Aparaturę kontrolno-pomiarową zgodną z HART można znaleźć wszędzie, ale w jaki sposób uzyskać komunikację? Nowe układy scalone wspierają ten sprawdzony protokół.
Konieczność pomiarów, sterowania i komunikacji między maszynami a osprzętem przemysłowym to główny temat od pierwszych dni rewolucji przemysłowej. Od tego czasu aparatura kontrolno-pomiarowa stała się kręgosłupem nowoczesnych zakładów wytwórczych. Oprzyrządowanie wykorzystywane przez systemy automatyki ewoluowało od prostych pneumatycznych i ściśle analogowych systemów do wykorzystywanych dzisiaj ?inteligentnych? systemów, których zdolności komunikacyjne są zwiększane przez protokoły takie jak HART (ang. Highway Addressable Remote Transducer). Mówiąc krótko, za pomocą sygnałów prądowych DC i o niskich częstotliwościach moduluje się sygnał o wyższej częstotliwości, jest to technika znana jako kluczowanie z przesuwem częstotliwości FSK (ang. Frequency-Shift Keying), przedstawiona na rys. 1.
Czym jest HART?
Podstawową formą komunikacji z analogowymi urządzeniami jest transmisja w zamkniętej pętli prądowej 4-20 mA, zawierającej nadajnik, odbiornik i źródło zasilania. Dostępne są funkcje zdalnej kalibracji, odpytywania błędów i transmisji wielu zmiennych procesowych. Energooszczędne nadajniki i odbiorniki muszą pracować z minimalnym prądem, 4 mA lub mniej, zależnym od zapasu niezbędnego do wykrywania błędów. Pętle prądowe są pewne w działaniu i umożliwiają komunikację na duże odległości, nawet w przypadku występowania silnych zakłóceń. Istotnym ograniczeniem pojedynczej pętli prądowej jest możliwość wyłącznie jednostronnej komunikacja z czujnikiem lub mechanizmem wykonawczym i możliwość przesłania wyłącznie jednej zmiennej procesowej.
Wprowadzenie standardu HART umożliwiło stworzenie ?inteligentnych? nadajników, dzięki dodaniu zdolności komunikacji cyfrowej, współdzielącej tę samą parę skręconych przewodów wykorzystywanych przez tradycyjne urządzenia 4-20 mA. Osiągnięto to przez modulację sygnału FSK o międzyszczytowej wartości 1 mA, który ze względu na znacznie wyższą częstotliwość nie zakłóca podstawowego sygnału pętli. Dzięki tej technice HART stał się globalnym standardem wysyłania i odbierania cyfrowych informacji za pomocą analogowych przewodów między inteligentnymi urządzeniami a systemami sterowania i monitorowania.
Wewnątrz modemu HART
Układ AD5700-1 ma funkcjonalność modemu HART, z funkcjami niezbędnymi do realizacji specjalizowanej komunikacji. Schemat (rys. 2) przedstawia wymaganą filtrację, detekcję sygnału, modulację, demodulację i generowanie sygnału przy użyciu modemu HART. Taka integracja zmniejsza liczbę zewnętrznych komponentów, cenę i zajmowaną przestrzeń.
Rozpoczynając od ścieżki transmisji (górna część rys. 2), można wyróżnić następujące bloki wykorzystywane do modulacji: blok bezpośredniej syntezy DDS, przetwornik cyfrowo-analogowy i bufor. Cyfrowe dane, które mają zostać przesłane, pojawiają się na wejściu UART (ang. Universal Asynchronous Receiver Transmiter). Modulator jest uruchamiany stanem niskim na wejściu /RTS (ang. Request To Send). Modulator konwertuje ciąg bitów pojawiających się na wejściu UART (TXD), stanowiących dane HART, na sekwencję sygnałów 1,2 kHz (?1?) i 2,2 kHz (?0?) (rys. 3). DDS produkuje strumień sinusoidalnych cyfrowych słów o tych częstotliwościach, a przetwornik cyfrowo-analogowy konwertuje je na analogową sinusoidę o międzyszczytowej wartości około 493 mV. Ta sinusoida jest wewnętrznie buforowana i pojawia się na pinie HART_OUT. Blok DDS generuje sygnały o fazie ciągłej, dzięki czemu unika się nieciągłości wyjścia podczas przełączania między częstotliwościami. Główną zaletą wewnętrznego buforowania wyjścia HART_OUT jest wyeliminowanie potrzeby stosowania zewnętrznych analogowych buforów i wszystkich kwestii, które to za sobą pociąga. Pin HART_OUT, na którym napięcie wynosi 0,75 V, powinien być sprzężony z obciążeniem w sposób pojemnościowy.
Przechodząc do części odbiorczej (dolna część rys. 2), gdy sygnał /RTS ma wartość wysoką, modulator jest wyłączony, a włączony demodulator ? modem jest w trybie odbioru. Odbiornik demoduluje zmodulowany sygnał FSK pojawiający się na wejściu HART_IN. W tym trybie istotne bloki to: wewnętrzny filtr pasmowo-przepustowy, konwerter analogowo-cyfrowy i procesor DSP (ang. Digital Signal Processor). Wysoki sygnał na wejściu CD wskazuje wykrycie nośnej. Zdemodulowane dane są przesyłane do hosta przez pin RXDinterfejsu UART.
Architektura części odbiorczej sprawia, że modem jest odporny na zakłócenia i interferencje pochodzące ze środowiska przemysłowego. Kombinacja analogowej i cyfrowej filtracji zapewnia uzyskanie doskonałej czułości i dużej dokładności na wyjściu RXD. Strumień bitów HART jest zgodny z ramką UART z bitem startu, 8-bitowym polem danych, jednym bitem parzystości i stopu. W trybie demodulacji modem może filtrować na dwa sposoby: wewnętrznie (sygnał HART jest podawany na HART_IN) lub za pomocą zewnętrznego filtra (odfiltrowany sygnał HART jest podawany na wejście ACP_IP). Tryb z zewnętrznym filtrowaniem spełnia wymogi aplikacji iskrobezpiecznych. Ta opcja jest polecana do stosowania w aplikacjach krytycznych, w których modem trzeba izolować od wysokiego napięcia zasilania pętli. W tym przypadku wejście ma większą odporność na przepięcia ? nie jest wymagana dodatkowa ochrona.
Trzy pozostałe bloki przedstawione na rys. 2 to interfejs UART, wewnętrzne napięcie odniesienia i oscylator. /RTS i TXD to sygnały istotne dla modulacji, CD i RXD ? dla demodulacji. Modem ma też wewnętrzne źródło napięcia odniesienia 1,5 V oraz bufor. Można wykorzystać zewnętrzne źródło o napięciu 2,5 V. Taktowanie może odbywać się na wiele sposobów, umożliwiając budowę taniego i elastycznego rozwiązania.
AD5700 może pracować z zewnętrznym oscylatorem kwarcowym, ceramicznym lub CMOS. AD5700-1 jest pierwszym układem scalonym o funkcjonalności modemu HART, który zawiera wewnętrzny, energooszczędny i dokładny (0,5%) oscylator, pozwalający uprościć układ zewnętrzny i jego koszt. Wiele zintegrowanych w układzie funkcji upraszcza tworzenie systemów kompatybilnych z HART, oferując pewną, efektywną kosztowo i odporną komunikację.
Aplikacje energooszczędne
Niski pobór energii jest bardzo ważny. Suma prądu pobieranego przez wszystkie obwody zasilane z pętli nie może być wyższa niż 3,5 mA ? urządzenie z niskim lub zerowym odczytem będzie generować taki właśnie sygnał. Na rys. 4 przedstawiono przykład komunikacji HART w ramach pętli. Modem AD5700 jest połączony z 16-bitowym przetwornikiem A/C AD5421 zasilanym z pętli i mikrokontrolerem ADuCM360 ? układy znajdują się na płytce ewaluacyjnej. Jest to przykład energooszczędnego transmitera z dwoma współdzielonymi kanałami danyc do pomiaru ciśnienia i temperatury.
Obwód został poddany testom zgodności, sprawdzony i zarejestrowany w HART Communication Foundation. Głównym wymogiem aplikacji zasilanych z pętli 4-20 mA jest ograniczenie poboru prądu do 3,5 mA, który stanowi ?alarm niskiego poziomu?, 0,5 mA poniżej dolnego sygnału 4 mA. W takich sytuacjach istotne stają się parametry nowoczesnych układów, takich jak AD5700. Tutaj liczy się każdy mikroamper, jeśli więc uda się ograniczyć pobór prądu w każdym z układów, budżet 3,5 mA nie zostanie przekroczony, a aplikacja będzie pracować zgodnie z wymaganiami.
Nowo opracowane komponenty takie jak AD5700 w pewny sposób integrują się z innymi komponentami, takimi jak mikrokontrolery, wzmacniacze, precyzyjne źródła odniesienia, przetworniki analogowo-cyfrowe i cyfrowo-analogowe z wyjściem prądowym, tworząc kompletne rozwiązania HART. Takie efektywne kombinacje upraszczają układ, cechują się dużą pewnością działania i umożliwiają łatwiejszy rozwój odpornych systemów zgodnych z protokołem HART.
Opracował Łukasz Urbański, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie
CE