无线传输与有线传输相结合的数字压力表

本文涉及压力采集、数据无线传输、数据有线传输的设计方案及实现电路。

引言

随着物联网技术的发展,数字压力表采集设备的应用现场出现了很多新的需求。总的趋势是无线数字压力表逐渐取代有线数字压力表。

无线之于有线的优势是安装简单、无需布线。从工程实施的难易程度考虑,无线方式容易操作，只要设备安装完成,数据就能够自动上传到网络。而有线方式除了需要安装设备外,还需要挖沟、埋管、穿线、调试。工程实施复杂,周期漫长,材料浪费严重。

有线之于无线的优点是数据传输可靠,稳定性好。有线数字压力表不用频繁更换电池,一次施工,长期使用。同时,数据传输不受环境和天气变化的影响，能够实时准确的传输信息。如ZigBee、WIA-PA等2.4GHz的无线信号容易受到WLAN信号的干扰，造成通信中断或阻塞。下雨、下雪天,无线信号传输成功率容易下降,雾霾、粉尘、金属障碍物等,都对无线通信有一定的影响。

为同时适用上述两种场景,本专利设计开发一款两种传输方式共存或可选的数字压力表。用户在具体的现场，可以根据现场环境具体选择应用方式,只需要进行简单的设置，即可使所选功能生效。在需要改造的现场，也无需再购买新的数字压力表,节省成本。

1.无线传输与有线传输相结合的数字压力表的实现思路

本文的目的是为了实现WIA-PA无线传输方式与4~20mA有线传输方式同时应用到一台数字压力表当中，现场具体采用哪种传输方式可通过按键进行选择。

系统所有功能通过CPU来协调控制。CPU间隔(可设置控制传感器上电，延时5ms后进行压力数据采集。采集到的压力数据通过液晶显示模块本地显示。按键可以设置采集间隔、显示方式、传输方式、网络参数等信息。CPU根据按键预先设置的传输方式，选择是通过WIA-PA无线方式传输压力数据,或者是通过4~20mA的有线方式传输压力数据。

2.无线传输与有线传输相结合的数字压力表的功能模块设计

2.1系统供电模块

数字压力表电源可采用两种不同的方式供电,无线传输方式通常使用3.6V的电池模块，有线传输方式通常使用外部供电,两种供电方式只能够采用一种（只有一个接口J1。系统供电模块输入电压为1.8~5.5VDC,输出电压为3.3VDC。电源电路核心器件为TPS63000,该芯片为低功耗、宽输入、可调输出的开关电源芯片。输入电压范围为1.8~5.5VDC,可适应电池电压从3.6V至2.0V的逐渐下降的工作过程，而输出一直稳定在3.3V。同时,有线供电电源可选择标准5V输入，实现一种电源电路，两种不同输入方式的功能。

2.2压力数据采集模块

压力数据采集模块分为三部分：精密基准电路单元、传感器供电单元、运算放大单元。

2.2.1精密基准电路单元

精密基准电路单元主要为CPU内部A/D转换电路提供高精度电压基准，为传感器供电单元提供电压基准，为运算放大单元提供优质电源。

精密基准电压芯片可稳定输出1.2V和3.0V精密电压。在系统电源波动的情况下，其输出波动很小，可达到0.2%的精度。同时,能够在温度变化的情况下保持稳定输出，温飘可控制在75ppm以内。

1.2V电压基准除了供单片机内部A/D转换电路使用外,还为传感器供电单元电路提供电压参考。3.0V电压基准为压力数据采集模块中的所有芯片供电,保证压力采集相关电路在任何情况下均能稳定工作。

2.2.2传感器供电单元

传感器供电单元电路中使用运算放大器,将电压转换为电流源,其计算公式为3=V/R,其中V为运算放大器同相输入端(第3管脚IN+电压值,R为R9阻值。经过R5、R6与R7、R8的分压，可得到电压V的值，从而计算得到电流I为0.48mA,为传感器供电。

2.2.3运算放大单元

运算放大单元的运算放大器为TI公司产品，属仪表类运算放大器系列，内部集成3片运算放大器。仪表运算放大器内部为对称设计结构，可有效减小同相、反相输入端的差模干扰。信号放大的放大倍数,通过调节R的大小即可获得。其计算公式为G=l+(100K/R。

2.3无线传输模块

2.3.1通信模块供电单元

由于无线通信模块属于射频类电路,对电源中的纹波较为敏感，开关电源芯片输出的3.3V电源串入了其开关频率，导致无线通信模块的EVM指标恶化。所以采用LDO型的TPS79930进行二次转换，该电路输入3.3V,输出3.0V,前后端压降只要不小于100mV,即可保证3.0V的稳定输出，有效改善EVM。

2.3.2无线传输电路单元

无线通信模块通信标准符合WIA-PA标准，与CPU通过UART口相连接,接口电平为TTL信号。其中，干簧管具有磁铁触发闭合功能,在使用手操器与数字压力表进行无线操作时起作用。不使用该功能时,端口接地,可有效降低系统功耗。

2.4有线传输模块

有线传输模块信号为4~20mA的电流信号。如图2所示,CPU将采集到的压力值转化为电压信号，电压信号进行4级滤波处理,到达运算放大器的输入端。运算放大器输出端控制NPN三极管输出电流信号。电流值为运算放大器U7同相输入端(3卿电压与R23的比值。

3.总结

本文所述数字压力表，将WIA-PA无线传输方式与4~20mA有线传输方式相结合,通过按键随意设置数字压力表的传输模式,可以单一方式传输,也可以两种方式共存,有效解决了无线传输与有线传输在工程现场单独使用的弊端,同时为用户节约了成本。