智能無線信號變送器的總體設計

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。鑒于本系統設計所面向的對象，對于應用針對性強，應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，在進行系統樣機設計時，也沒有考慮，這在產品樣機的研制中可以加入，以增加系統的柔性。綜合分析，重點就是弱電壓信號了。那如何確定系統設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，不易于定量的設計。根據應用的廣泛程度、代表性以及規范的程度，在此不妨以熱電偶為例進行分析。

熱電偶產生的是電壓(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的熱電勢范圍。

表1常用熱電偶主要技術參數

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，因此，可以認為0～60mV具有較好的代表性，能夠覆蓋很多的應用環境，也應該作為系統輸入的另一種信號類型。這樣系統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。這兩類信號經過不同的調理電路調理為適合A/D芯片輸入量程的電壓信號后，經多路開關選通進行模數轉換，然后經過MCU處理，可以與其他現場設備或監控中心進行通信。系統原理框架圖見圖1.

圖1 系統原理框架圖

硬件設計

下面分別從信號調理電路、AD轉換電路、GPRS MODEM接口電路這幾個方面來介紹硬件電路的設計。

1 信號調理電路

信號調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，并通過多路開關實現對其選通輸入，為后面的AD轉換所用。

由于本系統設計輸入信號動態范圍為0～60mV，相對于常見的A/D芯片輸入量程(2V、5V、±10V等)來說數值偏小，如果直接予以轉換的話，則達不到應有的轉換精度，影響系統總的測量精度，因此需要首先對輸入信號進行放大，經過綜合考慮，采用了儀用運放INA118.

圖2 INA118內部電路圖

INA118通過在腳1～8腳之間外接電阻Rg來實現不同的增益，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用中對Rg的要求也比較高，應采用高精度、低噪聲的金屬膜電阻。此外，高增益的電路設計中的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電位器替代Rg，調節電位器使得輸出電壓與輸入電壓的比值達到設計所要求的增益值。

4～20mA電流信號使用不同阻值的采樣電阻即可以轉換為不同動態范圍的電壓信號。根據本系統需求，使用120Ω的精密電阻可以實現4～20mA電流信號轉換為0.48～2.4V的電壓信號，與后級A/D芯片量程相匹配。信號調理電路如圖3所示。

圖3 信號調理電路