無線通信及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(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(zāi)、防恐反恐、危險區(qū)域遠程控制等許多領(lǐng)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(shè)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(shè)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(shè)計所面向的對象，對于專業(yè)應(yīng)用針對性強，應(yīng)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(shè)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(shè)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(shè)計。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(yīng)的熱電勢范圍。
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(yīng)用環(huán)境，也應(yīng)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(guān)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(shè)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(shè)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(shè)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(guān)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(shè)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(yīng)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(yīng)用中對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(shè)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(shè)計實驗樣機，在選用A/D芯片的時候最主要是考慮了設(shè)計成本、設(shè)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(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(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
② 相關(guān)電路設(shè)計
從跟隨器出來的模擬信號可能夾雜著噪聲信號，會對轉(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，為了減少對其他電路的影響，增加了0.1μF的去耦電容。電路原理圖見圖5。
圖5 A/D電路原理圖
3 GPRS MODEM接口電路
CMS91 GPRSMODEM是一塊以CMS91GPRS模塊為核心搭配必要外圍電路制成的GPRSMODEM。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(shù)據(jù)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：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(yīng)的6根來與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信號線，但為了兼容其他各型號的串行MODEM，提高本系統(tǒng)的兼容性和升級能力，設(shè)計中將LPC2136提供的完整MODEM信號全部進行電平轉(zhuǎn)換，通過跳線設(shè)置選擇實際應(yīng)用需要使用的信號線。
用MAX3243進行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0.1μF的電容和一路 3.3V工作電源即可正常工作，大大簡化了電路設(shè)計。其具有5個接收器和3個驅(qū)動器，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(shè)計
軟件的編寫工作主要有兩個部分：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芯片為標準SPI接口。SPI接口操作比較簡單，在系統(tǒng)中我們使用IO口模擬SPI總線，按照各芯片規(guī)定的操作時序編寫相應(yīng)的IO口操作程序即可。MAX1162的讀寫時序見圖7。
從時序圖上可以看出，一個AD轉(zhuǎn)換周期從CS信號下降沿開始，并在6個時鐘節(jié)拍后ADC開始采集數(shù)據(jù)。SCLK信號驅(qū)動著轉(zhuǎn)換過程并在第8個時鐘節(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），整個轉(zhuǎn)換周期需要24個時鐘節(jié)拍，在讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果最低位后，CS被強制拉為高電平，自動復位內(nèi)部寄存器，并使MAX1162進入掉電模式。具體程序的編寫可參考MAX1162的用戶手冊。
圖7 MAX1162讀寫時序
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（DataTerminal Equipment，DTE）與終端適配器（Terminal Adapter，TA）或數(shù)據(jù)電路終端設(shè)備（DataCircuit TerminalEquipment，DCE）之間通信的問題，著名通信設(shè)備生產(chǎn)商Hayes為此制定了一套指令，現(xiàn)在已成為事實上的標準并被所有調(diào)制解調(diào)器制造商采用。這就是常說的“AT指令”。AT指令幾乎都是以AT開始，以《CR》《LF》結(jié)尾的特定的字符串，AT后跟的字母和數(shù)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（ATCommandsforEnhancedFunctions），傳真指令集（ATCommandsforFAX）等多種。各個不同的MODEM生產(chǎn)廠商對于特殊的功能集進行了相應(yīng)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UART1以字符的形式將AT指令發(fā)給CMS91模塊。在底層驅(qū)動中我們要完成的任務(wù)就是實現(xiàn)通過LPC2136的UART1向GPRS MODEM發(fā)送字符，其中最基本的函數(shù)是實現(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
系統(tǒng)具備了移動網(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)計上，充分考慮了樣機系統(tǒng)的開放性、可擴展性、易升級性等特點，整個系統(tǒng)具有很高的性價比。實踐證明了該設(shè)計的可行性，但在系統(tǒng)的復位電路、外部時鐘電路和電源等幾個部分，本文只提供了一種最簡單的方案。在實際應(yīng)用中，對于較為復雜的現(xiàn)場環(huán)境可以相應(yīng)添加看門狗復位電路和獨立電源設(shè)計等復雜電路。
