【導(dǎo)讀】在許多工業(yè)、農(nóng)業(yè)或醫(yī)療領(lǐng)域，溶液pH值的高低是其所經(jīng)常要考慮的測(cè)量項(xiàng)目之一。本文的主要目的是評(píng)估pH值玻璃探測(cè)器(pH glass probe)的特性，以解決硬件和軟件設(shè)計(jì)時(shí)所面臨到的不同挑戰(zhàn)，并提出一種使用射頻(RF)收發(fā)器模塊從探測(cè)器進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕鉀Q方案。
本文的第一部分將先探討pH值探測(cè)器，接著考察與前端信號(hào)調(diào)節(jié)電路相關(guān)的不同設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，以及如何在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中以低成本實(shí)現(xiàn)高精度和可靠性。由于校準(zhǔn)技術(shù)是提高數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)確度和精密度的方法，因此文中也將討論一些校準(zhǔn)技術(shù)，例如，在分散的預(yù)定義數(shù)據(jù)中以最小二乘法求取近似值的一般多項(xiàng)式擬合(general polynomial fit)，以便進(jìn)行pH值校準(zhǔn)。最后，在本文的最后一部分則將會(huì)為讀者介紹一款無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)的參考電路設(shè)計(jì)。
了解由pH值定義的pH值探測(cè)器
水溶液的酸堿度可以是酸性、堿性或是中性。在化學(xué)領(lǐng)域，酸堿性是以一組數(shù)字刻度來(lái)測(cè)量，這一刻度稱(chēng)為pH值；根據(jù)嘉士伯基金會(huì)(Carlsberg Foundation)的解釋?zhuān)淼氖菤潆x子濃度值(power of hydrogen)。這一刻度是對(duì)數(shù)的，從1到14。這一pH值在數(shù)學(xué)上可以pH=-log(H+)表示。
因此，如果氫離子的濃度為1.0×10-2mol/L，則pH=-log(1.0×10-2)=2。
水溶液如蒸餾水的pH值為7，這是一個(gè)中性值。pH值低于7的溶液是酸性，而pH值高于7的則被認(rèn)為是堿性的溶液。對(duì)數(shù)刻度給出一種溶液與另一種溶液相比較時(shí)的酸性程度。
例如，pH值為5的溶液的酸性是pH值為6的溶液的10倍，并且比pH值為8的溶液酸性高1,000倍。
˙pH值指示劑 有許多方法可用來(lái)測(cè)量水溶液的pH值。石蕊試紙指示劑或玻璃探測(cè)器都可用來(lái)測(cè)量pH值。
˙石蕊試紙 石蕊試紙指示劑通常由從地衣(lichen)中提取出來(lái)的染料所組成，這些染料可作為pH值高低的指示劑。一旦與溶液接觸，試紙就會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，使得顏色改變，從而指出該溶液的pH值。這一范疇基本上包括兩種方法：一種方法是利用緩沖溶液，將對(duì)應(yīng)于已知pH值的標(biāo)準(zhǔn)顏色與浸沒(méi)在測(cè)試液體中的指示劑的顏色比較；而另一種方法則是準(zhǔn)備一張浸泡在指示劑中的pH值試紙，然后將該試紙浸入測(cè)試液體中，并將其顏色與標(biāo)準(zhǔn)顏色比較。雖然上述兩種方法都很容易實(shí)現(xiàn)，但它們可能因?yàn)闇囟群蜏y(cè)試溶液中的外來(lái)物質(zhì)而很容易出錯(cuò)。
˙pH值玻璃探測(cè)器 最常用的pH值指示劑是pH值探測(cè)器。它是由玻璃測(cè)量電極和參考電極所組成。典型的玻璃探測(cè)器是由密封著氯化氫(HCl)溶液的薄玻璃膜所構(gòu)成。外殼的內(nèi)部有一條涂有AgCl的銀導(dǎo)線，它可作為參考電極，且與HCI溶液接觸。
在玻璃膜外部的氫離子會(huì)擴(kuò)散穿過(guò)玻璃膜，并取代相應(yīng)數(shù)量的鈉離子(Na+)，這些鈉離子通常都存在于大多數(shù)的玻璃中。該陽(yáng)離子是難以捉摸的，并且大部分會(huì)被限制在膜具有較低濃度那一側(cè)的玻璃表面。來(lái)自Na+的過(guò)量電荷會(huì)在傳感器的輸出端產(chǎn)生電位電壓。
該探測(cè)器類(lèi)似于電池。當(dāng)探測(cè)器置于溶液中時(shí)，測(cè)量電極將視溶液中的氫的活性而產(chǎn)生一個(gè)電壓，并與參考電極的電位比較。當(dāng)溶液的酸性變得更強(qiáng)(pH值更低)時(shí)，與參考電極相比，玻璃電極電位的正值會(huì)變多(+mV)；而隨著溶液的堿性變得更強(qiáng)(pH值更高)時(shí)，與參考電極相比，玻璃電極電位的負(fù)值會(huì)變多(-mV)。這兩個(gè)電極之間的差異是測(cè)量到的電位，理想的狀況下，典型的pH值探測(cè)器會(huì)在25℃的情況下產(chǎn)生59.154mV/pH單位。這通?？捎赡芩固?Nernst)方程式表示，如下所示：
其中：
E=具有未知活性的氫電極的電壓；a=±30mV，零點(diǎn)公差(zero point tolerance)；T=25℃時(shí)的環(huán)境溫度；n=1，25℃時(shí)，原子價(jià)(離子上的電荷數(shù))； F=96,485庫(kù)侖/mol，法拉第(Faraday)常數(shù)； R=8.314伏特-庫(kù)侖/°Kmol，亞佛加厥數(shù)(Avogadro’s number)； pH=未知溶液的氫離子濃度；pHISO=7，參考的氫離子濃度。
該方程式顯示，所產(chǎn)生的電壓取決于溶液的酸度或堿度，并且以已知的方式，隨氫離子的活性而改變。溶液溫度的變化改變了其氫離子的活性，當(dāng)溶液溫度升高時(shí)，氫離子的移動(dòng)速度加快，這將導(dǎo)致兩個(gè)電極之間的電位差增加。此外，當(dāng)溶液冷卻時(shí)，氫的活性會(huì)降低，使得電位差也隨之降低。電極的設(shè)計(jì)讓它在放進(jìn)pH值為7的緩沖溶液中時(shí)，可產(chǎn)生零伏特(V)電位。
典型的pH值探測(cè)器將具有如表1所示的規(guī)格。
表1：pH值玻璃探測(cè)器的典型規(guī)格。
pH值探測(cè)器將在這次的研究中扮演重要的角色，因?yàn)橘Y料的可靠性將取決于傳感器的精度和穩(wěn)定性。在選擇pH值探測(cè)器時(shí)所要考慮的兩項(xiàng)關(guān)鍵因素是：其在溫度改變后的穩(wěn)定時(shí)間及其在緩沖溶液pH值有所改變后的穩(wěn)定時(shí)間。在Jenway的應(yīng)用筆記“An evaluation of Jenway Performance pH Electrode”中，即列出在給定測(cè)試條件下探測(cè)器在溫度改變后測(cè)試其穩(wěn)定性性能的數(shù)據(jù)，而在說(shuō)明選擇pH值探測(cè)器時(shí)所要考慮的兩項(xiàng)關(guān)鍵因素時(shí)，這些資料是很好的例子。
表2，在緩沖溶液溫度改變后的穩(wěn)定時(shí)間。
先準(zhǔn)備一種液體溶液，它在20℃時(shí)具有pH值為7和在60℃時(shí)具有pH值為4的緩沖液，而每一電極則穩(wěn)定于在pH值為7的緩沖液中以200rpm攪拌，然后再以去離子水清洗電極，并轉(zhuǎn)移到pH值為4的緩沖液的等分試樣(aliquot)中4分鐘。之后，該電極再次以去離子水清洗并放回到pH值為7的緩沖液中。然后確定花在讀取保持穩(wěn)定的時(shí)間為10秒。該測(cè)試再對(duì)每一探測(cè)器重復(fù)進(jìn)行三次試驗(yàn)。
表3：緩沖液pH值改變后的穩(wěn)定時(shí)間。
Jenway的性能與通用的pH值探測(cè)器相比，在上述給定條件下的響應(yīng)速度快達(dá)50%。因?yàn)檫@樣的儀器具有很高的樣品通量(throughput of sample)，所以使用此一儀器對(duì)縮短分析數(shù)據(jù)所需的時(shí)間，具有很大的效益。
傳感器模擬信號(hào)調(diào)節(jié)電路
為了獲得適當(dāng)?shù)男盘?hào)調(diào)節(jié)電路，重要的是要了解傳感器探測(cè)器的等效電路圖(equivalent electrical diagram)。
如先前所述，pH值探測(cè)器是由玻璃組成，這些玻璃可產(chǎn)生范圍為1MΩ~1GΩ的極高電阻，并且作為與pH值電壓源串聯(lián)的電阻，如圖1所示。
圖1：pH探測(cè)器等效電路配置。
即使是流經(jīng)電路中每一元件(特別是測(cè)量電極的玻璃膜)的高電阻的電路電流非常小，也會(huì)在這些電阻的兩端產(chǎn)生相對(duì)顯著的電壓降，嚴(yán)重地減少在儀表上所看到的電壓值。讓情況變得更糟的是，由測(cè)量電極所產(chǎn)生的電壓差非常小，在毫伏特范圍(理想情況下，在室溫時(shí)的每一pH單位(per pH unit)為59.16mV。所以，執(zhí)行此一任務(wù)的儀表必須非常靈敏，并也要具有極高的輸入電阻。
˙模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換 對(duì)于這種類(lèi)型的應(yīng)用，考慮到傳感器的響應(yīng)時(shí)間，數(shù)據(jù)采集的取樣率現(xiàn)在將會(huì)是一個(gè)問(wèn)題。有了所規(guī)定的0.001Vrms傳感器分辨率和1V的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)滿(mǎn)量程電壓范圍，就不需要高分辨率ADC來(lái)實(shí)現(xiàn)9.96位的有效分辨率。無(wú)噪聲分辨率(noise free resolution)是以位為單位來(lái)定義的，其方程式為：
無(wú)噪聲分辨率=log2[滿(mǎn)量程輸入電壓范圍/傳感器峰至峰電壓輸出噪聲](Noise free resolution=log2[full-scale input voltage range/sensor peak-to-peak voltage output noise])。
對(duì)于低功率應(yīng)用，ADC的采樣速率是一個(gè)很大的因素，因?yàn)锳DC的采樣速率與其功耗直接相關(guān)。所以考慮到傳感器的響應(yīng)時(shí)間，典型的ADC采樣率可以設(shè)置在其最低吞吐量。為減少元件的數(shù)量，可以采用集成有ADC的微控制器。
˙收發(fā)器 傳輸pH值和溫度數(shù)據(jù)需要一個(gè)收發(fā)器，而控制收發(fā)器則需要一個(gè)微控制器(MCU)。選擇收發(fā)器和微控制器牽涉到一些關(guān)鍵的考慮因素。
選擇收發(fā)器時(shí)應(yīng)將以下幾點(diǎn)注意事項(xiàng)列入考慮：1.工作頻率(OF)；2.最大距離范圍；3.數(shù)據(jù)速率；4.授權(quán)。
1.工作頻率 在設(shè)計(jì)RF傳輸時(shí)，工作頻率必須確定sub-GHz或2.4GHz頻率是否滿(mǎn)足應(yīng)用的需求。在需要高數(shù)據(jù)速率和使用寬帶段(如藍(lán)牙)的應(yīng)用中，2.4GHz頻率是最好的選擇。但是當(dāng)應(yīng)用是屬于工業(yè)型的，則會(huì)采用sub-GHz的頻率，因?yàn)榭捎玫膶?zhuān)用協(xié)議容易提供網(wǎng)絡(luò)的鏈路層。專(zhuān)有系統(tǒng)在sub-GHz范圍內(nèi)主要使用的ISM頻率為433MHz、868MHz和915MHz。
2.最長(zhǎng)的距離范圍 sub-1GHz提供了遠(yuǎn)距離的能力，可適應(yīng)高功率，到達(dá)超過(guò)25km的距離。當(dāng)用于簡(jiǎn)單的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或星形拓?fù)鋾r(shí)，這些頻率可以有效地穿過(guò)墻壁和其他障礙物。
3.數(shù)據(jù)速率 數(shù)據(jù)速率也需要確定，因?yàn)樗鼤?huì)影響收發(fā)器的傳輸距離和功率消耗。較高的數(shù)據(jù)速率會(huì)消耗較少的功率，可以應(yīng)用在短距離的傳輸，而較低的數(shù)據(jù)速率會(huì)消耗功率，可以應(yīng)用在長(zhǎng)距離的傳輸。提高數(shù)據(jù)速率是一種提高功率消耗的好方法，因?yàn)樗诙虝r(shí)間內(nèi)只汲取電池的短促電流，但這也縮短了無(wú)線電覆蓋的距離。
4.收發(fā)器功耗 對(duì)于電池供電的應(yīng)用而言，收發(fā)器的功耗非常重要。這也是許多無(wú)線應(yīng)用中的重要因素，因?yàn)樗鼪Q定了數(shù)據(jù)速率和距離范圍。該收發(fā)器有兩個(gè)功率放大器(PA)選項(xiàng)，使得在使用上有更大的靈活性。單端的PA可以輸出高達(dá)13dBm的RF功率，而差分PA的輸出則可高達(dá)10dBm。表4可用來(lái)說(shuō)明這兩者各種不同的輸出功率，其中也列出了PA輸出功率與收發(fā)器IDD電流消耗的對(duì)照摘要。而出于對(duì)完整性的考慮，表中同時(shí)也列出了接收模式下電流消耗的數(shù)據(jù)。
表4：PA輸出功率與收發(fā)器IDD電流消耗的對(duì)照摘要表。
5.授權(quán) Sub-GHz包括433MHz、868MHz和915MHz的免授權(quán)ISM頻段。此一頻段不僅被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，且也非常適合各種無(wú)線應(yīng)用。它可在世界的不同區(qū)域使用，因?yàn)檫@符合歐洲ETSI EN300-220法規(guī)的規(guī)定、北美FCC Part 15法規(guī)的規(guī)定，和其他類(lèi)似的管制標(biāo)準(zhǔn)。
˙微控制器如圖2所示，射頻系統(tǒng)的核心是一處理器單元或微控制器，此一核心可用來(lái)處理數(shù)據(jù)及運(yùn)行軟件堆棧，此一軟件堆棧會(huì)與用于RF傳輸?shù)氖瞻l(fā)器介接，也會(huì)與用于傳感器測(cè)量的pH值參考設(shè)計(jì)(RD)板介接。
圖2：無(wú)線傳感器數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)姆綁K圖。
選擇微控制器時(shí)應(yīng)將以下幾點(diǎn)注意事項(xiàng)列入考慮：1.外設(shè)(Peripheral)；2.內(nèi)存；3.處理能力；4.功耗。
1.外設(shè) 微控制器應(yīng)與接口設(shè)備(如SPI總線)集成。收發(fā)器和pH值參考設(shè)計(jì)板通過(guò)SPI相互連接，因此需要兩個(gè)SPI外設(shè)。
2.內(nèi)存 微控制器因有足夠數(shù)量的內(nèi)存，而成為協(xié)議處理和傳感器介接的地方。閃存和RAM是微控制器中兩個(gè)非常關(guān)鍵的元件。為了確保系統(tǒng)不會(huì)耗盡空間，于是采用128kB。這些配置無(wú)疑可使應(yīng)用程序和軟件算法能夠順利地運(yùn)行，同時(shí)也為可能的升級(jí)和新增功能預(yù)留了一個(gè)空間，而使得系統(tǒng)可以不用為這些問(wèn)題頭痛。
3.架構(gòu)和處理能力 為了要管理復(fù)雜的計(jì)算和處理工作，微處理器的速度要夠快。該系統(tǒng)采用32位的微控制器。盡管較低位數(shù)的處理器可能也具有足夠的處理能力，但為了滿(mǎn)足潛在更高端應(yīng)用和算法的需求，該系統(tǒng)選擇使用32位的產(chǎn)品。
4.微控制器功耗 微控制器的功耗應(yīng)該要非常低。對(duì)于由電池供電的應(yīng)用，電源必須要能運(yùn)行多年且不需要維護(hù)，所以很重要。
其他系統(tǒng)注意事項(xiàng)
以下討論除上述的設(shè)計(jì)關(guān)鍵之外的其他注意事項(xiàng)。
˙錯(cuò)誤檢查 通信處理器在發(fā)送模式中將CRC添加到有效負(fù)載，然后在接收模式下檢測(cè)CRC。然后在接收模式下檢測(cè)CRC。有效負(fù)載數(shù)據(jù)加上16位CRC可以使用曼徹斯特(Manchester)來(lái)編碼/譯碼。
˙成本 系統(tǒng)應(yīng)使用最少數(shù)量的元件和最小的電路板尺寸，因?yàn)楫?dāng)成本是關(guān)鍵的要求之一時(shí)，元件數(shù)量和電路板尺寸往往是其中的決定因素。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮采用由微控制器和無(wú)線設(shè)備組成的集成式解決方案，而不是分立元件。此舉可消除在設(shè)計(jì)無(wú)線電和微控制器之間的互連時(shí)所面臨到的挑戰(zhàn)，讓電路板的設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)過(guò)程更加直截了當(dāng)，接合線更短，從而帶來(lái)不易受到干擾的結(jié)果。通過(guò)使用結(jié)合基于ARM Cortex-M的微控制器和無(wú)線電收發(fā)器的單一芯片，可以減少電路板的元件數(shù)量及電路板的布局，同時(shí)也可降低總成本。
˙校準(zhǔn) 實(shí)現(xiàn)高精準(zhǔn)度的關(guān)鍵之一是執(zhí)行校準(zhǔn)例程。根據(jù)能斯特方程式的描述，pH值溶液的一項(xiàng)特性是其對(duì)溫度的高依賴(lài)性。傳感器探測(cè)器只給一個(gè)恒定的偏移量，假設(shè)在所有溫度級(jí)都是恒定的。由于對(duì)溫度的高依賴(lài)性，該系統(tǒng)需要一個(gè)可確定溶液溫度的傳感器。
有一種方法可以采用，像能斯特方程式的直接取代法，但卻會(huì)出現(xiàn)一定程度的誤差，因?yàn)樗鄙偃芤旱姆抢硐雽傩?。這種方法僅需要系統(tǒng)的偏移測(cè)量和未知溶液的溫度讀數(shù)。為了確定由傳感器所引入的偏移，所以需要一種pH值為7的緩沖溶液。理想狀況下，該傳感器產(chǎn)生的輸出為0V。ADC的讀數(shù)將是系統(tǒng)的偏移電壓。典型的pH值探測(cè)器傳感器之偏移可高達(dá)±30mV。
另一種在現(xiàn)場(chǎng)廣泛使用的方法是，通過(guò)使用多個(gè)緩沖器溶液設(shè)置一個(gè)點(diǎn)，以建構(gòu)一般的線性或非線性方程式。在這個(gè)例程中，需要兩種額外的pH值緩沖溶液，這些緩沖溶液是經(jīng)NIST認(rèn)證的和可被NIST追蹤的。這兩種額外緩沖溶液的pH值應(yīng)該至少相差2。
通過(guò)緩沖溶液執(zhí)行校準(zhǔn)的方式如下：
步驟1：從第一緩沖液中取出電極元件并在用去離子水或蒸餾水沖洗后，將具有溫度傳感器的pH值探測(cè)器浸入第二選擇的緩沖溶液中；
步驟2：重復(fù)步驟1，但使用第三緩沖溶液；
步驟3：使用所選擇的緩沖溶液，依據(jù)測(cè)量到的值建立方程式。
可以使用幾個(gè)數(shù)學(xué)方程式來(lái)導(dǎo)出用于校準(zhǔn)的方程式。常用到的公式之一是采用點(diǎn)斜式的直線方程式。該方程式使用在校準(zhǔn)期間取得的兩個(gè)點(diǎn)：P1(Vm1,pH1)和P2(Vm2,pH2)，其中P1和P2是使用所選擇的緩沖溶液所獲得的點(diǎn)。為了確定未知溶液的pH值等級(jí)，藉由一給定點(diǎn)Px(Vmx,pHx)，可將簡(jiǎn)單的線性插值與下列方程式一起使用：
(pHx-pH1)/(Vmx-Vm1)=(pH1pH2)/(Vm1-Vm2)
或是
pHx=(Vmx-Vm1)×(pH1-pH2)/(Vm1-Vm2)+pH1
對(duì)于給定多組點(diǎn)的更高精度，可以使用一階線性回歸。假定給定一組n個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)P0(Vm0, pH0)、P1(Vm1, pH1)、P2(Vm2, pH2)、P3(Vm3, pH3)…Pn(Vmn,pHn)，可以以最小二乘法來(lái)建立一般方程式(pHx=a+b×Vmx)，其中b是線的斜率，a是截距式，其值可分別表示如下：
最小二乘近似法可以擴(kuò)展到更高的階度，例如第二階度的非線性方程式。第二階的一般方程式可以如pHx=a+b×Vmx+c×Vmx2。a、b和c的計(jì)算值，如下所示：
通過(guò)代換、消去或通過(guò)矩陣法，這些方程式系統(tǒng)可用來(lái)求出給定的未知變量a、b和c。
硬件設(shè)計(jì)解決方案
硬件設(shè)計(jì)方案的組成要素如下：
˙緩沖放大器 在此一給定的條件下，需要一個(gè)具有高輸入阻抗和輸入偏置電流非常低的緩沖放大器來(lái)將電路與該高電源電阻(source resistance)隔離開(kāi)來(lái)。AD8603低噪聲運(yùn)算放大器可作為此一應(yīng)用的緩沖放大器。流過(guò)電極電阻的偏置電流會(huì)產(chǎn)生電壓誤差，而AD8603的低輸入電流則可將電壓誤差減到最小。在200fA典型輸入偏置電流的情況下，對(duì)于一個(gè)在25℃時(shí)具有1GΩ串聯(lián)電阻的pH值探測(cè)器而言，偏位誤差(offset error)為0.2mV(0.0037pH值)。即使在最大輸入偏置電流為1pA時(shí)，誤差僅為1mV。雖然沒(méi)有必要，但是可以使用防護(hù)(guarding)、屏蔽(shielding)、高絕緣電阻間隙(insulation resistance standoff)，及其他像是標(biāo)準(zhǔn)的皮安法(picoamp method)，以便將所選緩沖器的高阻抗輸入處之泄漏減到最少。
˙ADC 低功率的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器是較為適合此一應(yīng)用的轉(zhuǎn)換器。針對(duì)精密測(cè)量應(yīng)用所設(shè)計(jì)的AD7792即可滿(mǎn)足此一要求，它是一款16位的Σ-ΔADC。它具有一低噪聲的3信道輸入：當(dāng)更新速率等于4.17Hz時(shí)，噪聲僅為40nVrms。該元件以2.7~5.25V的電源供電工作，且其典型的電流消耗為400 μA。該元件采用16接腳的TSSOP封裝。其他的特性還包括帶有4ppm/ ℃漂移(典型值)的內(nèi)部帶隙基準(zhǔn)、1μA的最大電源切斷電流消耗，及一個(gè)可減少元件數(shù)量和縮小印刷電路板(PCB)尺寸的內(nèi)部頻率振蕩器。
˙選擇射頻收發(fā)器 基于之前的需求，ADuCRF101是最適合預(yù)期應(yīng)用的產(chǎn)品。ADuCRF101是一款針對(duì)低功耗無(wú)線應(yīng)用而設(shè)計(jì)的完全集成式數(shù)據(jù)采集解決方案。其工作頻率為431M~464MHz和862M~928MHz。ADuCRF101集成多種通信外設(shè)，芯片即可提供所需的兩個(gè)SPI總線、128kB的非揮發(fā)性快閃/EE內(nèi)存和16kBSRAM。它是一款微控制器和收發(fā)器的單芯片解決方案，因此可將元件數(shù)量和主板的尺寸縮減到最少和最小。
˙軟件實(shí)現(xiàn) 軟件是無(wú)線傳輸系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵部分。它決定了系統(tǒng)的行為方式，且也會(huì)影響系統(tǒng)的功耗。該系統(tǒng)有兩個(gè)軟件部分，也就是協(xié)議堆棧和應(yīng)用堆棧。其中所使用的協(xié)議堆棧是ADRadioNet，它是一種ISM頻帶的無(wú)線連網(wǎng)協(xié)定。它使用IPv6地址并結(jié)合了這些解決方案中所被預(yù)期的大多數(shù)功能，諸如低電量、多點(diǎn)跳躍(multihop)、端到端確認(rèn)及自我修復(fù)等。而應(yīng)用堆棧則是通過(guò)SPI存取pH值參考設(shè)計(jì)板的軟件。
為有效地運(yùn)行這兩個(gè)軟件堆棧，采用一個(gè)簡(jiǎn)單的調(diào)度程序(scheduler)。非搶占式(nonpreemptive)調(diào)度程序會(huì)處理協(xié)議堆棧任務(wù)；其功能會(huì)被賦予特定的時(shí)間和特定的資源。然而，在系統(tǒng)中，確定任務(wù)的數(shù)量是有限的。為了有效地運(yùn)作，這些確定任務(wù)的執(zhí)行必須在其時(shí)間流逝之前由非搶占式調(diào)度程序完成。由于系統(tǒng)中有兩個(gè)堆棧，非搶占式調(diào)度程序就非常適合這樣的需求，因?yàn)榉峙浣o它的確定任務(wù)的數(shù)量有限。
結(jié)論
本文說(shuō)明了pH值無(wú)線傳感器監(jiān)測(cè)在設(shè)計(jì)方面所面臨到的不同挑戰(zhàn)及其解決方案。結(jié)果顯示，ADI的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品基本上是可用來(lái)解決pH值測(cè)量時(shí)所面臨到的各種不同挑戰(zhàn)。運(yùn)算放大器AD8603，或任何具有高輸入阻抗的等效放大器，都可用來(lái)抗衡傳感器的高輸出阻抗，因此可提供足夠的屏蔽以防止系統(tǒng)負(fù)載(system loading)。ADuCRF101數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)IC可為射頻數(shù)據(jù)傳輸提供完整的解決方案。數(shù)據(jù)采集的精準(zhǔn)度可通過(guò)使用一顆精密放大器和ADC以硬件實(shí)現(xiàn)，或者也可以利用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)來(lái)建立一般的方程式(例如不同的曲線擬合方法)，以軟件的校準(zhǔn)來(lái)完成。
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