技術乾貨|工控晶片國產替代,晶華微為工控企業智能化轉型賦能

2020-11-22 電子發燒友

技術乾貨|工控晶片國產替代，晶華微為工控企業智能化轉型賦能

杭州晶華微 發表於 2020-11-18 15:15:00

當下國際供應鏈斷裂，我國工業控制系統卡脖子現象進一步加劇，一大批優質的工控企業受制於人，更凸顯出中國在工業控制領域的短板。

作為工業控制系統的核心元器件——工控類晶片，實現國產替代，自主可控，成為了我國工業控制系統國產化的必經之路。

HART通信協議介紹

傳統的模擬信號工業儀表只能傳輸目標測量值，無法傳輸設備狀態、診斷和額外的變量，無法有效的對設備進行配置和故障排除。如何讓傳統的模擬工業自動化系統變得更加智能化？HART通信協議應運而生。

HART（highway addressable remote transducer，可尋址遠程傳感器高速通道）通信協議由美國 Rosemount 公司於20世紀80年代中期推出，主要用於現場智能儀表和控制室系統間進行數字通信。現今，HART通信協議已被世界上三分之二以上的現場設備所採用，成為智能工業控制領域的國際標準。

HART數據機晶片介紹

HART數據機晶片使用FSK技術，在4~20mA信號過程量上疊加一個頻率信號，成功地把模擬信號和數位訊號雙向同時通訊，而不互相干擾。採用Bell202標準的FSK頻移鍵控信號，在低頻的4～20mA模擬信號上疊加一個頻率數位訊號進行雙向數字通信。數位訊號的幅度為0.5mA ，數據傳輸率為1200bps，1200Hz代表邏輯「1」，2200Hz代表邏輯「0」。數位訊號波形如圖1所示：

圖1. HART波形圖

HART數據機晶片可以將設備和系統集成起來，以檢測先前檢測不到的問題，實時檢測設備或過程的連接問題。通過獲取新的早期預警，以減少偏差造成的影響，避免非計劃停機或過程中斷所引起的高成本。快速確定和驗證控制迴路和設備配置，使用遠程診斷，以減少不必要的現場檢查。

杭州晶華微電子有限公司自主研發的HART數據機晶片專為實現HART協議而設計，型號包括SD2017B、SD2057、SD2085。下面對這三款產品進行詳細介紹：

SD2017B晶片介紹

SD2017B是一款專為實現 HART 協議而設計的 CMOS 單片數據機晶片，其主要的功能特點為：

  • 符合 HART 通信協議物理層要求
  • 單晶片半雙工 1200b/s 的 FSK數據機
  • 符合 Bell202 標準載波 1200Hz 和 2200Hz
  • HART波形整形輸出具有額外驅動能力
  • 可接 3.6864MHz 晶振或使用外部時鐘源
  • 工作電壓 2.7V~5.5V
  • 低功耗，調製模式下最大功耗為 90μA
  • -55℃至+125℃工作溫度範圍
  • 32腳 LQFP 封裝，如圖2所示
  • 滿足 RoHS 環保要求

圖2. SD2017B封裝片

SD2017B本身集成滿足 HART 物理層規範功能要求的大部分功能，包括調製與解調，輸入信號濾波，載波檢測和發送信號波形整形等，因此只需再外加少量無源元件，即可實現支持帶HART功能產品設計。如圖3所示，為SD2017B的一種典型應用。

圖3. SD2017B應用於智能變送器

SD2017B作為SD2015B的升級產品，晶片管腳匹配SD2015B、HT2015及A5191HRT，在一定範圍內，可實現兼容替換，如圖4所示，為SD2017B替換SD2015B的實現方法。

圖4. SD2017B晶片替換SD2015B

使用SD2017B替換SD2015B、HT2015及A5191HRT設計應用方案，外圍無源器件減少到原本的三分之一，晶體振蕩器由原本的460.8kHz陶瓷振蕩器替換為3.6864MHz晶體振蕩器，降低成本的同時也更易於採購，簡化電路設計、降低成本。

SD2057晶片介紹

SD2057是一款專為實現 HART 協議而設計的 CMOS 單片數據機晶片，其主要的功能特點為：

  • 符合 HART 通信協議物理層要求
  • 符合 Bell202 標準載波 1200Hz 和 2200Hz
  • 內部集成接收濾波器，所需外部元件極少
  • HART 波形整形輸出具有額外驅動能力
  • UART 接口
  • 工作電壓 2.7V~5.5V
  • 低功耗，調製模式下最大功耗為 112µA
  • -55℃至+125℃工作溫度範圍
  • 24 引腳 4mm x 4mm QFN 封裝，如圖5所示。
  • 滿足 RoHS 環保要求

圖5. SD2057封裝片

SD2057集成了所有必要的HART 信號濾波、信號檢測、調製、解調及波形整形等功能的電路模塊，滿足 HART 物理層規範要求，只需添加少量外圍無源元件，即可應用於支持 HART 協議的現場儀表和控制器中。如圖6所示，為SD2057應用於變送儀表中的一種典型應用。

圖6.SD2057典型應用圖

SD2085晶片介紹

SD2085是一款專為實現 HART 協議而設計的 CMOS 單片數據機晶片，其主要的功能特點為：

  • 單晶片、半雙工 1200bps FSK 數據機
  • 符合 HART 通信協議物理層要求
  • 符合 Bell202 標準載波 1200Hz 和 2200Hz
  • HART 波形整形輸出具有額外驅動能力
  • 數位訊號處理確保可靠的輸入信號檢測
  • UART 接口
  • 工作電壓 2.7V~3.6V
  • 低功耗，調製模式下最大功耗為 85μA
  • -55℃至+125℃工作溫度範圍
  • 20 引腳 5mm x 5mm x 0.75mmTQFN 封裝，如圖7所示。
  • 滿足 RoHS 環保要求

圖7. SD2085封裝片

SD2085集成了所有必要的HART 信號濾波、信號檢測、調製、解調及波形整形等功能的電路模塊，滿足 HART 物理層規範要求，只需添加少量外圍無源元件，即可應用於支持 HART 協議的現場儀表和控制器中。如圖8所示，為SD2085應用於變送儀表中的一種典型應用。

圖8. SD2085典型應用圖

結語

國內的工業控制系統在不斷變化和創新中呈現出快速增長的趨勢，晶華微將繼續加碼，研發出更多高質量的工控相關產品和系統解決方案，助力加速工控晶片國產化進程，打破國外壟斷局面。並加強與工控企業達成戰略合作夥伴關係，延伸和提高新技術，助力工控企業不斷提升智能化水平，推動中國工業物聯網產業的新發展。

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