新一代SD2015型HART調(diào)制解調(diào)器的原理

新一代SD2015型HART調(diào)制解調(diào)器的原理
摘要：本文闡述了SD2015型HART調(diào)制解調(diào)器的原理。SD2015內(nèi)部集成了符合Bell202標(biāo)準(zhǔn)的較完整的調(diào)制解調(diào)電路，便于構(gòu)建智能現(xiàn)場儀表的HART協(xié)議通信模塊電路；并且與現(xiàn)有的HART調(diào)制解調(diào)電路可相互兼容。
關(guān)鍵詞：SD2015；HART協(xié)議；調(diào)制解調(diào)器
1 引言
　　20世紀(jì)70年代中期，工業(yè)控制儀表發(fā)展為統(tǒng)一的二線制4 mA~20mA電流環(huán)標(biāo)準(zhǔn)模擬信號體制。80年代后，數(shù)字技術(shù)的發(fā)展使大量智能控制儀表采用了微控制器(MCU)，儀表與控制設(shè)備之間傳輸?shù)男畔⒘吭黾?，迫切需要一種全數(shù)字雙向通信規(guī)范。美國Rose—mount公司制定的HART協(xié)議是兼容現(xiàn)行4mA一20 mA模擬系統(tǒng)的過渡性現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，得到了非常廣泛的應(yīng)用，成為智能工業(yè)控制領(lǐng)域事實(shí)上的國際標(biāo)準(zhǔn)。
　　SDIC公司的SD2015型HART調(diào)制解調(diào)器用于構(gòu)建智能現(xiàn)場儀表的HART協(xié)議通信模塊，具有外圍電路簡單和工作可靠性高等特點(diǎn)。
2 HART協(xié)議
HART(Highway Addressable RemoteTransducer)，可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道的開放通信協(xié)議，是美國Rosement公司于1985年推出的一種用于現(xiàn)場智能儀表和控制室設(shè)備之間的通信協(xié)議。HART裝置提供具有相對低的帶寬，適度響應(yīng)時(shí)間的通信，經(jīng)過10多年的發(fā)展，HART技術(shù)在國外已經(jīng)十分成熟，并已成為全球智能儀表的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
HART協(xié)議采用基于Bell202標(biāo)準(zhǔn)的FSK頻移鍵控信號，在低頻的4-20mA模擬信號上疊加幅度為0.5mA的音頻數(shù)字信號進(jìn)行雙向數(shù)字通訊，數(shù)據(jù)傳輸率為1.2Mbps。由于FSK信號的平均值為0，不影響傳送給控制系統(tǒng)模擬信號的大小，保證了與現(xiàn)有模擬系統(tǒng)的兼容性。在HART協(xié)議通信中主要的變量和控制信息由4-20mA傳送，在需要的情況下，另外的測量、過程參數(shù)、設(shè)備組態(tài)、校準(zhǔn)、診斷信息通過HART協(xié)議訪問。
HART通信采用的是半雙工的通信方式，其特點(diǎn)是在現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號通信，屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過程中過渡性產(chǎn)品，因而在當(dāng)前的過渡時(shí)期具有較強(qiáng)的市場競爭能力，得到了較快發(fā)展。

HART采用統(tǒng)一的設(shè)備描述語言DDL?，F(xiàn)場設(shè)備開發(fā)商采用這種標(biāo)準(zhǔn)語言來描述設(shè)備特性，由HART基金會負(fù)責(zé)登記管理這些設(shè)備描述并把它們編為設(shè)備描述字典，主設(shè)備運(yùn)用DDL技術(shù)來理解這些設(shè)備的特性參數(shù)而不必為這些設(shè)備開發(fā)專用接口。但由于這種模擬數(shù)字混合信號制，導(dǎo)致難以開發(fā)出一種能滿足各公司要求的通信接口芯片。HART能利用總線供電，可滿足本質(zhì)**防爆要求，并可組成由手持編程器與管理系統(tǒng)主機(jī)作為主設(shè)備的雙主設(shè)備系統(tǒng)。
3 SD2015的工作原理
3．1 SD2015的性能與引腳功能
　　SD2015是應(yīng)用于HART現(xiàn)場儀表的單片CMOS調(diào)制解調(diào)器，其主要性能如下：
　　(1)符合HART通信協(xié)議物理層要求，與HT2015、A5191完全兼容。
　　(2)功耗可低至80μA ；
(3)誤碼率小于百萬分之一；
(4)工作電壓3.0V～5.5V；
(5)單芯片、半雙工1200b/s的FSK調(diào)制解調(diào)器
(6)內(nèi)部集成接收濾波器，以及輸出HART波形整形電路；
(7)可外接460．8 kHz晶體或陶瓷濾波器或使用外部輸入時(shí)鐘；
(8)工業(yè)級工作溫度:-40℃～+85℃；
另外，為了節(jié)省功耗，SD2015在進(jìn)行發(fā)送操作時(shí)可將接收電路關(guān)閉，進(jìn)行接收操作時(shí)也可將發(fā)送電路關(guān)閉．這種工作方式適合于HART協(xié)議的半雙工通信方式。
SD2015采用28引腳PLCC和32引腳LQFP封裝，3．2 SD2015的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理

　　SD2015與HT2015、A5191HRT的功能完全相同。該芯片包含一個(gè)發(fā)送數(shù)據(jù)的調(diào)制器和波形整形器、模擬接收濾波器和解調(diào)器、載波檢測電路、振蕩器，功能框圖如圖2所示。
圖2 SD2015結(jié)構(gòu)圖
調(diào)制解調(diào)器調(diào)制發(fā)送信號、解調(diào)接收信號，信號波形整形電路對發(fā)送信號進(jìn)行波形整形，使之符合HART規(guī)范。載波檢測電路將把接收濾波器輸出和兩個(gè)外部參考電壓VIAREF與VICDREF之間的差值進(jìn)行比較，以確定載波是否出現(xiàn)。模擬接收電路對接收信號進(jìn)行帶通濾波，然后輸入解調(diào)電路和載波檢測電路。振蕩電路通過外接一個(gè)諧振器或時(shí)鐘源，給整個(gè)該電路提供時(shí)鐘基準(zhǔn)。
該調(diào)制電路使用FSK調(diào)制方式（1200Hz為1，2200Hz為0），比特率1200位/秒。
4 結(jié)束語
　　HART技術(shù)在國外已經(jīng)很成熟。并以其自身突出的優(yōu)點(diǎn)成為智能控制領(lǐng)域中應(yīng)用*廣泛的現(xiàn)場通信協(xié)議?？梢灶A(yù)見，在今后很長一段時(shí)期內(nèi)，HART技術(shù)將在我國現(xiàn)場儀表的智能化研制和改造中發(fā)揮重要作用。設(shè)計(jì)實(shí)踐證明，使用SD2015設(shè)計(jì)智能現(xiàn)場儀表的HART協(xié)議通信模塊具有電路設(shè)計(jì)簡單、工作可靠性高、現(xiàn)有模擬系統(tǒng)的兼容等優(yōu)越性，參考價(jià)值和實(shí)用價(jià)值較高。