带温度补偿的隔离式低功耗pH值测量系统设计

李芃杨路

(铜陵学院，安徽 铜陵 244000)

一、引言

pH值[1]是氢离子浓度的一种表示方式，是衡量水溶液中氢离子与氢氧化物离子相对量的一项指标。常用的测量pH值的方法包括石蕊试纸指示器与玻璃探针：石蕊试纸指示器通常是从地衣提取的染液制成，一旦与溶液接触就会发生化学反应，使得试纸的颜色发生改变，指示出相应的pH水平。这种方法实现简单，但是可靠性较差，被测试溶液中的杂质与温度都会引起测量误差；pH测量探针由玻璃测量电极与参考电极组成[2-4]，类似电池。将探针置于溶液中，测量电极产生一个电压，该电压的大小与溶液中氢离子的活性相关。将该电压与参考电极的电位相比较：当溶液的酸性增强，pH值降低，玻璃测量电极相对于参考电极阳性增强；当溶液的碱性增强，pH值升高，玻璃测量电极相对于参考电极阴性增强。两个电极的差值即为测得电位，在理想情况下，室温时每pH单位对59.154mV。

本文基于嵌入式技术[5-8]，采用AD7793设计了带温度补偿的低功耗pH测量系统，主要包括pH探针及缓冲器电路、RTD及AD采样电路、信号的数字隔离电路、与上位机通信的光纤隔离电路等，通过优化的硬件电路，辅以合适的抗干扰措施，保证了测量工作的可靠进行。

图1 测量系统结构图

二、测量系统结构

pH测量系统包括pH探针，缓冲保护电路，AD采样电路，数字隔离电路，MCU电路，光纤串口电路等，如图1所示。其中有三个重要的电路：pH探针缓冲电路、AD采样电路和数字隔离电路。pH探针生产的电压信号通过缓冲保护电路传输给AD进行采样，同时RTD产生的电压信号也传输给AD进行转换，经过数字隔离发送给MCU进行温度补偿计算出pH值，计算出的结果既可以通过光纤串口电路可靠地发送给上位机显示，也可以借助D/A、V/I电路转换成4-20mA电流信号供工业现场应用。

三、硬件系统设计

（一）pH探针接口电路

pH探针电极一般由玻璃制成，具有较大的电阻值，范围从1MΩ到1GΩ不等。由于电阻值较大，即使流过的电流很小也会产生较大的压降，尤其是测量电极部分，导致测得的电压数值降低，会影响测量的准确性带来失调误差。因此，需要一个高输入阻抗，超低输入偏置电流的运放进行缓冲隔离。本文采用精密微功耗低噪声的CMOS运算放大器AD8607，其典型输入偏置电流为0.2pA，最大功耗 50μA，噪声 22nV/√Hz。以 25℃室温，电阻为1G欧姆探针为例，0.2pA典型输入偏置电流的失调误差为0.2mV，即0.00338pH，AD8607的最大偏置电流为1pA，此时的失调误差也只有1mV，0.0169pH。AD8607的低输入电流可以最大限度地减少流过电极电阻的偏置电流所产生的电压误差。pH探针接口电路示意图如图2所示。

图2 pH探针接口电路示意图

（二）AD采样电路

温度的测量通常以慢速工作，所以低宽带的ADC是适用的。同时，来自传感器的信号幅值很小，所以ADC应该具有较高的分辨率。采用Σ-Δ架构的ADC，开关电容前端对模拟输入进行连续采样，其采样的频率远大于目标的带宽。通过过采样，增大量化噪声的分布范围，从而降低目标频带内的噪声。因此，高分辨率、低宽带的Σ-Δ型ADC是比较合适的选择，本文采用AD7793，最大功耗500μA，适用于各种低功耗应用。

本文应用AD7793的两条通道，一路通道用于测量pH探针电极产生的小电压值。典型的pH探针在0电压下pH值为7，工作温度最大到80℃，基于能斯脱方程，pH探针满量程的电压范围为±414mV(25℃)到±490mV(80℃)。AD7793采用单电源供电，pH探针的输出是双极性，所以通过偏置电压将pH探针的输出偏置到0V以上，使得探针输出电压在ADC可接受范围内。激励电流IOUT2注入5kΩ电阻产生1.05V电压，该电压即是偏置电压，同时也是AD的基准电压。负满量程输入电压对应000…000，零差分输入电压对应100…000，正的满量程输入电压对应111…111。采样输出结果为，其中AIN表示模拟输入电压，GAIN表示设置的增益，对AD7793，N=24。

另一路通道用于测量RTD上产生的电压值，RTD阻值随着温度的变化而变化，在温度区间内的响应几乎呈线性。RTD由IOUT2引脚驱动，输出电流为210uA，电阻值为5kΩ，基准电压1.05V，如图2所示。本文使用的是1000Ω DIN43760 A类RTD，在RTD引脚施加恒定电流并测量通过RTD的电压。RTD(阻值)=RTD0(1+Tα)，在1000Ω到1385Ω范围内变化，相应电压信号在210mV到290mV范围内变化。该架构是一种比率式配置，激励电流的变化不会影响系统的精度。采样器件AD7793具备高输入电阻和低输入偏置电流。测量误差主要来自于引脚电阻、AD7793所产生恒定电流源的稳定性以及输入放大器中的输入阻抗和/或偏置电流及相应的漂移，通过后续软件编程进行补偿。

（三）隔离电路

1.信号传输隔离

常见的信号传输隔离方式如基于光耦的隔离、基于数字技术的隔离、电压频率变换等等。其中光耦合器通过LED产生光的方式进行工作，此种方式需要驱动电路、用于提供隔离工作电压以驱动高压端接口的单独DC/DC变换等辅助电路，结果将导致工作电流与PCB面积的增大。与上述光耦隔离相比，数字隔离则是采用高速CMOS工艺设计集成空芯微变压器，在工作电流与空间上都实现了优化。以典型的5V工作电压，-40℃至+125℃工作温度为例，光耦隔离方式的每个通道至少需要4mA电流，再考虑到工作温度和电压的变化，裕量问题等，每个隔离通道的吸电流提高到10mA，结果使得同一SPI通信总线的高圧域工作电流达到10mA，低压域工作电流达到30mA。而ADuM1401一类的数字隔离器高压域工作电流为1.4mA，低圧域工作电流为2.4mA，在功耗方面具有明显的优势。ADuM1401采用了ADI公司的iCoupler技术，将高速CMOS与单芯片空芯变压器技术融为一体，不用LED和光电二极管，不需要外部驱动器，在信号数据速率相当的情况下，iCoupler器件的功耗只有光耦器件的1/10到1/6。为了进一步降低PCB面积，本文选择ADuM5401数字隔离器，其封装尺寸与ADuM1401相同，含有四个SPI接口隔离通道，还集成了用于驱动高压端接口的DC/DC转换器功能，进一步减少了电路所需的元器件数量。ADuM5401隔离ADC的数字信号，同时为电路提供经隔离稳压的3.3V电源，输入输出供电引脚需要接电源旁路。AD-uM5401的电源部分采用了一个180MHz的振荡频率，通过集成在芯片内部的变压器传输功率。在正常工作情况下，iCoupler的数据部分将在电源引脚上引入开关瞬变。为了抑制该部分噪声，需要低电感高频电容，VDD1的旁路电容可以方便地连接在引脚1和引脚2之间，VISO的旁路电容可以方便地连接在引脚15和引脚16之间。为了抑制噪声并降低纹波，至少需要并联0.1uF和10uF电容，其中较小的电容需要具有低ESR，建议使用陶瓷电容。该低ESR电容的走线到电源引脚的长度不要超过2mm，否则可能会导致数据被破坏。在引脚1、引脚8、引脚9、引脚16之间也要接旁路电容。ADuM5401在满负荷最高速工作条件下的功耗约1W，如果电路工作在高温环境，则需要提供散热路径。ADuM5401主要通过GND引脚进行散热，所以在设计PCB布局时，需要加大引脚8、引脚9的焊盘，通过焊盘到地平面和电源平面的大直径过孔降低电感及噪声的产生。

2.光纤通信隔离

来自微处理器的数据经过max232转换成TTL电平传输给光纤发送电路，以光信号形式发送。光纤接收器件把接收到的光信号转换成TTL电平后经过max2 32转换为232电平传输给微处理器，实现了pH采样数据传输的光纤隔离。如图3所示，TXD接max232的R2IN，对应的R2OUT是TTL电平输出，电平输出信号传输给LED驱动电路发送数据。光纤接收器件把接收到的光信号转换成TTL电平接到max232芯片的T2IN，对应输出的T2OUT接RXD，实现了串口电平，TTL电平，光信号之间的转换。本文采用HFBR1414光纤发送器和HFBR2412光纤接收器，HFBR1414内部是一个LED发光二极管，LED是流控器件，需要驱动电路提供足够的驱动电流进行工作。输入信号输入高电平，使得驱动芯片内部的三极管导通，HFBR1414的LED不发光。反之，输入信号输入低电平，使得驱动芯片内部的三极管截止，HFBR1414的LED发光。光纤通信传输的距离与驱动电路的电流值相关，由限流电阻决定，Datasheet中的图3.17展示了电流与传输距离的关系，根据传输距离查阅需要的驱动电流IF数值，前向电压VF=1.5V，那么。HFBR2412内部是一个开漏输出，因此要外接上拉电阻保证其正常工作。接收到的光信号通过光电转换与放大后输出电流使得三极管导通，输出信号被拉低，输出低电平。反之没有接收到光信号三极管截止，输出信号被拉高，输出高电平。

四、软件系统设计

（一）下位机设计

首先进行初始化，之后进行标准缓冲溶液标定。标定完成后进入while循环开始数据采集，采用多次求和求平均的方式进行滤波处理，之后进行温度补偿计算被测液体的pH值并将计数变量清零，计算出的结果通过光纤隔离电路传送给上位机显示，流程图如图4所示。pH电极电位与溶液中的氢离子浓度满足能斯特公式：

其中k称之为电极转化系数，该数值与被测溶液的温度T相关，所以需要进行温度补偿才能保证测量结果的准确性。电极电压，温度与pH值之间的关系表达式如下：

根据上述公式，得到电极电位差与温度即可计算出被测溶液的pH值。

（二）上位机设计

Labview建立在G语言的基础上，以图形数据流代替文本程序代码，编程简单、高效。在Labview中利用VISA vis发送指令实现串口通信功能，上位机如图5所示。VISA是上位机程序与串口数据之间的通道，是应用于Labview编程的标准IO应用程序接口，使用时需要安装VISA驱动程序。主要包括VISA配置串口、VISA写入、VISA读取、VISA关闭等vis。程序步骤下：

(1)设定端口号、波特率、数据位、停止位、奇偶校验位等，初始化端口；

(2)VISA读取来自串口的信息。

为了保证软件系统的可靠性，需要注意如下事项：

(1)串口传送的一般是字符串型数据，如果要传输数值数据，需要先使用字符串/数值函数转换为字符串后再进行串口发送。

(2)嵌入式系统硬件资源有限，所以串口配置、缓冲区设置、串口关闭等操作应放置在循环结构外，降低内存开销，优化程序。

(3)串口接收可能会出现数据为空或者不完整的现象。由于串口是底层硬件，数据从发送端到串口，再由串口到接收端需要时间。在缓冲区没有完全接收到数据时进行读取就会发生错误，建议在VISA读取前设置延时，保证数据读取的完整性。

图4 下位机程序流程图

图5 基于Labview的pH测量上位机

五、测试与结论

系统校准后对苯二甲酸氢盐标准缓冲溶液和氢氧化钙标准缓冲溶液的pH值进行测量，总共8组数据，如表1所示。被测量的两种标准缓冲溶液在25～60℃范围内的测量误差≤±0.02，测量误差在0.5%以内。对氢氧化钙标准缓冲溶液，正向最大误差在0.02，反向最大误差在-0.01，误差范围≤±0.02,测量误差在0.2%内。缓冲器、数字隔离与光纤通信等的运用保证了测量系统的可靠性，能够满足绝大多数pH值理化检测与工业应用的需求。

表1 测量结果与误差

[1]费学宁.现代水质监测分析技术应用[M].北京:化学工业出版社,2005．

[2]祁建广,李宝营,李仁庆.超低功耗水质pH检测仪设计[J].仪表技术与传感器,2017(3):118-120,126.

[3]林大煊,唐荣年,王云强,等.基于Android系统的pH参数测量仪设计[J].仪表技术与传感器,2014(7):58-60.

[4]李天博,赵文青,黄振跃,等.基于nrf9e5的无线pH值检测模块设计[J].仪表技术与传感器,2009(4):62-63,75.

[5]吕登峰.基于ARM的水质PH检测系统设计与实现[D].西安:西安电子科技大学，2015．

[6]刘海,杨慧中.一种智能在线pH检测仪[J].江南大学学报(自然科学版),2012(2):173-177.

[7]邹应全,行鸿彦.高精度 pH测量仪研究[J].测控技术，2010(9):1-4.

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