基于ARM的智能無線信號變送器(圖)

作者：東南大學自動化學院 耿輝 劉軍

無線通信及網絡技術得到快速發(fā)展，給隨時隨地的信息交流提供了條件，使得作為遠程監(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，以往煩瑣復雜的連線逐漸被高效、自動化的無線通信方式所替代。而具有無線通信和網絡功能的智能變送器部署方便，只要在網絡覆蓋的區(qū)域內，就能完成通信功能，不易受到目標環(huán)境的影響，特別適合布置在無人值守的地方，在軍事國防、工農業(yè)、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、搶險救災、防恐反恐、危險區(qū)域遠程控制等許多領域都具有巨大的實用價值和廣闊的市場前景。

智能無線信號變送器的總體設計
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計的，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標準電流信號。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)設計所面向的對象，對于專業(yè)應用針對性強，應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，在進行系統(tǒng)樣機設計時，也沒有考慮，這在產品樣機的研制中可以加入，以增加系統(tǒng)的柔性。綜合分析，重點就是弱電壓信號了。那如何確定系統(tǒng)設計針對的弱電壓信號范圍呢？一般情況下，mV級的電壓信號被認為是弱電壓信號，但這個概念很模糊，不易于定量的設計。根據應用的廣泛程度、代表性以及規(guī)范的程度，在此不妨以熱電偶為例進行分析。



圖1 系統(tǒng)原理框架圖


熱電偶產生的是電壓（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的熱電勢范圍。

表1常用熱電偶主要技術參數


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，因此，可以認為0～60mV具有較好的代表性，能夠覆蓋很多的應用環(huán)境，也應該作為系統(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標準電流信號和0～60mV電壓信號。這兩類信號經過不同的調理電路調理為適合A/D芯片輸入量程的電壓信號后，經多路開關選通進行模數轉換，然后經過MCU處理，最后可以與其他現場設備或監(jiān)控中心進行通信。系統(tǒng)原理框架圖見圖1。

硬件設計
下面分別從信號調理電路、AD轉換電路、GPRS MODEM接口電路這幾個方面來介紹硬件電路的設計。


1 信號調理電路
信號調理電路的功能是對前述4～20mA標準電流信號和0～60mV電壓信號這兩路輸入信號進行放大處理，并通過多路開關實現對其選通輸入，為后面的AD轉換所用。

由于本系統(tǒng)設計輸入信號動態(tài)范圍為0～60mV，相對于常見的A/D芯片輸入量程（2V、5V、±10V等）來說數值偏小，如果直接予以轉換的話，則達不到應有的轉換精度，影響系統(tǒng)總的測量精度，因此需要首先對輸入信號進行放大，經過綜合考慮，采用了儀用運放INA118。



圖2 INA118內部電路圖


INA118通過在腳1～8腳之間外接電阻Rg來實現不同的增益，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用中對Rg的要求也比較高，應采用高精度、低噪聲的金屬膜電阻。此外，高增益的電路設計中的Rg值較小，如G=100時的Rg值為1.02kΩ；G=1000時的Rg值為50.5Ω。因此，在高增益時的接線電阻不能忽略，由于它的存在，實際增益可能會有較大的偏差，因而，計算得到的Rg值需要修正。修正的具體方法是用一個可調電位器替代Rg，調節(jié)電位器使得輸出電壓與輸入電壓的比值達到設計所要求的增益值。


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



圖3 信號調理電路


2 AD轉換電路
① AD轉換芯片選擇
分析需求可，模擬電路要求精度至少達到0.2%，根據前面的分析，這就要求輸入調理電路和AD轉換電路的精度至少要達到0.1%，而為了保證轉換精度，A/D芯片的分辨力最好要達到 0.01%，也即至少要14位（214=16384）。由于是設計實驗樣機，在選用A/D芯片的時候最主要是考慮了設計成本、設計時間和實驗室資源有效利用等方面。由于實驗室有現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，因此暫時在樣機信號采集系統(tǒng)中采用了該芯片。


MAX1162是一款低功耗、16位模數轉換器（ADC），采用逐次逼近型ADC結構，具有自動關斷、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，并且具有獨立的數字電源引腳，允許芯片直接和+2.7～+5.25V的數字邏輯接口。


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12.5m（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的內部結構框圖見圖4。



圖4 MAX1162內部結構圖


② 相關電路設計
從跟隨器出來的模擬信號可能夾雜著噪聲信號，會對轉換精度產生影響，因此，在MAX1162前加入濾波電路，盡量減少輸入噪聲的影響。同時，為了減少對其他電路的影響，增加了0.1μF的去耦電容。電路原理圖見圖5。



圖5 A/D電路原理圖


3 GPRS MODEM接口電路
CMS91 GPRS MODEM是一塊以CMS91GPRS模塊為核心搭配必要外圍電路制成的GPRS MODEM。CMS91模塊是一種雙頻段GSM/GPRS10級模塊，既支持GSM的短信功能，也支持GPRS數據傳輸功能。MODEM提供了標準RS232接口，使用了6根串行通信信號線：TXD、RXD、DTR、CTS、RTS和GND。其通信波特率范圍為2400～115 200b/s。


LPC2136提供了一組完整的9芯（包括地）MODEM信號，我們可以使用其中對應的6根來與MODEM通信，但由于是3.3V電平邏輯，要與MODEM的RS-232接口連接還需要電平轉換。雖然在本系統(tǒng)中我們所用MODEM使用6根MODEM信號線，但為了兼容其他各型號的串行MODEM，提高本系統(tǒng)的兼容性和升級能力，設計中將LPC2136提供的完整MODEM信號全部進行電平轉換，通過跳線設置選擇實際應用需要使用的信號線。


用MAX3243進行3.3V和RS-232電平轉換。MAX3243是MAXIM公司推出的232電平轉換芯片，其內部含有獨立電荷泵，可以從3.0～5.5V的電源電壓產生2Vcc的RS-232電平，使得其只需外接4個0.1μF的電容和一路 3.3V工作電源即可正常工作，大大簡化了電路設計。其具有5個接收器和3個驅動器，符合標準MODEM信號方向的配置，適合MODEM連接。其電路原理圖如圖6。



圖6 MODEM接口電路原理圖

軟件設計
軟件的編寫工作主要有兩個部分：AD轉換部分和GPRS MODEM部分。
AD轉換部分：模擬部分使用的A/D芯片為標準SPI接口。SPI接口操作比較簡單，在系統(tǒng)中我們使用IO口模擬SPI總線，按照各芯片規(guī)定的操作時序編寫相應的IO口操作程序即可。MAX1162的讀寫時序見圖7。
從時序圖上可以看出，一個AD轉換周期從CS信號下降沿開始，并在6個時鐘節(jié)拍后ADC開始采集數據。SCLK信號驅動著轉換過程并在第8個時鐘節(jié)拍下降沿開始把轉換結果放到DOUT數據線上（高位數據在前），整個轉換周期需要24個時鐘節(jié)拍，在讀取轉換結果最低位后，CS被強制拉為高電平，自動復位內部寄存器，并使MAX1162進入掉電模式。具體程序的編寫可參考MAX1162的用戶手冊。



圖7 MAX1162讀寫時序


GPRS MODEM部分：為了解決終端設備(Terminal Equipment，TE)或數據終端設備(Data Terminal Equipment，DTE)與終端適配器(Terminal Adapter，TA)或數據電路終端設備(Data Circuit Terminal Equipment，DCE)之間通信的問題，著名通信設備生產商Hayes為此制定了一套指令，現在已成為事實上的標準并被所有調制解調器制造商采用。這就是常說的“AT指令”。AT指令幾乎都是以AT開始，以CR>LF>結尾的特定的字符串，AT后跟的字母和數字表明AT指令的具體功能。指令集分成標準AT指令集（StandardV.25ATCommands），AT增強指令集（ATCommandsfor EnhancedFunctions），傳真指令集（ATCommandsforFAX）等多種。各個不同的MODEM生產廠商對于特殊的功能集進行了相應的增加。
我們使用的CellonCMS91模塊用于發(fā)送短消息的主要AT指令見表2。

表2 常用的短消息AT指令


在本系統(tǒng)中，CMS91模塊與LPC2136的UART1相聯。LPC2136通過UART1以字符的形式將AT指令發(fā)給CMS91模塊。在底層驅動中我們要完成的任務就是實現通過LPC2136的UART1向GPRS MODEM發(fā)送字符，其中最基本的函數是實現WRITE MODEM函數。
uint8 ModemWrite(char *Data, uint16 NByte)
{
uint8 err,i;
while(NByte>0)
{
OSSemPend(Uart1Send,0,err);
for(i=0;i8;i++)
{
U1THR=*Data++;
NByte--;
if(NByte==0)
{
break;
}
}
}
return ModemState;
}

結束語
系統(tǒng)具備了移動網內GPRS終端間互聯功能和INTERNET接入功能，此外，在結構設計上，充分考慮了樣機系統(tǒng)的開放性、可擴展性、易升級性等特點，整個系統(tǒng)具有很高的性價比。實踐證明了該設計的可行性，但在系統(tǒng)的復位電路、外部時鐘電路和電源等幾個部分，本文只提供了一種最簡單的方案。在實際應用中，對于較為復雜的現場環(huán)境可以相應添加看門狗復位電路和獨立電源設計等復雜電路。