环境干扰也会对信号产生负面影响。为了解决这些问题，4-20 mA 电流环路标准通常用于数据传输。
在电流环路系统中，变送器连接到传感器，用于监测过程变量，例如温度、压力或流量。变送器与直流电源串联，并将传感器的输出转换为 4 mA 至 20 mA 的电流。4-20 mA 仪表和控制器通常支持略低于 4 mA 和高于 20 mA 的报警信号。对于变送器而言，低于 4 mA 和高于 20 mA 的电流值用于指示故障。NE43 建议书旨在规范变送器如何指示故障以及控制系统应如何解释这些信号，从而促进更好的模拟集成。NE43 将 3.8 mA 至 20.5 mA 定义为有效测量值，其中 3.8 mA 至 4 mA 和 20 mA 至 20.5 mA 表示饱和。

由于采用了 4-20 mA 电流环路标准，即使由于长导线导致电压显著下降，或者由于工厂其他位置启动了大型电机而导致环路电压波动，也无需担心：变送器仍能为给定的过程变量保持恒定电流（参见图 1）。该标准的另一个特点是，设备也可以由电流环路供电。在这种情况下，整个设备的电流消耗必须最大为 3.5 mA。.

图 1. 4-20 mA 电流环路。
在工厂自动化领域，HART（高速可寻址远程传感器）协议因其能够以数字格式获取诊断和设备信息，同时保持与传统 4-20 mA 自动化架构的兼容性，而脱颖而出，成为最佳的综合解决方案。标准 HART 传输采用频移键控 (FSK) 调制。标准 FSK 协议频率为 1200 Hz（二进制 1）和 2200 Hz（二进制 0），通信速率为 1200 比特/秒。标准 FSK 信号的替代方案是采用 8 路相移键控 (C8PSK) 的相干信号。本项目采用标准 FSK 协议。
该协议的其他版本还支持纯正弦波或梯形波信号。前者更为常见，而后者主要用于需要极高数据速率的场合。在本项目中，调制解调器仅支持正弦波信号。最终发送的 HART 信号必须是直流平衡的，并且不得以任何方式干扰模拟信号。

HART 协议遵循七层开放系统互连 (OSI) 协议模型。OSI 模型描述了计算机系统用于网络通信的七个层。HART 调制解调器工作在物理层（第 1 层）。HART
专为工业过程测量和控制应用而设计，由于其结合了模拟和数字通信，因此被认为是一种混合协议。它可以使用 4–20 mA 的模拟信号传输单个变量，同时以数字信号的形式传输附加信息。图 2 显示了 HART 系统的基本原理图。

图 2 展示了一个典型的 HART 系统示例。
数字信息信号采用低电平调制叠加在标准的 4-20 mA 电流环路上进行传输。值得注意的是，数字信号不会影响模拟读数，因为它通过标准滤波技术与模拟信号分离。
凭借其集成特性和功能，瑞萨电子的 SLG47011 在 HART 调制解调器应用中表现出色。图 3 显示了基于 SLG47011 的调制解调器的总体原理图。只需对电路进行少量修改，它即可同时作为主机（控制或监控系统）和现场设备（传感器）使用。此外，除了提供 HART 调制解调器的基本功能外，SLG47011（与其他 GreenPAK 集成电路一样）还包含许多其他逻辑模块，可用于实现客户自定义的电路（例如看门狗定时器等）。

图 3. 基于 SLG47011 的 HART 调制解调器的总体原理图。
该调制解调器通过 4-20 mA 线路接收持续时间为 833 μs 的信号，经过滤波后，使用 UART 协议将其转换为比特流。同样，该调制解调器发送信号，UART 代码将其转换为正弦波并发送到 4-20 mA 线路。

图 4 显示了一个 HART 协议信号的示例。.

HART调制解调器外部模拟组件的详细信息

图 5. HART 调制解调器外部模拟电路原理图。
为了确保正常工作并符合 HART 标准规范，该电路包含一个有源滤波器，用于衰减 1200 至 2200 Hz 范围之外的信号。这可以防止电流环路中的噪声影响数据包的正确解调。运算放大器 U2 配置为使用 Sallen-Key 拓扑结构的有源带通滤波器，确保只有相关的调制信号被发送到 HART 调制解调器进行进一步处理。

该电路还具有迟滞功能，用于调节接收/抑制阈值，由电阻 R3、R4 和 R5 控制。迟滞值经过计算，以满足 HART 规范的要求。缓冲器 U1 连接到 SLG47011 DAC 的输出端，防止其受到负载的影响。R1、R2 和 C3 构成运算放大器 U2 的偏移。R6、R7 和 C4 用作高通滤波​​器，而 R8 和 C5 构成低通滤波器。
本项目使用外部 4 MHz 时钟以满足规范要求。然而，由于 SLG47011 的灵活性，只需对设计进行少量修改即可使用不同的时钟频率。此外，本示例设计用于调制解调器在峰峰值幅度为 500 mV 的正弦波输出下工作。由于该值在规范中未标准化，因此可以轻松调整幅度以满足任何特定项目的需求。
任何带宽至少为 10 kHz、输出电流大于 1 mA 的低成本放大器均可用作外部运算放大器。输入失调电压值并不关键。

GreenPAK 设计：
基于 SLG47011 的 HART 调制解调器集成了电流环路信号调制和解调功能。图 6 显示了 Go Configure 软件中心中该调制解调器的内部布局。

图 6. 转到“配置”>“HART 调制解调器原理图”

FSK)
进行数据编码和传输，具体来说，二进制“1”使用 1200 Hz 信号，二进制“0”使用 2200 Hz 信号。首先，主机发送一个低电平有效的请求发送 (RTS) 信号，激活调制模式。接收到此信号后，CNT7/DLY7 和 CNT6/DLY6 被激活。
如果引脚 4 接收到逻辑 0，则 4 位查找表 LUT1 从 CNT7/DLY7 输出 222 kHz 信号。如果引脚 4 接收到逻辑 1，则从 CNT6/DLY6 输出 121 kHz 信号。存储器控制计数器从 0 计数到 100，对应于 101 个正弦波形采样点，提供 HART 协议所需的频率。
ROM 表存储生成正弦波所需的数值，DAC 将 ROM 中的数字数据转换为正弦波信号（无相移）。然后，该信号通过缓冲器添加到当前环路信号中。
要更改调制器的时钟频率，需要重新计算生成的正弦波的采样数。因此，必须在存储器表中为修改后的数据计算新的值。此外，还必须根据新的采样数为 CNT/DLY6 和 CNT/DLY7 选择新的计数器数据值。
图 7 显示了用于传输调制数据的波形。
通道 1（黄色/顶线）– HART 输出。
通道 2（浅蓝色/第二线）– 引脚 4（数据输入）。
通道 3（品红色/第三线）– 引脚 3（RTS）。

图 7. 向当前循环发送数据（数据为 0x11）

解调器：
在此模式下，主机的RTS信号为高电平，激活解调器的模拟模块（PGA和ACMP）。滤波后的电流环路信号被送至可编程增益放大器（PGA）的差分输入端，PGA将信号放大4Ω。随后，模拟比较器（ACMP）将该信号与外部分压器提供的参考电压进行比较。当SLG47011检测到线路上存在峰峰值VIN > 120 mV的1200/2200 Hz信号时，解调开始（相反，峰峰值VIN < 80 mV的正弦信号将被忽略）。这些幅度值符合HART规范要求，基于SLG47011的解决方案满足此规范。CNT2
/DLY2延迟用于消除比较器输出中的噪声，而P DLY则用作边沿检测器。 CNT3/DLY3 延迟和 DFF21 决定输入信号是两个已知频率中的哪一个；具体来说，DFF 输出为逻辑 0 表示输入频率为 2200 Hz，逻辑 1 表示输入频率为 1200 Hz。CNT4/DLY4 延迟和 DFF22 决定输入信号是否为正弦信号。DFF 输出为逻辑 1 表示存在输入信号，逻辑 0 表示不存在输入信号。同时，引脚 6 上的 OCD（输出载波检测）信号通知主机已检测到载波。单稳态触发器 (CNT12/DLY12) 生成一个 820 µs 的输出信号，该信号通过引脚 8 发送到主机的数据输入端。

引脚 13（由 3 位 LUT4 控制）和引脚 16 为 ACMPH 在解调模式下提供迟滞。在调制模式下，参考分频器与电源断开，以降低功耗。
图 8 显示了数据接收的波形。
通道 1（黄色/顶线）– HART 输入。
通道 2（浅蓝色/第二线）– 引脚 8（数据输出）。
通道 3（品红色/第三线）– 引脚 6（OCD）。

图 8. 当前回路数据接收

结论：
本文分析了如何使用SLG47011集成电路实现HART调制解调器，并处理HART信号的调制和解调。该设计符合HART认证要求，但可根据具体项目需求进行调整。SLG47011的主要优势包括低功耗、灵活性、紧凑的尺寸和可靠的性能，使其成为符合HART标准的应用的理想选择。更多信息和测试，请参阅实验室演示视频。瑞萨HART调制解调器演示板手册是评估调制解调器运行情况的有用资源。

作者：Marian Hryntsiv，瑞萨电子高级技术文档应用工程师，乌克兰利沃夫