基于ARM的智能无线信号变送器

无线通信及网络技术得到快速发展，给随时随地的信息交流提供了条件，使得作为远程监控系统中重要环节的智能变送器发生了巨大变化，以往烦琐复杂的连线逐渐被高效、自动化的无线通信方式所替代。而具有无线通信和网络功能的智能变送器部署方便，只要在网络覆盖的区域内，就能完成通信功能，不易受到目标环境的影响，特别适合布置在无人值守的地方，在军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多领域都具有巨大的实用价值和广阔的市场前景。

智能无线信号变送器的总体设计
智能无线信号变送器是针对主流变送器和典型传感器输出信号设计的，所以首先分析一下它们各自的输出信号。通常变送器的输出是4～20mA标准电流信号。而对于传感器来说，其输出信号的类型非常多。鉴于本系统设计所面向的对象，对于专业应用针对性强，应用较少的非电形式的信号、较大的电压信号不予考虑。另外，对于较为常用的频率信号，在进行系统样机设计时，也没有考虑，这在产品样机的研制中可以加入，以增加系统的柔性。综合分析，重点就是弱电压信号了。那如何确定系统设计针对的弱电压信号范围呢？一般情况下，mV级的电压信号被认为是弱电压信号，但这个概念很模糊，不易于定量的设计。根据应用的广泛程度、代表性以及规范的程度，在此不妨以热电偶为例进行分析。

图1 系统原理框架图

热电偶产生的是电压（电势）信号，属于缓变的毫伏级弱信号，表1是常用的各种热电偶的温度测量范围和对应的热电势范围。

表1常用热电偶主要技术参数

由表中可以看出，热电偶的输出热电势基本上在0～60mV的范围内，因此，可以认为0～60mV具有较好的代表性，能够覆盖很多的应用环境，也应该作为系统输入的另一种信号类型。这样系统前端输入信号就有两类：4～20mA标准电流信号和0～60mV电压信号。这两类信号经过不同的调理电路调理为适合A/D芯片输入量程的电压信号后，经多路开关选通进行模数转换，然后经过MCU处理，最后可以与其他现场设备或监控中心进行通信。系统原理框架图见图1。

硬件设计
下面分别从信号调理电路、AD转换电路、GPRS MODEM接口电路这几个方面来介绍硬件电路的设计。

1 信号调理电路
信号调理电路的功能是对前述4～20mA标准电流信号和0～60mV电压信号这两路输入信号进行放大处理，并通过多路开关实现对其选通输入，为后面的AD转换所用。

由于本系统设计输入信号动态范围为0～60mV，相对于常见的A/D芯片输入量程（2V、5V、±10V等）来说数值偏小，如果直接予以转换的话，则达不到应有的转换精度，影响系统总的测量精度，因此需要首先对输入信号进行放大，经过综合考虑，采用了仪用运放INA118。

图2 INA118内部电路图

INA118通过在脚1～8脚之间外接电阻Rg来实现不同的增益，该增益可从1～1000不等。电阻Rg的大小由Rg=50kΩ/(G－1)决定，式中：G为增益。

由于Rg的稳定性和温度漂移对增益有影响，因此，在需要获得高精度增益的应用中对Rg的要求也比较高，应采用高精度、低噪声的金属膜电阻。此外，高增益的电路设计中的Rg值较小，如G=100时的Rg值为1.02kΩ；G=1000时的Rg值为50.5Ω。因此，在高增益时的接线电阻不能忽略，由于它的存在，实际增益可能会有较大的偏差，因而，计算得到的Rg值需要修正。修正的具体方法是用一个可调电位器替代Rg，调节电位器使得输出电压与输入电压的比值达到设计所要求的增益值。

4～20mA电流信号使用不同阻值的采样电阻即可以转换为不同动态范围的电压信号。根据本系统需求，使用120Ω的精密电阻可以实现4～20mA电流信号转换为0.48～2.4V的电压信号，与后级A/D芯片量程相匹配。信号调理电路如图3所示。

图3 信号调理电路

2 AD转换电路
① AD转换芯片选择
分析需求可，模拟电路要求精度至少达到0.2%，根据前面的分析，这就要求输入调理电路和AD转换电路的精度至少要达到0.1%，而为了保证转换精度，A/D芯片的分辨力最好要达到 0.01%，也即至少要14位（214=16384）。由于是设计实验样机，在选用A/D芯片的时候最主要是考虑了设计成本、设计时间和实验室资源有效利用等方面。由于实验室有现成的以前申请的样片16位的MAX1162，其性能完全能满足本系统的要求，因此暂时在样机信号采集系统中采用了该芯片。

MAX1162是一款低功耗、16位模数转换器（ADC），采用逐次逼近型ADC结构，具有自动关断、1.1μs快速唤醒和兼容于SPI/QSPI/MICROWIRE的高速接口。MAX1162工作于+5V单模拟电源，并且具有独立的数字电源引脚，允许芯片直接和+2.7～+5.25V的数字逻辑接口。

在最大采样速度200ks/s下，MAX1162仅吸取2.5mA电流。在200ks/s（最大值）采样速度下，功耗仅12.5mW（AVDD=DVDD=+5V）。AutoShutdown能在10ks/s速率下将电源电流减小至130μA，在更低的采样速度下可以减小至10μA以下。
MAX1162的内部结构框图见图4。

图4 MAX1162内部结构图