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

（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。