無(wú)線傳輸與有線傳輸相結(jié)合的數(shù)字壓力表
本文涉及壓力采集、數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸、數(shù)據(jù)有線傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)電路。
引言
隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字壓力表采集設(shè)備的應(yīng)用 現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)了很多新的需求。總的趨勢(shì)是無(wú)線數(shù)字壓力表逐 漸取代有線數(shù)字壓力表。
無(wú)線之于有線的優(yōu)勢(shì)是安裝簡(jiǎn)單、無(wú)需布線。從工程 實(shí)施的難易程度考慮,無(wú)線方式容易操作，只要設(shè)備安裝 完成,數(shù)據(jù)就能夠自動(dòng)上傳到網(wǎng)絡(luò)。而有線方式除了需要 安裝設(shè)備外,還需要挖溝、埋管、穿線、調(diào)試。工程實(shí)施復(fù) 雜,周期漫長(zhǎng),材料浪費(fèi)嚴(yán)重。
有線之于無(wú)線的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸可靠,穩(wěn)定性好。有 線數(shù)字壓力表不用頻繁更換電池,一次施工,長(zhǎng)期使用。同 時(shí),數(shù)據(jù)傳輸不受環(huán)境和天氣變化的影響，能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確 的傳輸信息。如ZigBee、WIA-PA等2.4GHz的無(wú)線信號(hào) 容易受到WLAN信號(hào)的干擾，造成通信中斷或阻塞。下 雨、下雪天,無(wú)線信號(hào)傳輸成功率容易下降,霧霾、粉塵、金 屬障礙物等,都對(duì)無(wú)線通信有一定的影響。
為同時(shí)適用上述兩種場(chǎng)景,本專利設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一款兩種 傳輸方式共存或可選的數(shù)字壓力表。用戶在具體的現(xiàn)場(chǎng)， 可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境具體選擇應(yīng)用方式,只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的 設(shè)置，即可使所選功能生效。在需要改造的現(xiàn)場(chǎng)，也無(wú)需再 購(gòu)買(mǎi)新的數(shù)字壓力表,節(jié)省成本。
1.無(wú)線傳輸與有線傳輸相結(jié)合的數(shù)字壓力表的實(shí)現(xiàn)思路
本文的目的是為了實(shí)現(xiàn)WIA-PA無(wú)線傳輸方式與4~ 20mA有線傳輸方式同時(shí)應(yīng)用到一臺(tái)數(shù)字壓力表當(dāng)中，現(xiàn) 場(chǎng)具體采用哪種傳輸方式可通過(guò)按鍵進(jìn)行選擇。
系統(tǒng)所有功能通過(guò)CPU來(lái)協(xié)調(diào)控制。CPU間隔(可設(shè) 置控制傳感器上電，延時(shí)5ms后進(jìn)行壓力數(shù)據(jù)采集。采 集到的壓力數(shù)據(jù)通過(guò)液晶顯示模塊本地顯示。按鍵可以設(shè) 置采集間隔、顯示方式、傳輸方式、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)等信息。CPU 根據(jù)按鍵預(yù)先設(shè)置的傳輸方式，選擇是通過(guò)WIA-PA無(wú) 線方式傳輸壓力數(shù)據(jù),或者是通過(guò)4~20mA的有線方式傳 輸壓力數(shù)據(jù)。
2.無(wú)線傳輸與有線傳輸相結(jié)合的數(shù)字壓力表的功能 模塊設(shè)計(jì)
2.1系統(tǒng)供電模塊
數(shù)字壓力表電源可采用兩種不同的方式供電,無(wú)線傳 輸方式通常使用3.6V的電池模塊，有線傳輸方式通常使 用外部供電,兩種供電方式只能夠采用一種（只有一個(gè)接 口 J1。系統(tǒng)供電模塊輸入電壓為1.8~5.5VDC,輸出電壓 為 3.3VDC。 電源電路核心器件為T(mén)PS63000,該芯片為低功耗、寬輸入、可調(diào)輸出的開(kāi)關(guān)電源芯片。輸入電壓范圍為1.8~ 5.5VDC,可適應(yīng)電池電壓從3.6V至2.0V的逐漸下降的工 作過(guò)程，而輸出一直穩(wěn)定在3.3V。同時(shí),有線供電電源可 選擇標(biāo)準(zhǔn)5V輸入，實(shí)現(xiàn)一種電源電路，兩種不同輸入方 式的功能。
2.2壓力數(shù)據(jù)采集模塊
壓力數(shù)據(jù)采集模塊分為三部分：精密基準(zhǔn)電路單元、 傳感器供電單元、運(yùn)算放大單元。
2.2.1精密基準(zhǔn)電路單元
精密基準(zhǔn)電路單元主要為CPU內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換電路提 供高精度電壓基準(zhǔn)，為傳感器供電單元提供電壓基準(zhǔn)，為 運(yùn)算放大單元提供優(yōu)質(zhì)電源。
精密基準(zhǔn)電壓芯片可穩(wěn)定輸出1.2V和3.0V精密電 壓。在系統(tǒng)電源波動(dòng)的情況下，其輸出波動(dòng)很小，可達(dá)到 0.2%的精度。同時(shí),能夠在溫度變化的情況下保持穩(wěn)定輸 出，溫飄可控制在75ppm以內(nèi)。
1.2V電壓基準(zhǔn)除了供單片機(jī)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換電路使用 外,還為傳感器供電單元電路提供電壓參考。3.0V電壓基 準(zhǔn)為壓力數(shù)據(jù)采集模塊中的所有芯片供電,保證壓力采集 相關(guān)電路在任何情況下均能穩(wěn)定工作。
2.2.2傳感器供電單元
傳感器供電單元電路中使用運(yùn)算放大器,將電壓轉(zhuǎn)換 為電流源,其計(jì)算公式為3=V/R,其中V為運(yùn)算放大器同 相輸入端(第3管腳IN+電壓值,R為R9阻值。經(jīng)過(guò)R5、 R6與R7、R8的分壓，可得到電壓V的值，從而計(jì)算得到 電流I為0.48mA,為傳感器供電。
2.2.3運(yùn)算放大單元
運(yùn)算放大單元的運(yùn)算放大器為T(mén)I公司產(chǎn)品，屬儀表 類運(yùn)算放大器系列，內(nèi)部集成3片運(yùn)算放大器。儀表運(yùn)算 放大器內(nèi)部為對(duì)稱設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，可有效減小同相、反相輸入 端的差模干擾。信號(hào)放大的放大倍數(shù),通過(guò)調(diào)節(jié)R的大小 即可獲得。其計(jì)算公式為G=l+(100K/R。
2.3無(wú)線傳輸模塊
2.3.1通信模塊供電單元
由于無(wú)線通信模塊屬于射頻類電路,對(duì)電源中的紋波 較為敏感，開(kāi)關(guān)電源芯片輸出的3.3V電源串入了其開(kāi)關(guān) 頻率，導(dǎo)致無(wú)線通信模塊的EVM指標(biāo)惡化。所以采用 LDO型的TPS79930進(jìn)行二次轉(zhuǎn)換，該電路輸入3.3V,輸 出3.0V,前后端壓降只要不小于100mV,即可保證3.0V 的穩(wěn)定輸出，有效改善EVM。
2.3.2無(wú)線傳輸電路單元
無(wú)線通信模塊通信標(biāo)準(zhǔn)符合WIA-PA標(biāo)準(zhǔn)，與CPU 通過(guò)UART 口相連接,接口電平為T(mén)TL信號(hào)。其中，干簧 管具有磁鐵觸發(fā)閉合功能,在使用手操器與數(shù)字壓力表進(jìn) 行無(wú)線操作時(shí)起作用。不使用該功能時(shí),端口接地,可有效 降低系統(tǒng)功耗。
2.4有線傳輸模塊
有線傳輸模塊信號(hào)為4~20mA的電流信號(hào)。如圖2所 示,CPU將采集到的壓力值轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，電壓信號(hào)進(jìn) 行4級(jí)濾波處理,到達(dá)運(yùn)算放大器的輸入端。運(yùn)算放大器 輸出端控制NPN三極管輸出電流信號(hào)。電流值為運(yùn)算放 大器U7同相輸入端(3卿電壓與R23的比值。
3.總結(jié)
本文所述數(shù)字壓力表，將WIA-PA無(wú)線傳輸方式與 4~20mA有線傳輸方式相結(jié)合,通過(guò)按鍵隨意設(shè)置數(shù)字壓 力表的傳輸模式,可以單一方式傳輸,也可以兩種方式共 存,有效解決了無(wú)線傳輸與有線傳輸在工程現(xiàn)場(chǎng)單獨(dú)使用 的弊端,同時(shí)為用戶節(jié)約了成本。
