글쓴이 : SOONDORI
산업용 제어계가 흔히 다루는 아날로그 전류 정보(커런트 루프의 4~20mA) 또는 아날로그 전압 정보(1~5V 또는 2~10V)에 맞물린 보조적 디지털 정보 전송 방법 내지 양방향 통신 방법을 HART 통신(Highway Addressable Remote Transducer Protocol)이라고 한다.
기술적 핵심은,
주된 정보 전송에 간섭하지 않는 어떤 부가 정보를 한 개 전송 선로에 혼합하는 것. 다른 말로 하면, 한 개 전송 선로에서 속성이 완전히 다른 두 변수를 동시 취급하는 것.
예를 들어, 쇠젓가락을 통해서 건전지 DC 전압을 공급할 수 있고, 동시에 그 젓가락을 FM 라디오의 안테나로 쓸 수 있다. DC 전압과 RF 전파는 속성이 다르기 때문에 상호 영향 없음. 예를 들어, 다중 우주론처럼 동시에 여러 개의 차원이 같은 곳에 존재하는 것과 같음. TV 드라마에서는 그런 것을, 귀신이 곡할 노릇이라고 한다.
다른 것은 다 미뤄두고… 구현 핵심은 Frequency Shift Keying이다. 줄임말 FSK, 우리말로는 주파수 + 일정한 기준에서 벗어났다는 편이(偏倚) + 변조. 변조가 있으니 당연히 복조도 있고…
다음은 송신 파형의 예.
○ 1.2Khz를 HIGH 펄스에 대응하고, 2.2Khz를 LOW 펄스에 대응한다.
○ 101010000… 일련의 디지털 펄스에 대하여, 1.2Khz와 2.2Khz를 선택적으로 생성한다.
○ (필드에서 쓰는 것을 본 적은 없다. 논리만으로는…) 전송 선로가 전압형이라면,
가변적인 이종 사인파를 담은 Hart_Out 전위 전체가 오르락내리락하면 됨. 수신 쪽 회로, 사인파는 따로 빼서 디지털 정보로 변환하고 동시에 그 잔털을 치워버린 후 크게 등락하는 전압만 아날로그 전압 정보로 인식하면 됨.
○ 전송 선로가 전류형이라면,
1) 디지털 합성(DDS) 기능이 내장된 HART통신 IC를 배치하였다고 가정하고,
2) 통신 칩은 기존 Current Loop 선로에 꼽사리 낀 상태로 등락하는 사인파를 주고받는다.
– 24V Loop 전원을 쓰는, 종단 센서장치 내 회로 예시
Loop+/Loop-의 전류 상태, AD5421과 같은 커런트 루프 드라이버 IC가 제어하는 전류량과 무관하게 TX와 RX 처리가 가능함.
– 상위 레벨에 있는 정보 수집 장치 예시
250오움 전류-전압 변환 저항 그리고 ADC 동작에 무관하게 별도 라인으로 RX/TX 처리가 가능함.
○ 이상의 정보 혼재 취급에 대하여,
– V = I × R 공식을 떠올리면서 전압은 무조건 전류와 연결된다고 생각할 필요는 없음. 관념상의 전압과 관념의 전류는 완전히 다른 개념이다. 물론, 저항을 꺼내기 전까지는.
– 전압과 주파수의 혼합 그리고 분리는, 흔히 알고 있는 다이오드 정류 회로를 연상하면 될 듯.
– 전류와 주파수의 혼합 그리고 분리는, 글쎄요… 전자 개수가 곧 전류량이라고 할 때, 굴러가는 전자를 다르게 행동하도록 만들어도 전류량은 같음. ‘다르게 행동하는 것’을 주파수든 뭐든 식별 가능한 것으로 대체하여 상상하면…
○ FSK 수식은 다음과 같다.
f_1과 f_2 : 편이 주파수( 2.2Khz – 1.2Khz = 1Khz), E_b : Energy per Bit이고 2E_b로 고정이니까 곧 일정 진폭, T_b : 다 끝날 때까지 끝난 게 아니다, S_1 : 시간 t에 따라 변화 중인 HIGH 파형, S_2 : LOW 파형.
