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

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 0.75mm TQFN 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。