HART调制解调器SYM20C15应用设计_通信网络论文
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。