ADI深度丨支持RF无线传输的pH传感监测方案分析

第一部分：pH探针

pH值定义

水溶液可分为酸性、碱性和中性三类。在化学中，酸碱度通过一种数值尺度来衡量，称为pH值。依据嘉士伯基金会的定义，pH值代表氢离子浓度。此尺度是一个对数尺度，范围为1到14。pH值的数学表达式为：

pH = –log(H+)

因此，如果氢离子浓度为1.0 × 10–2摩尔/升，则

pH = –log(1.0 × 10–2) = 2

蒸馏水等水溶液的pH值为7，这是一个中性值。pH值小于7的溶液为酸性溶液，大于7的溶液为碱性溶液。对数尺度反映了一种溶液相对于另一种溶液的酸性程度。

例如，pH值为5的溶液，其酸度是pH值为6的溶液的10倍，是pH值为8的溶液的1000倍。

pH指示器

有很多办法可测量水溶液的pH值，包括通过石蕊试纸指示器或使用玻璃探针。

石蕊试纸

石蕊试纸指示器通常由从地衣提取的染液制成，可用来指示pH水平。一旦与溶液接触，试纸就会发生化学反应，导致其颜色改变，由此指示pH水平。这一类大体上包括两种方法：

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将已知pH值对应的标准颜色与利用缓冲溶液浸入测试液体的指示器颜色进行比对；

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将pH试纸先浸没在指示器中，然后浸入测试液体中，将其颜色与标准颜色进行比对。虽然上述两种方法很容易实现，但是温度和测试溶液中的杂质很容易引起误差。

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pH玻璃探针

最常用的pH指示器是pH探针。它由一个玻璃测量电极和一个参比电极构成。典型玻璃探针由玻璃薄膜及其中封入的盐酸(HCl)溶液组成。外壳内部有一根镀AgCl的银线，其充当参比电极并与HCL溶液接触。玻璃膜外部的氢离子扩散通过玻璃膜，置换相应数量的钠离子(Na+)，多数玻璃中一般都存在钠离子。这种正离子很敏锐，大部分限定在玻璃表面上浓度较低的一侧薄膜上。Na+的多余电荷在传感器输出端产生一个电压。

探针类似于一块电池。当把探针置于溶液中时，测量电极产生一个电压，其大小取决于溶液中氢的活性，然后将该电压与参比电极的电位进行比较。随着溶液酸性的增强（pH值变低），玻璃电极电位相对于参比电极阳性增强(+mV)；随着溶液碱性的增强（pH值变高），玻璃电极电位相对于参比电极阴性增强(-mV)。这两个电极之差即为测得电位。在理想情况下，典型的pH探针在25°C下会产生59.154 mV/pH单位，通常用能斯脱方程表示如下：

其中：

E = 氢电极电压，活性未知

a = ±30 mV，零点容差

T = 环境温度(25°C)n = 1（25°C），价（离子上的电荷数）

F = 96485库仑/摩尔，法拉第常数

R = 8.314 伏特-库仑/°K摩尔，阿伏加德罗氏数

pH = 未知溶液的氢离子浓度

pHISO = 7，参比氢离子浓度

方程表明，产生的电压取决于溶液的酸度和碱度，并以已知方式随氢离子活性而变化。溶液温度的变化会改变其氢离子的活性。当溶液被加热时，氢离子运动速度加快，结果导致两个电极间电位差的增加。另外，当溶液冷却时，氢活性降低，导致电位差下降。根据设计，在理想情况下，当置于pH值为7的缓冲溶液中时，电极会产生零伏特电位。典型pH探针的规格如下表所示。

表1. pH玻璃探针的典型规格

pH探针在本研究中起着重要作用，因为数据可靠性取决于传感器的精度和可靠性。选择pH探针时，有两个重要因素需要考虑：

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缓冲溶液温度改变之后的稳定时间

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pH值改变之后的稳定时间

表4. PA输出功率与收发器IDD电流消耗小结

许可

Sub-GHz包括433 MHz、868 MHz和915 MHz的免许可ISM频段。它广泛用于工业中，非常适合各种无线应用。它可以用在世界上的不同地区，因为它符合欧洲ETSI EN300-220法规、北美FCC Part 15法规及其他类似监管标准。

第三部分：微控制器

如图2所示，RF系统的核心是一个处理器单元或微控制器(MCU)，其处理数据并运行与收发器（用于RF传输）和pH参考设计(RD)板（用于传感器测量）接口的软件堆栈。

图2. 无线传感器数据采集和传输框图

选择微控制器必须考虑如下因素：

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外设

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微控制器应集成SPI总线之类的外设。收发器和pH参考设计板均通过SPI连接，因此需要两个SPI外设。

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存储器

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借助适当大小的存储器，微控制器执行协议处理和传感器接口任务。Flash和RAM是微控制器的两个极重要组成部分。为确保系统不会用尽存储空间，使用128 kB内存。这必定会让应用和软件算法流畅运行，并且为可能的升级和功能增加（以便消除系统问题）留有余地。

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架构和处理能力

高精度带宽 1.6M 运算放大器 OK8538（双通道）,OK8539（双通道）,OK8540（四通道）

替代兼容产品：

ADI：      AD8538,AD8539

MAXIM:     MAX9617,MAX9618,MAX9619,MAX9620,MAX4236A

Linear Technology:  LTC2054,LTC20255

高精度带宽 0.35M 运算放大器 OK8521（单通道）,OK8522（双通道）,OK8524（四通道）

替代兼容产品：

3PEAK(思瑞浦):    TP5531,TP5532,TP5534

TI：             OPA330，OPA2330，OPA4330

ST:              OP1ZHA,OP2ZHA,OP4ZHA,TSZ121,TSZ122,TSZ124

通用 带宽 0.15M 运算放大器 OK121(单通道），OK122(双通道）,OK124（四通道）OK123

替代兼容产品：

圣邦微电子：SGM8521 SGM8522 SGM8524

Microchip: MCP6041  MCP6042  MCP6044  MCP6043

思瑞浦:   TP1511,TP1511U，TP1221（5V 应用）TP1512,TP1222（5V 应用）TP1514,TP1224（5V 应用）TP1511N

通用 带宽 0.5M 运算放大器 OK221(单通道），OK222(双通道）,OK224（四通道）OK123

替代兼容产品：

圣邦微电子：SGM8531 SGM8532 SGM8534

Microchip:MCP6241R MCP6241 MCP6241U MCP6242  MCP6244

安森美:  NCS20091  NCS20092  NCS20094

通用带宽1M运算放大器 OK321/OK6331 OK358/OK6332OK324/OK6334OK323/OK6333

 替代兼容产品：

德州仪器：LMV321 OPA348 LMV358 OPA2348 LMV324 OPA4348

ADI：    AD8541  AD8542  AD8544

意法半导体： LMV321  LMV358  LMV324

思瑞浦：TP321 LMV321A TP1541 LMV321TP TP1541A TP358 LMV358A TP1542 LMV358TP TP1542A TP324 LMV324A TP1544 LMV324TP TP1544A TP1543

圣邦微电子： SGM321 SGM8541 SGM358 SGM8542 SGM324 SGM8544 SGM8543

Microchip： MCP6001 MCP6001R MCP6001U MCP6401 MCP6401R MCP6401U MCP6002 MCP6402 MCP6004 MCP6404

罗姆：LMR321  LMR358  LMR324

通用 带宽 3.6M 运算放大器 OK521单通道 OK522双通道 OK524四通道 OK523

替代兼容产品：

德州仪器：TLV314 TLV341 TLV341A TLV2314 TLV342 TLV342A TLV4314  TLV342S

圣邦微电子：SGM8621  SGM8622  SGM8624  SGM8623

Microchip：MCP601 MCP601R MCP6L1R MCP602 MCP6L2 MCP604 MCP6L4 MCP603 MCP603R

思瑞浦： TP1561 TP2431 TP1562 TP2432 TP1564 TP2434 TP1561N

Intesil：ISL28113  ISL28213  ISL28413

RENESAS：HA1630Q4

通用 带宽 7M 运算放大器 OK621单通道 OK622双通道 OK624四通道 OK623

替代兼容产品：

德州仪器：OPA374 LMV821-N TLV2361 LMV710 OPA2374 LMV822-N TLV2362 LMV712 OPA4374 LMV824-N

圣邦微电子：SGM8631  SGM8632  SGM8634  SGM8633

Microchip：MCP6491  MCP6492  MCP6494

思瑞浦：TP2421  TP2422  TP2424

安森美：NCS2003 NCS2003A NCS20032  NCS20034

意法半导体：TSV91x TSV91xA TSV91x TSV91xA TSV91x TSV91xA