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HART调制解调器SYM20C15的应用设计
[正文]: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。
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(highaddressableremotetransducer)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(frequencyshiftkeying)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bell202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


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(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bell2020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。

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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。

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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。

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(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。

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