基于ARM的智能無線信號變送器

無線通信及網(wǎng)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(wǎng)絡功能的智能變送器部署方便，只要在網(wǎng)絡覆蓋的區(qū)域內(nèi)，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(nóng)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(chǎn)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(jù)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(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的熱電勢范圍。

表1常用熱電偶主要技術參數(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(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)多路開關選通進行模數(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(diào)理電路、AD轉(zhuǎn)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(diào)理電路
信號調(diào)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(xiàn)對其選通輸入，為后面的AD轉(zhuǎn)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(shù)值偏小，如果直接予以轉(zhuǎn)換的話，則達不到應有的轉(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行放大，經(jīng)過綜合考慮，采用了儀用運放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(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(zhuǎn)換為不同動態(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(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(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），采用逐次逼近型ADC結(jié)構(gòu)，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(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