支持RF无线传输的pH传感器参考设计
稳定时间
在所示给定条件下,Jenway探针的性能与通用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59.16mV)。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满量程电压范围为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 [满量程输入电压范围/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。
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· 最大距离范围
· 数据速率
· 许可
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IDD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IDD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。
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· 存储器
· 处理能力
· 功耗
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。
微处理器功耗
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。
其他系统考量
差错校验
通信处理器在发射模式下将CRC附加于有效载荷,在接收模式下检测CRC。有效载荷数据加上16位CRC可以利用曼彻斯特编码技术进行编码/解码。
成本
系统应当使用最少的
- 针对基站和卫星通信的高线性度RF前端解决方案(07-10)
- 对比ADI两代TD-SCDMA射频IC得到的启示(05-02)
- 应用于基站的WiMAX CPE收发器介绍(07-11)
- 基站功率放大器的监控和控制(07-03)
- ADI RF信号源解决方案(10-20)
- 用于可靠的电容传感器接口的模拟前端IC测量方法(07-30)