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引言

“物聯(lián)網(wǎng)”說的是一種日益明顯的趨勢(shì)，不僅連接人與電腦，而且將各種“東西”連接到互聯(lián)網(wǎng)。在工廠或大型基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目等應(yīng)用中，在更多地點(diǎn)連接更多傳感器 (傳動(dòng)器) 可以提高效率、改善安全性以及實(shí)現(xiàn)全新的商業(yè)模式。

現(xiàn)在不必面對(duì)在工廠內(nèi)部布設(shè)電纜帶來的挑戰(zhàn)和高成本問題了，因?yàn)榭梢园惭b可靠的、工業(yè)級(jí)強(qiáng)度的無線傳感器，這些傳感器可以靠小型電池工作很多年，或者依靠從光、振動(dòng)或溫度變化等可用來源收集的能量工作。

凌力爾特提供設(shè)計(jì)高性能、可靠、低功率無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所需的所有元件。本文所述案例是一個(gè)真實(shí)的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)整合了一個(gè)高分辨率溫度傳感器、一個(gè)電源管理電路和一個(gè)低功耗無線電模塊，其中電源管理電路用太陽能 (可用時(shí)) 和備份電池 (需要時(shí)) 供電，而無線電模塊則自動(dòng)地構(gòu)成一個(gè)可靠的網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)，以無線方式將所有傳感器連接到一個(gè)中央接入點(diǎn)。

設(shè)計(jì)概述

圖 1 顯示了該設(shè)計(jì)的方框圖。溫度傳感器基于一個(gè)熱敏電阻器，該熱敏電阻器由低噪聲 LT6654 電壓基準(zhǔn)偏置。24 位ΔΣ ADC LTC2484 讀取熱敏電阻器的電壓，并通過 SPI 接口報(bào)告讀取的結(jié)果。LTP5901 是無線電模塊，不僅含有無線電單元，還含有自動(dòng)構(gòu)成 IP 網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)所需的連網(wǎng)固件。此外，LTP5901 還有一個(gè)內(nèi)置的微處理器，該微處理器讀取 LTC2484 ADC SPI 端口，并管理面向信號(hào)鏈路組件的電源排序。LTC3330 是一款低功率、開關(guān)模式雙輸出電源，當(dāng)可得到足夠的光照時(shí)，LTC3330 靠太陽能電池板供電，當(dāng)光照不足但需要保持輸出電壓穩(wěn)定時(shí)，LTC3330 用電池供電。LTC3330 還含有一個(gè) LDO，用來設(shè)定溫度傳感器供電電源的占空比。

圖 1：通過將無線電模塊連至 ADC、基準(zhǔn)和熱敏電阻器以構(gòu)成無線溫度傳感器。該電路由一個(gè)可從電池或太陽能電池板獲取電能的能量收集器供電。

信號(hào)鏈路

這個(gè)設(shè)計(jì)用一個(gè)熱敏電阻器測(cè)量溫度。熱敏電阻是非常適合在溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人們感興趣的典型環(huán)境溫度范圍中讀取溫度值。熱敏電阻器指的是具備很大負(fù)溫度系數(shù)的電阻器。例如，器件型號(hào)為 KS502J2 (按照 US Sensor 公司的規(guī)定) 的熱敏電阻，在 25°C 時(shí)阻值為 5kΩ，在 -30°C 至 +70°C 溫度范圍內(nèi)，電阻值從 88kΩ 變化到 875Ω。

該熱敏電阻器與兩個(gè)準(zhǔn)確的 49.9kΩ 電阻串聯(lián)，并由精確的電壓基準(zhǔn) LT6654 偏置 (圖 2)。LTC2484 ΔΣ ADC 以 24 位分辨率測(cè)量電阻分壓器的分壓比。該 ADC 的總體未調(diào)整誤差為 15ppm，對(duì)于本文應(yīng)用所用的熱敏電阻器斜率而言，這對(duì)應(yīng)于少于 0.05°C 的溫度不確定性。這個(gè)熱敏電阻器規(guī)定的溫度準(zhǔn)確度為 0.1°C，因此無需任何校準(zhǔn)，所測(cè)量的溫度就能達(dá)到這樣的準(zhǔn)確度。

圖 2：采用 LTC2484 24 位 ADC 讀取熱敏電阻的電壓。因?yàn)檩斎牍材ｋ妷菏侵弥�，所�?Easy Drive ADC 不吸取輸入電流，從而很容易準(zhǔn)確獲得成比例的讀數(shù)。

該 ADC 的噪聲低于 4µVp-p，這對(duì)應(yīng)不到 0.005°C 的溫度變化。因此，通過校準(zhǔn)，這個(gè)系統(tǒng)可以用來以極其精細(xì)的分辨率測(cè)量溫度。既然 ADC 測(cè)量熱敏電阻電壓與基準(zhǔn)電壓值之比，所以嚴(yán)格說來，基準(zhǔn)電壓無需準(zhǔn)確。但是它必須是低噪聲的，因?yàn)樵?ADC 轉(zhuǎn)換時(shí)，基準(zhǔn)電壓變化可能引起誤差。

LTC2484 ADC 采用了 Easy Drive™ 輸入結(jié)構(gòu)。這意味著在轉(zhuǎn)換時(shí)的凈差分采樣電流接近為零。因此，流經(jīng)阻性熱敏電阻器網(wǎng)絡(luò)的輸入采樣電流不引起任何測(cè)量誤差，這意味著，無需單獨(dú)的運(yùn)算放大器緩沖器。旁路電容器在高頻時(shí)提供一條低阻抗通路。在很多情況下，不需要不斷測(cè)量溫度，而是每秒測(cè)量一次甚至每分鐘只測(cè)量一次。在系統(tǒng)未測(cè)量溫度時(shí)，節(jié)省功耗是有意義的。如下所述，這個(gè)應(yīng)用電路正是這么做的。

電阻器網(wǎng)絡(luò)從 2.5V 基準(zhǔn)吸取最大 25µA 電流。為了避免測(cè)量之間的功率損耗，將基準(zhǔn)電源的工作周期調(diào)整為僅在測(cè)量期間導(dǎo)通。ADC 輸入的 RC 時(shí)間常數(shù)大約為 5ms。通過在進(jìn)行測(cè)量之前 80ms接通電源，可確保 ADC 輸入完全穩(wěn)定。實(shí)際上，既然兩個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)以相同的斜率接通，所以遠(yuǎn)遠(yuǎn)不用理論的穩(wěn)定時(shí)間那么久，讀數(shù)就已準(zhǔn)確。LT6654 由 LTC3330 的 3V LDO 輸出供電。在讀取溫度讀數(shù)之前和之后的恰當(dāng)時(shí)間，LTP5901 微處理器驅(qū)動(dòng) LTC3330 中 LDO 的使能引腳至高電平和低電平。