4-20mA与HART通信电路分析

HART通信是以贝尔202标准为基础,采用频移键控(FSK),以1200bps的速率通信。代表逻辑0逻辑1的信号频率分别为2200HZ1200Hz幅值为±0.5mA的正弦波电流波形由于正弦波电流信号的平均值为0mA,所以虽然HART电流信号叠加在4到20mA的模拟测量信号之上,而不会对4-20mA信号造成任何干扰,这么就可以在传输电流模拟量的同时又用HART传输了数字量。HART通信比较类似电力猫的传输数据的方式。HART在工业现场中,也是一个比较常见的通讯方式。(缺点就是通讯速率极其慢,1200bps

那么还是以TI的原理框图为入手,与各位同好分享一下HART通信。由于这个HART是叠加在4-20mA之上的交流电流部分(HART的通讯为±0.5mA电流正弦波),所以还是得先介绍一下4-20mA的电路部分。首先去掉HART的那一交流部分,看一下直流部分的大体的电流流向,主要是如下路径:

由于负反馈成立,运算放大器存在虚短,所以同相输入端的电压等于反相输入端电压,而反相输入端接GND,所以以下等式成立:Vp=Vn=0VI2=VREF/R2I1=VDAC/R1由于运算放大器存在虚断,所以基本没有电流流过同相输入端和反相输入端,所以以下等式成立:

由于R3和R4上端的电压都是等于0V(同相输入端和反相输入端虚短,都为0V)所以R3和R4两端的压降相同,所以:

然后环路电流等于I3和I4的和,所以:

环路上的电压等于,所以还是要注意一下三极管的功耗,需要选择合适封装的三极管,做好散热

然后再分析HART通信的交流部分,也就是HART通信的部分,HART通信分为TX和RX部分,这个可以看下图,发射部分的C1和R6组成一个高通滤波器(运算放大器同相输入端虚地),截止频率为1/(2*PI*R6*C1)

由于设置的高通滤波器未对HART发送的频率1200HZ和2200HZ做衰减,所以说I5=Vhart/R6(需要保证Ihart电流峰峰值为1mA左右)所以环路上交流部分的HART电流等于

由于HART的电流峰峰值是确定的1mA左右,所以可以根据HART通信芯片输出的Vhart和环路R3和R4电阻阻值确定R6的阻值。

至于HART接收部分,可以采用一个带通滤波器,作为滤波(带通要保证1200hz和2200hz处于通带),减小环境干扰,然后再给HART通信芯片解调

所以说有的两线制的仪表,就是使用了4-20mA和HART作为通信,将电源线也作为数据传输线,只需要电源两根线就可以和外部通信。

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