HART調制解調器SYM20C15應用設計

作者：時間：2004-12-06 來源：網絡

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摘要：介紹HART調制解調器芯片SYM20C15的工作原理及其電路模塊，給出其典型應用電路。該芯片專為實現HART協(xié)議而設計，與微處理器的接口簡單、功耗低，被大量應用于HART智能儀表。

關鍵詞：HART通信協(xié)議 調制解調器 智能變送器

工業(yè)控制儀表普通采用4～20mA標準。為拓展現有儀表功能，在模擬信號基礎上須增加數字通信能力。目前，大量使用的Rosemount公司研制的HART（High Addressable Remote Transducer）現場通信協(xié)議。SYM20C15是專為實現HART協(xié)議而設計的調制解調器芯片。

1 HART通信協(xié)議簡介

HART通信協(xié)議使用頻移鍵控FSK（Frequency Shift Keying）技術，將數字信號變換為音頻信號，疊加到現場變送器和控制室之間的4～20mA電流環(huán)上來作數字通信。協(xié)議規(guī)定的信號頻率（1200Hz代表1，2200Hz代表0）和傳輸速率（1200bit/s）符合美國Bell 202標準。這些音頻正弦波的平均值為零，所以在現存的模擬信號中不增加直流成分，因此，在2根線上可以同時傳送互不影響的模擬和數字信號。正是由于HART協(xié)議的這種優(yōu)點，使它成為工業(yè)現場廣泛應用的、事實上的工業(yè)標準。

2 SYM20C15引腳說明和特點

（1）SYM20C15引腳說明

SYM20C15為28腳PLCC封裝，其引腳說明如表1所列。

表1 SYM20C15引腳說明

引腳	名稱	類型	功能描述	備注
1,5,7,8,9,14			測試	接地
2,3,4,25,28			測試	空
6	/RESET	輸入	復位	低電平復位
10	OTXA	輸出	調制器輸出
11	IAREF	輸入	參考電壓	供電電源3.3V時接1.235V；供電電源5.0V時接2.5V
12	ICDREF	輸入	載波檢測參考電壓	IAREF-ICDREF=80mV
13	OCBIAS		設置工作電流	電源3.3V時連接500kΩ電阻到地；電源5.0V時連接1MΩ電阻到地
15,22	VDDA,VDD		電源	接3.3V或5.0V
16	IRXA	輸入	模擬接收濾波器輸入
17	ORXAF	輸出	模擬接收濾波器輸出
18	IRXAC	輸入	模擬接收比較器輸入
19	OXTL	輸出	振蕩器輸出	460kHz
20	IXTL	輸入	振蕩器輸入	或接外部時鐘
21	Vss		地
23	INRTS	輸入	發(fā)送請求	低電平選擇調制工作方式
24	ITXD	輸入	調制器輸入
26	ORXD	輸出	解調器輸出
27	OSD	輸出	載波檢測

（2）SYM20C15特點

*符合HART協(xié)議物理層規(guī)范；

*單片CMOS、低功耗、FSK調制解調器；

*符合Bell 2020標準，傳輸率1200bit/s，半雙工；

*單電源3.3～5V供電；

*需外部提供460.8kHz時鐘；

*5V供電時TTL兼容。

3 SYM20C15工作過程

SYM20C15是專為實現HART協(xié)議而設計的低功耗調制解調器。它包含幾乎怕有在4～20mA模擬現場儀表上疊加HART通信協(xié)議所需的電路，只需外接少量元件即可構成HART協(xié)議的完整應用。SYM20C15包含4個主要模塊：時鐘模塊、調制器模塊、解調器模塊、載波檢測模塊。

（1）調制過程

當INRTS引腳為低電平時，調制器工作，解調器關閉。調制器模塊接收由ITXD引腳輸入的不歸零制（NRZ）數字信號，生成FSK調制信號由OTXA引腳輸出。圖1為調制過程波形。

ITXD引腳為高電平時，OTXA引腳輸出1200Hz的梯形波；ITXD引腳為低電平時，OTXA引腳輸出2200Hz的梯形波。OTXA輸出通常需要和放大器或緩沖器進行交流耦合，輸出電壓幅度由IAREF引腳上的參考電壓決定，其波形示意如圖2所示。

圖2中VQ為OTXA上的靜態(tài)電壓（非調制狀態(tài)），VREF為IAREF引腳上的參考電壓。VREF為1.235V時，VQ為0.5V，信號電壓0.25～0.75V，這正好滿足HART主設備連接到網絡上的電壓要求。但由于OTXA沒有足夠的驅動能力直接接入HART網絡，所以需要連接一個緩沖放大器。在工業(yè)現場儀表的應用中，通常將OTXA上的0.5V峰-峰電壓輸出轉換為1mA峰-峰電流輸出。

（2）解調過程

圖3為解調過程波形。當INRTS引腳為高電平時，解調器工作，調制器關閉。接收到的信號需經過一個帶通濾波器。這個濾波器的一部分被集成到SYM20C51內部，其余元件外接，用以降低電源變化帶來的影響。整個帶通濾波器由1個單極點低通濾波器和1個四極點高通濾波器構成。SYM20C15需要IAREF和ICDREF兩個電壓參考源。IAREF為芯片內部的放大器和比較器提供電壓基準，通常為1.235V。ICDREF用于載波檢測，應比IAREF低0.08V。圖4為SYM20C15解調電路原理圖。

（3）載波檢測

當IRXAC上的電壓小于ICDREF時，圖4中的比較器CDCMP輸出邏輯電平。這個輸出被引入一個載波檢測模塊，當INRTS為高且有4個連續(xù)脈沖到達時，OCD置高，下一個有效脈沖必須在2.5ms內被接收才能使OCD保持高電平。

（4）時鐘模塊

芯片正常工作需要460.8kHz的時鐘信號，可在引腳OXTL和IXTL間連接1個晶體或隱瓷諧振器，或在引腳OXTL上連接外部時鐘，同時將引腳IXTL接地。

4 SYM20C15應用電路

圖5為使用SYM20C15設計的一個HART從設備的典型應用電路。SYM20C15的UART接口可以很誰地與微處理器進行連接。