支持RF无线传输的pH传感监测方案分析

与通用pH探针相比，响应时间要快最多50%。使用类似这样的仪表会非常有利，因为其样本吞吐速率很高，分析数据所需的时间会大大缩短。

传感器模拟信号调理电路

为了理解信号调理电路，必须知道传感器探针的等效电路图。如上一节所述，pH探针由玻璃制成，可形成极高的电阻，范围从1MΩ到1 GΩ不等，充当与pH电压源串联的电阻，如图1所示。

图1. pH探针等效电路配置

即使非常小的电路电流流经电路中各器件的高电阻（尤其是测量电极的玻璃膜），这些电阻上也会产生相对较大的压降，严重降低仪表测得的电压。更糟糕的是，测量电极产生的电压差非常小，处于毫伏范围（理想情况下，室温时每pH单位对应59.16 mV）。用于此任务的仪表必须非常灵敏，并且有超高输入电阻。

模数转换

对于此类应用，给定传感器的响应时间时，数据采样速率将是一个问题。假设传感器分辨率为0.001 V rms，ADC满量程电压范围 1 V，则实现9.96位的有效分辨率无需高分辨率ADC。无噪声分辨率单位为位，用下式定义：

无噪声分辨率 = log₂ [满量程输入电范围/传感器峰峰值电压输出噪声]

ADC采样速率对低功耗应用可能是一个重要因素，因为ADC的采样速率与功耗直接相关。在传感器的响应时间一定时，典型ADC采样速率可设置为其最低吞吐速率。可采用集成ADC的微控制器以减少器件数量。

第二部分：收发器

传输pH和温度数据需要收发器，控制收发器需要微控制器。收发器和微控制器的选择涉及到一些重要考量。选择收发器必须考虑如下因素：

 

工作频率

设计RF传输必须确定工作频率(OF)，sub-GHz或2.4 GHz频率能否满足应用要求。在需要高数据速率和使用蓝牙等宽带宽的应用中，2.4 GHz频率是最佳选择。但工业应用通常使用sub-GHz频率，因为可用的专有协议能方便地提供网络链路层。专有系统主要使用sub-GHz范围内的ISM频率，即433 MHz、868 MHz和915 MHz。

最大距离范围Sub-1 GHz频率支持25 km以上的长距离、大功率传输。当用于点对点或星形拓扑时，这些频率可有效穿透墙壁和其他障碍物。

数据速率

数据速率也需要确定，它会影响收发器的传输距离能力和功耗。数据速率较高时，功耗较低，可以用于短距离传输；而数据速率较低时，功耗较高，可以用于长距离传输。要降低功耗，提高数据速率是一个好办法，因为它只在很短的时间内以突发方式消耗电流，但这样做也会缩短无线电覆盖距离。

收发器功耗

收发器功耗对电池供电应用非常重要。这在许多无线应用中也是一个考虑因素，因为它决定了数据速率和距离范围。收发器有两个功率放大器(PA)选项以提供更大的使用灵活性。单端PA可以输出最多13 dBm的RF功率，差分PA可以输出最多10 dBm的功率。

表4总结了一些PA输出功率与收发器I_DD电流消耗的关系。为完整起见，表中同时给出了接收模式的电流消耗。

表4. PA输出功率与收发器I_DD电流消耗小结

许可

Sub-GHz包括433 MHz、868 MHz和915 MHz的免许可ISM频段。它广泛用于工业中，非常适合各种无线应用。它可以用在世界上的不同地区，因为它符合欧洲ETSI EN300-220法规、北美FCC Part 15法规及其他类似监管标准。

第三部分：微控制器

如图2所示，RF系统的核心是一个处理器单元或微控制器(MCU)，其处理数据并运行与收发器（用于RF传输）和pH参考设计(RD)板（用于传感器测量）接口的软件堆栈。

图2. 无线传感器数据采集和传输框图

选择微控制器必须考虑如下因素：

• 外设

  微控制器应集成SPI总线之类的外设。收发器和pH参考设计板均通过SPI连接，因此需要两个SPI外设。

• 存储器

  借助适当大小的存储器，微控制器执行协议处理和传感器接口任务。Flash和RAM是微控制器的两个极重要组成部分。为确保系统不会用尽存储空间，使用128 kB内存。这必定会让应用和软件算法流畅运行，并且为可能的升级和功能增加（以便消除系统问题）留有余地。

• 架构和处理能力

  微处理器必须足够快，以便处理复杂的计算和流程。该系统使用32位微处理器。虽然位数较低的处理器可能也可行，但本系统选择使用32位以支持潜在更高的应用和算法需求。

• 功耗

  微处理器的功耗应非常低。对于那些依赖电池供电且必须在无维保的情况下运行数年的应用，功耗至关重要。

第四部分：其他系统考量
  差错校验

通信处理器在发