基于ARM的智能無線信號變送器

無線通信及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到快速發(fā)展，給隨時(shí)隨地的信息交流提供了條件，使得作為遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中重要環(huán)節(jié)的智能變送器發(fā)生了巨大變化，以往煩瑣復(fù)雜的連線逐漸被高效、自動(dòng)化的無線通信方式所替代。而具有無線通信和網(wǎng)絡(luò)功能的智能變送器部署方便，只要在網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域內(nèi)，就能完成通信功能，不易受到目標(biāo)環(huán)境的影響，特別適合布置在無人值守的地方，在軍事國防、工農(nóng)業(yè)、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、搶險(xiǎn)救災(zāi)、防恐反恐、危險(xiǎn)區(qū)域遠(yuǎn)程控制等許多領(lǐng)域都具有巨大的實(shí)用價(jià)值和廣闊的市場前景。

智能無線信號變送器的總體設(shè)計(jì)
智能無線信號變送器是針對主流變送器和典型傳感器輸出信號設(shè)計(jì)的，所以首先分析一下它們各自的輸出信號。通常變送器的輸出是4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號。而對于傳感器來說，其輸出信號的類型非常多。鑒于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)所面向的對象，對于專業(yè)應(yīng)用針對性強(qiáng)，應(yīng)用較少的非電形式的信號、較大的電壓信號不予考慮。另外，對于較為常用的頻率信號，在進(jìn)行系統(tǒng)樣機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，也沒有考慮，這在產(chǎn)品樣機(jī)的研制中可以加入，以增加系統(tǒng)的柔性。綜合分析，重點(diǎn)就是弱電壓信號了。那如何確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)針對的弱電壓信號范圍呢？一般情況下，mV級的電壓信號被認(rèn)為是弱電壓信號，但這個(gè)概念很模糊，不易于定量的設(shè)計(jì)。根據(jù)應(yīng)用的廣泛程度、代表性以及規(guī)范的程度，在此不妨以熱電偶為例進(jìn)行分析。

圖1 系統(tǒng)原理框架圖

熱電偶產(chǎn)生的是電壓（電勢）信號，屬于緩變的毫伏級弱信號，表1是常用的各種熱電偶的溫度測量范圍和對應(yīng)的熱電勢范圍。

表1常用熱電偶主要技術(shù)參數(shù)

由表中可以看出，熱電偶的輸出熱電勢基本上在0～60mV的范圍內(nèi)，因此，可以認(rèn)為0～60mV具有較好的代表性，能夠覆蓋很多的應(yīng)用環(huán)境，也應(yīng)該作為系統(tǒng)輸入的另一種信號類型。這樣系統(tǒng)前端輸入信號就有兩類：4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號和0～60mV電壓信號。這兩類信號經(jīng)過不同的調(diào)理電路調(diào)理為適合A/D芯片輸入量程的電壓信號后，經(jīng)多路開關(guān)選通進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)過MCU處理，最后可以與其他現(xiàn)場設(shè)備或監(jiān)控中心進(jìn)行通信。系統(tǒng)原理框架圖見圖1。

硬件設(shè)計(jì)
下面分別從信號調(diào)理電路、AD轉(zhuǎn)換電路、GPRS MODEM接口電路這幾個(gè)方面來介紹硬件電路的設(shè)計(jì)。

1 信號調(diào)理電路
信號調(diào)理電路的功能是對前述4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號和0～60mV電壓信號這兩路輸入信號進(jìn)行放大處理，并通過多路開關(guān)實(shí)現(xiàn)對其選通輸入，為后面的AD轉(zhuǎn)換所用。

由于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)輸入信號動(dòng)態(tài)范圍為0～60mV，相對于常見的A/D芯片輸入量程（2V、5V、±10V等）來說數(shù)值偏小，如果直接予以轉(zhuǎn)換的話，則達(dá)不到應(yīng)有的轉(zhuǎn)換精度，影響系統(tǒng)總的測量精度，因此需要首先對輸入信號進(jìn)行放大，經(jīng)過綜合考慮，采用了儀用運(yùn)放INA118。

圖2 INA118內(nèi)部電路圖

INA118通過在腳1～8腳之間外接電阻Rg來實(shí)現(xiàn)不同的增益，該增益可從1～1000不等。電阻Rg的大小由Rg=50kΩ/(G－1)決定，式中：G為增益。

由于Rg的穩(wěn)定性和溫度漂移對增益有影響，因此，在需要獲得高精度增益的應(yīng)用中對Rg的要求也比較高，應(yīng)采用高精度、低噪聲的金屬膜電阻。此外，高增益的電路設(shè)計(jì)中的Rg值較小，如G=100時(shí)的Rg值為1.02kΩ；G=1000時(shí)的Rg值為50.5Ω。因此，在高增益時(shí)的接線電阻不能忽略，由于它的存在，實(shí)際增益可能會有較大的偏差，因而，計(jì)算得到的Rg值需要修正。修正的具體方法是用一個(gè)可調(diào)電位器替代Rg，調(diào)節(jié)電位器使得輸出電壓與輸入電壓的比值達(dá)到設(shè)計(jì)所要求的增益值。

4～20mA電流信號使用不同阻值的采樣電阻即可以轉(zhuǎn)換為不同動(dòng)態(tài)范圍的電壓信號。根據(jù)本系統(tǒng)需求，使用120Ω的精密電阻可以實(shí)現(xiàn)4～20mA電流信號轉(zhuǎn)換為0.48～2.4V的電壓信號，與后級A/D芯片量程相匹配。信號調(diào)理電路如圖3所示。

圖3 信號調(diào)理電路

2 AD轉(zhuǎn)換電路
① AD轉(zhuǎn)換芯片選擇
分析需求可，模擬電路要求精度至少達(dá)到0.2%，根據(jù)前面的分析，這就要求輸入調(diào)理電路和AD轉(zhuǎn)換電路的精度至少要達(dá)到0.1%，而為了保證轉(zhuǎn)換精度，A/D芯片的分辨力最好要達(dá)到 0.01%，也即至少要14位（214=16384）。由于是設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，在選用A/D芯片的時(shí)候最主要是考慮了設(shè)計(jì)成本、設(shè)計(jì)時(shí)間和實(shí)驗(yàn)室資源有效利用等方面。由于實(shí)驗(yàn)室有現(xiàn)成的以前申請的樣片16位的MAX1162，其性能完全能滿足本系統(tǒng)的要求，因此暫時(shí)在樣機(jī)信號采集系統(tǒng)中采用了該芯片。

MAX1162是一款低功耗、16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），采用逐次逼近型ADC結(jié)構(gòu)，具有自動(dòng)關(guān)斷、1.1μs快速喚醒和兼容于SPI/QSPI/MICROWIRE的高速接口。MAX1162工作于+5V單模擬電源，并且具有獨(dú)立的數(shù)字電源引腳，允許芯片直接和+2.7～+5.25V的數(shù)字邏輯接口。

在最大采樣速度200ks/s下，MAX1162僅吸取2.5mA電流。在200ks/s（最大值）采樣速度下，功耗僅12.5mW（AVDD=DVDD=+5V）。AutoShutdown能在10ks/s速率下將電源電流減小至130μA，在更低的采樣速度下可以減小至10μA以下。
MAX1162的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖見圖4。

圖4 MAX1162內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖