什么是 HART 协议？

HART（可寻址远程传感器高速通道协议）是一种双向协议，用于促进智能变送器和主机控制系统之间的通信。在 HART 通信过程中，器件间传输的信息包括诊断数据、校准数据、故障排除信息及变送器读数等内容。例如，温度传感器可以向 ADC 发送 7mA 信号，该信号代表 80 华氏度的温度读数。

HART 协议可帮助系统操作人员无需亲临现场寻找并测试设备，即可在工厂自动化环境中监测多台设备。HART 实现的增强通信能力有助于提高工作效率并预测潜在故障，进而节省设计人员的时间和成本。

HART 的工作原理

• HART 传输是叠加在 4mA 至 20mA 信号上的移频键控 (FSK) 信号（如图 1 所示）。
• HART 同时也是半双工模式，意味着主机可以与现场变送器通信，反之亦然。
• 现场器件向模拟输入模块中的数据转换器发送称为主变量 (PV) 的 4mA 至 20mA 模拟信号，该信号反映了现场器件所测量的内容（例如温度、流量或压力）。
• 像 DAC8740H 这样的 HART 调制解调器使用移频键控 (FSK) 来对 1.2kHz 或 2.2kHz 信号进行调制/解调，分别代表数字信号中的 1 和 0。数字信号包含来自主机和现场变送器的各类信息，其中包括器件状态、诊断数据以及其他测量或计算值。

图 1 HART 通信 - 4mA 至 20mA 信号上的移频键控 (FSK)

为什么在 HART 应用中使用多路复用器？

在系统设计中遇到的一个问题是，如何在不使用多个 HART 调制解调器的情况下增加 HART 网络中的现场器件数量。传统的 HART 调制解调器只有一个输入通道，只能连接一个现场器件。如果系统设计人员希望与多个现场器件通信，就需要使用更多 HART 调制解调器，这不仅成本高昂，而且在设计中实施起来也颇具难度。

多路复用器解决了这个问题，支持设计人员将多个现场器件连接到一个 HART 调制解调器进行通信。这不仅增强了系统的功能，相对于在设计中使用多个 HART 调制解调器，还降低了成本。下面的图 2 所示为 HART 通信的点对点实现方式，在工业通信系统设计中较为常见。在下图中，ADC 将 R shunt 两端的电压数字化，并计算提供主变量值的智能变送器产生的电流。接着，DAC8740H 的输入端 (MOD_IN) 对收到的 FSK 信号进行解调，输出端 (MOD_OUT) 则对 FSK 信号进行调制，以便与现场变送器进行通信。最后，由于 HART 为半双工模式，因此输入和输出可以耦合到同一个节点。HART 提供了一种简单易用、质优价廉且十分可靠的工业通信设计方案。

图 2 实现电流 AIN HART 信号的多路复用‌（点对点）

设计注意事项

• 选择具有低 Ron 和低 Ron 平坦度的多路复用器。这有助于更大程度减少信号失真，从而确保 HART 通信尽可能准确。
• 由于 HART 为半双工模式，因此调制解调器的输入和输出可以耦合到同一节点，这意味着需要使用单通道多路复用器。接下来，设计人员必须根据要连接到 HART 调制解调器的现场器件数量来选择多路复用器的输入数量。例如，如果打算将 16 个器件连接到 HART 调制解调器，则需要使用 16:1 单通道多路复用器（如 CD74HC4067）。
• 很多 TI 模拟开关的带宽通常在 MHz 范围内，可以支持 HART 通信，并且模拟开关可以通过 IO 引脚支持 4mA 至 20mA 之间的任何电流。
• 像 DAC8740H 这样的 HART 调制解调器可采用 2.7V 至 5.5V 的电源供电。设计人员需要选择能够在与 HART 调制解调器类似的电源电压下运行的多路复用器。
• 观看 TI 高精度实验室视频，了解多路复用器参数。
• 在 TI E2E™ 设计支持论坛 上向我们提问。

参考资料

• 德州仪器 (TI)，在 4mA 至 20mA 系统中，将 HART 集成到 PLC 模拟输入模块以实现实时通信 应用简报。
• 德州仪器 (TI)，回归基础：HART 协议简介及其工作原理 技术文章。
• 德州仪器 (TI)，HART 协议基本指南 应用手册。