技术干货|工控芯片国产替代,晶华微为工控企业智能化转型赋能

杭州晶华微 发表于 2020-11-18 15:15:00 收藏 已收藏
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技术干货|工控芯片国产替代,晶华微为工控企业智能化转型赋能

杭州晶华微 发表于 2020-11-18 15:15:00

当下国际供应链断裂,我国工业控制系统卡脖子现象进一步加剧,一大批优质的工控企业受制于人,更凸显出中国在工业控制领域的短板。

作为工业控制系统的核心元器件——工控类芯片,实现国产替代,自主可控,成为了我国工业控制系统国产化的必经之路。

HART通信协议介绍

传统的模拟信号工业仪表只能传输目标测量值,无法传输设备状态、诊断和额外的变量,无法有效的对设备进行配置和故障排除。如何让传统的模拟工业自动化系统变得更加智能化?HART通信协议应运而生。

HART(highway addressable remote transducer,可寻址远程传感器高速通道)通信协议由美国 Rosemount 公司于20世纪80年代中期推出,主要用于现场智能仪表和控制室系统间进行数字通信。现今,HART通信协议已被世界上三分之二以上的现场设备所采用,成为智能工业控制领域的国际标准。

HART调制解调器芯片介绍

HART调制解调器芯片使用FSK技术,在4~20mA信号过程量上叠加一个频率信号,成功地把模拟信号和数字信号双向同时通讯,而不互相干扰。采用Bell202标准的FSK频移键控信号,在低频的4~20mA模拟信号上叠加一个频率数字信号进行双向数字通信。数字信号的幅度为0.5mA ,数据传输率为1200bps,1200Hz代表逻辑“1”,2200Hz代表逻辑“0”。数字信号波形如图1所示:

图1. HART波形图

HART调制解调器芯片可以将设备和系统集成起来,以检测先前检测不到的问题,实时检测设备或过程的连接问题。通过获取新的早期预警,以减少偏差造成的影响,避免非计划停机或过程中断所引起的高成本。快速确定和验证控制回路和设备配置,使用远程诊断,以减少不必要的现场检查。

杭州晶华微电子有限公司自主研发的HART调制解调器芯片专为实现HART协议而设计,型号包括SD2017B、SD2057、SD2085。下面对这三款产品进行详细介绍:

SD2017B芯片介绍

SD2017B是一款专为实现 HART 协议而设计的 CMOS 单片调制解调器芯片,其主要的功能特点为:

  • 符合 HART 通信协议物理层要求
  • 单芯片半双工 1200b/s 的 FSK调制解调器
  • 符合 Bell202 标准载波 1200Hz 和 2200Hz
  • HART波形整形输出具有额外驱动能力
  • 可接 3.6864MHz 晶振或使用外部时钟源
  • 工作电压 2.7V~5.5V
  • 低功耗,调制模式下最大功耗为 90μA
  • -55℃至+125℃工作温度范围
  • 32脚 LQFP 封装,如图2所示
  • 满足 RoHS 环保要求

图2. SD2017B封装片

SD2017B本身集成满足 HART 物理层规范功能要求的大部分功能,包括调制与解调,输入信号滤波,载波检测和发送信号波形整形等,因此只需再外加少量无源元件,即可实现支持带HART功能产品设计。如图3所示,为SD2017B的一种典型应用。

图3. SD2017B应用于智能变送器

SD2017B作为SD2015B的升级产品,芯片管脚匹配SD2015B、HT2015及A5191HRT,在一定范围内,可实现兼容替换,如图4所示,为SD2017B替换SD2015B的实现方法。

图4. SD2017B芯片替换SD2015B

使用SD2017B替换SD2015B、HT2015及A5191HRT设计应用方案,外围无源器件减少到原本的三分之一,晶体振荡器由原本的460.8kHz陶瓷振荡器替换为3.6864MHz晶体振荡器,降低成本的同时也更易于采购,简化电路设计、降低成本。

SD2057芯片介绍

SD2057是一款专为实现 HART 协议而设计的 CMOS 单片调制解调器芯片,其主要的功能特点为:

  • 符合 HART 通信协议物理层要求
  • 符合 Bell202 标准载波 1200Hz 和 2200Hz
  • 内部集成接收滤波器,所需外部元件极少
  • HART 波形整形输出具有额外驱动能力
  • UART 接口
  • 工作电压 2.7V~5.5V
  • 低功耗,调制模式下最大功耗为 112µA
  • -55℃至+125℃工作温度范围
  • 24 引脚 4mm x 4mm QFN 封装,如图5所示。
  • 满足 RoHS 环保要求

图5. SD2057封装片

SD2057集成了所有必要的HART 信号滤波、信号检测、调制、解调及波形整形等功能的电路模块,满足 HART 物理层规范要求,只需添加少量外围无源元件,即可应用于支持 HART 协议的现场仪表和控制器中。如图6所示,为SD2057应用于变送仪表中的一种典型应用。

图6.SD2057典型应用图

SD2085芯片介绍

SD2085是一款专为实现 HART 协议而设计的 CMOS 单片调制解调器芯片,其主要的功能特点为:

  • 单芯片、半双工 1200bps FSK 调制解调器
  • 符合 HART 通信协议物理层要求
  • 符合 Bell202 标准载波 1200Hz 和 2200Hz
  • HART 波形整形输出具有额外驱动能力
  • 数字信号处理确保可靠的输入信号检测
  • UART 接口
  • 工作电压 2.7V~3.6V
  • 低功耗,调制模式下最大功耗为 85μA
  • -55℃至+125℃工作温度范围
  • 20 引脚 5mm x 5mm x 0.75mmTQFN 封装,如图7所示。
  • 满足 RoHS 环保要求

图7. SD2085封装片

SD2085集成了所有必要的HART 信号滤波、信号检测、调制、解调及波形整形等功能的电路模块,满足 HART 物理层规范要求,只需添加少量外围无源元件,即可应用于支持 HART 协议的现场仪表和控制器中。如图8所示,为SD2085应用于变送仪表中的一种典型应用。

图8. SD2085典型应用图

结语

国内的工业控制系统在不断变化和创新中呈现出快速增长的趋势,晶华微将继续加码,研发出更多高质量的工控相关产品和系统解决方案,助力加速工控芯片国产化进程,打破国外垄断局面。并加强与工控企业达成战略合作伙伴关系,延伸和提高新技术,助力工控企业不断提升智能化水平,推动中国工业物联网产业的新发展。

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