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

    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是專為實現(xiàn)HART協(xié)議而設(shè)計的調(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(shè)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(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時鐘；

*5V供電時TTL兼容。

3 SYM20C15工作過程

SYM20C15是專為實現(xiàn)HART協(xié)議而設(shè)計的低功耗調(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個主要模塊：時鐘模塊、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，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，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(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，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，解調(diào)器工作，調(diào)制器關(guān)閉。接收到的信號需經(jīng)過一個帶通濾波器。這個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。整個帶通濾波器由1個單極點(diǎn)低通濾波器和1個四極點(diǎn)高通濾波器構(gòu)成。SYM20C15需要IAREF和ICDREF兩個電壓參考源。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，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(dāng)INRTS為高且有4個連續(xù)脈沖到達(dá)時，OCD置高，下一個有效脈沖必須在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(yīng)用電路

圖5為使用SYM20C15設(shè)計的一個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。