智能無線信號(hào)變送器的總體設(shè)計(jì)

智能無線信號(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)于傳感器來說，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。

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MCU處理，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)原理框架圖見圖1.

圖1 系統(tǒng)原理框架圖

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(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通過在腳1～8腳之間外接電阻Rg來實(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