自来水管网的分布广泛，难以由人工完成大范围压力测量点的高频率和高精度数据记录。针对这一情况设计 了基于SIM900A的无线远传压力表。该压力表能够实现压力的高精度测量，压力数据的等时间间隔采集、保存和无线远 传。为了实现高精度的压力测量，设计了精度高、温漂小、噪声低、负载接地的恒流源，采用了 24-bit CS5530模数转换器以 相对测量的方式完成模数转换，利用了光耦隔离电路实现模拟电路与数字电路的完全隔离。最后单片机控制SIM900八模 块与服务器之间建立基于GPRS的TCP连接，完成压力数据无线远传。

1 .引言

为了保障人们的用水需求和减少漏损，必须对 城市自来水管网的压力进行严格控制。在控制 压力过程中，需要对压力进行测量并得知管网的压 力分布。由于管网分布广泛，压力测量和传输多由 远传压力表完成。传统远传压力表利用滑动变阻 器原理和长距离布线实现了压力的测量和传输。 这种测量和传输方式精度不高，易受干扰，不便维 护，难以大规模使用，无法直观反映管网的压力分 布。本文的无线远传压力表采用灵敏度高的压阻 式OEM压力传感器；设计了精度高、温漂小、噪声 低的恒流源电路和24-bit A/D转换电路，实现了 压力的高精度测量；利用了光耦将模拟电路与数字 电路完全隔离，减少了测量电路的干扰；通过无线 远程传输压力数据到服务器，几乎不需要维护，节 省人力物力，非常适合大规模使用。服务器接收到 压力数据后绘制出管网压力分布图，能够直观地反 映管网压力分布状态，为管网的压力控制提供依 据。

2.系统总体设计

系统的总体设计思想是压力传感器在恒流源 供电的条件下，输出与作用压力成正比的差分信 号，该信号在A/D测量部分经过滤波、放大后以相 对测量的方式转换为数字信号；RTC时钟为单片 机提供实时时间基准；当压力数据采集时刻到来， 单片机通过光耦读取A/D测量部分的数字信号； 该数字信号会被换算为当前压力数值并被存储在 Flash中；当压力数据发送时刻到来，存储在Flash 中的压力数据通过SIM900A发送给服务器。系统 的整体结构如图1所示。

3.系统硬件设计

3. 1恒流源

压力传感器采用压阻式OEM压力传感器，其基 本参数如表1所示。该压力传感器灵敏度高、稳定性 好、体积小、价格低廉。传感器内部原理图如图2所 示，图中带箭头的电阻桥路为敏感元件，私和风为零 位温漂补偿电阻，风和风为调零电阻，及为灵敏度 温度补偿电阻。+IN、一IN为供电输入端，接入恒定 电流；十OUT和一 OUT为信号输出端，和 U—ajT分别为十OUT和一OUT端的对地电压。 +OU 丁与一 OU 丁之间的差分信号U—与激励电流 IL、外界作用压力P之间的关系如式(1):

Uslgnai — U+OUT 一 U —OUT =KSIlP 十 KZIL (1）

式（1)中，KS为灵敏度系数、K2为零点系数，均为常 数。当辽恒定，US P成线性关系。

由式(1)可知恒流源的精度和稳定性会影响压力 传感器输出信号的质量，因此对恒流源的精度、温漂和 噪声提出了要求。王金晨设计的恒流源中[4]，负载悬 浮使噪声增加。陈笑风构造的的电流源结构[]复杂， 电阻难以匹配。本文设计的恒流源为负载接地恒流 源，具有精度高、温漂小、结构简单、无需电阻匹配、噪 声低等特点;考虑了运放的正向端、负向端输入电流的 影响;输出了 A/D转换器的参考电压。

图2传感器内部原理图 恒流源电路原理如图3所示。REF192为高 精度、低温漂的带隙参考电压芯片，正常工作时其 OUTPUT引脚与GND引脚之间电压差为2. 5V； Rs为5Kn的低温漂电阻是压力传感器的等效 电阻;RF是5Kn的低温漂电阻，一方面其两端的电 压作为A/D转换器的参考电压，另一方面使压力 传感器输出信号的共模电压满足后续A/D测量的 要求R是普通电阻；C9、C10是滤波电容。下面 对该电路的直流状态进行分析。

Uo、UN、UP分别为运放输出端、负向端、正向端的对地电压；分别为运放负向端、正向端的 输入电流；、是运放的输入失调电流；Us是

REF192的OUTPUT引脚与GND引脚之间电压 差，Us = 2. 5V。

故运放处于负反馈状态，能够稳定。

Il为流经传感器等效电阻Rl的电流，s为流 经采样电阻Rs的电流。在节点A处利用KCL定理可得:

3.2 A/D测量

a/d测量是将传感器输出的差分信号滤波、 放大和A/D转换后得到数字信号。

A/D测量原理图如图4所示。U廳是恒流电路 产生的电压，提供A/D转换器CS5530基准电压； A5V提供CS5530的模拟电源；另一路5V电源经过 一阶低通滤波器后提供CS5530的数字电源。

压力传感器的输出端+ OU 丁和一out经过 二阶低通滤波器后接入模数转换芯片CS5530，通 过CS5530内部斩波稳定仪表放大器将差分信号 放大64或128倍。一般情况下就无需额外设计信 号放大电路，提高测量精度，降低成本。

在A/D转换之前，通过程序控制将CS5530的 信号输入引脚短路，测量出共模噪声，在最后的测 量结果中将该噪声减去，来降低噪声对测量结果的 影响。通过内部的数字滤波器滤除工频干扰，减少 了单片机的数字滤波处理，节约了单片机软件资 源。

CS5530的通信端口是串行SPI接口，包括CS、SDI、SDO、SCLK。CS为片选端口，直接拉低选中；SDI为数据输入端口 ；SDO为数据输出端口 ； SLCK为时钟输入端口，这样就只需要占用单片机 的三个I/O 口。相比于并行模数转换器而言， CS5530节约了单片机的硬件资源。

采用CS5530设计A/D测量部分使电路简洁、 精度高、成本低，从硬件和软件两个方面减少对单 片机资源的占用。

下面就A/D测量进行分析：

U5-a/为压力传感器输出的差分信号，A = 64 为该差分信号的放大倍数，U^f = IlRf为参考电 压，ADC为Um-的模数转换结果。24-bit的模数 转换满量程ADCmax = 16777215。由模数转换原理 得如下关系：

数，建立了模数转换结果ADC与压力P的线性关 系。线性系数k与激励电流八无关，减小了激励电 流波动对测量结果的影响；仅与电阻Rf有关，测量 精度由电阻Rf决定，提高电阻Rf的精度和稳定性 能够增加测量精度和稳定性，实现了相对测量。

3.3 光耦

在混合电路设计过程中，数字电路干扰比较 大，如果模拟电路与数字电路不隔离，就会导致模 拟电路受到干扰，影响测量精度。为了抑制这种干 扰一般采用的办法是将模拟电路与数字电路分开 布局，模拟地和数字地最后在某一点短接。

上述办法虽然可以减小数字电路对模拟电路 的干扰，却难以消除这种干扰。为了使数字电路不 会干扰模拟电路，这里采用的办法是通过光耦将数 字电路和模拟电路完全隔离。这种处理能够降 低PCB设计的难度，消除数字电路对模拟电路的 干扰，增加测量精度。

将A/D转换器CS5530归为模拟电路，单片机 归为数字电路。单片机通过光耦与CS5530进行 通信。光耦一端连接CS5530的SDI，SDO，SCLK 引脚，另一端连接单片机引脚MCU_SDO，MCU— SDI，MCU_SCLK。这样就完成了模拟电路部分与 数字电路部分之间信息的传递，实现了二者的完全 隔离。单片机通过光耦与CS5530连接原理图如 图5所示，图中3.3V为单片机的电源电压，5V为 CS5530的数字电源电压。

3.4数字电路部分

在数字电路部分，RTC时钟DS3231为单片机 提供时间基准。当压力采样时刻到来，单片机会通 过光耦启动CS5530的A/D转换，并且保存当前日

图6发送流程图 采用SIM900A通过GPRS网络发送数据的过 程:首先设置网络，数值到串行Flash存储M25P128 中。当数据发送时刻到来，单片机启动SIM900A 与服务器进行无线通信。单片机与外设连接原理 图 如 图 5 所 示 。

RTC时钟DS3231的I2C接口和INT引脚会 分别连接到单片机的I/O 口和外部中断引脚。通 过程序设置DS3231的INT引脚输出周期为1S的 方波，触发单片机中断。

CS5530的SPI接口通过光耦与单片机的I/O 口连接。单片机可以发送命令给CS5530启动A/ D转换，读取A/D转换结果和停止A/D转换。

单片机与串行Flash M25P128通过SPI接口 连接，可以对其进行读、写、擦除等操作。该Flash 的最小读写单元是1个字节，可以提高存储利用 率。在压力数据采集完后将其保存在M25P128 中；当无线发送时，将压力数据从M25P128读出。

单片机通过UART串口发送AT命令给 SIM900A实现压力数据的无线远传功能。

4.系统软件设计

4.1SIM900A程序设计

SIM900A内嵌TCP/IP协议可以实现语音、 SMS和GPRS数据的传输。用户可以通过AT命 令控制SIM900A。在AT命令操作过程中，当等 待握手超时后，即判断AT命令发送失败终止等 待。

采用SIM900A通过GPRS网络发送数据的过 程:首先设置网络，与服务器建立TCP连接；然 后单片机发送压力数据；发送完成后，关闭该TCP 连接减轻服务器的负担。由于无线网络不稳定，会 出现连接不上、中途掉线和TCP握手超时等现象，因此需要设置重传机制。发送流程如图6所示，采 取的措施是连续三次出现数据发送不成功就关闭 SIM900A，等到下次发送时刻到来继续发送。

4.2系统程序框架设计

系统软件的运行框架如图7所示，主要有两部 分：主程序和1S中断程序。

系统上电后，首先在主程序中进行系统初始化 工作：R丁C时钟DS3231、A/D转换器CS5530、 Flash M25P128和UAR丁串口的初始化。然后单 片机进入低功耗模式，暂停继续执行。DS3231输 出的1S方波的上升沿会触发单片机的1S中断程 序。在1S中断程序中，判断压力数据采集时刻是 否到来，一旦到来采集压力数据保存到M25P128 中，唤醒单片机跳出低功耗模式。1S中断程序结 束后，主程序继续执行，判断压力数据发送时刻是 否到来，一旦到来就通过SIM900A发送压力数据 到服务器，然后进入低功耗模式，就这样不断循环。 该款单片机进入低功耗模式后会保持其引脚的上 升沿中断和UAR丁串口发送、接收中断的响应。

压力数据采集部分在1S中断程序中进行，压 力数据发送部分在主程序中执行，这样使数据采集 的优先级更高，保证了压力数据采集的时间间隔恒 定不变。由于压力数据采集和压力数据发送都需 要使用M25P128，故需要做好对临界资源的互斥 访问。

上述处理方式使单片机在1S的大部分时间内 处于低功耗模式，既满足功能要求又避免了因判断 时间是否到来而频繁地读取R丁C时钟，节约了单

片机的软件资源、降低了功耗。

5.结语

本文设计了恒流源电路、a/d测量电路和光 耦隔离电路，利用光耦完成模拟电路部分和数字电 路部分的通信，达到了这两个部分有效隔离的目 的，在采样率为100Sps情况下，实现了 16位的精 确测量；设计了数字电路部分，通过SIM900A实现 了压力数据无线远传的功能。该装置已在自来水 管网中使用，测量精度达到0.2%。、数据发送稳定。