Наличие внешних помех также может негативно влиять на сигнал. Для решения этих проблем обычно используется стандарт токового контура 4-20 мА для передачи данных.
В системах с токовым контуром передатчик подключается к преобразователю, который контролирует технологическую переменную, такую как температура, давление или расход. Передатчик подключается последовательно с источником постоянного тока и преобразует выходной сигнал преобразователя в ток в диапазоне от 4 мА до 20 мА. Приборы и системы управления 4-20 мА обычно поддерживают сигналы тревоги при значениях тока немного ниже 4 мА и выше 20 мА. Для передатчиков значения тока ниже 4 мА и выше 20 мА используются для индикации неисправности. Рекомендация NE43 была создана для стандартизации способов индикации неисправностей передатчиками и интерпретации этих сигналов системами управления, что способствует лучшей интеграции аналоговых сигналов. В стандарте NE43 допустимыми значениями измерения считаются значения от 3,8 мА до 20,5 мА, что указывает на насыщение в диапазоне от 3,8 мА до 4 мА и от 20 мА до 20,5 мА.
Благодаря использованию стандарта токовой петли 4-20 мА, даже если напряжение значительно падает из-за длинных проводов или если напряжение петли колеблется из-за запуска большого двигателя в другом месте на заводе, это не имеет значения: передатчик будет поддерживать постоянный ток для заданной переменной процесса (см. рис. 1). Еще одна особенность этого стандарта заключается в том, что устройство также может питаться от токовой петли. В этом случае потребление тока всем устройством должно составлять максимум 3,5 мА.
Рисунок 1. Токовая петля 4-20 мА.
Среди различных протоколов связи в автоматизации производства протокол HART (Highway Addressable Remote Transducer) выделяется как наилучшее комплексное решение для получения диагностической и аппаратной информации в цифровом формате, сохраняя при этом совместимость с устаревшими архитектурами автоматизации 4-20 мА. Стандартная передача HART использует частотную манипуляцию (FSK). Стандартные частоты протокола FSK составляют 1200 Гц (для двоичной единицы) и 2200 Гц (для двоичного нуля), а скорость передачи данных — 1200 бит в секунду. Альтернативой стандартному сигналу FSK является когерентный сигнал с 8-сторонней фазовой манипуляцией (C8PSK). В этом проекте используется стандартный протокол FSK.
Другие версии протокола добавляют поддержку чисто синусоидального или трапецеидального сигнала. Первый встречается чаще, а второй используется в основном тогда, когда требуется очень высокая скорость передачи данных. В этом проекте модем работает только с синусоидальным сигналом. Получаемый передаваемый сигнал HART должен быть сбалансирован по постоянному току и никоим образом не должен создавать помехи для аналоговой сигнализации.
Протокол HART соответствует семиуровневой модели взаимодействия открытых систем (OSI). Модель OSI описывает семь уровней, которые компьютерные системы используют для связи по сети. Модем HART работает на физическом уровне (уровень 1).
Разработанный для приложений измерения и управления промышленными процессами, HART считается гибридным протоколом благодаря сочетанию аналоговой и цифровой связи. Он может передавать одну переменную с помощью аналогового сигнала 4–20 мА, одновременно передавая дополнительную информацию в цифровом сигнале. На рисунке 2 показана базовая схема системы HART.
Рисунок 2. Типичный пример системы HART.
Цифровой информационный сигнал передается с использованием низкоуровневой модуляции, наложенной на стандартную токовую петлю 4-20 мА. Важно отметить, что цифровой сигнал не влияет на аналоговое показание, поскольку он отделяется от аналогового сигнала с помощью стандартных методов фильтрации.
Благодаря своим интегрированным функциям и возможностям, Renesas SLG47011 обеспечивает эффективную работу в приложениях HART-модемов. На рисунке 3 показана общая схема модема на основе SLG47011. С небольшими изменениями схемы он может функционировать как в качестве хоста (системы управления или мониторинга), так и в качестве полевого устройства (датчика). Следует также отметить, что, помимо обеспечения базовой функциональности для HART-модема, SLG47011 (как и другие интегральные схемы GreenPAK) имеет множество других логических блоков, которые могут быть использованы для реализации дополнительной схемы, определяемой заказчиком (например, сторожевого таймера и т. д.).
Рисунок 3. Общая схема HART-модема на базе SLG47011.
Модем принимает сигналы длительностью 833 мкс по линии 4-20 мА и после фильтрации преобразует их в биты с помощью протокола UART. Аналогичным образом модем отправляет сигналы, а код UART преобразует их в синусоидальный сигнал и отправляет по линии 4-20 мА.
На рисунке 4 показан пример сигнала протокола HART.
Подробная информация о внешних аналоговых компонентах HART-модема
Рисунок 5. Схема внешней аналоговой секции HART-модема.
Для корректной работы и соответствия официальной спецификации стандарта HART схема включает активный фильтр, ослабляющий сигналы вне диапазона 1200–2200 Гц. Это предотвращает влияние шума в токовой петле на правильную демодуляцию пакетов. Операционный усилитель U2 сконфигурирован как активный полосовой фильтр с использованием топологии Саллена-Кея, что гарантирует передачу на HART-модем для дальнейшей обработки только соответствующего модулированного сигнала.
Схема также включает гистерезис для регулировки порога приема/отклонения, управляемый резисторами R3, R4 и R5. Значения гистерезиса рассчитаны в соответствии с требованиями спецификации HART. Буфер U1 подключен к выходу ЦАП SLG47011, предотвращая его влияние на нагрузку. Резисторы R1, R2 и конденсатор C3 образуют смещение операционного усилителя U2. Резисторы R6, R7 и конденсатор C4 используются в качестве фильтра верхних частот, а резисторы R8 и конденсатор C5 образуют фильтр нижних частот.
В этом проекте используется внешний тактовый сигнал частотой 4 МГц для соответствия требованиям спецификации. Однако благодаря гибкости SLG47011 можно использовать другую тактовую частоту с небольшими изменениями в конструкции. Кроме того, этот пример разработан для работы модема с синусоидальным выходным сигналом с амплитудой 500 мВ. Поскольку это значение не стандартизировано в спецификации, амплитуду можно легко отрегулировать в соответствии с потребностями любого конкретного проекта.
В качестве внешнего операционного усилителя можно использовать любой недорогой усилитель с полосой пропускания не менее 10 кГц и выходным током более 1 мА. Значение входного напряжения смещения не является критическим.
Конструкция GreenPAK:
HART-модем на базе SLG47011 сочетает в себе модуляцию сигнала в токовом контуре и демодуляцию. На рисунке 6 показана внутренняя компоновка модема в программном центре Go Configure.
Рисунок 6. Перейдите в раздел «Настройка» > «Схема HART-модема»
FSK)
для кодирования и передачи данных, в частности, сигнал с частотой 1200 Гц для двоичной «единицы» и сигнал с частотой 2200 Гц для двоичного «нуля». Сначала хост передает сигнал запроса на отправку (RTS) с активным низким уровнем, активируя режим модуляции. При получении этого сигнала активируются CNT7/DLY7 и CNT6/DLY6.
Если на вывод 4 поступает логический ноль, 4-битная таблица поиска LUT1 выдает сигнал с частотой 222 кГц через CNT7/DLY7. Если на выводе присутствует логическая единица, вместо этого он выдает сигнал с частотой 121 кГц через CNT6/DLY6. Счетчик управления памятью считает от 0 до 100, что соответствует 101 отсчету синусоидального сигнала, обеспечивая частоты, необходимые для протокола HART.
В таблице ПЗУ хранятся значения для генерации синусоидального сигнала, а ЦАП преобразует эти цифровые данные из ПЗУ в синусоидальный сигнал (без фазового сдвига). Затем этот сигнал добавляется к сигналу текущей петли через буфер.
Для изменения тактовой частоты модулятора необходимо пересчитать количество отсчетов, на которые будет разделена генерируемая синусоида. Следовательно, в таблице памяти необходимо рассчитать новые значения для измененных данных. Кроме того, для CNT/DLY6 и CNT/DLY7 необходимо выбрать новые значения данных счетчика на основе нового количества отсчетов. На
рисунке 7 показаны формы сигналов для передачи модулированных данных.
Канал 1 (желтый/верхняя линия) – HART OUT.
Канал 2 (светло-голубой/вторая линия) – вывод 4 (DATA IN).
Канал 3 (пурпурный/третья линия) – вывод 3 (RTS).
Рисунок 7. Отправка данных в текущий цикл (данные равны 0x11)
Демодулятор:
В этом режиме сигнал RTS хоста находится в высоком состоянии, что активирует аналоговые блоки демодулятора (PGA и ACMP). Отфильтрованный сигнал токовой петли подается на дифференциальный вход программируемого усилителя (PGA), который усиливает сигнал на 4 Ом. Затем аналоговый компаратор (ACMP) сравнивает этот сигнал с опорным напряжением, подаваемым внешним делителем. Демодуляция начинается, как только SLG47011 обнаруживает сигнал 1200/2200 Гц с амплитудой VIN > 120 мВ на линии (противоположно, синусоидальный сигнал с амплитудой VIN < 80 мВ будет игнорироваться). Эти значения амплитуды взяты в соответствии с требованиями спецификации HART, и решение на основе SLG47011 соответствует этой спецификации.
Задержка CNT2/DLY2 удаляет шум с выхода компаратора, а P DLY действует как детектор фронта. Задержка CNT3/DLY3 и DFF21 определяют, какая из двух известных частот присутствует на входе; в частности, логический ноль на выходе DFF указывает на входную частоту 2200 Гц, а логическая единица — на 1200 Гц. Задержка CNT4/DLY4 и DFF22 определяют, присутствует ли синусоидальный сигнал на входе. Логическая единица на выходе DFF указывает на наличие входного сигнала, а логический ноль — на его отсутствие. Одновременно сигнал OCD (обнаружение несущей на выходе) на выводе 6 сообщает хосту о том, что несущая обнаружена. Сигнал One Shot (CNT12/DLY12) генерирует выходной сигнал длительностью 820 мкс, который передается через вывод 8 на вход данных хоста.
Вывод 13 (управляемый 3-битной таблицей LUT4) и вывод 16 обеспечивают гистерезис для ACMPH в режиме демодуляции. В режиме модуляции делитель опорного напряжения отключается от источника питания для снижения энергопотребления.
На рисунке 8 показаны осциллограммы приема данных.
Канал 1 (желтый/верхняя строка) – вход HART.
Канал 2 (светло-голубой/вторая строка) – вывод 8 (выход данных).
Канал 3 (пурпурный/третья строка) – вывод 6 (OCD).
Рисунок 8. Прием данных по токовой петле
Заключение.
В данной статье проанализировано, как интегральная микросхема SLG47011 может быть использована для реализации HART-модема, обрабатывающего как модуляцию, так и демодуляцию сигнала HART. Конструкция соответствует требованиям сертификации HART, но может быть скорректирована по мере необходимости в соответствии со специфическими требованиями каждого проекта. Основные преимущества использования SLG47011 включают низкое энергопотребление, гибкость, компактные размеры и надежную работу, что делает ее практичным выбором для приложений, совместимых с HART. Для получения дополнительной информации и тестирования, пожалуйста, обратитесь к демонстрационному видео. Руководство по демонстрационной плате HART-модема Renesas является полезным ресурсом для оценки работы модема.
Автор: Мариан Гринцив, старший инженер по технической документации и применению продукции, Renesas Electronics, Львов, Украина.
