基于A(yíng)RM的智能無(wú)線(xiàn)信號變送器(圖)

作者：東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 耿輝 劉軍

無(wú)線(xiàn)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，使得作為遠程監控系統中重要環(huán)節的智能變送器發(fā)生了巨大變化，以往煩瑣復雜的連線(xiàn)逐漸被高效、自動(dòng)化的無(wú)線(xiàn)通信方式所替代。而具有無(wú)線(xiàn)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(wú)人值守的地方，在軍事國防、工農業(yè)、城市管理、生物醫療、環(huán)境監測、搶險救災、防恐反恐、危險區域遠程控制等許多領(lǐng)域都具有巨大的實(shí)用價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景。

智能無(wú)線(xiàn)信號變送器的總體設計
智能無(wú)線(xiàn)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(lái)說(shuō)，其輸出信號的類(lèi)型非常多。鑒于本系統設計所面向的對象，對于專(zhuān)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(jìn)行系統樣機設計時(shí)，也沒(méi)有考慮，這在產(chǎn)品樣機的研制中可以加入，以增加系統的柔性。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(gè)概念很模糊，不易于定量的設計。根據應用的廣泛程度、代表性以及規范的程度，在此不妨以熱電偶為例進(jìn)行分析。



圖1 系統原理框架圖


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(shù)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，也應該作為系統輸入的另一種信號類(lèi)型。這樣系統前端輸入信號就有兩類(lèi)：4～20mA標準電流信號和0～60mV電壓信號。這兩類(lèi)信號經(jīng)過(guò)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(jīng)多路開(kāi)關(guān)選通進(jìn)行模數轉換，然后經(jīng)過(guò)MCU處理，最后可以與其他現場(chǎng)設備或監控中心進(jìn)行通信。系統原理框架圖見(jiàn)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(gè)方面來(lái)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(jìn)行放大處理，并通過(guò)多路開(kāi)關(guān)實(shí)現對其選通輸入，為后面的AD轉換所用。

由于本系統設計輸入信號動(dòng)態(tài)范圍為0～60mV，相對于常見(jiàn)的A/D芯片輸入量程（2V、5V、±10V等）來(lái)說(shuō)數值偏小，如果直接予以轉換的話(huà)，則達不到應有的轉換精度，影響系統總的測量精度，因此需要首先對輸入信號進(jìn)行放大，經(jīng)過(guò)綜合考慮，采用了儀用運放INA118。



圖2 INA118內部電路圖


INA118通過(guò)在腳1～8腳之間外接電阻Rg來(lái)實(shí)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(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(xiàn)電阻不能忽略，由于它的存在，實(shí)際增益可能會(huì )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(gè)可調電位器替代Rg，調節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(dòng)態(tài)范圍的電壓信號。根據本系統需求，使用120Ω的精密電阻可以實(shí)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(shí)驗樣機，在選用A/D芯片的時(shí)候最主要是考慮了設計成本、設計時(shí)間和實(shí)驗室資源有效利用等方面。由于實(shí)驗室有現成的以前申請的樣片16位的MAX1162，其性能完全能滿(mǎn)足本系統的要求，因此暫時(shí)在樣機信號采集系統中采用了該芯片。


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(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(jiàn)圖4。



圖4 MAX1162內部結構圖


② 相關(guān)電路設計
從跟隨器出來(lái)的模擬信號可能夾雜著(zhù)噪聲信號，會(huì )對轉換精度產(chǎn)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(shí)，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(jiàn)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(xiàn)：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(lái)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。雖然在本系統中我們所用MODEM使用6根MODEM信號線(xiàn)，但為了兼容其他各型號的串行MODEM，提高本系統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(jìn)行電平轉換，通過(guò)跳線(xiàn)設置選擇實(shí)際應用需要使用的信號線(xiàn)。


用MAX3243進(jìn)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(chǎn)生2Vcc的RS-232電平，使得其只需外接4個(gè)0.1μF的電容和一路 3.3V工作電源即可正常工作，大大簡(jiǎn)化了電路設計。其具有5個(gè)接收器和3個(gè)驅動(dòng)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(xiě)工作主要有兩個(gè)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(jiǎn)單，在系統中我們使用IO口模擬SPI總線(xiàn)，按照各芯片規定的操作時(shí)序編寫(xiě)相應的IO口操作程序即可。MAX1162的讀寫(xiě)時(shí)序見(jiàn)圖7。
從時(shí)序圖上可以看出，一個(gè)AD轉換周期從CS信號下降沿開(kāi)始，并在6個(gè)時(shí)鐘節拍后ADC開(kāi)始采集數據。SCLK信號驅動(dòng)著(zhù)轉換過(guò)程并在第8個(gè)時(shí)鐘節拍下降沿開(kāi)始把轉換結果放到DOUT數據線(xiàn)上（高位數據在前），整個(gè)轉換周期需要24個(gè)時(shí)鐘節拍，在讀取轉換結果最低位后，CS被強制拉為高電平，自動(dòng)復位內部寄存器，并使MAX1162進(jìn)入掉電模式。具體程序的編寫(xiě)可參考MAX1162的用戶(hù)手冊。



圖7 MAX1162讀寫(xiě)時(shí)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(wèn)題，著(zhù)名通信設備生產(chǎn)商Hayes為此制定了一套指令，現在已成為事實(shí)上的標準并被所有調制解調器制造商采用。這就是常說(shuō)的“AT指令”。AT指令幾乎都是以AT開(kāi)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(gè)不同的MODEM生產(chǎn)廠(chǎng)商對于特殊的功能集進(jìn)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(jiàn)表2。

表2 常用的短消息AT指令


在本系統中，CMS91模塊與LPC2136的UART1相聯(lián)。LPC2136通過(guò)UART1以字符的形式將AT指令發(fā)給CMS91模塊。在底層驅動(dòng)中我們要完成的任務(wù)就是實(shí)現通過(guò)LPC2136的UART1向GPRS MODEM發(fā)送字符，其中最基本的函數是實(shí)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(yǔ)
系統具備了移動(dòng)網(wǎng)內GPRS終端間互聯(lián)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的開(kāi)放性、可擴展性、易升級性等特點(diǎn)，整個(gè)系統具有很高的性?xún)r(jià)比。實(shí)踐證明了該設計的可行性，但在系統的復位電路、外部時(shí)鐘電路和電源等幾個(gè)部分，本文只提供了一種最簡(jiǎn)單的方案。在實(shí)際應用中，對于較為復雜的現場(chǎng)環(huán)境可以相應添加看門(mén)狗復位電路和獨立電源設計等復雜電路。