關鍵詞：HART通信協議 調制解調器 智能變送器

工業(yè)控制儀表普通采用4～20mA標準。為拓展現有儀表功能，在模擬信號基礎上須增加數字通信能力。目前，大量使用的Rosemount公司研制的HART（High Addressable Remote Transducer）現場通信協議。SYM20C15是專為實現HART協議而設計的調制解調器芯片。

1 HART通信協議簡介

HART通信協議使用頻移鍵控FSK（Frequency Shift Keying）技術，將數字信號變換為音頻信號，疊加到現場變送器和控制室之間的4～20mA電流環(huán)上來作數字通信。協議規(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標準。這些音頻正弦波的平均值為零，所以在現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字信號。正是由于HART協議的這種優(yōu)點，使它成為工業(yè)現場廣泛應用的、事實上的工業(yè)標準。

2 SYM20C15引腳說明和特點

（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

（2）SYM20C15特點

*符合HART協議物理層規(guī)范；

*單片CMOS、低功耗、FSK調制解調器；

*符合Bell 2020標準，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HART協議而設計的低功耗調制解調器。它包含幾乎怕有在4～20mA模擬現場儀表上疊加HART通信協議所需的電路，只需外接少量元件即可構成HART協議的完整應用。SYM20C15包含4個主要模塊：時鐘模塊、調制器模塊、解調器模塊、載波檢測模塊。

（1）調制過程

當INRTS引腳為低電平時，調制器工作，解調器關閉。調制器模塊接收由ITXD引腳輸入的不歸零制（NRZ）數字信號，生成FSK調制信號由OTXA引腳輸出。圖1為調制過程波形。

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主設備連接到網絡上的電壓要求。但由于OTXA沒有足夠的驅動能力直接接入HART網絡，所以需要連接一個緩沖放大器。在工業(yè)現場儀表的應用中，通常將OTXA上的0.5V峰-峰電壓輸出轉換為1mA峰-峰電流輸出。

（2）解調過程

圖3為解調過程波形。當INRTS引腳為高電平時，解調器工作，調制器關閉。接收到的信號需經過一個帶通濾波器。這個濾波器的一部分被集成到SYM20C51內部，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個單極點低通濾波器和1個四極點高通濾波器構成。SYM20C15需要IAREF和ICDREF兩個電壓參考源。IAREF為芯片內部的放大器和比較器提供電壓基準，通常為1.235V。ICDREF用于載波檢測，應比IAREF低0.08V。圖4為SYM20C15解調電路原理圖。

（3）載波檢測

當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INRTS為高且有4個連續(xù)脈沖到達時，OCD置高，下一個有效脈沖必須在2.5ms內被接收才能使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應用電路

圖5為使用SYM20C15設計的一個HART從設備的典型應用電路。SYM20C15的UART接口可以很誰地與微處理器進行連接。