Datenübertragung mit dem HART-Modem DS8500

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Die HART-Technologie in der Anwendung

In einem HART-konformen Feldgerät, das für Messzwecke vorgesehen ist, ist eine relativ hohe Anzahl von verschiedenen Mixed-Signal-Bausteinen eingebaut. Allein im Modem sind neben digitalen Filtern und Interfaceschaltungen ein D/A-Wandler und ein A/D-Wandler enthalten.

Zur HART-Technologie gibt es zwar eine Fülle von Informationen, jedoch sind meistens nur Schaltbildauszüge oder einfache Verdrahtungsschaltbilder zu finden.

Um einen besseren Überblick zu erhalten, wurden in der Grafik die Funktionsblöcke detailliert gezeichnet und die Übertragungsstrecke hinzugefügt. Das Bild zeigt den vollständigen Aufbau einer Übertragungsstrecke mit dem HART-Modem DS8500 von Maxim.

Der Sensor, der einen Prozessparameter überwachen soll, ist in diesem Schaltbild direkt an einen A/D-Wandler angeschlossen. Als A/D-Wandler ist der Sigma-Delta-Wandler MAX11200 geeignet, da er mit einem Versorgungsstrom unter 1 mA zurechtkommt. Um Temperaturen zu erfassen kann zum Beispiel ein PT100 verwendet werden. Dies ist ein RTD-Temperatursensor. (Resistance Temperature Detector), dessen temperaturabhängiges Material aus Platin besteht

Nicht eingezeichnet ist die Stromversorgung des Temperatursensors. Sie erfolgt am einfachsten über einen Widerstand, der an eine Referenzspannung angeschlossen ist. Die daraus resultierende nichtlineare Temperaturabhängigkeit ist unkritisch, da die Messkurven im Mikrocontroller leicht linearisiert und Verstärkung und Offset kalibriert werden können. Diese bearbeiteten digitalen Werte werden dann im D/A-Wandler umgesetzt und als analoge Spannung an den Spannungs/Stromwandler weitergeleitet. Der U/I-Wandler ist mit dem hochpräzisen MAX4208 aufgebaut.

Messwerte in digitaler Form über die Stromschleife senden

Anstelle von Statusmeldungen kann man auch die digitalen Messwerte dem Eingang D_IN des HART-Modems DS8500 zuführen. Somit lassen sich dann auch die Messdaten in digitaler Form über die Stromschleife (zur Kontrolle oder statt analoger Übertragung) senden. Für die Zusammenfassung der Informationen gibt es verschiedene Adressierungs- und Telegrammaufbauten, die von der HFC-Nutzerorganisation festgelegt wurden.

Damit die Daten sich auf den relativ langen und kapazitätsbehafteten Leitungen übertragen lassen, dürfen keine Rechtecksignale oder zu hohe Frequenzen gewählt werden.

Der im DS8500 integrierte D/A-Wandler liefert je nach Logikpegel des zu übertragenen Bits ein Logiksignal von 1,2 kHz (eine Sinuswelle) oder 2,2 kHz (zwei Sinuswellen). Die Datenrate beträgt somit 1200 Bits/s. Da zwei Wellen mit 2,2 kHz kürzer sind als eine 1,2-kHz-Welle, entsteht eine geringfügige Abweichung.

Der RTS-Eingang des HART-Modems

Das Sinussignal wird über einen Hochpass dem Spannung/Stromwandler zugeführt. Als Ausgangstreiber für die Stromschleife dient der Transistor BD139-16. Er liefert den nötigen Strom bei genügender Spannungsfestigkeit. Grundsätzlich ist bei dieser Beschaltung der Strom in der Schleife etwas niedriger als der vorgegebene Sollwert, da der Basisstrom des Transistors zu berücksichtigen ist.

Mit einer zusätzlichen Kompensationsschaltung könnte diese Abweichung ausgeglichen werden. Die Diode D1 ist ein Polarisationsschutz, die den Strom/Spannungswandler schützt, falls die beiden Leitungen der Schleife versehentlich vertauscht werden.

Der RTS-Eingang des DS8500 wird auf „Low“ gesetzt, damit das Modem das Stromsignal in der Schleife moduliert und somit Daten senden kann. Ein Feldgerät darf jedoch nur nach einer Aufforderung eines Bediengerätes Daten übermitteln.

Daher liegt im Normalzustand der RTS-Eingang auf „High“, der Baustein arbeitet als Demodulator und das Feldgerät kann Kommandos vom Bediengerät empfangen.

Um die Vernetzung von unterschiedlichen HART-Geräten zu ermöglichen, wurde eine universelle Gerätebeschreibungssprache DDL (Device Description Language) festgelegt. Mit dieser Sprache ist die sichere Kommunikation – über Schnittstellen – mit Geräten in Feldnetzen gegeben. Die HART-Kommunikation hat daher auch in Zukunft ihren Platz in der Prozessautomation.

* * Dipl.-Ing. Gerhard Winkler ist Applikationsingenieur bei Maxim Integrated Products in Planegg.

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