Решения SDIC для токовой петли 4…20 мА

25 мая 2023

Константин Кузьминов (г. Заполярный)

Развитие стандарта HART позволяет модернизировать существующие системы и создавать новые – надежные, простые и имеющие расширяемый функционал. Компания SDIC предлагает HART-модемы SD2015, SD2017, SD2057, SD2085 и их обновленные версии SD2015B, SD2017B, а также токовый ЦАП SD2421 для преобразования цифровых данных в аналоговый сигнал интерфейса токовой петли.

Компания Hangzhou SDIC Microelectronics Inc. (SDIC), основанная в 2005 году в городе Ханчжоу (КНР), является разработчиком интегральных схем (ИС) и размещает их производство на сторонних фабриках. Основная техническая команда имеет опыт работы в аналогичных компаниях США. Непосредственно над разработкой и проектированием микросхем на данный момент трудятся 65% коллектива. Многолетний технический опыт, принесший компании несколько патентов, в том числе и в смежных областях, и развитие бизнеса сделали SDIC одной из ведущих компаний Китая по разработке и производству высококачественных ИС для смешанных (аналоговых и цифровых) сигналов. Продукция включает в себя решения для медицины, промышленного оборудования, систем контроля и измерений, приборостроения, в том числе:

• HART-модемы и токовые ЦАП для интерфейса «токовая петля» 4…20 мА;
• 8- и 32-разрядные микроконтроллеры с высокоточными АЦП;
• специализированные ИС для метрологии;
• интегральные цифровые термодатчики.

Надежность, качество и востребованность продукции обеспечивают компании продажи более 100 млн микросхем ежегодно. SDIC стал первым массовым производителем HART-модемов и токовых ЦАП для приложений с интерфейсом «токовая петля».

Токовая петля представляет собой систему из передатчика, источника тока, проводного контура в виде петли и приемника. Передатчик, получив информацию от какого-либо сенсора, преобразует ее или в аналоговый сигнал, представляющий собой изменения тока в петле в диапазоне 4…20 мА, или в цифровой, используя границы диапазона тока в качестве логических «0» (4 мА) и «1» (20 мА). Изменение именно тока, а не напряжения позволяет использовать интерфейс в условиях сильных электромагнитных помех и на значительном расстоянии между передатчиком и приемником. При этом передатчику не требуется информация о сопротивлении линии для поддержания необходимого значения тока, а в случае ее обрыва и передатчик, и приемник это легко обнаруживают. Помимо помехоустойчивости и возможности самодиагностики, этот интерфейс обладает и другими достоинствами:

• высокой надежностью;
• возможностью питания маломощных устройств от линии;
• экономичностью;
• легкостью обслуживания.

С развитием электронных приложений возможностей токовой петли стало недостаточно. Объемы передаваемой информации возросли, потребовалась стандартизация обмена данными между оборудованием различных производителей. В ответ на эти требования появился стандарт HART (Highway Addressable Remote Transducer), физический принцип которого схематично изображен на рисунке 1.

Рис. 1. Принцип передачи цифровых данных в интерфейсе «токовая петля» по стандарту HART

Стандарт HART определяет полудуплексный обмен цифровыми данными в токовой петле посредством наложения на аналоговый сигнал цифрового, кодируемого частотной манипуляцией с непрерывной фазой амплитудой ±0,5 мА, для логических сигналов «0» и «1» используется модуляция частотой 1200 и 2200 Гц, соответственно. Использование фильтров на стороне приемника позволяет разделить цифровой и аналоговый сигналы и исключить влияние частотной модуляции на основной аналоговый сигнал 4…20 мА. Скорость передачи цифровых данных составляет 1200 бит/с, происходит обмен несколькими полями, перечисленными в таблице 1. Формат передачи одного байта изображен на рисунке 2.

Рис. 2. Формат передачи одного байта

Таблица 1. Формат сообщения протокола HART

Наличие адреса позволяет работать с несколькими датчиками в одной токовой петле, что значительно снижает стоимость эксплуатации, поскольку прокладывать новых линий связи не требуется. В сообщении присутствует информация о производителе электронного устройства, что дополнительно упрощает работу при монтаже и обслуживании.

Компания SDIC является производителем HART-модемов и токовых ЦАП. Первый HART-модем SD2015 был выпущен в 2008 году, а в 2015 году появились сразу три модели: SD2017, SD2057 и SD2085. Через три года они прошли обновление. В настоящее время SD2015B снимается с производства, вместо него предлагается аналогичная модель SD2017B в корпусе LQFP-32. Замена не требует никаких изменений в проекте печатной платы, некоторые компоненты не устанавливаются (R5, R6, R7, R8, C4 и Z1), а у некоторых изменяются значения и тип (рисунок 3):

• R1, R10 и C3 заменяются на перемычки 0 Ом;
• конденсатор С2 заменятся на резистор 200 кОм;
• резисторы R4 и R9 заменяются на конденсаторы 180 пФ и 1 мкФ, соответственно;
• значения резисторов R2 и R3 изменяются на 1,2 МОм (ранее были 3 МОм и 787 кОм);
• значение конденсатора C1 изменяется на 300 пФ (было 1000 пФ).

Основные отличия характеристик этих модемов показаны в таблице 2.

Рис. 3. Схемы входной цепи модемов SD2015B и SD2017B

Таблица 2. Основные отличия HART-модемов SD2015B и SD2017B

HART-модемы SD2017, SD2057 и SD2085 имеют различный форм-фактор корпусов и функционал. Интегральная схема SD2017B выполнена в корпусе LQFP-32 (рисунок 4) и, за исключением вышеуказанных особенностей замены SD2015B, является полностью совместимым аналогом HT2015 и A5191HRT производства других компаний: Smar Research, SPRING Technology и ON Semiconductor. Несмотря на большее количество, некоторые выводы не используются, например, три вывода NC (это отличает SD2017B от SD2015B). При разработке требуется обязательное подсоединение к минусу питания цифровой части (VSS) лишь трех из них: TEST5, TEST8 и TEST9. Остальные могут оставаться неподключенными либо также присоединиться к VSS.

Рис. 4. Корпус и назначения выводов HART-модема SD2017B

Блок-схема SD2017B показана на рисунке 5. ИС имеет два вывода IXTL и OXTL для подключения внешнего источника частоты, например, кварцевого резонатора, цифровые линии INRESET (сброс цифровой части), ITXD, ORXD, INRTS для подключения к последовательному интерфейсу (UART) и OCD – сигнал наличия несущей частоты, высокий уровень которого означает появление валидных данных в приемном буфере.

Рис. 5. Блок-схема SD2017B

Аналоговая часть состоит из выхода модулятора для управления каскадом подключения к токовой петле и входа приемника, подключаемого ко внешним фильтрам. В SD2017B есть источник опорного напряжения 1,5 В, включаемый низким уровнем на выводе IAREF_ENb. В случае отключения встроенного ИОН вывод IAREF должен быть подключен ко внешнему ИОН 2,5 В. Встроенный источник опорного тока имеет выход OCBIAS для подключения резистора.

ИС SD2057 и SD2085 выполнены в корпусах QFP различного размера и с разным числом выводов (рисунок 6).

Рис. 6. Корпуса и назначения выводов HART-модемов SD2057 и SD2085

Функциональность также различается, что легко заметить на блок-схеме, показанной на рисунке 7: SD2057 имеет конфигурируемый выход генератора частоты CLKOUT (3,6864, 1,8432 и 1,2288 МГц или неактивен), режим полнодуплексной работы, управление встроенным ИОН и встроенный полосовой фильтр (BPF) для входного сигнала.

Рис. 7. Блок-схема SD2057 и SD2085

Встроенный фильтр SD2057 можно отключить при помощи низкого уровня сигнала на входе FILTER_SEL, в этом случае входной сигнал HART должен быть подан на вход ADС_IP. Полнодуплексный режим включается высоким уровнем сигнала на входе DUPLEX. Фактической полнодуплексной передачи не происходит, это всего лишь заставляет передатчик и приемник SD2057 работать одновременно. Такой режим позволяет отследить прохождение сигнала, получив диагностику состояния линии.

Основной функционал и методы включения HART-модемов SD2017, SD2057 и SD2085 практически идентичны, несмотря на то, что производитель использует в спецификациях различные наименования сигналов и изображения блок-схем. Различия в некоторых характеристиках приведены в таблице 3, данные указаны при напряжении питания 3,3 В и работе в диапазоне температур -55…85°C.

Таблица 3. Характеристики HART-модемов SD2017, SD2057 и SD2085 производства SDIC

Использование HART-модемов не обязательно должно иметь аналоговый сигнал. Они могут работать самостоятельно, с добавлением каскада управления источником тока в петле. При работе совместно с аналоговым сигналом возникает вопрос интеграции с токовым ЦАП. В случае ЦАП SD2421 применение очень простое: достаточно подсоединить выход модема через разделительный конденсатор на один из входов ЦАП (как это будет показано далее на рисунке 10).

Токовый ЦАП SD2421 производства компании SDIC выполнен в широком корпусе SOP-16 (рисунок 8), имеет разрядность 16 бит и предназначен для преобразования цифровых данных в аналоговый сигнал интерфейса.

Рис. 8. Корпус и назначение выводов токового ЦАП SD2421

На рисунке 9 показана блок-схема SD2421. ИС содержит последовательный вход для цифровых данных, источники опорных напряжений и тока, сигма-дельта-ЦАП, резистивную цепь для построения RC-фильтра или подключения внешнего модулятора сигнала. Усилитель тока и регулятор напряжения обеспечивают управление аналоговым сигналом в токовой петле и питание от него ИС или всего устройства.

Рис. 9. Блок-схема SD2421

ЦАП имеет максимальную интегральную нелинейность ±0,01%. Погрешность при токе 20 мА составляет ±0,1%, при 4 мА – ±0,02%. Погрешность, вносимая HART-модемами в аналоговый сигнал, значительно меньше (около 0,01%), что свидетельствует о минимальном искажении аналоговых данных при использовании цифрового обмена по стандарту HART.

Основные характеристики ЦАП SD2421:

• диапазон напряжений питания 2,98…5,05 В DC;
• номинальное напряжение питания 3/3,3/5 В DC;
• номинальный ток потребления при напряжении питания 3,0 В – 400 мкА;
• скорость последовательного интерфейса 3 Мбит/с;
• максимальный входной ток цифровых сигналов ±0,5 мкА;
• минимальный выходной ток при ИОН 2,5 В – 0,5 мА;
• минимальный выходной ток при ИОН 1,25 В – 0,5 мА;
• разрешение/монотонность ЦАП 16/16 бит;
• номинальная интегральная нелинейность ЦАП 0,004 %;
• номинальный температурный дрейф ЦАП ±10 ppm/°С;
• ESD 3,5 кВ;
• диапазон рабочих температур -40…85°С.

Типовая схема построения системы передачи данных от датчиков и микроконтроллера при помощи ЦАП SD2421 показана на рисунке 10. Наличие HART-модема для передачи только аналогового сигнала не является обязательным, он показан лишь как возможность удобной аппаратной интеграции HART c аналоговым обменом данными. В случае его отсутствия значения емкостей конденсаторов на входах C2 и C3 рекомендуется изменить на 10 нФ и 3,3 нФ, соответственно.

Рис. 10. Типовая схема системы обмена данными при помощи ЦАП и HART-модема SDIC

Интерфейс «токовая петля» в аналоговом варианте успешно применялся в течение нескольких десятилетий, актуален сегодня и не исчезнет в ближайшие годы. Возможности развивающегося стандарта HART предлагают решения по модернизации уже существующих и простое, надежное построение новых систем с возможностью недорогих обслуживания и модернизации в будущем. Применение ИС производства компании SDIC позволяет разработчику построить устройство с необходимым и расширяемым функционалом и любой комбинацией способов передачи данных в интерфейсе «токовая петля».

Дополнительные материалы

1. Виктор Денисенко. HART-протокол: общие сведения и принципы построения сетей на его основе.
2. Виктор Половинкин. HART протокол
3. Токовая петля 20 мА. Вопросы и ответы.