基于A(yíng)RM的智能無(wú)線(xiàn)信號變送器的設計

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。