HART调制解调器SYM20C15应用设计

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HART调制解调器SYM20C15应用设计

摘要：介绍HART调制解调器芯片SYM20C15的工作原理及其电路模块，给出其典型应用电路。该芯片专为实现HART协议而设计，与微处理器的接口简单、功耗低，被大量应用于HART智能仪表。
     关键词：HART通信协议 调制解调器 智能变送器
工业控制仪表普通采用4～20mA标准。为拓展现有仪表功能，在模拟信号基础上须增加数字通信能力。目前，大量使用的Rosemount公司研制的HART（High Addressable Remote Transducer）现场通信协议。SYM20C15是专为实现HART协议而设计的调制解调器芯片。



1 HART通信协议简介
HART通信协议使用频移键控FSK（Frequency Shift Keying）技术，将数字信号变换为音频信号，叠加到现场变送器和控制室之间的4～20mA电流环上来作数字通信。协议规定的信号频率（1200Hz代表1，2200Hz代表0）和传输速率（1200bit/s）符合美国Bell 202标准。这些音频正弦波的平均值为零，所以在现存的模拟信号中不增加直流成分，因此，在2根线上可以同时传送互不影响的模拟和数字信号。正是由于HART协议的这种优点，使它成为工业现场广泛应用的、事实上的工业标准。
2 SYM20C15引脚说明和特点
（1）SYM20C15引脚说明



       SYM20C15为28脚PLCC封装，其引脚说明如表1所列。

表1 SYM20C15引脚说明

引  脚	名  称	类  型	功能描述	备  注
1,5,7,8,9,14			测试	接地
2,3,4,25,28			测试	空
6	/RESET	输入	复位	低电平复位
10	OTXA	输出	调制器输出
11	IAREF	输入	参考电压	供电电源3.3V时接1.235V；供电电源5.0V时接2.5V
12	ICDREF	输入	载波检测参考电压	IAREF-ICDREF=80mV
13	OCBIAS		设置工作电流	电源3.3V时连接500kΩ电阻到地；电源5.0V时连接1MΩ电阻到地
15,22	VDDA,VDD		电源	接3.3V或5.0V
16	IRXA	输入	模拟接收滤波器输入
17	ORXAF	输出	模拟接收滤波器输出
18	IRXAC	输入	模拟接收比较器输入
19	OXTL	输出	振荡器输出	460kHz
20	IXTL	输入	振荡器输入	或接外部时钟
21	Vss		地
23	INRTS	输入	发送请求	低电平选择调制工作方式
24	ITXD	输入	调制器输入
26	ORXD	输出	解调器输出
27	OSD	输出	载波检测

（2）SYM20C15特点
*符合HART协议物理层规范；
*单片CMOS、低功耗、FSK调制解调器；
*符合Bell 2020标准，传输率1200bit/s，半双工；
*单电源3.3～5V供电；
*需外部提供460.8kHz时钟；
*5V供电时TTL兼容。



3 SYM20C15工作过程
SYM20C15是专为实现HART协议而设计的低功耗调制解调器。它包含几乎怕有在4～20mA模拟现场仪表上叠加HART通信协议所需的电路，只需外接少量元件即可构成HART协议的完整应用。SYM20C15包含4个主要模块：时钟模块、调制器模块、解调器模块、载波检测模块。
（1）调制过程
当INRTS引脚为低电平时，调制器工作，解调器关闭。调制器模块接收由ITXD引脚输入的不归零制（NRZ）数字信号，生成FSK调制信号由OTXA引脚输出。图1为调制过程波形。
ITXD引脚为高电平时，OTXA引脚输出1200Hz的梯形波；ITXD引脚为低电平时，OTXA引脚输出2200Hz的梯形波。OTXA输出通常需要和放大器或缓冲器进行交流耦合，输出电压幅度由IAREF引脚上的参考电压决定，其波形示意如图2所示。



       图2中VQ为OTXA上的静态电压（非调制状态），VREF为IAREF引脚上的参考电压。VREF为1.235V时，VQ为0.5V，信号电压0.25～0.75V，这正好满足HART主设备连接到网络上的电压要求。但由于OTXA没有足够的驱动能力直接接入HART网络，所以需要连接一个缓冲放大器。在工业现场仪表的应用中，通常将OTXA上的0.5V峰-峰电压输出转换为1mA峰-峰电流输出。
（2）解调过程
图3为解调过程波形。当INRTS引脚为高电平时，解调器工作，调制器关闭。接收到的信号需经过一个带通滤波器。这个滤波器的一部分被集成到SYM20C51内部，其余元件外接，用以降低电源变化带来的影响。整个带通滤波器由1个单极点低通滤波器和1个四极点高通滤波器构成。SYM20C15需要IAREF和ICDREF两个电压参考源。IAREF为芯片内部的放大器和比较器提供电压基准，通常为1.235V。ICDREF用于载波检测，应比IAREF低0.08V。图4为SYM20C15解调电路原理图。
（3）载波检测
当IRXAC上的电压小于ICDREF时，图4中的比较器CDCMP输出逻辑电平。这个输出被引入一个载波检测模块，当INRTS为高且有4个连续脉冲到达时，OCD置高，下一个有效脉冲必须在2.5ms内被接收才能使OCD保持高电平。
（4）时钟模块



       芯片正常工作需要460.8kHz的时钟信号，可在引脚OXTL和IXTL间连接1个晶体或隐瓷谐振器，或在引脚OXTL上连接外部时钟，同时将引脚IXTL接地。
4 SYM20C15应用电路
图5为使用SYM20C15设计的一个HART从设备的典型应用电路。SYM20C15的UART接口可以很谁地与微处理器进行连接。