Potreba za merenjem, upravljanjem i komunikacijom među mašinama i procesnom opremom javila se još na početku industrijske revolucije. Od tada, fabrička instrumentacija postala je okosnica savrmenih fabričkih pogona. Takva instrumentacija sazrela je od čisto analognih sistema do “smart” sistema koji se koriate danas, povećavajući komunikacionu sposobnost protokolima kao što je HART (Highway Adressable Remote Transducer).
Šta je HART?
Primarni oblik komunikacije korišćen u analognim predajnicima je strujna petlja sa normalnim opsegom 4-20 mA, koja koristi predajnik, prijemnik i napajanje. Ovakva komunikacija omogućava svojstva kao što su daljinska kalibracija, greške ispitivanja kao i prenos više procesnih promenljivih. Predajnik male potrošnje i prijemnik moraju raditi sa minimalnom strujom od 4 mA ili manjom, zavisno od potreba indikacija greške. Ove strujne petlje su pouzdane i robusne i nude visoku otpornost na spoljašnje uticaje pri komunikaciji na velikim rastojanjima. Značajnu manu, međutim, predstavlja činjenica da jedna petlja omogućava komunikaciju sa samo jednim senzorom ili aktuatorom, i može da prenese samo jednu procesnu promenljivu.
Uvođenje HART standarda obezbedilo je sredstva da se stvore “smart” predajnici, dodavanjem digitalne komunikacione sposobnosti deljenja iste upletene parice korišćene za tradicionalnu 4-20mA instrumentaciju. Ovo se postiže modulacijom 1 mA peak-to-peak FSK (Frequency-Shift Keying) signala na vrhu 4-20 mA analognog strujnog signala, bez prekida prenosa originalne primarne promenljive i dalje ostavljanje prostora za rad petlje. Korišćenjem ove tehnike, HART je postao globalni standard za slanje i primanje digitalne informacije kroz analogne provodnike između pametnih smart uređaja i sistema za kontrolu i upravljanje. Šema HART komunikacije prikazana je na slici 1.
Slika 1. Šema HART komunikacionog protokola
Unutrašnjost HART modema
AD5700-1 je predstavlja HART modem koji integriše funkcije neophodne da se podrži ova specijalizovana komunikacija. Na slici 2. prikazan je blok dijagram koji ilustruje potrebno filtriranje, detekciju signala, modulaciju, demodulaciju i generisanje signala uključeno u HART modem. Takva integracija smanjuje broj potrebnih spoljašnjih komponenti.
Slika 2. Blok dijagram HART modemaPočevši od predajnog dela, (gornji deo slike 2.) osnovni blokovi uključeni u modulaciju su: FSK DDS (Direct Digital Synthesis), digitalno-analogni konvertor i bafer. Digitalni podaci koji se prenose stižu preko UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter). Rad modulatora se omogućava dovođenjem niskog naponskog nivoa na RTS. Modulator konvertuje niz bitova, UART-kodiranih HART podataka sa TXD ulaz, na binarni niz od 1,2 kHz (logička “1”) i 2,2 kHz (logička “0”) (slika 3.). DDS proizvodi niz sinusoidalnih digitalnih reči na bilo kojoj frekvenciji, a DAC ih konvertuje na analogni sinusni signal približno 493 mV (peak-to-peak). Sinusoidalni signal je interno baferovan i pojavljuje se na HART_OUT pinu. DDS interno generiše kontinualni fazni signal, čime se izbegava bilo kakav izlazni diskontinuitet u momentu prebacivanja frekvencija. Ključna korist internog baferovanja na HART_OUT rezultuje visokom sposobnošću uređaja, eliminišući potrebu za eksternim analognim baferom.
Slika 3. Logičke “0” i “1” u HART sistemuKada je na RTS pinu visok logički nivo, modulator je zakočen, a omogućen je rad demodulatoru, pa se modem nalazi u prijemnom modu. Prijemnik demodulira FSK modulisan signal sa HART_IN pina. U ovom modu, relevantni blokovi su interni band-pass filter, ADC (analogno-digitalni konverter) kao i DSP (digital signal processor). Visok logički nivo na CD (carrier detect) pinu ukazuje da je validni prenosnik detektovan. Demodulisani podaci se šalju na glavni procesor preko RXD pina kroz UART interfejs.
Prijemna arhitektura čini modem robusnim za šum u teškom industrijskom okruženju. Kombinovanje analogne i digitalne filtracije rezultuje odličnom osetljivošću i visokom preciznošću izlaza na RXD pinu. HART niz podataka prati standardni UART okvir, sa startnim bitom, 8-bitnim podacima, jednim bitom parnosti i stop bitom. U demodulacionom modu modem ima dve opcije konfigurisanja filtera: unutrašnji filter i spoljašnji filter. Mod sa spoljašnjim filterom podržava upotrebu modema u nezapaljivom i suštinski bezbednom okruženju. Otpornik od 150 kΩ ograničava struju na dovoljno niskom nivou u okviru unutrašnjih bezbedonosnih zahteva.
Tri preostala bloka prikazana na slici 2, predstavljaju UART interfejs, internu referencu i oscilator. RTS i TXD su signali važni pri modulaciji, dok su CD i RXD važni za demodulaciju. Modem takođe sadrži i 1,5 V internu referencu i pridruženi bafer. Alternativno, može se koristiti spoljna referenca od 2,5 V. Za taktovanje, uređaj podržava brojne šeme koje omogućavaju jednostavna jeftina podesiva rešenja. AD5700 može koristiti eksterni kristal, keramički rezonator ili CMOS ulaz. AD5700-1 je prvi HART modem koji uključuje interni oscilator sa 0,5% preciznosti, čime se smanjuje potreba za dodavanjem spoljnih uređaja, kao i cena.
Low-Power aplikacija
Niska potrošnja energije je veoma važna jer sva kola koja se napajaju iz petlje moraju ostati ispod 3,5 mA. Slika 4. ilustruje jedan primer HART komunikacije unutar petlje. AD5700 HART modem je povezan sa AD5421 (16-bitni DAC sa serijskim ulazom i napajanjem iz petlje 4-20 mA) i sa ADuCM360 mikrokontrolerom na razvojnoj ploči. Ovo predstavlja predajničko kolo, napajano iz petlje, za dva deljena kanala podataka, merenje pritiska i temperature.
Slika 4. Primer HART komunikacije
Ovo kolo je testirano, provereno i registrovano od strane HART Communication Foundation. Najvažnije ograničenje u ovakvim 4-20 mA loop-powered aplikacijama je ostajanje ispod 3.5 mA, što je podešavanje “niskog alarma”, 0,5 mA ispod donje granice signala. Ovo je mesto gde specifikacija male snage čipa modema AD5700 postaje najvažnija. Ovde se računa svaki mikroamper, pa ako svako IC u kolu može da individualno minimizira potrošnju struje, 3,5 mA neće biti prevaziđena i aplikacija će funkcionisati kao što je potrebno.
Nove projektovane komponente za predajnike, kao što je AD5700 integrišu sa drugim delovima u potpuno HART rešenje, uključujući mikrokontrolere, pojačavače, precizne reference, prekidače, ADC i strujno-izlazne DAC. Takve efikasne kombinacije su rezultat pojednostavljenog dizajna, visoke pouzdanosti i jednostavnog raspoređivanja robusnih HART-kompatabilnih sistema.
Izvor: Controleng.com
