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RF 무선 데이터 전송을 위한 pH 센서 레퍼런스 설계

2017-11-28
RF 무선 데이터 전송을 위한 pH 센서 레퍼런스 설계
 
글. 에르베 레이타(Erbe Reyta), 마크 오초코(Mark Ochoco), 아나로그디바이스
 
초록
원격 모니터링을 위해 센서 노드로부터 데이터를 무선으로 전송하는 시스템에서 정확성, 효율성, 신뢰도가 중요한 경우, 이를 설계하는 데에는 상당한 어려움이 뒤따른다. 용액의 pH는 농업이나 의료 등 여러 산업 분야에서 흔히 고려해야 하는 측정 사항이다. 이 글의 주된 목표는 pH 유리 탐침을 평가함으로써 하드웨어와 소프트웨어 설계의 다양한 어려움을 해결해 보고, 무선 주파수 트랜시버 모듈을 사용하여 탐침으로부터 무선 데이터 전송의 해결책을 제시한다.
 
개요
이 글에서는 먼저 pH 탐침에 대해 설명하고, 설계시 프론트엔드 신호 조정 회로와 관련된 여러 문제점을 점검하고 데이터 변환 시 낮은 비용으로 높은 정밀도와 신뢰도를 제공하는 방법을 알아본다. 또한, 데이터 처리에서 정확도와 정밀도를 향상시키는 방법으로 최소자승법(least square method)를 사용해서 분산된 선정의 데이터(predefined data)의 근사값을 구한 뒤 이를 바탕으로 pH를 보정하는 일반다항적합(general polynomial fit) 같은 보정 방식에 대해서도 논한다. 이 글의 마지막에서는 무선 모니터링 시스템용 레퍼런스 회로 설계도 포함되어 있다.
 
pH 탐침 이해하기
pH 정의
수용액은 산성, 알칼리성, 중성 정도로 분류될 수 있다. 화학에서 이는 pH라는 단위로 측정될 수 있다. 칼스버그 재단(Carlsberg Foundation)에 따르면 pH는 수소이온 농도(power of hydrogen)를 뜻한다. 이 수치는 로그값이며, 최소 1에서 최대 14까지의 값을 가진다. pH를 수식으로 나타내면 pH = –log(H+)와 같다. 따라서 수소이온 농도가 리터당 1.0 × 10–2몰이면, pH = –log(1.0 × 10–2)가 되어서 2가 된다. 증류수 같은 수용액은 pH가 7이며, 이는 중성에 해당된다. pH가 7보다 낮은 용액은 산성, 7보다 높은 용액은 알칼리성을 띤다. 로그값은 용액의 산성 정도를 특정 기준에 비교해 알려준다. 예를들면, pH가 5인 용액은 pH가 6인 용액보다 산성도가 10배 높으며, pH가 8인 용액보다는 1,000배 높다.
 
pH 지시약
수용액의 pH를 측정하는 방법에는 여러가지가 있다. 측정을 위해 리트머스 종이나 유리 탐침을 사용할 수 있다.
 
리트머스 지시약
리트머스 지시약은 보통 pH를 표시하는 역할을 하는 지의류에서 추출한 염료로 만들어진다. 지시약이 용액에 닿으면 화학 반응으로 인해 특정 pH 농도를 나타내는 색으로 변한다. 리트머스 지시약은 기본적으로 두 가지 방식으로 사용할 수 있다. 첫 번째는 이미 pH를 알고 있는 기준 색과 완충액을 사용해 테스트 용액에 첨가한 리트머스 지시약의 색을 서로 비교하는 것이다. 또 다른 방법은 지시약을 침투시킨 pH 시험지를 준비해서 이를 테스트 용액에 담근 뒤 나타난 색을 기준 색과 비교하는 것이다. 두 가지 모두 쉽게 해 볼 수 있는 방법이지만, 테스트 용액의 온도나 외부 물질에 따라 오차가 발생하기 쉽다.
 
pH 유리 탐침
pH를 확인하는 데 가장 흔히 사용되는 것은 pH 탐침이다. 탐침은 전극과 기준 전극을 측정하는 유리로 이루어져 있다. 대표적으로 사용되는 유리 탐침은 염화수소(HCl) 용액을 감싸고 있는 얇은 유리막으로 이루어져 있다. 막 안에는 염화은(AgCl)으로 덮인 은 전선이 들어 있는데, 이 전선은 HCl 용액과 연결되는 기준 전극 역할을 한다. 유리막 밖의 수소이온은 유리막을 통과해 확산된 뒤 대부분의 유리에 보통 포함되어 있는 나트륨이온(Na+)을 내보내고, 그 자리를 차지한다. 이러한 양이온은 감지가 힘들며, 대부분이 막을 기준으로 농도가 낮은 쪽의 유리 표면에 흡착된다. Na+로부터 전하가 과하게 생기면 센서의 출력부에 전위(전압)을 발생시킨다.
탐침은 배터리와 원리가 비슷하다. 탐침을 용액에 넣으면 측정용 전극에서 용액의 수소이온 활동도(hydrogen activity)에 따라 전압이 생성되는데, 이 전압과 기준 전극의 전위와의 비교가 이루어진다. 용액의 산성도가 높아지면(pH 값이 낮아지면) 유리 전극의 전위가 기준 전극보다 양의 방향으로 증가(+mV)하고, 용액의 염기도가 증가하면(pH 값이 높아지면) 유리 전극의 전위가 기준 전극보다 음의 방향으로 증가한다(−mV). 이들 두 전극 사이의 전위차를 측정 전위라고 한다. 일반적인 pH 탐침은 이상적인 조건에서 25°C일 때 59.154mV/pH를 발생시킨다. 이는 보통 아래의 네른스트식(Nernst Equation)으로 나타낼 수 있다.
 
E = 산성도를 모르는 수소이온의 전압
a = ±30mV, 영점 오차
T = 25°C, 주위 온도
n = 25°C일 때 1, 원자가(이온전하 수)
F = 96485C/mol, 패러데이 상수
R = 8.314J/mol?K, 아보가드로 수
pH = 모르는 용액의 수소이온 농도
pHISO = 7, 기준 수소이온 농도
 
이 식은 생성된 전압의 크기가 용액의 산성도나 염기도에 좌우되며, 여기에 해당되는 것 중 하나가 수소이온의 농도다. 용액의 온도가 변하면 수소이온의 농도도 변한다. 용액의 온도가 올라가면 수소이온이 더 빨리 움직이며, 그 결과 두 전극 사이의 위상 차가 커진다. 또한, 용액의 온도가 내려가면 수소이온 농도가 낮아져서 위상 차가 감소한다. 이상적인 조건에서 전극은 pH 값이 7인 완충액에 담갔을 때 0V의 전위를 생산하도록 설계된다.
다음의 표에서는 대표적인 pH 탐침의 사양을 확인할 수 있다.
 
표 1. pH 유리 탐침의 기본적인 사양
측정 범위 pH 0~pH 14
0V에서 pH pH 7.00 ±0.25
정확도 20°C~25°C의 온도 범위에서 pH 0.05
해상도 pH 0.010.1mV
작동 온도 최대 80°C
반응 시간 최종 값의 95%에 대해 1초 이하
 
pH 탐침은 이 연구에서 중요한 역할을 하는데, 데이터 신뢰도가 센서의 정확도와 안정성에 좌우되기 때문이다. pH 탐침을 선택할 때 고려해야 할 중요한 두 가지 요인은 완충액에서 온도 변화 후의 안정화 시간과 pH 변화 후의 안정화 시간이다. 그 예로 들 수 있는 것이 젠웨이(Jenway)의 애플리케이션 노트인 ‘젠웨이 성능 pH 전극의 평가’1에서 얻은 데이터다. 데이터시트에서는 주어진 테스트 환경에서 온도 변화 후의 안정화를 테스트하여 젠웨이 탐침의 성능을 보여준다. 테스트에서는 20°C, pH 7인 용액과 60°C, pH 4인 완충액을 비교했으며, 각 전극은 200rpm의 속도로 젓고 있는 pH 7의 완충액에서 안정화되도록 두었다. 안정화된 전극은 탈염수로 씻어낸 뒤 pH 4의 완충액 부분 표본으로 옮겨 4분 간 두었다. 그런 다음 전극을 다시 탈염수로 씻어서 pH 7 완충액으로 다시 옮겼다. 그 뒤 10초간 안정된 상태로 유지될 때까지 걸리는 시간을 측정헸다. 테스트는 각 탐침마다 세 번씩 반복했다.
 
표 2. 완충액 온도를 바꾸었을 때의 안정화 시간
  범용 pH 탐침 젠웨이(35xx 시리즈 pH 탐침)
1 77 36
2 77 33
3 49 34
평균 67.6667 34.3333
 
표 3. 완충액 pH를 바꾸었을 때의 안정화 시간
  범용 pH 탐침 젠웨이(35xx 시리즈 pH 탐침)
1 29 21
2 31 26
3 38 21
평균 32.6667 22.6667
 
젠웨이의 성능은 범용 pH 탐침과 비교했을 때 위에서 말한 조건에서 반응 시간이 50% 더 빨랐다. 이와 같은 기기를 사용하면 높은 샘플 처리율 덕분에 데이터 분석에 필요한 시간을 크게 줄일 수 있다는 장점이 있다.
 
센서 아날로그 신호 조정 회로
적절한 신호 조정 회로를 만들기 위해서는 센서의 등가 전기 다이어그램을 이해하는 것이 중요하다. 앞에서 설명했듯이, pH 탐침은 최소 1MΩ에서 최대 1GΩ에 이를 수 있는 높은 저항을 생성하는 유리로 이루어져 있으며, 그림 1과 같이 pH 전원과 직렬로 연결되어 있을 때 저항의 역할을 한다.
 
그림 1. pH 탐침의 등가 전기 회로 구성
 
회로(특히 측정 전극의 유리막)에 사용된 각 부품의 높은 저항을 통과하는 회로의 전류는 그 크기가 아무리 작다고 해도 저항에 상대적으로 높은 전압 강하를 발생시켜, 계측기에서 측정되는 전압의 크기를 크게 줄인다. 설상가상으로 측정 전압에 의해 발생한 전압차가 밀리볼트(mV) 수준으로 아주 작다(이상적인 조건일 경우 실온에서 pH 단위당 59.16mV). 이런 작업에 사용되는 계측기는 감도가 아주 뛰어나고 입력 저항이 매우 높아야 한다.
 
아날로그-디지털 변환
이러한 유형의 애플리케이션의 경우 센서의 반응 시간을 고려하면 데이터 수집을 위한 샘플링율이 문제가 된다. 주어진 센서의 해상도가 0.001V rms이고 ADC 풀스케일 전압 범위가 1V라고 할 때, 효과적인 9.96 비트의 해상도를 얻기 위해 고해상도 ADC를 사용할 필요는 없다. 잡음 없는 해상도는 다음의 식과 같이 비트의 단위로 정의된다. 무잡음 해상도 = log2 [풀스케일 입력 전압 범위/센서의 피크간 전압 출력 잡음]. ADC의 샘플링률은 전력 소비와 직결되어 있기 때문에 저전력 애플리케이션에서는 중요한 요인이 될 수 있다. 따라서 센서의 반응 시간을 고려했을 때, 일반적인 ADC 샘플링률은 최소 처리율로 설정될 수 있다. 부품 수를 줄이기 위해서는 ADC가 통합된 마이크로컨트롤러를 사용할 수도 있다.
 
트랜시버
pH와 온도 데이터를 전송하려면 트랜시버가 필요하고, 트랜시버를 제어하는 데에는 마이크로컨트롤러가 필요하다. 트랜시버와 마이크로컨트롤러를 선택할 때에는 다음의 주요 사항들을 공통으로 고려해야 한다.
트랜시버를 고를 때 반드시 고려해야 하는 사항은 다음과 같다.
  • 동작주파수
  • 최대 거리 범위
  • 데이터율
  • 라이선싱
 
동작주파수
RF 전송 장치를 설계할 때, 동작주파수(operating frequency, OF)는 서브 GHz나 2.4GHz 주파수가 애플리케이션의 요건을 만족시키는지 여부를 결정한다. 높은 데이터율이 필요하고 블루투스 같은 광대역을 사용하는 애플리케이션이라면 2.4GHz 주파수를 사용하는 것이 가장 좋다. 그러나 애플리케이션이 산업용이라면 네트워크의 링크 계층을 바로 제공해 주는 주변 프로토콜을 바로 이용할 수 있기 때문에 서브 GHz를 사용한다. 주변 시스템이 주로 사용하는 서브 GHz 범위에서의 ISM 주파수는 433MHz, 868MHz, 915MHz다.
 
최대 거리 범위
서브-1 GHz 주파수는 높은 전력을 수용할 수 있고 도달 거리가 25km 이상인 장거리 성능을 제공한다. 이러한 주파수는 단순한 점대점이나 스타 토폴로지에서 사용될 경우 효과적으로 벽이나 다른 장애물을 통과할 수 있다.
 
데이터율
데이터율 또한 전송 거리 성능과 트랜시버의 전력 소비에 영향을 미치기 때문에 미리 정해 두어야 한다. 데이터율이 높아지면 전력 소비가 낮으며 단거리 전송에 사용할 수 있고, 데이터율이 낮으면 전력 소비가 높으며 장거리 전송에 사용될 수 있다. 데이터율을 높이면 짧은 시간 동안 일시적인 전류만 사용하기 때문에 전력 소비 성능을 향상시키는 좋은 방법이 될 수 있지만, 이 역시 무선 도달 거리를 단축시킨다.
 
트랜시버 소비 전력
트랜시버의 소비 전력은 배터리로 구동되는 애플리케이션에서 중요하게 고려해야 할 요건이다. 이는 또한 데이터율과 거리 범위를 결정하기 때문에 여러 무선 애플리케이션에서 고려되어야 하는 요소이다. 트랜시버에는 두 가지 전력 증폭기(PA) 옵션이 제공되므로 다양하게 활용할 수 있다. 싱글 엔드 PA는 최대 13dBm의 RF 전력을 출력하며, 차동 PA는 최대 10dBm의 전력을 출력할 수 있다. 설명을 위해 표 4에서 일부 PA의 출력 전력 vs. 트랜시버 IDD의 전류 소비를 간단히 정리했다. 완성도를 높이기 위해, 수신 모드일 때의 전류 소비도 표시했다.
 
표 4. PA 출력 전력 vs. 트랜시버 IDD 전류 소비 정리
트랜시버 상태
(868MHz/915MHz)
출력 전력(dBm) IDD(mA, typ)
싱글 엔드 PA,Tx 모드
 
-10
0
+10
+13
10.3
13.3
24.1
32.1
차동 PA,Tx 모드 -10
0
+10
9.3
12
18
Rx 모드 - 12.8
 
라이선싱
서브-GHz에는 433MHz, 868MHz, 915MHz의 라이선스가 없는 ISM 대역이 포함된다. 서브-GHz는 산업용으로 널리 사용되며 다양한 무선 애플리케이션에 사용하기 적합하다. 유럽의 ETSI EN300-220 규제, 북미의 FCC 파트 15 규제 및 기타 비슷한 규제 표준을 따르기 때문에 세계 여러 지역에서 사용될 수 있다.
 
마이크로컨트롤러
그림 2에서 보는 것처럼 RF 시스템의 핵심은 프로세서 유닛, 다시 말해 마이크로컨트롤러(MCU)다. 마이크로컨트롤러는 데이터를 처리하고, RF 전송을 위한 트랜시버와 센서 측정을 위한 pH 레퍼런스 설계(RD) 보드에 접속된 소프트웨어 스택을 실행시킨다.
 
그림 2. 무선 센서 데이터 수집과 전송 블록 다이어그램
 
마이크로컨트롤러를 선택할 때 반드시 고려해야 할 사항은 다음과 같다.
  • 주변장치
  • 메모리
  • 처리 능력
  • 소비 전력
 
주변장치
마이크로컨트롤러는 SPI 버스와 같은 주변장치와 통합되어 있어야 한다. 트랜시버와 pH 레퍼런스 설계 보드가 SPI를 통해 연결되기 때문에 SPI 장치 2개가 필요하다.
 
메모리
마이크로컨트롤러는 프로토콜 처리와 센서 접속이 일어나는 곳이므로 충분한 양의 메모리가 필요하다. 플래시와 RAM 메모리는 모두 마이크로컨트롤러에서 아주 중요한 부품이다. 해당 시스템에서는 메모리 공간이 부족하지 않도록 128kB의 메모리가 사용되었다. 이 정도의 메모리가 있으면 애플리케이션과 소프트웨어 알고리즘이 매끄럽게 실행될 수 있으며, 이후 시스템을 업그레이드하거나 기능을 추가할 수 있는 공간의 여유가 있기 때문에, 이로 인해 이후에 시스템에 문제가 발생하는 일을 막을 수 있다.
 
아키텍처와 처리 능력
마이크로프로세서는 복잡한 계산과 처리가 가능할 정도의 속도를 갖추어야 한다. 해당 시스템은 32비트 마이크로컨트롤러를 사용한다. 비트 수가 낮은 프로세서로 성능이 충분할 수도 있지만, 이 시스템은 향후 애플리케이션과 알고리즘 사양이 높아질 것을 대비하여 32비트를 사용하기로 한다.
 
마이크로프로세서의 소비 전력
마이크로컨트롤러의 소비 전력은 매우 낮아야 한다. 배터리로 구동되는 애플리케이션의 경우 A/S 없이도 여러 해 동안 작동할 수 있어야 하기 대문에 전력은 이러한 애플리케이션에서 중요한 문제다.
 
기타 시스템 고려사항
오류 검사
통신 프로세서는 송신 모드의 페이로드에 CRC를 추가한 뒤 수신 모드에서 CRC를 검출한다. 16비트 CRC가 추가된 페이로드 데이터는 맨체스터(Manchester) 방식을 사용해서 인코딩/디코딩할 수 있다.
 
비용
시스템은 최소의 부품 개수와 보드 크기에서도 작동되어야 한다. 비용이 중요한 요건 중 하나가 될 때 흔히 부품 개수와 보드 크기가 비용을 좌우하기 때문이다. 개별 부품을 사용하는 대신 MCU와 무선 장치로 구성된 통합 솔루션을 사용할지 여부를 반드시 고려해 보아야 한다. 통합 솔루션을 사용하면 설계 시 무선과 MCU의 상호 연결로 인한 어려움을 겪을 필요하지 않아 더 단순한 보드 설계, 수월한 설계 과정이 가능해지며, 결합용 전선의 길이도 짧아져서 간섭으로 인한 취약성이 줄어든다. ARM® Cortex® M 기반 MCU와 무선 트랜시버를 결합한 단일 칩들을 사용하면 보드 부품 수와 전체 비용이 줄어들고 보드 레이아웃이 단순해진다.
 
보정
높은 정확성을 달성하기 위한 열쇠 중 하나는 보정 루틴을 실행시키는 것이다. 네른스트식에서 설명한 pH 용액의 특징은 온도에 따라 pH가 크게 달라진다는 것이다. 센서 탐침은 모든 온도 수준에서 같다고 간주되는 일정한 오프셋 값을 줄 뿐이다. 온도에 따라 값이 크게 달라지기 때문에 용액 온도를 측정하는 센서가 이 시스템에 필요하다.
 
네른스트식을 사용하는 직접 치환(direct substitution) 같은 방법을 적용할 수도 있지만, 이 방법은 용액의 비전형 속성을 고려하지 않기 때문에 어느 정도 오차의 가능성이 존재할 수 있다. 이 방법에는 시스템의 오프셋 측정과 pH를 알지 못하는 용액의 온도 측정값이 필요하다. 센서로 인해 발생한 오프셋을 측정하기 위해서는 pH가 7인 완충액이 필요하다. 센서는 이상적인 상태에서 0V를 출력해야 한다. ADC 측정값은 시스템의 오프셋 전압이 된다. 일반적인 pH 탐침 센서의 오프셋 값은 최대 ±30mV다.
현장에 흔히 적용되는 다른 방법에는 여러 완충액을 사용해서 일반 선형 또는 비선형 식을 구하는 지점을 설정하는 것이 있다. 이 루틴에서 pH 완충 용액을 2개 추가해서 NIST로 증명하고 추적할 수 있어야 한다. 추가된 2개의 완충액은 pH가 적어도 2만큼 차이나야 한다.
완충액을 사용해서 보정하는 방법은 다음과 같다.
  • 1단계: 첫 번째 완충액으로부터 빼 낸 전극 장치를 탈염수나 증류수로 씻어낸 뒤 온도 센서가 부착된 해당 pH 탐침을 두 번째 완충액에 담근다.
  • 2단계: 1단계를 반복하되, 두 번째 완충액이 아닌 세 번째 완충액을 사용한다.
  • 3단계: 선택한 완충액을 사용해 측정한 값으로부터 식을 구한다.
몇 가지 수식을 사용하면 보정을 위한 식을 도출해 낼 수 있다. 흔히 사용되는 식 중 하나가 점 경사법을 활용하는 직선 방정식이다. 이 식에서는 보정 시 두 점 P1(Vm1, pH1)과 P2(Vm2, pH2)가 사용된다. 여기에서 P1과 P2는 선택된 완충액을 사용해 얻은 점이다. 용액의 pH를 알기 위해서 주어진 점 Px(Vmx, pHx)를 구하려면 이 방정식을 단순한 선형 내삽법과 함께 사용하면 된다.
(pHx – pH1)/(Vmx – Vm1) = (pH1 – pH2)/(Vm1 – Vm2)
또는 간단히 아래의 방적식을 사용하면 된다.
pHx = (Vmx – Vm1) × (pH1 – pH2)/(Vm1 – Vm2) + pH1.
몇 개의 점이 주어졌을 대 정확도를 올리기 위해서는 1차 선형 회귀를 사용할 수도 있다. n개의 데이터 점 P0(Vm0, pH0), P1(Vm1, pH1), P2(Vm2, pH2), P3(Vm3, pH3), … ,Pn(Vmn, pHn)이 주어졌을 때 일반방정식 pHx = a + b × Vmx는 최소제곱법을 사용해 나타낼 수 있다. 이때, b는 선의 기울기, a는 절편으로, 그 값은 다음과 같이 구한다.
 
 
 
근사값의 최소제곱법은 2차 비선형 방정식 등 더 높은 수준으로 확장될 수 있다. 2차 일반방정식은 pHx = a + b × Vmx + c × Vmx2의 형태로 표현된다. a, b, c의 값은 다음과 같이 계산할 수 있다.

이러한 방정식 체계는 치환, 소거, 또는 매트릭스법을 통해 주어진 미지수 a, b, c의 값을 구하는 데 사용될 수 있다.
 
하드웨어 설계 솔루션
버퍼 증폭기
주어진 조건에서, 이러한 높은 소스 저항으로부터 회로를 절연하기 위해 고임피던스 입력과 초저입력 바이어스 전류를 지원하는 버퍼 증폭기가 필요하다. AD8603 저잡음 연산 증폭기는 이러한 애플리케이션에서 버퍼 증폭기로 사용될 수 있다. AD8603의 낮은 입력 전류는 전극 저항을 통과해 흐르는 바이어스 저항으로 인해 발생하는 전압 오차를 최소화해 준다. 입력 전류가 200fA(typ)일 때, 25°C에서 1GΩ의 직렬 저항을 가지는 pH 탐침에 대해 오프셋 오차는 0.2mV(0.0037pH)가 된다. 1pA의 최소 입력 바이어스 전류일 때에도 오차는 1mV에 불과하다. 필요하지 않더라도, 보호, 차폐, 고절연 저항 스탠드오프 및 기타 표준 피코암페어 방식을 사용해서 선택한 버퍼의 고임피던스 입력에서의 누설을 최소화할 수 있다.
 
아나로그-디지털 변환기
저전력 ADC는 이러한 애플리케이션에 가장 알맞은 변환기일 수 있다. 이를 구현하는 데에는 AD7792와 정밀 측정 애플리케이션 용 16비트 Σ-Δ ADC가 필요하다. 저전력 ADC은 저잡음 3채널 입력이 가능하다. 잡음 수준은 업데이트율이 4.17Hz일 때 40nV rms에 불과하다. 2.7V~5.25V의 전원 장치로 구동되며 소비 전류는 400μA(typ)이다. 16리드 TSSOP 패키지로 제공된다. 추가 기능으로 내부 대역 갭 래퍼런스, 4ppm/°C 드리프트(typ), 1μA의 최대 대기 모드 소비 전력, 내부 클록 발진기가 제공되어 부품 개수와 PCB 공간을 절약할 수 있다.
 
RF 트랜시버 선택하기
앞서 말한 요건을 기반으로 했을 때, ADuCRF101는 구현하고자 하는 애플리케이션에 가장 적합하다.
ADuCRF101은 완전 통합된 데이터 수집 솔루션으로 저전력 무선 애플리케이션용으로 설계되었다. ADuCRF101은 431MHz~464MHz, 862MHz~928MHz에서 작동한다. 요건에 해당하는 SPI 버스 2개 등 통신 주변 장치와 통합되어 있다. 128kB의 비휘발성 플래시/EE 메모리와 16kB의 SRAM이 칩상에서 제공된다. 마이크로컨트롤러와 트랜시버용 단일 칩 솔루션이기 때문에 부품 수와 보드 크기를 최소화할 수 있다.
ADuCRF101은 2.2V~3.3V 범위의 배터리로 직접 구동할 수 있으며, 이때 소비 전력은 다음과 같다.
  • 280nA: 대기 모드, 수면 상태
  • 1.9μA: 대기 모드, 프로세서 메모리와 RF 트랜시버 메모리 유지
  • 210μA/MHz: Cortex-M3 프로세서 작동 모드
  • 12.8mA: RF 트랜시버 수신 모드, Cortex-M3 프로세서 대기 모드
  • 9mA~32mA: RF 트랜시버 전송 모드, Cortex-M3 프로세서 대기 모드
 
소프트웨어 구현
소프트웨어는 무선 전송 시스템에서 필수적인 부분이다. 소프트웨어는 시스템의 행동을 결정하고, 시스템의 전력 소비에도 영향을 준다. 시스템에는 소프트웨어 부품이 2개 있는데, 하나는 프로토콜 스택이고 다른 하나는 애플리케이션 스택이다. 여기서 사용된 프로토콜 스택은 ADRadioNet으로 ISM 대역용 무선 네트워킹 프로토콜이다. ADRadioNet은 IPv6 주소를 사용하며 그러한 솔루션에서 기대되는 대부분의 기능, 즉, 저전력, 멀티홉, 종단간 확인 응답(end-to-end acknowledgement), 자기회복작용 등을 결합하여 제공한다. 애플리케이션 스택은 SPI를 통해 pH 레퍼런스 설계 보드에 접근하는 소프트웨어다.
두 가지 소프트웨어 스택을 효율적으로 실행시키기 위해서 단순한 스케쥴러를 사용했다. 비선점 스케쥴러는 프로토콜 스택의 작업을 담당하며, 그 기능에는 시간과 자원이 제한적으로 주어진다. 그러나 시스템에서 정의된 작업 수 역시 제한된다. 효율적인 작동을 위해 정의된 작업의 시행을 비선점 스케쥴러로 먼저 완료한 뒤 시간이 종료된다. 시스템에 스택이 2개 있는 상태에서는 비선점 스케줄러가 좋은데, 그 이유는 한정된 수의 정의된 작업이 시스템에 할당되기 때문이다.
 
결론
이 글에서는 pH 무선 센서 모니터링 장치를 설계할 때 발생하는 여러 어려움과 그 해결책을 제시했다. ADI의 데이터 수집 제품이 상기 명시한 것과 같은 pH 측정 시 발생하는 여러 문제들을 해결하는 데 사용될 수 있다는 점은 이미 잘 알려져 있다. AD8603 연산 증폭기나 이와 동급의 높은 입력 임피던스를 지원하는 ADI 증폭기는 센서의 높은 출력 임피던스를 처리하고 그로 인해 시스템 부하를 방지할 충분한 보호를 제공하는 데 사용될 수 있다. ADuCRF101 데이터 수집 시스템 IC는 RF 데이터 전송을 위한 완벽한 해결책을 제공할 수 있다. 데이터 수집의 정확성은 정밀 증폭기와 ADC를 사용해서 하드웨어적으로 구현할 수도 있지만, 여러 곡선 맞춤 방식 같은 일반 방정식을 구하는 수학적 통계를 사용하여 보정함으로써 소프트웨어적으로 구현할 수도 있다.
 
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