原创 基于A5191 HRT与SD2421带HART协议智能变送器解决方案

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拟同时传输。如需调整耦合到环路的HART信号的幅度，可通过调整C4电容实现。

SD2421程序设计：

SD2421采用3线串行接口输入数据（对应要设定的环路电流值），很方便操作。在CLOCK 信号的上升沿, DATA线上的串行数据按高位到低位的顺序,装载到SD2421内部的输入移位寄存器中。在LATCH 信号的上升沿, 输入移位寄存器中的数据传送到DAC 锁存端。SD2421有两种电流输出模式：一种是正常模式，另一种是报警模式。其区别为：正常电流输出模式，一般是输入16个CLOCK后（移入16位数据），LATCH 信号上升沿锁存；报警电流输出模式，一般是输入24个CLOCK后（只用到低17位数据），LATCH 信号上升沿锁存。

正常电流输出模式：

输入数据（0000h~FFFFh）与输出电流（4mA~19.999756mA）之间是理想的线性关系,分辨率为16位（VREF IN为+2.5V）,1LSB = 16mA/65536 = 244nA。下面时序图中输入数据为B273h，输出电流为15.153mA。

图4.正常模式下，电流值写入时序图

程序设计时可考虑用单片机自带的SPI接口（只用SCK和SDO(或MOSI)两根线）和一个普通IO口（用于控制LATCH信号）来连接SD2421，配置单片机SPI的时钟信号默认值为低电平，时钟信号下降沿发送数据。发送完2个字节的数据（先发高字节，后发低字节）后，在连接LATCH信号的IO口上输出一个上升沿就可以。

或者直接用单片机的3根IO线来实现，先在DATA线上输出最高数据位，再在CLOCK线上输出上升沿；重复上述过程，直到输出16位串行数据；最后在连接LATCH信号的IO口上输出一个上升沿就可以。

报警电流输出模式

输入数据（000000h~01FFFFh）与输出电流（0mA~32mA）之间也是理想的线性关系,分辨率为17位（VREF IN为+2.5V）,1LSB = 32mA/131072 = 还是244nA。下面时序图中输入数据为003C00h，输出电流为3.75mA。

图5.报警模式下，电流值写入时序图

在程序设计时，和前面正常模式有所区别的是：使用单片机自带的SPI接口，需发送完3个字节的数据（先发高字节，再发中间字节，最后发低字节）后，在连接LATCH信号的IO口上输出一个上升沿。使用普通IO口操作，需输出24位串行数据后，在连接LATCH信号的IO口上输出一个上升沿。其他的配置和前面正常模式一致。

结语：

A5191HRT是较早推出的单片HART调制解调器，其功能及性能也相当稳定，不足是功耗较大，而且来自国外，货期较长，货源不稳定。而作为替代产品，有SMAR公司的HT2015，与A5191HRT可Pin-Pin兼容，但替代时需将图3中的R13改为732k，其在供货方面可能也和A5191HRT一样的问题；还有SDIC公司的SD2015，与A5191HRT完全Pin-Pin兼容，电路无需做任何修改。SDIC公司还推出了一款SD2016单片HART调制解调器，其为SD2015的加强版本，简化了SD2015的外围滤波器和阈值设置电路，使电路设计更加精简和紧凑，另外还有兼容小封装的AD5700的SD5700，更多资料上SDIC官方网站查看。

SDIC的SD2421目前推出来3.9mm和7.6mm两种封装，对于追求布板面积更小巧的用户可以尝试小封装的产品。

参考文献
1 HCF．Hart Field Communications Protocol Application Guide.1999
2 AMI Semiconductor．A5191HRT AMIS HART Modem

3 SDICmicro．SD2015 HART调制解调器规格书v1.4b.2011.5
4 SDICmicro．SD2421 环路供电型4-20mA DAC规格书v0.1.2014.5

5 SMAR Research．HART Modem HT2015 Datasheet