作者：东南大学主动化学院 耿辉 刘军
无线通讯及网络技术得到快速开展，给随时随地的信息沟通供给了条件，使得作为长途监控体系中重要环节的智能变送器发生了巨大变化，以往烦琐杂乱的连线逐步被高效、主动化的无线通讯方法所代替。而具有无线通讯和网络功用的智能变送器安置便利，只需在网络掩盖的区域内，就能完结通讯功用，不易遭到方针环境的影响，特别合适安置在无人值守的当地，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、风险区域长途操控等许多范畴都具有巨大的实用价值和宽广的市场前景。
智能无线信号变送器的总体规划
智能无线信号变送器是针对干流变送器和典型传感器输出信号规划的，所以首要剖析一下它们各自的输出信号。一般变送器的输出是4～20mA规范电流信号。而关于传感器来说，其输出信号的类型十分多。鉴于本体系规划所面向的目标，关于专业运用针对性强，运用较少的非电方式的信号、较大的电压信号不予考虑。别的，关于较为常用的频率信号，在进行体系样机规划时，也没有考虑，这在产品样机的研发中能够参加，以增加体系的柔性。归纳剖析，要点便是弱电压信号了。那怎么确认体系规划针对的弱电压信号规模呢？一般情况下，mV级的电压信号被以为是弱电压信号，但这个概念很含糊，不易于定量的规划。依据运用的广泛程度、代表性以及规范的程度，在此无妨以热电偶为例进行剖析。 
图1 体系原理结构图
热电偶发生的是电压（电势）信号，归于缓变的毫伏级弱信号，表1是常用的各种热电偶的温度丈量规模和对应的热电势规模。
表1常用热电偶首要技术参数 
由表中能够看出，热电偶的输出热电势基本上在0～60mV的规模内，因而，能够以为0～60mV具有较好的代表性，能够掩盖许多的运用环境，也应该作为体系输入的另一种信号类型。这样体系前端输入信号就有两类：4～20mA规范电流信号和0～60mV电压信号。这两类信号经过不同的调度电路调度为合适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化，然后经过MCU处理，最终能够与其他现场设备或监控中心进行通讯。体系原理结构图见图1。
硬件规划
下面分别从信号调度电路、AD转化电路、GPRS MODEM接口电路这几个方面来介绍硬件电路的规划。
1 信号调度电路
信号调度电路的功用是对前述4～20mA规范电流信号和0～60mV电压信号这两路输入信号进行扩大处理，并经过多路开关完结对其选通输入，为后边的AD转化所用。
因为本体系规划输入信号动态规模为0～60mV，相关于常见的A/D芯片输入量程（2V、5V、±10V等）来说数值偏小，假如直接予以转化的话，则达不到应有的转化精度，影响体系总的丈量精度，因而需求首要对输入信号进行扩大，经过归纳考虑，选用了仪用运放INA118。 
图2 INA118内部电路图
INA118经过在脚1～8脚之间外接电阻Rg来完结不同的增益，该增益可从1～1000不等。电阻Rg的巨细由Rg=50kΩ/(G－1)决议，式中：G为增益。
因为Rg的稳定性和温度漂移对增益有影响，因而，在需求取得高精度增益的运用中对Rg的要求也比较高，应选用高精度、低噪声的金属膜电阻。此外，高增益的电路规划中的Rg值较小，如G=100时的Rg值为1.02kΩ；G=1000时的Rg值为50.5Ω。因而，在高增益时的接线电阻不能疏忽，因为它的存在，实践增益或许会有较大的误差，因而，核算得到的Rg值需求批改。批改的详细方法是用一个可调电位器代替Rg，调度电位器使得输出电压与输入电压的比值到达规划所要求的增益值。
4～20mA电流信号运用不同阻值的采样电阻即能够转化为不同动态规模的电压信号。依据本体系需求，运用120Ω的精细电阻能够完结4～20mA电流信号转化为0.48～2.4V的电压信号，与后级A/D芯片量程相匹配。信号调度电路如图3所示。 
图3 信号调度电路
2 AD转化电路
① AD转化芯片挑选
剖析需求可，模仿电路要求精度至少到达0.2%，依据前面的剖析，这就要求输入调度电路和AD转化电路的精度至少要到达0.1%，而为了确保转化精度，A/D芯片的分辨力最好要到达 0.01%，也即至少要14位（214=16384）。因为是规划试验样机，在选用A/D芯片的时分最首要是考虑了规划本钱、规划时刻和试验室资源有用运用等方面。因为试验室有现成的曾经请求的样片16位的MAX1162，其功用完全能满意本体系的要求，因而暂时在样机信号收集体系中选用了该芯片。
MAX1162是一款低功耗、16位模数转化器（ADC），选用逐次迫临型ADC结构，具有主动关断、1.1μs快速唤醒和兼容于SPI/QSPI/M%&&&&&%ROWIRE的高速接口。MAX1162作业于+5V单模仿电源，而且具有独立的数字电源引脚，答应芯片直接和+2.7～+5.25V的数字逻辑接口。
在最大采样速度200ks/s下，MAX1162仅汲取2.5mA电流。在200ks/s（最大值）采样速度下，功耗仅12.5m（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能够减小至10μA以下。
MAX1162的内部结构框图见图4。 
图4 MAX1162内部结构图
② 相关电路规划
从跟从器出来的模仿信号或许夹杂着噪声信号，会对转化精度发生影响，因而，在MAX1162前参加滤波电路，尽量削减输入噪声的影响。一起，为了削减对其他电路的影响，增加了0.1μF的去耦电容。电路原理图见图5。 
图5 A/D电路原理图
3 GPRS MODEM接口电路
CMS91 GPRS MODEM是一块以CMS91GPRS模块为中心调配必要外围电路制成的GPRS MODEM。CMS91模块是一种双频段GSM/GPRS10级模块，既支撑GSM的短信功用，也支撑GPRS数据传输功用。MODEM供给了规范RS232接口，运用了6根串行通讯信号线：TXD、RXD、DTR、CTS、RTS和GND。其通讯波特率规模为2400～115 200b/s。
LPC2136供给了一组完好的9芯（包含地）MODEM信号，咱们能够运用其间对应的6根来与MODEM通讯，但因为是3.3V电平逻辑，要与MODEM的RS-232接口衔接还需求电平转化。虽然在本体系中咱们所用MODEM运用6根MODEM信号线，但为了兼容其他各类型的串行MODEM，进步本体系的兼容性和晋级才能，规划中将LPC2136供给的完好MODEM信号悉数进行电平转化，经过跳线设置挑选实践运用需求运用的信号线。
用MAX3243进行3.3V和RS-232电平转化。MAX3243是MAXIM公司推出的232电平转化芯片，其内部含有独立电荷泵，能够从3.0～5.5V的电源电压发生2Vcc的RS-232电平，使得其只需外接4个0.1μF的%&&&&&%和一路 3.3V作业电源即可正常作业，大大简化了电路规划。其具有5个接收器和3个驱动器，契合规范MODEM信号方向的装备，合适MODEM衔接。其电路原理图如图6。 
图6 MODEM接口电路原理图
软件规划
软件的编写作业首要有两个部分：AD转化部分和GPRS MODEM部分。
AD转化部分：模仿部分运用的A/D芯片为规范SPI接口。SPI接口操作比较简略，在体系中咱们运用IO口模仿SPI总线，依照各芯片规则的操作时序编写相应的IO口操作程序即可。MAX1162的读写时序见图7。
从时序图上能够看出，一个AD转化周期从CS信号下降沿开端，并在6个时钟节拍后ADC开端收集数据。SCLK信号驱动着转化进程并在第8个时钟节拍下降沿开端把转化成果放到DOUT数据线上（高位数据在前），整个转化周期需求24个时钟节拍，在读取转化成果最低位后，CS被强制拉为高电平，主动复位内部寄存器，并使MAX1162进入掉电方式。详细程序的编写可参阅MAX1162的用户手册。 
图7 MAX1162读写时序
GPRS MODEM部分：为了处理终端设备(Terminal Equipment，TE)或数据终端设备(Data Terminal Equipment，DTE)与终端适配器(Terminal Adapter，TA)或数据电路终端设备(Data Circuit Terminal Equipment，DCE)之间通讯的问题，闻名通讯设备出产商Hayes为此拟定了一套指令，现在已成为事实上的规范并被一切调制解调器制造商选用。这便是常说的“AT指令”。AT指令简直都是以AT开端，以CR>LF>结束的特定的字符串，AT后跟的字母和数字标明AT指令的详细功用。指令集分红规范AT指令集（StandardV.25ATCommands），AT增强指令集（ATCommandsfor EnhancedFunctions），传真指令集（ATCommandsforFAX）等多种。各个不同的MODEM出产厂商关于特别的功用集进行了相应的增加。
咱们运用的CellonCMS91模块用于发送短消息的首要AT指令见表2。
表2 常用的短消息AT指令 
在本体系中，CMS91模块与LPC2136的UART1相联。LPC2136经过UART1以字符的方式将AT指令发给CMS91模块。在底层驱动中咱们要完结的使命便是完结经过LPC2136的UART1向GPRS MODEM发送字符，其间最基本的函数是完结WRITE MODEM函数。
uint8 ModemWrite(char *Data, uint16 NByte)
{
uint8 err,i;
while(NByte>0)
{
OSSemPend(Uart1Send,0,err);
for(i=0;i8;i++)
{
U1THR=*Data++;
NByte–;
if(NByte==0)
{
break;
}
}
}
return ModemState;
}
结束语
体系具有了移动网内GPRS终端间互联功用和INTERNET接入功用，此外，在结构规划上，充分考虑了样机体系的开放性、可扩展性、易晋级性等特色，整个体系具有很高的性价比。实践证明了该规划的可行性，但在体系的复位电路、外部时钟电路和电源等几个部分，本文只供给了一种最简略的计划。在实践运用中，关于较为杂乱的现场环境能够相应增加看门狗复位电路和独立电源规划等杂乱电路。
