作者：東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 耿輝 劉軍
無(wú)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(wú)線通信方式所替代。而具有無(wú)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(wú)人值守的地方，在軍事國(guó)防、工農(nóng)業(yè)、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)、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(chǎng)前景。
智能無(wú)線信號(hào)變送器的總體設(shè)計(jì)
智能無(wú)線信號(hào)變送器是針對(duì)主流變送器和典型傳感器輸出信號(hào)設(shè)計(jì)的，所以首先分析一下它們各自的輸出信號(hào)。通常變送器的輸出是4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。而對(duì)于傳感器來(lái)說(shuō)，其輸出信號(hào)的類型非常多。鑒于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)所面向的對(duì)象，對(duì)于專業(yè)應(yīng)用針對(duì)性強(qiáng)，應(yīng)用較少的非電形式的信號(hào)、較大的電壓信號(hào)不予考慮。另外，對(duì)于較為常用的頻率信號(hào)，在進(jìn)行系統(tǒng)樣機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，也沒(méi)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(hào)了。那如何確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)針對(duì)的弱電壓信號(hào)范圍呢？一般情況下，mV級(jí)的電壓信號(hào)被認(rèn)為是弱電壓信號(hào)，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(shì)）信號(hào)，屬于緩變的毫伏級(jí)弱信號(hào)，表1是常用的各種熱電偶的溫度測(cè)量范圍和對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)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(shì)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(hào)類型。這樣系統(tǒng)前端輸入信號(hào)就有兩類：4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)和0～60mV電壓信號(hào)。這兩類信號(hào)經(jīng)過(guò)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(hào)后，經(jīng)多路開關(guān)選通進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)過(guò)MCU處理，最后可以與其他現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或監(jiān)控中心進(jìn)行通信。系統(tǒng)原理框架圖見(jiàn)圖1。
硬件設(shè)計(jì)
下面分別從信號(hào)調(diào)理電路、AD轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)。
1 信號(hào)調(diào)理電路
信號(hào)調(diào)理電路的功能是對(duì)前述4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)和0～60mV電壓信號(hào)這兩路輸入信號(hào)進(jìn)行放大處理，并通過(guò)多路開關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(hào)動(dòng)態(tài)范圍為0～60mV，相對(duì)于常見(jiàn)的A/D芯片輸入量程（2V、5V、±10V等）來(lái)說(shuō)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(cè)量精度，因此需要首先對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大，經(jīng)過(guò)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(guò)在腳1～8腳之間外接電阻Rg來(lái)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(duì)增益有影響，因此，在需要獲得高精度增益的應(yīng)用中對(duì)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(huì)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(hào)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(hào)。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(hào)轉(zhuǎn)換為0.48～2.4V的電壓信號(hào)，與后級(jí)A/D芯片量程相匹配。信號(hào)調(diào)理電路如圖3所示。
圖3 信號(hào)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(qǐng)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(hào)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12.5m（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(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖4。
圖4 MAX1162內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
② 相關(guān)電路設(shè)計(jì)
從跟隨器出來(lái)的模擬信號(hào)可能夾雜著噪聲信號(hào)，會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)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(duì)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(jí)模塊，既支持GSM的短信功能，也支持GPRS數(shù)據(jù)傳輸功能。MODEM提供了標(biāo)準(zhǔn)RS232接口，使用了6根串行通信信號(hào)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(hào)，我們可以使用其中對(duì)應(yīng)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(zhuǎn)換。雖然在本系統(tǒng)中我們所用MODEM使用6根MODEM信號(hào)線，但為了兼容其他各型號(hào)的串行MODEM，提高本系統(tǒng)的兼容性和升級(jí)能力，設(shè)計(jì)中將LPC2136提供的完整MODEM信號(hào)全部進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，通過(guò)跳線設(shè)置選擇實(shí)際應(yīng)用需要使用的信號(hào)線。
用MAX3243進(jìn)行3.3V和RS-232電平轉(zhuǎn)換。MAX3243是MAXIM公司推出的232電平轉(zhuǎn)換芯片，其內(nèi)部含有獨(dú)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(shè)計(jì)。其具有5個(gè)接收器和3個(gè)驅(qū)動(dòng)器，符合標(biāo)準(zhǔn)MODEM信號(hào)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(shè)計(jì)
軟件的編寫工作主要有兩個(gè)部分：AD轉(zhuǎn)換部分和GPRS MODEM部分。
AD轉(zhuǎn)換部分：模擬部分使用的A/D芯片為標(biāo)準(zhǔn)SPI接口。SPI接口操作比較簡(jiǎn)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(shí)序編寫相應(yīng)的IO口操作程序即可。MAX1162的讀寫時(shí)序見(jiàn)圖7。
從時(shí)序圖上可以看出，一個(gè)AD轉(zhuǎn)換周期從CS信號(hào)下降沿開始，并在6個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍后ADC開始采集數(shù)據(jù)。SCLK信號(hào)驅(qū)動(dòng)著轉(zhuǎn)換過(guò)程并在第8個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍下降沿開始把轉(zhuǎn)換結(jié)果放到DOUT數(shù)據(jù)線上（高位數(shù)據(jù)在前），整個(gè)轉(zhuǎn)換周期需要24個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍，在讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果最低位后，CS被強(qiáng)制拉為高電平，自動(dòng)復(fù)位內(nèi)部寄存器，并使MAX1162進(jìn)入掉電模式。具體程序的編寫可參考MAX1162的用戶手冊(cè)。
圖7 MAX1162讀寫時(shí)序
GPRS MODEM部分：為了解決終端設(shè)備(Terminal Equipment，TE)或數(shù)據(jù)終端設(shè)備(Data Terminal Equipment，DTE)與終端適配器(Terminal Adapter，TA)或數(shù)據(jù)電路終端設(shè)備(Data Circuit Terminal Equipment，DCE)之間通信的問(wèn)題，著名通信設(shè)備生產(chǎn)商Hayes為此制定了一套指令，現(xiàn)在已成為事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)并被所有調(diào)制解調(diào)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開始，以
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(tǒng)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(qū)動(dòng)中我們要完成的任務(wù)就是實(shí)現(xiàn)通過(guò)LPC2136的UART1向GPRS MODEM發(fā)送字符，其中最基本的函數(shù)是實(shí)現(xiàn)WRITE MODEM函數(shù)。
uint8 ModemWrite(char *Data, uint16 NByte)
{
uint8 err,i;
while(NByte>0)
{
OSSemPend(Uart1Send,0,&err);
for(i=0;i<8;i++)
{
U1THR=*Data++;
NByte--;
if(NByte==0)
{
break;
}
}
}
return ModemState;
}
結(jié)束語(yǔ)
系統(tǒng)具備了移動(dòng)網(wǎng)內(nèi)GPRS終端間互聯(lián)功能和INTERNET接入功能，此外，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，充分考慮了樣機(jī)系統(tǒng)的開放性、可擴(kuò)展性、易升級(jí)性等特點(diǎn)，整個(gè)系統(tǒng)具有很高的性價(jià)比。實(shí)踐證明了該設(shè)計(jì)的可行性，但在系統(tǒng)的復(fù)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(yīng)用中，對(duì)于較為復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境可以相應(yīng)添加看門狗復(fù)位電路和獨(dú)立電源設(shè)計(jì)等復(fù)雜電路。