作者：Erbe D. Reyta and Mark O. Ochoco

如果系統(tǒng)精度、效率和可靠性至關(guān)重要，則設(shè)計來自傳感器節(jié)點的無線數(shù)據(jù)傳輸以進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控是一項相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。溶液的pH值是許多行業(yè)經(jīng)常考慮的測量值之一，例如農(nóng)業(yè)或醫(yī)療領(lǐng)域。本文的主要目的是評估pH玻璃探頭的特性，以解決硬件和軟件設(shè)計中的不同挑戰(zhàn)，并提出使用射頻收發(fā)器模塊從探頭進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕鉀Q方案。

介紹

本文的第一部分介紹了pH探頭，隨后將探討與前端信號調(diào)理電路相關(guān)的不同設(shè)計挑戰(zhàn)，以及如何在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中實現(xiàn)低成本、高精度和可靠性。作為提高數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)確性和精密度的方法，還將討論校準(zhǔn)技術(shù)，例如使用最小二乘法在分散預(yù)定義數(shù)據(jù)中進(jìn)行近似的一般多項式擬合，以進(jìn)行pH校準(zhǔn)。本文的最后一部分提供了無線監(jiān)控系統(tǒng)的參考電路設(shè)計。

了解pH電極

pH 值定義

水溶液可以低于酸性、堿性或中性水平。在化學(xué)中，這是通過稱為pH的數(shù)字標(biāo)度來衡量的，根據(jù)嘉士伯基金會的說法，它代表氫的功率。這個刻度是對數(shù)的，從 1 到 14。pH值可以用數(shù)學(xué)方式表示為pH = –log（H）。因此，如果氫離子濃度為1.0×10+–2摩爾/升，則 pH = –log（1.0 × 10–2） 給出的值為 2。像蒸餾水這樣的水溶液的pH值為7，這是一個中性值。pH值低于7的溶液是酸性的，而pH值高于7的溶液被認(rèn)為是堿性溶液。對數(shù)刻度給出了溶液與另一種溶液相比的酸度。

例如，pH 值為 5 的溶液的酸性是 pH 值為 6 的溶液的 10 倍，是 pH 值為 8 的溶液的 1000 倍。

pH指示劑

有許多方法可以測量水溶液的pH值。這可以通過石蕊紙指示劑或使用玻璃探頭來完成。

石蕊試紙

石蕊紙指示劑通常由從地衣中提取的染料組成，用作pH值指示劑。一旦與溶液接觸，紙張就會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致顏色變化，指示pH值。該類別基本上包括兩種方法：一種是將已知pH對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)顏色與使用緩沖溶液浸入測試液中的指示劑的顏色進(jìn)行比較，另一種方法是制備浸泡在指示劑中的pH試紙，然后將紙浸入測試液中并比較其顏色與標(biāo)準(zhǔn)顏色。雖然上述兩種方法易于實現(xiàn)，但它們?nèi)菀滓驕y試溶液中的溫度和異物而產(chǎn)生誤差。

pH玻璃探頭

最常用的pH指示劑是pH探頭。它由玻璃測量電極和參比電極組成。典型的玻璃探頭由包裹氯化氫（HCl）溶液的薄玻璃膜組成。外殼內(nèi)部是一根涂有AgCl的銀線，它充當(dāng)與HCL溶液接觸的參比電極。玻璃膜外的氫離子通過玻璃膜擴散并置換相應(yīng)數(shù)量的鈉離子（Na+），這些鈉離子通常存在于大多數(shù)玻璃中。這種正離子是微妙的，主要局限于膜任何一側(cè)濃度較低的玻璃表面。來自Na+的過量電荷在傳感器輸出端產(chǎn)生電位電壓。

探頭類似于電池。當(dāng)探頭放置在溶液中時，測量電極根據(jù)溶液中的氫活度產(chǎn)生電壓，該電壓與參比電極的電位進(jìn)行比較。隨著溶液變得更酸性（pH值降低），與參比電極相比，玻璃電極的電位變得更正（+mV），當(dāng)溶液變得更堿性（更高的pH值）時，與參比電極相比，玻璃電極的電位變得更負(fù)（?mV）。這兩個電極之間的區(qū)別是測量電位。典型的pH探頭在25°C時理想地產(chǎn)生59.154 mV/pH單位。 這通常由能斯特方程表示，如下所示：

哪里：

E = 活性
未知的氫電極電壓 a = ±30 mV，零點公差
T = 25°C
時的環(huán)境溫度 n = 1 在 25°C 時，價態(tài)（離子上的電荷數(shù)）
F = 96485 庫侖/摩爾，法拉第常數(shù) R = 8.314 伏庫侖/°K 摩爾，阿伏伽德羅數(shù)

pH = 未知溶液
的氫離子濃度 p嘀嗒=7，參比氫離子濃度

該方程表明，產(chǎn)生的電壓取決于溶液的酸度或堿度，并以已知方式隨氫離子活性而變化。溶液溫度的變化會改變其氫離子的活性。當(dāng)溶液被加熱時，氫離子移動得更快，這導(dǎo)致兩個電極之間的電位差增加。此外，當(dāng)溶液冷卻時，氫活度降低導(dǎo)致電位差減小。理想情況下，電極設(shè)計為在放置在pH值為7的緩沖溶液中時產(chǎn)生零伏電位。

典型的pH電極具有如下表所示的規(guī)格：

pH探頭在這項研究中起著重要作用，因為數(shù)據(jù)的可靠性將取決于傳感器的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。選擇pH探頭時要考慮的兩個關(guān)鍵因素是溫度變化后的穩(wěn)定時間和緩沖溶液pH值變化后的穩(wěn)定時間。例如，數(shù)據(jù)取自Jenway的應(yīng)用筆記“Jenway高性能pH電極的評估”1探頭在給定測試條件下在溫度變化后測試其穩(wěn)定性的性能。制備pH 7 @ 20°C和pH 4 @ 60°C緩沖液的液體溶液，并使每個電極在以200rpm攪拌的pH 7緩沖液中穩(wěn)定。然后用去離子水沖洗電極并轉(zhuǎn)移到pH 4緩沖液的等分試樣中4分鐘。再次用去離子水沖洗電極并返回pH 7緩沖液。然后評估讀數(shù)保持穩(wěn)定10秒所需的時間。對每個探針重復(fù)一式三份測試。

與通用pH探頭相比，Jenway的性能在上述給定條件下的響應(yīng)速度提高了50%。使用這樣的儀器將大大減少分析數(shù)據(jù)所需的時間，因為它的樣品通量很高。

傳感器模擬信號調(diào)理電路

了解傳感器探頭的等效電氣圖非常重要，以便獲得適當(dāng)?shù)男盘栒{(diào)理電路。如上一節(jié)所述，pH探頭由玻璃制成，可產(chǎn)生1 MΩ至1 GΩ的極高電阻，并與pH電壓源串聯(lián)電阻，如圖1所示。

圖1.pH探頭等效電路配置。

即使是非常小的電路電流通過電路中每個元件的高電阻（尤其是測量電極的玻璃膜），也會在這些電阻上產(chǎn)生相對較大的壓降，從而嚴(yán)重降低儀表看到的電壓。更糟糕的是，測量電極產(chǎn)生的電壓差非常小，在毫伏范圍內(nèi)（理想情況下，室溫下每pH單位59.16毫伏）。用于此任務(wù)的儀表必須非常靈敏，并具有極高的輸入電阻。

模數(shù)轉(zhuǎn)換

對于這種類型的應(yīng)用，考慮到傳感器的響應(yīng)時間，數(shù)據(jù)收集的采樣率現(xiàn)在將成為一個問題。給定傳感器分辨率為0.001 V rms，ADC滿量程電壓范圍為1 V，無需高分辨率ADC即可實現(xiàn)9.96位的有效分辨率。無噪聲分辨率以位為單位定義，公式為：無噪聲分辨率 = log2[滿量程輸入電壓范圍/傳感器峰峰值電壓輸出噪聲]。ADC的采樣速率可能是低功耗應(yīng)用的一個重要因素，因為ADC的采樣速率與其功耗直接相關(guān)。因此，考慮到傳感器的響應(yīng)時間，可以將典型的ADC采樣速率設(shè)置為其最低吞吐量。集成ADC的微控制器可用于減少元件數(shù)量。

收發(fā)器

傳輸pH和溫度數(shù)據(jù)需要收發(fā)器，控制收發(fā)器需要微控制器。選擇收發(fā)器和微控制器涉及一些關(guān)鍵考慮因素。

選擇收發(fā)器涉及必須考慮的幾個因素：

工作頻率

最大距離范圍

數(shù)據(jù)速率

發(fā) 牌

工作頻率

在設(shè)計RF傳輸時，工作頻率（OF）必須確定sub-GHz或2.4 GHz頻率是否能夠滿足應(yīng)用要求。在需要高數(shù)據(jù)速率并使用藍(lán)牙等寬帶寬的應(yīng)用中，2.4 GHz 頻率是最佳選擇。但是，當(dāng)應(yīng)用是工業(yè)應(yīng)用時，將使用sub-GHz，因為可用的專有協(xié)議很容易提供網(wǎng)絡(luò)的鏈路層。專有系統(tǒng)主要使用的sub-GHz范圍內(nèi)的ISM頻率為433 MHz、868 MHz和915 MHz。

最大距離范圍

Sub-1 GHz頻率提供長距離能力，可以容納高功率并達(dá)到25公里以上。當(dāng)用于簡單的點對點或星形拓?fù)鋾r，這些頻率可以有效地穿過墻壁和其他障礙。

數(shù)據(jù)速率

還需要確定數(shù)據(jù)速率，因為它會影響收發(fā)器的傳輸距離能力和功耗。較高的數(shù)據(jù)速率消耗較少的功率，可以在短距離內(nèi)使用，而較低的數(shù)據(jù)速率消耗功率，可用于長距離傳輸。提高數(shù)據(jù)速率是改善功耗的好方法，因為它只會在短時間內(nèi)從電池中吸收突發(fā)電流，但這也減少了無線電覆蓋的距離。

收發(fā)器功耗

收發(fā)器功耗對于電池供電應(yīng)用非常重要。這也是許多無線應(yīng)用中的一個因素，因為它決定了數(shù)據(jù)速率和距離范圍。收發(fā)器具有兩個功率放大器 （PA） 選項，可實現(xiàn)更大的使用靈活性。單端PA可輸出高達(dá)13 dBm的RF功率，差分PA可輸出高達(dá)10 dBm的RF功率。為了便于說明，表4匯總了部分PA輸出功率與收發(fā)器I的關(guān)系DD電流消耗。為了完整起見，還顯示了接收模式電流消耗。

發(fā) 牌

Sub-GHz 包括 433 MHz、868 MHz 和 915 MHz 的免許可 ISM 頻段。它廣泛用于工業(yè)領(lǐng)域，非常適合各種無線應(yīng)用。它可以在世界不同地區(qū)使用，因為這符合歐洲 ETSI EN300-220 法規(guī)、北美 FCC 第 15 部分法規(guī)和其他類似的監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)。

微控制器

如圖2所示，RF系統(tǒng)的核心是一個處理器單元或微控制器（MCU），用于處理數(shù)據(jù)并運行軟件堆棧，這些軟件堆棧連接到用于RF傳輸?shù)氖瞻l(fā)器和用于傳感器測量的pH參考設(shè)計（RD）板。

圖2.無線傳感器數(shù)據(jù)采集和傳輸框圖。

選擇微控制器涉及必須考慮的幾個因素：

外設(shè)

記憶

處理能力

功耗

外設(shè)

微控制器應(yīng)與SPI總線等外設(shè)集成。收發(fā)器和pH參考設(shè)計板通過SPI連接，因此需要兩個SPI外設(shè)。

記憶

微控制器具有相當(dāng)數(shù)量的內(nèi)存，是協(xié)議處理和傳感器接口發(fā)生的地方。閃存和RAM是微控制器的兩個非常關(guān)鍵的組件。為了確保系統(tǒng)不會耗盡空間，使用了 128 kB。這些無疑使應(yīng)用程序和軟件算法運行順暢，這將為可能的升級和附加功能提供空間，從而使系統(tǒng)輕松無憂。

架構(gòu)和處理能力

微處理器必須足夠快，以處理復(fù)雜的計算和過程。系統(tǒng)使用32位微控制器。盡管較低位的處理器可能能夠使用，但該系統(tǒng)選擇使用 32 位來滿足可能更高的應(yīng)用程序和算法要求。

微處理器功耗

微控制器的功耗應(yīng)非常低。電源對于那些必須運行多年而無需維修的電池供電的應(yīng)用至關(guān)重要。

其他系統(tǒng)注意事項

錯誤檢查

通信處理器在傳輸模式下將CRC添加到有效載荷中，然后在接收模式下檢測CRC。有效載荷數(shù)據(jù)加上16位CRC可以使用曼徹斯特進(jìn)行編碼/解碼。

成本

系統(tǒng)應(yīng)使用最小的元件和電路板尺寸，因為當(dāng)成本是關(guān)鍵要求之一時，這些通常是決定因素。必須考慮由MCU和無線設(shè)備組成的集成解決方案，而不是使用分立元件。這消除了無線電和MCU之間互連的設(shè)計挑戰(zhàn)，從而簡化了電路板設(shè)計，設(shè)計過程更直接，鍵合線更短，從而降低了對干擾的敏感性。通過使用結(jié)合基于 ARM Cortex- M 的 MCU 和無線電收發(fā)器的單芯片，可以減少電路板組件數(shù)量、電路板布局和總體成本。??

校準(zhǔn)

實現(xiàn)高精度的關(guān)鍵之一是執(zhí)行校準(zhǔn)程序。根據(jù)能斯特方程描述的pH溶液的一個特征是其對溫度的高度依賴性。傳感器探頭僅提供恒定的偏移，可以假定該偏移在所有溫度水平下都是恒定的。由于其對溫度的高度依賴性，該系統(tǒng)需要一個確定溶液溫度的傳感器。

可以使用諸如使用能斯特方程的直接代換的方法，但由于它缺乏解的非理想性質(zhì)，因此可能會表現(xiàn)出一定程度的誤差。該方法只需要系統(tǒng)的偏移測量和未知溶液的溫度讀數(shù)。為了確定傳感器引入的偏移，需要pH值為7的緩沖溶液。理想情況下，傳感器應(yīng)產(chǎn)生0 V的輸出。ADC讀數(shù)將是系統(tǒng)失調(diào)電壓。典型pH探頭傳感器的失調(diào)可能高達(dá)±30 mV。

另一種方法，通常用于現(xiàn)場，是通過使用多個緩沖解來設(shè)置構(gòu)建一般線性或非線性方程時的點。在此例程中，需要另外兩種經(jīng)過NIST認(rèn)證和可追溯的pH緩沖溶液。另外兩種緩沖溶液的pH值至少應(yīng)相差2。

通過緩沖溶液進(jìn)行校準(zhǔn)的方式如下：

步驟1：從第一個緩沖液中取出電極組件并用去離子水或蒸餾水沖洗后，將帶有溫度傳感器的pH探頭浸入第二個選擇的緩沖溶液中。

第 2 步：重復(fù)第 2 步，但使用第三種緩沖溶液。

第 3 步：使用所選緩沖溶液根據(jù)測量值制定方程式。

可以使用幾個數(shù)學(xué)方程來推導(dǎo)出校準(zhǔn)方程。常用的公式之一是使用點斜率形式的直線方程。該公式使用校準(zhǔn)過程中的兩個點：P1（Vm1，pH1）和P2（Vm2，pH2），其中P1和P2是使用所選緩沖液溶液測量的點。為了確定未知溶液的pH值，在給定的Px點（Vmx，pHx）下，可以使用簡單的線性插值公式：

為了在給定多組點的情況下獲得更高的精度，可以使用一階線性回歸。給定一組 n 個數(shù)據(jù)點 P0 （Vm0， pH0）， P1 （Vm1， pH1）， P2 （Vm2， pH2）， P3 （Vm3， pH3）， ...， Pn （Vmn， pHn）， 一般方程 pHx = a + b × Vmx，可以使用最小二乘法公式表示，其中 b 作為直線的斜率，a 是截距形式，其值為：

和

最小二乘近似方法可以擴展到更高的次數(shù)，例如二階非線性方程。二階的一般方程可以作為 pHx = a + b × Vmx + c × Vmx2。 a、b 和 c 的值可以按如下所示計算：

這些方程組可用于通過替換、消除或通過矩陣法求解給定的未知變量 a、b 和 c。

硬件設(shè)計解決方案

緩沖放大器

在這種給定條件下，需要一個具有高輸入阻抗和極低輸入偏置電流的緩沖放大器，以將電路與這種高源電阻隔離開來。低噪聲運算放大器AD8603可用作此應(yīng)用的緩沖放大器。AD8603的低輸入電流使流過電極電阻的偏置電流產(chǎn)生的電壓誤差降至最低。對于200 fA的典型輸入偏置電流，對于在25°C時具有1 GΩ串聯(lián)電阻的pH探頭，失調(diào)誤差為0.2 mV （0.0037 pH）。 即使在最大輸入偏置電流為1 pA時，誤差也僅為1 mV。雖然不是必需的，但可以使用防護(hù)、屏蔽、高絕緣電阻支座和其他此類標(biāo)準(zhǔn)皮安方法來最大限度地減少所選緩沖器高阻抗輸入端的泄漏。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器

低功耗ADC是該應(yīng)用的有利轉(zhuǎn)換器。這可通過16位Σ-Δ型ADCAD7792實現(xiàn)，適用于精密測量應(yīng)用。它具有低噪聲的3通道輸入：當(dāng)更新速率等于4.17 Hz時，噪聲僅為40 nV rms。這些器件采用2.7 V至5.25 V電源供電，典型功耗為400 μA。該器件采用 16 引腳 TSSOP 封裝。新增特性包括具有4 ppm/°C漂移（典型值）的內(nèi)部帶隙基準(zhǔn)電壓源、1 μA最大關(guān)斷電流消耗以及用于減少元件數(shù)量和PCB空間的內(nèi)部時鐘振蕩器。

選擇射頻收發(fā)器

根據(jù)上述要求，ADuCRF101最適合預(yù)期應(yīng)用。

ADuCRF101是一款完全集成的數(shù)據(jù)采集解決方案，專為低功耗無線應(yīng)用而設(shè)計。ADuCRF101的工作頻率為431 MHz至464 MHz和862 MHz至928 MHz。它與通信外設(shè)集成在一起，如所需的兩條SPI總線。片內(nèi)提供128 kB非易失性閃存/EE存儲器和16 kBSRAM。它是微控制器和收發(fā)器的單芯片解決方案，從而最大限度地減少了元件數(shù)量和電路板尺寸。

ADuCRF101直接采用電池供電，電源電壓范圍為2.2 V至3.3 V，功耗為：

280 nA，省電模式，非保留狀態(tài)

1.9 μA，在省電模式下，保留處理器存儲器和RF收發(fā)器存儲器

210 μA/MHz，處于活動模式的 Cortex-M3 處理器

接收模式下為 12.8 mA 射頻收發(fā)器，掉電模式下為 Cortex-M3 處理器

發(fā)射模式下為 9 mA 至 32 mA RF 收發(fā)器，掉電模式下為 Cortex-M3 處理器

軟件實施

軟件是無線傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。它決定了系統(tǒng)的行為方式，并且還會影響系統(tǒng)的功耗。該系統(tǒng)有兩個軟件部分，即協(xié)議棧和應(yīng)用程序棧。使用的協(xié)議棧是ADRadioNet，一種用于ISM頻段的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。它使用 IPv6 地址，并結(jié)合了此類解決方案中預(yù)期的大多數(shù)功能，即低功耗、多跳、端到端確認(rèn)、自我修復(fù)等。應(yīng)用堆棧是一種通過SPI訪問pH參考設(shè)計板的軟件。

為了有效地運行這兩個軟件堆棧，使用了一個簡單的調(diào)度程序。非搶占式調(diào)度程序處理協(xié)議棧任務(wù);它的功能被賦予特定的時間和特定的資源。但是，系統(tǒng)中定義的任務(wù)數(shù)量是有限的。為了高效運行，非搶占式調(diào)度程序必須在其時間流逝之前完成已定義任務(wù)的執(zhí)行。對于系統(tǒng)中的兩個堆棧，非搶占式調(diào)度程序非常適合，因為分配給它的已定義任務(wù)數(shù)量有限。

結(jié)論

本文介紹了pH無線傳感器監(jiān)測設(shè)計方面的不同挑戰(zhàn)和解決方案。研究表明，ADI數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品基本上可用于解決pH測量的不同挑戰(zhàn)。運算放大器AD8603或任何具有高輸入阻抗的等效ADI放大器可用于抵消傳感器的高輸出阻抗，從而提供足夠的屏蔽以防止系統(tǒng)負(fù)載。ADuCRF101數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)IC可以為RF數(shù)據(jù)傳輸提供完整的解決方案。數(shù)據(jù)采集的精度可以通過使用精密放大器和ADC在硬件中實現(xiàn)，也可以通過使用數(shù)理統(tǒng)計在軟件中進(jìn)行校準(zhǔn)來實現(xiàn)，以制定一般方程，例如不同的曲線擬合方法。

審核編輯：郭婷