不論是對大規(guī)模農(nóng)業(yè)還是簡單的家庭花園，保持合適的土壤濕度和 pH 值都是確保植物健康的基本要求。但要測量這些土壤特征，開發(fā)人員需要設(shè)計具有高成本效益的精密模擬信號鏈，以便將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為特定土壤測量應(yīng)用所需的有用信息。

實現(xiàn)這些精度目標(biāo)的方法之一是將參考設(shè)計與適度靈活的軟件配合使用。Analog Devices 的 EVAL-CN0398-ARDZ 板和軟件包便是此類解決方案的一個優(yōu)秀實例。

本文將探討與土壤濕度和 pH 值監(jiān)測相關(guān)的應(yīng)用和要求，然后介紹 Analog Devices CN0398 開發(fā)板及參考設(shè)計。本文將說明 CN0398 設(shè)計中所用的主要元器件如何滿足關(guān)鍵設(shè)計要求，并詳細(xì)探討它們在整體應(yīng)用中的作用。最后，本文將會展示開發(fā)人員如何使用 CN0398 開發(fā)板和相關(guān)的軟件包，快速評估和定制土壤監(jiān)測應(yīng)用。

精確土壤測量的需求

保持正確的土壤水含量和 pH 值對于任何生產(chǎn)規(guī)模的種植者而言都是最基本的要求。土壤缺水會直接導(dǎo)致所有植物的光合作用減少，以及大豆等重要豆科作物的固氮作用等其他生物過程下降。

類似地，土壤施肥或自然現(xiàn)象的變化也會對土壤的 pH 值產(chǎn)生重大影響，從而導(dǎo)致至關(guān)重要的微生物和土壤養(yǎng)分減少。對于一些作物，早期生長階段中的土壤 pH 值保持不當(dāng)會導(dǎo)致生長速度和最終產(chǎn)量下降。

沒有合適的土壤監(jiān)測系統(tǒng)，土壤濕度和 pH 值可能轉(zhuǎn)變?yōu)閷χ参锊焕闹?，最終導(dǎo)致植物健康狀況惡化。Analog Devices 的 EVAL-CN0398-ARDZ 板和軟件包共同提供了一個完整的土壤監(jiān)測設(shè)計，設(shè)計人員可直接采用或修改該設(shè)計，以滿足其獨特的需求。

Analog Device 的 CN0398 開發(fā)板和參考設(shè)計專門設(shè)計成與土壤測量應(yīng)用中的外部濕度、pH 值和溫度傳感器配合使用。它的板載電路包含一個產(chǎn)生濕度和 pH 值輸出數(shù)據(jù)所需的完整多傳感器設(shè)計，而且產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可通過其串行接口進(jìn)行訪問。該設(shè)計雖然功能廣泛，但最大耗電量僅為 1.95 毫安 (mA)，而且具有多種省電功能，包括使用脈寬調(diào)制 (PWM) 為外部傳感器供電。

開發(fā)人員可使用 CN0398 來快速啟動定制硬件設(shè)計，或?qū)⒃摪迮c Analog Devices 的 EVAL-ADICUP360 Arduino 兼容型基板配合使用。CN0398 采用 Arduino 盾板設(shè)計，可直接插入基板，從而提供一個快速應(yīng)用開發(fā)平臺。

為加快軟件開發(fā)速度，工程師可利用 Analog Device 的 ADuCM360_demo_cn0398 開源軟件包。設(shè)計該軟件包的目的就是與 CN0398 傳感器板、ADICUP360 基板和 Analog Device CrossCore Embedded Studio 配合使用。除了基本驅(qū)動程序和系統(tǒng)支持實用程序外，該軟件包還包括完整的 C++ 源代碼文件和頭文件，其中包括一套完整的土壤測量軟件應(yīng)用程序。

Analog Devices 開發(fā)板組與軟件包的組合為設(shè)計人員提供了可立即用于土壤測量應(yīng)用的完整硬件設(shè)計和軟件應(yīng)用程序。同樣重要的是，CN0398 硬件參考設(shè)計和示例軟件還提供了快速開發(fā)定制土壤測量系統(tǒng)的藍(lán)圖，以滿足這類應(yīng)用的獨特需求。

傳感器信號處理

CN0398 的硬件設(shè)計包括三個單獨的分支電路，分別用于外部濕度、pH 值和溫度傳感器。每個分支電路將會提供與每種傳感器連接所需的全部電路。這樣，開發(fā)人員只需將每個傳感器插入 CN0398 開發(fā)板上的對應(yīng)連接器并為其供電，便可開始傳感器操作。此功能基于 Analog Devices AD7124-8 而建立，結(jié)合了一個使用廣泛的信號調(diào)節(jié)前端與一個 24 位三角積分 (Σ-Δ) 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)（圖 1）。

圖 1：Analog Devices AD7124-8 利用其集成的信號鏈和 ADC，簡化了土壤測量所需的多傳感器系統(tǒng)設(shè)計。（圖片來源：Analog Devices）

AD7124-8 的信號多路復(fù)用器可以通過其集成的可編程信號鏈，將八路差分輸入或 15 路單端輸入導(dǎo)至片載 Σ-Δ ADC 和數(shù)字濾波器進(jìn)行轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)。開發(fā)人員使用 AD7124-8 的串行接口將該器件連接到用于器件控制和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的 MCU 主機(jī)。

由于該器件具有廣泛的功能，因此，除傳感器電路和穩(wěn)定的電壓源之外，設(shè)計人員只需借助極少量的外部元器件便可滿足廣泛的設(shè)計要求。對于 CN0398 參考設(shè)計，Analog Devices 將其 ADR3433 電壓基準(zhǔn)用作模擬電源 (AVDD) 和電壓基準(zhǔn) (REFIN1)（圖 2）。如下所述，三個傳感器電路的設(shè)計分別只需要少數(shù)幾個外元器件。

圖 2：利用 Analog Devices AD7124-8，除特定的傳感器輸入電路和 Analog Devices ADR3433 等精密電壓基準(zhǔn)之外，開發(fā)人員只需少數(shù)幾個外部元器件便可實現(xiàn)傳感器設(shè)計。（圖片來源：Analog Devices）

濕度測量

土壤濕度系統(tǒng)通常利用水 (80) 與空氣 (1) 的介電常數(shù)差別來確定水含量。對于這些系統(tǒng)，開發(fā)人員使用激勵電壓驅(qū)動諸如 TE Connectivity Measurement Specialties HPP809A033 之類簡單的 3 線式傳感器，以產(chǎn)生與土壤水含量成正比的輸出電壓。

在 CN0398 設(shè)計中，土壤濕度前端使用一個 Analog Devices ADP7118-2.5 低壓差 (LDO) 線性穩(wěn)壓器為傳感器提供穩(wěn)定的激勵電壓 (Vsensor)（圖 3）。為了給 LDO 穩(wěn)壓器供電，開發(fā)人員可以從 ADICUP360 基板或其定制設(shè)計獲取電力。

圖 3：Analog Devices CN0398 設(shè)計使用該公司的 ADP7118-2.5 低壓差 (LDO) 穩(wěn)壓器為電容式濕敏傳感器提供穩(wěn)定的 Vsensor 電壓源。（圖片來源：Analog Devices）

盡管 ADP7118 可以提供連續(xù)的傳感器電壓電平，但出于功耗因素考量和一些濕敏傳感器的特定要求，必須使用脈沖式電源來驅(qū)動傳感器。為滿足這些要求，開發(fā)人員可通過使用 MCU PWM 輸出來驅(qū)動 LDO 的使能 (EN) 端口，從而為傳感器供應(yīng)電壓脈沖。

AD7124-8 可利用其集成的信號調(diào)節(jié)電路和 ADC，對濕敏傳感器的電壓輸出進(jìn)行可靠的采樣和轉(zhuǎn)換。不過對于土壤測量應(yīng)用而言，轉(zhuǎn)換的傳感器數(shù)據(jù)與土壤濕度之間的關(guān)系可能很復(fù)雜。

在評估土壤濕度時，土壤健康專家往往按照土壤的容積含水量 (VWC)，即水容積與總土壤容積的比率，來比較土壤的濕度水平。濕敏傳感器制造商通常會提供用于將其傳感器輸出轉(zhuǎn)換為 VWC 的方程。但是，土壤條件或應(yīng)用本身的性質(zhì)可能仍要求使用更適合其自身獨特情景的轉(zhuǎn)換方程。

Analog Devices 在其示例軟件包中演示了兩種方法的使用。通過在 CN0398.h 頭文件中實現(xiàn) USE_MANUFACTURER_MOISTURE_EQ 定義，開發(fā)人員可以選擇使用制造商建議的逐條轉(zhuǎn)換公式或軟件中提供的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換方程。其中，如果定義了 USE_MANUFACTURER_MOISTURE_EQ，則示例例程 read_moisture() 將根據(jù)傳感器的輸出電壓范圍產(chǎn)生濕度輸出（列表 1）。如果在 CN0398.h 頭文件中將該定義注釋掉，則該例程可使用提供的數(shù)學(xué)表達(dá)式將電壓轉(zhuǎn)換為濕度。

float CN0398::read_moisture()

{

float moisture = 0;

#ifdef MOISTURE_SENSOR_PRESENT

DioSet(ADP7118_PORT, ADP7118_PIN);

set_digital_output(P3, true);

timer.sleep(SENSOR_SETTLING_TIME);

int32_t data = adcValue[MOISTURE_CHANNEL]= read_channel(MOISTURE_CHANNEL);

DioClr(ADP7118_PORT, ADP7118_PIN);

float volt = voltage[MOISTURE_CHANNEL - 1] = data_to_voltage_bipolar(data, 1, 3.3);

#ifdef USE_MANUFACTURER_MOISTURE_EQ

if(volt <= 1.1) {

moisture = 10 * volt - 1;

} else if(volt > 1.1 && volt <= 1.3) {

moisture = 25 * volt - 17.5;

} else if(volt > 1.3 && volt <= 1.82) {

moisture = 48.08 * volt - 47.5;

} else if(volt > 1.82) {

moisture = 26.32 * volt - 7.89;

}

#else

moisture = -1.18467 + 21.5371 * volt - 110.996 * (pow(volt, 2)) + 397.025 * (pow(volt, 3)) - 666.986 * (pow(volt, 4)) + 569.236 * (pow(volt, 5)) - 246.005 * (pow(volt, 6)) + 49.4867 * (pow(volt, 7)) - 3.37077 * (pow(volt, 8));

#endif

if(moisture > 100) moisture = 100;

if(moisture < 0 ) moisture = 0;

#endif

set_digital_output(P3, false);

return moisture;

}

列表 1：Analog Devices CN0398 軟件包提供了一個濕度例程示例，其中展示了開發(fā)人員如何使用制造商的轉(zhuǎn)換公式或方程，將濕敏傳感器電壓轉(zhuǎn)換為有用的濕度數(shù)據(jù)。（代碼來源：Analog Devices）

pH 值測量

典型 pH 值傳感器（如 SparkFun Electronics SEN-10972 pH 值套件中的傳感器）所采用的等效電路均具有一個高阻抗電壓源。即使將 ADC 與集成的信號調(diào)節(jié)前端配合使用，有經(jīng)驗的開發(fā)人員在這類情形下往往也會在傳感器輸出與 ADC 輸入之間添加一個緩沖器。

相應(yīng)地，CN0398 設(shè)計中的 pH 值傳感器電路包含了一個 Analog Devices ADA4661-2 運算放大器（圖 4）。ADA4661-2 是一款采用單電源工作的低功耗精密運算放大器，在其整個工作電壓范圍內(nèi)具有較低的補(bǔ)償電壓，非常適合傳感器電路等低功耗應(yīng)用。

圖 4：Analog Devices CN0398 設(shè)計中的 Analog Devices ADA4661-2 運算放大器在典型的高阻抗 pH 值傳感器與 Analog Devices AD7124-8 模擬輸入之間提供了一個緩沖器。（圖片來源：Analog Devices）

盡管該設(shè)計依賴單電源電壓，但 pH 值傳感器通常會產(chǎn)生雙極電壓輸出。不過在這種情況下，AD7124-8 提供了一種簡單的方法，將傳感器偏置到高于接地的合適電平。AD7124-8 集成了一個內(nèi)置的偏壓發(fā)生器，用于將通道的共模電壓設(shè)為 AVDD/2。如本例所示，設(shè)計人員可使用一個 AD7124-8 輸出引腳將此偏壓傳遞給 pH 值傳感器的低壓側(cè)（圖 4 中的 VBIAS）。開發(fā)人員可以在軟件中輕松地將該偏置輸入恢復(fù)為雙極數(shù)字結(jié)果。

ADuCM360_demo_cn0398 開源軟件包中包含了一個 read_ph() 示例例程，該例程描述了將 pH 值傳感器輸出電壓轉(zhuǎn)換為 pH 值的過程。同土壤濕度例程一樣，該 pH 值示例例程也展示了使用兩種不同方法來產(chǎn)生 pH 值（列表 2）。

float CN0398::read_ph(float temperature)

{

float ph = 0;

#ifdef PH_SENSOR_PRESENT

int32_t data;

set_digital_output(P2, true);

adcValue[PH_CHANNEL] = data = read_channel(PH_CHANNEL);

float volt = voltage[PH_CHANNEL - 1] = data_to_voltage_bipolar(data, 1, 3.3);

if(use_nernst)

{

ph = PH_ISO -((volt - ZERO_POINT_TOLERANCE) / ((2.303 * AVOGADRO * (temperature + KELVIN_OFFSET)) / FARADAY_CONSTANT) );

}

else

{

float m = (calibration_ph[1][0] - calibration_ph[0][0]) / (calibration_ph[1][1] - calibration_ph[0][1]);

ph = m * (volt - calibration_ph[1][1] + offset_voltage) + calibration_ph[1][0];

}

set_digital_output(P2, false);

#endif

return ph;

}

列表 2：Analog Device 用于讀取 pH 值傳感器值的示例例程，描述了如何使用標(biāo)準(zhǔn)能斯特方程或內(nèi)置的校準(zhǔn)值，將 pH 值傳感器的電壓輸出轉(zhuǎn)換為 pH 值。（代碼來源：Analog Devices）

通過在示例包中將變量 use_nernst 設(shè)為 true，開發(fā)人員可以使用標(biāo)準(zhǔn)能斯特方程產(chǎn)生 pH 值。如果設(shè)為 false，則該變量會導(dǎo)致例程使用在兩點校準(zhǔn)程序期間創(chuàng)建的值，而該校準(zhǔn)程序通常使用類似 SparkFun SEN-10972 pH 值套件中的基準(zhǔn) pH 緩沖溶液來執(zhí)行。該示例軟件例程附帶設(shè)定好的默認(rèn)校準(zhǔn)值，針對不同的 pH 緩沖溶液以及 0°C 到 95°C 范圍內(nèi)經(jīng)過溫度校正的 pH 值使用 NIST 查詢表。開發(fā)人員可以將默認(rèn)值替換為自己的定制校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，或輕松修改代碼以同時支持默認(rèn)值和定制值。

溫度測量

如以上列表 2 中所示，pH 值在能斯特方程中明確依賴于溫度，或在定制校準(zhǔn)值中以隱含方式依賴于溫度。此外，溫度還會影響傳感器的靈敏度和信號鏈。盡管 AD7124-8 的集成溫度傳感器（參見圖 1）可以解決其中一些問題，但可靠的土壤測量仍依賴于精確的溫度讀數(shù)。相應(yīng)地，CN0398 溫度傳感器通道旨在確保從 Adafruit Industries 3290 等外部 3 線式 PT100 電阻溫度檢測器 (RTD) 獲取精確讀數(shù)。

與任何阻性傳感器一樣，RTD 需要激勵電流，以允許測量溫度相關(guān)的電壓變化。一般而言，使用阻性傳感器的開發(fā)人員需要使用外部驅(qū)動器、穩(wěn)壓器和電流傳感器來增強(qiáng)其傳感器設(shè)計，從而將激勵電流保持在精確的電平。但對于 AD7124-8，開發(fā)人員只需添加支持 3 線式配置所需的合適無源網(wǎng)絡(luò)便可（圖 5）。

圖 5：為驅(qū)動 3 線式電阻溫度檢測器 (RTD)，Analog Devices CN0398 使用了 Analog Devices AD7124-8 中集成的可編程恒流電源。（圖片來源：Analog Devices）

AD7124-8 中集成的一對恒流發(fā)生器提供 50 到 1000 毫安 (μA) 范圍內(nèi)各種固定電平的激勵，包括在 CN0398 設(shè)計中所用的 500 μA 電平。開發(fā)人員分別通過設(shè)定器件的 IO_CONTROL 配置寄存器中的 IOUTx 和 IOUTx_CH 位，來設(shè)置電流電平和輸出引腳。作為其初始化例程的一部分，CN0398 軟件包將 ADC 通道 AIN11 和 AIN12 設(shè)為針對兩個 500 μA 激勵電流 IOUT1 和 IOUT2 的輸出引腳。

盡管這些電流發(fā)生器對許多應(yīng)用而言足夠精確，但開發(fā)人員可通過使用輻射計式測量技術(shù)，輕松消除電流變化帶來的影響。圖 5 所示的 CN0398 溫度硬件傳感器電路使用的便是這種方法。其中，同一 IOUT1 電流流經(jīng) RTD 和一個精密基準(zhǔn)電阻器 RREF，從而產(chǎn)生一次輻射計式測量。與此同時，IOUT2 在 RTD 的 RTD SENSE 引線電阻上產(chǎn)生一個電壓降，從而抵消 RTD+ 引線電阻上的電壓降。

與濕度和 pH 值傳感器一樣，電阻值到溫度的轉(zhuǎn)換也需要合適的轉(zhuǎn)換函數(shù)。對于典型的 RTD，溫度與電阻之間的關(guān)系可以可靠地表示為數(shù)學(xué)形式。但即便如此，針對高于和低于 0°C 的溫度，也需要使用兩個不同的數(shù)學(xué)表達(dá)式。ADuCM360_demo_cn0398 開源軟件包同時支持兩種方法以及簡單的線性轉(zhuǎn)換（列表 3）。

float CN0398::read_rtd()

{

float temperature = 0;

int32_t data;

adcValue[RTD_CHANNEL] = data = read_channel(RTD_CHANNEL);

float resistance = ((static_cast(data) - _2_23) * RREF) / (TEMP_GAIN * _2_23);

#ifdef USE_LINEAR_TEMP_EQ

temperature = PT100_RESISTANCE_TO_TEMP(resistance);

#else

#define A (3.9083*pow(10,-3))

#define B (-5.775*pow(10,-7))

if(resistance < R0)

temperature = -242.02 + 2.228 * resistance + (2.5859 * pow(10, -3)) * pow(resistance, 2) - (48260.0 * pow(10, -6)) * pow(resistance, 3) - (2.8183 * pow(10, -3)) * pow(resistance, 4) + (1.5243 * pow(10, -10)) * pow(resistance, 5);

else

temperature = ((-A + sqrt(double(pow(A, 2) - 4 * B * (1 - resistance / R0))) ) / (2 * B));

#endif

return temperature;

}

列表 3：為了將電阻值轉(zhuǎn)換為溫度，Analog Devices 示例例程展示了根據(jù)靜態(tài)定義 (USE_LINEAR_TEMP_EQ) 或動態(tài)值（電阻 < R0）選擇相應(yīng)方法的基本設(shè)計模式。（代碼來源：Analog Devices）

如列表 3 中所示，示例例程 read_rtd() 允許開發(fā)人員選擇 CN0398.cpp 模塊中定義的簡單線性轉(zhuǎn)換宏 PT100_RESISTANCE_TO_TEMP?；蛘?，開發(fā)人員也可以使用在 read_rtd() 示例例程中提供的更復(fù)雜的數(shù)學(xué)表達(dá)式。在此例中，用于選擇相應(yīng)表達(dá)式的 0°C 拐點隱含在 0°C 下的 RTD 電阻 R0 中。

總結(jié)

要構(gòu)建土壤測量系統(tǒng)，工程師面臨一系列軟件、硬件挑戰(zhàn)。硬件設(shè)計必須滿足傳感器的接口要求，而軟件必須提供不同的方法將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為有用信息。

Analog Devices CN0398 開發(fā)板和 ADuCM360_demo_cn0398 開源軟件包可滿足土壤測量系統(tǒng)設(shè)計這兩方面的要求。將 Analog Device 的 CN0398 開發(fā)板和軟件與 Arduino 兼容型 ADICUP360 基板配合使用，可以提供一個完整的土壤測量解決方案。

開發(fā)人員可以使用這種交鑰匙型解決方案來構(gòu)建土壤測量應(yīng)用，或擴(kuò)展相關(guān)的參考設(shè)計和示例軟件以構(gòu)建定制解決方案。