 2 (hellblau/zweite Linie) – PIN 4 (DATA IN).
Kanal 3 (magenta/dritte Linie) – PIN 3 (RTS).
Abbildung 7. Senden von Daten an die aktuelle Schleife (die Daten sind 0x11)
Demodulator:
In diesem Modus ist das RTS-Signal des Hosts auf HIGH gesetzt, wodurch die analogen Blöcke des Demodulators (PGA und ACMP) aktiviert werden. Das gefilterte Stromschleifensignal wird an den Differenzeingang des programmierbaren Verstärkers (PGA) gesendet, der das Signal um 4 Ω verstärkt. Anschließend vergleicht der analoge Komparator (ACMP) dieses Signal mit der Referenzspannung eines externen Spannungsteilers. Die Demodulation beginnt, sobald der SLG47011 ein 1200/2200-Hz-Signal mit einer Eingangsspannung (VIN) von > 120 mV (Spitze-Spitze) erkennt (umgekehrt wird ein sinusförmiges Signal mit einer Eingangsspannung (VIN) < 80 mV ignoriert). Diese Amplitudenwerte entsprechen den Anforderungen der HART-Spezifikation, und die SLG47011-basierte Lösung erfüllt diese Spezifikation.
Die Verzögerung CNT2/DLY2 entfernt Rauschen vom Komparatorausgang, während P DLY als Flankendetektor dient. Die Verzögerung CNT3/DLY3 und das DFF21 ermitteln, welche von zwei bekannten Frequenzen am Eingang anliegt. Eine logische Null am DFF-Ausgang signalisiert eine Eingangsfrequenz von 2200 Hz, eine logische Eins hingegen 1200 Hz. Die Verzögerung CNT4/DLY4 und das DFF22 ermitteln, ob ein Sinussignal am Eingang anliegt. Eine logische Eins am DFF-Ausgang zeigt das Vorhandensein eines Eingangssignals an, eine logische Null dessen Fehlen. Gleichzeitig informiert das OCD-Signal (Ausgangsträgererkennung) an Pin 6 den Host über die Trägererkennung. Das One-Shot-Signal (CNT12/DLY12) erzeugt ein 820 µs langes Ausgangssignal, das über Pin 8 an den Dateneingang des Hosts gesendet wird.
Pin 13 (gesteuert durch die 3-Bit-LUT4) und Pin 16 sorgen im Demodulationsmodus für die Hysterese des ACMPH. Im Modulationsmodus ist der Referenzteiler zur Reduzierung des Stromverbrauchs von der Stromversorgung getrennt.
Abbildung 8 zeigt die Signalverläufe für den Datenempfang.
Kanal 1 (gelb/oberste Linie) – HART IN.
Kanal 2 (hellblau/zweite Linie) – Pin 8 (DATA OUT).
Kanal 3 (magenta/dritte Linie) – Pin 6 (OCD).
Abbildung 8. Datenempfang in der Stromschleife
Zusammenfassung:
Dieser Artikel analysierte die Verwendung des integrierten Schaltkreises SLG47011 zur Implementierung eines HART-Modems, das sowohl die Modulation als auch die Demodulation des HART-Signals übernimmt. Das Design erfüllt die HART-Zertifizierungsanforderungen, kann aber bei Bedarf an die spezifischen Anforderungen jedes Projekts angepasst werden. Zu den Hauptvorteilen des SLG47011 zählen geringer Stromverbrauch, Flexibilität, kompakte Bauweise und zuverlässige Leistung. Dadurch ist er eine praktische Wahl für HART-konforme Anwendungen. Weitere Informationen und Testhinweise finden Sie im Video zur Labordemonstration. Das Handbuch zum Renesas HART Modem Demo Board ist eine hilfreiche Ressource zur Evaluierung der Modemfunktion.
Autor: Marian Hryntsiv, Senior Technical Documentation Applications Engineer, Renesas Electronics, Lviv, Ukraine
