HART調(diào)制解調(diào)器SYM20C15應(yīng)用設(shè)計(jì)
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關(guān)鍵詞：HART通信協(xié)議 調(diào)制解調(diào)器 智能變送器
工業(yè)控制儀表普通采用4～20mA標(biāo)準(zhǔn)。為拓展現(xiàn)有儀表功能，在模擬信號基礎(chǔ)上須增加數(shù)字通信能力。目前，大量使用的Rosemount公司研制的HART（High Addressable Remote Transducer）現(xiàn)場通信協(xié)議。SYM20C15是專為實(shí)現(xiàn)HART協(xié)議而設(shè)計(jì)的調(diào)制解調(diào)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(shù)，將數(shù)字信號變換為音頻信號，疊加到現(xiàn)場變送器和控制室之間的4～20mA電流環(huán)上來作數(shù)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(biāo)準(zhǔn)。這些音頻正弦波的平均值為零，所以在現(xiàn)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(shí)傳送互不影響的模擬和數(shù)字信號。正是由于HART協(xié)議的這種優(yōu)點(diǎn)，使它成為工業(yè)現(xiàn)場廣泛應(yīng)用的、事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
2 SYM20C15引腳說明和特點(diǎn)
（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(fù)位 | 低電平復(fù)位 |
| 10 | OTXA | 輸出 | 調(diào)制器輸出 | |
| 11 | IAREF | 輸入 | 參考電壓 | 供電電源3.3V時(shí)接1.235V； 供電電源5.0V時(shí)接2.5V |
| 12 | ICDREF | 輸入 | 載波檢測參考電壓 | IAREF-ICDREF=80mV |
| 13 | OCBIAS | 設(shè)置工作電流 | 電源3.3V時(shí)連接500kΩ電阻到地；電源5.0V時(shí)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(shí)鐘 |
| 21 | Vss | 地 | ||
| 23 | INRTS | 輸入 | 發(fā)送請求 | 低電平選擇調(diào)制工作方式 |
| 24 | ITXD | 輸入 | 調(diào)制器輸入 | |
| 26 | ORXD | 輸出 | 解調(diào)器輸出 | |
| 27 | OSD | 輸出 | 載波檢測 |
（2）SYM20C15特點(diǎn)
*符合HART協(xié)議物理層規(guī)范；
*單片CMOS、低功耗、FSK調(diào)制解調(diào)器；
*符合Bell 2020標(biāo)準(zhǔn)，傳輸率1200bit/s，半雙工；
*單電源3.3～5V供電；
*需外部提供460.8kHz時(shí)鐘；
*5V供電時(shí)TTL兼容。
3 SYM20C15工作過程
SYM20C15是專為實(shí)現(xiàn)HART協(xié)議而設(shè)計(jì)的低功耗調(diào)制解調(diào)器。它包含幾乎怕有在4～20mA模擬現(xiàn)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(gòu)成HART協(xié)議的完整應(yīng)用。SYM20C15包含4個(gè)主要模塊：時(shí)鐘模塊、調(diào)制器模塊、解調(diào)器模塊、載波檢測模塊。
（1）調(diào)制過程
當(dāng)INRTS引腳為低電平時(shí)，調(diào)制器工作，解調(diào)器關(guān)閉。調(diào)制器模塊接收由ITXD引腳輸入的不歸零制（NRZ）數(shù)字信號，生成FSK調(diào)制信號由OTXA引腳輸出。圖1為調(diào)制過程波形。
ITXD引腳為高電平時(shí)，OTXA引腳輸出1200Hz的梯形波；ITXD引腳為低電平時(shí)，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(jìn)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(diào)制狀態(tài)），VREF為IAREF引腳上的參考電壓。VREF為1.235V時(shí)，VQ為0.5V，信號電壓0.25～0.75V，這正好滿足HART主設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)上的電壓要求。但由于OTXA沒有足夠的驅(qū)動能力直接接入HART網(wǎng)絡(luò)，所以需要連接一個(gè)緩沖放大器。在工業(yè)現(xiàn)場儀表的應(yīng)用中，通常將OTXA上的0.5V峰-峰電壓輸出轉(zhuǎn)換為1mA峰-峰電流輸出。
（2）解調(diào)過程
圖3為解調(diào)過程波形。當(dāng)INRTS引腳為高電平時(shí)，解調(diào)器工作，調(diào)制器關(guān)閉。接收到的信號需經(jīng)過一個(gè)帶通濾波器。這個(gè)濾波器的一部分被集成到SYM20C51內(nèi)部，其余元件外接，用以降低電源變化帶來的影響。整個(gè)帶通濾波器由1個(gè)單極點(diǎn)低通濾波器和1個(gè)四極點(diǎn)高通濾波器構(gòu)成。SYM20C15需要IAREF和ICDREF兩個(gè)電壓參考源。IAREF為芯片內(nèi)部的放大器和比較器提供電壓基準(zhǔn)，通常為1.235V。ICDREF用于載波檢測，應(yīng)比IAREF低0.08V。圖4為SYM20C15解調(diào)電路原理圖。
（3）載波檢測
當(dāng)IRXAC上的電壓小于ICDREF時(shí)，圖4中的比較器CDCMP輸出邏輯電平。這個(gè)輸出被引入一個(gè)載波檢測模塊，當(dāng)INRTS為高且有4個(gè)連續(xù)脈沖到達(dá)時(shí)，OCD置高，下一個(gè)有效脈沖必須在2.5ms內(nèi)被接收才能使OCD保持高電平。
（4）時(shí)鐘模塊
芯片正常工作需要460.8kHz的時(shí)鐘信號，可在引腳OXTL和IXTL間連接1個(gè)晶體或隱瓷諧振器，或在引腳OXTL上連接外部時(shí)鐘，同時(shí)將引腳IXTL接地。
4 SYM20C15應(yīng)用電路
圖5為使用SYM20C15設(shè)計(jì)的一個(gè)HART從設(shè)備的典型應(yīng)用電路。SYM20C15的UART接口可以很誰地與微處理器進(jìn)行連接。
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