測(cè)量?jī)x表精華方案匯總（1）

一、基于nRF24L01的無(wú)線溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)汁

　　摘要：提出了一種針對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題的解決方案，該方案基于nRF24L01來(lái)設(shè)計(jì)無(wú)線溫度采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用低功耗、高性能單片機(jī)STC12C5A08S2和溫濕度傳感器DHT11來(lái)構(gòu)成多點(diǎn)、實(shí)時(shí)溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，最后在PC機(jī)上完成配置、顯示和報(bào)警等功能。該系統(tǒng)使用方便，擴(kuò)展十分容易，可廣泛應(yīng)用于各種工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和養(yǎng)殖等場(chǎng)合。

　　0 引言

　　在當(dāng)今的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，需要進(jìn)行溫濕度采集的場(chǎng)合越來(lái)越多，準(zhǔn)確方便地測(cè)量溫度變得至關(guān)重要。傳統(tǒng)的有線測(cè)溫方式存在著布線復(fù)雜，線路容易老化，線路故障難以排查，設(shè)備重新布局要重新布線等問(wèn)題。特別是在有線網(wǎng)絡(luò)不通暢或由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境因素的限制而不便架設(shè)線路的情況下，給溫濕度的數(shù)據(jù)采集帶來(lái)了很大的麻煩。要想監(jiān)測(cè)到實(shí)時(shí)的溫濕度數(shù)據(jù)，就必須采用無(wú)線傳輸?shù)姆绞綄?duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、發(fā)送、接收并對(duì)無(wú)線采集來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行處理，以控制并監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行情況，減少不必要的線路設(shè)備開(kāi)支。

　　1 系統(tǒng)組成框圖

　　本文設(shè)計(jì)的多路無(wú)線溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)將單片機(jī)檢測(cè)控制系統(tǒng)和射頻通信系統(tǒng)相結(jié)合，系統(tǒng)由主機(jī)和從機(jī)兩部分構(gòu)成，從機(jī)負(fù)責(zé)檢測(cè)溫濕度，并將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)射頻系統(tǒng)發(fā)送給主機(jī)，主機(jī)接收從機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的信號(hào)，并通過(guò)串口和PC機(jī)進(jìn)行通信，記錄數(shù)據(jù)。同時(shí)可通過(guò)PC機(jī)設(shè)定報(bào)警數(shù)據(jù)上下限。其系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

　　圖1 系統(tǒng)組成框圖

　　2 系統(tǒng)硬件電路

　　系統(tǒng)的溫濕度數(shù)據(jù)采用數(shù)字式溫濕度傳感器DHT11進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以51系列增強(qiáng)型單片機(jī)STC12C5A08S2為核心和無(wú)線射頻nRF2401構(gòu)成收發(fā)電路，從機(jī)使用液晶LCD1602顯示，主機(jī)顯示則使用LCD12864，整個(gè)顯示系統(tǒng)可與PC上位機(jī)相連接。

　　2.1 溫濕度采集電路設(shè)計(jì)

　　DHT11是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。該傳感器應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。圖2所示為其溫度采集電路。DHT11傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，可與高性能8位單片機(jī)相連接。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲(chǔ)存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)信號(hào)的過(guò)程中可調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口可使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易而快捷，而且信號(hào)傳輸距離可達(dá)20m以上。當(dāng)連接線長(zhǎng)度短于20m時(shí)，應(yīng)使用5kΩ上拉電阻，大于20m時(shí)，應(yīng)根據(jù)情況使用合適的上拉電阻。

　　圖2 溫度采集電路

　　2.2 無(wú)線發(fā)射、接收電路設(shè)計(jì)

　　nRF24L01是NORDIC公司生產(chǎn)的一款無(wú)線通信芯片，采用FSK調(diào)制方式，內(nèi)部集成有NORDIC自己的Enhanced Short Burst協(xié)議。可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或是1對(duì)6的無(wú)線通信。無(wú)線通信速度可以達(dá)到2 Mb/s.NORDIC無(wú)線發(fā)射、接收芯片nRF24L01的電路原理圖如圖3所示。

　　圖3 無(wú)線發(fā)射、接收原理圖

　　nRF24L01是單片射頻收發(fā)芯片，工作于2.4~2.5 GHz的ISM頻段，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過(guò)程序進(jìn)行配置。nRF24L01芯片的能耗非常低，以-5 dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流只有10.5 mA，接收時(shí)的工作電流只有18 mA，它具有多種低功率工作模式，節(jié)能環(huán)保，設(shè)計(jì)方便。

　　nRF24L01無(wú)線收發(fā)模塊的各管腳功能如表1所列，圖4所示是nRF24L01與單片機(jī)連接時(shí)的電路圖。

　　圖4 無(wú)線模塊與CPU連接電路圖

　　本無(wú)線發(fā)射接收模塊需要的電源為1.9~3.6 V，本系統(tǒng)中采用3.3 V直流電源來(lái)直接對(duì)無(wú)線發(fā)射接收模塊供電，5 V電源經(jīng)。ASM1117-3.3芯片轉(zhuǎn)換后可得到穩(wěn)定的直流電源，其電源轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。

　　圖5 無(wú)線模塊電源轉(zhuǎn)換電路

　　2.3 串行通信模塊

　　主機(jī)單片機(jī)接收到nRF24L01的數(shù)據(jù)后，經(jīng)MAX232電平轉(zhuǎn)換可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)程序下載與升級(jí)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)（上位機(jī)）的通信，以便將顯示數(shù)據(jù)信息通過(guò)此電路傳送到PC機(jī)，并存PC機(jī)上顯示，其串行通信電路如圖6所示。

　　圖6 MAX232CPE與PC的串口通信電路

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 下位機(jī)軟件

　　本系統(tǒng)使用C語(yǔ)言編程，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)的要求確定系統(tǒng)程序的完整結(jié)構(gòu)，盡可能采用模塊化程序設(shè)計(jì)方法，將任務(wù)劃分為相對(duì)獨(dú)立的功能模塊，明確各模塊的功能、時(shí)間順序和相互關(guān)系，系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)可以分為幾個(gè)部分，首先是各個(gè)模塊的底層驅(qū)動(dòng)程序編寫(xiě)，而后是系統(tǒng)聯(lián)機(jī)調(diào)試，最后再編寫(xiě)上位機(jī)的系統(tǒng)程序。

　　主程序是控制和管理的核心，系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行初始化，系統(tǒng)開(kāi)始正常運(yùn)轉(zhuǎn)后，再進(jìn)行溫、濕度的監(jiān)測(cè)與處理等操作。

　　3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)上位機(jī)能完成的功能有顯示串口號(hào)，提示串口是否已被成功打開(kāi)；同時(shí)，上位機(jī)能夠與下位機(jī)同步顯示溫度，而且能夠?qū)崟r(shí)曲線顯示溫度；上位機(jī)能夠設(shè)置下限溫濕度和上限溫濕度，當(dāng)高于上限溫濕度或低于下限溫濕度時(shí)，還能夠報(bào)警。將主機(jī)單片機(jī)的控制電路串行接口與電腦串口經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換連接后，選擇正確的通信協(xié)議，設(shè)置好波特率，即可進(jìn)行通信。圖7所示是上位機(jī)操作界面圖。

　　圖7 上位機(jī)操作界面

　　上位機(jī)軟件可在PC機(jī)上通過(guò)VC6.0編寫(xiě)，主要是對(duì)MSComm控件及CserialPort類進(jìn)行操作。

　　首先是串口設(shè)置。本系統(tǒng)利用的是CSERIALPORT類中的初始化函數(shù)InitPort （this，nport，nbtl，‘N’，8，1，m_dwCommEvents，512）。其巾nport為串口號(hào)，nbtl為波特率，可利用串口設(shè)置對(duì)話框中的串口號(hào)和波特率兩個(gè)組合框分別得到初始化函數(shù)中的nport和nbtl.

　　其次是對(duì)溫濕度上下限的設(shè)置。可利用CSERIALPORT類中的啟動(dòng)串口監(jiān)測(cè)進(jìn)程函數(shù)Start Monitoring、發(fā)送字符串函數(shù)WriteToPort以及關(guān)閉串口進(jìn)程StopMonitoring來(lái)進(jìn)行溫度上下限的設(shè)置，其信息通過(guò)這些函數(shù)發(fā)送到串口，單片機(jī)從RS232上收到數(shù)據(jù)后，與自身的溫度相比較，再進(jìn)行相應(yīng)的處理。

　　第三是曲線顯示。動(dòng)態(tài)曲線顯示可利用CHistogram類中的SetRange（200，400），SetPos（temp）函數(shù)，SetRange設(shè)置上下極限值，SetPos是在圖上顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，temp是從單片機(jī)傳來(lái)的溫濕度數(shù)據(jù)的處理結(jié)果，具體的移動(dòng)曲線可由CHistogram類中函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

　　4 結(jié)論

　　經(jīng)測(cè)試，在發(fā)射接收模塊沒(méi)加天線的情況下，無(wú)線發(fā)射接收模塊在大多數(shù)情況下的數(shù)據(jù)傳輸距離在200 m左右，發(fā)射頭發(fā)射功率、接收頭接收靈敏度等因素可能會(huì)影響傳輸距離，若外加天線，則會(huì)大大增加傳輸距離。另外，在調(diào)試過(guò)程中，振蕩電阻必須匹配，否則接收距離會(huì)變短甚至無(wú)法接收。

　　本系統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)由單片機(jī)采樣，基于DHT11的數(shù)字溫濕度傳感器構(gòu)成的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)具有精度高、抗干擾能力強(qiáng)、電路簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)。然后利用單片機(jī)與PC機(jī)的通信可將數(shù)據(jù)送到PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、后期處理與顯示。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)大、顯示直觀、界面友好、性價(jià)比高，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、儀器、儀表、農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖及智能家居等諸多領(lǐng)域。

　　二、基于FPGA的數(shù)字示波器設(shè)計(jì)

　　隨著信息技術(shù)的發(fā)展，對(duì)信號(hào)的測(cè)量技術(shù)要求越來(lái)越高，示波器的使用越來(lái)越廣泛。模擬示波器使用前需要進(jìn)行校正，使用比較麻煩；而數(shù)字示波器，由于受核心控制芯片的影響，對(duì)輸入信號(hào)的頻率有嚴(yán)格的限制?；贔PGA的數(shù)字示波器，其核心芯片可達(dá)到50萬(wàn)門(mén)，配合高速外圍電路，可以測(cè)量頻率為1 MHz的信號(hào)，有效地克服了以往示波器的不足。

　　1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

　　設(shè)計(jì)的數(shù)字示波器系統(tǒng)主要使用了Xilinx系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境，并在此環(huán)境內(nèi)部建立了AD采樣控制模塊、鍵盤(pán)控制模塊、VGA顯示模塊等多個(gè)模塊，從很大程度上減少了硬件電路的搭建，也因此提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　另外，設(shè)計(jì)使用XPS將32位的MicroBlaze微處理器嵌入到了FPGA中，實(shí)現(xiàn)了可編程片的嵌入以及在可編程片上的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。MieroBlaze通過(guò)LBM總線訪問(wèn)片上的存儲(chǔ)模塊BlockRAM，然后通過(guò)OPB總線上掛接外設(shè)進(jìn)行接口連接和驅(qū)動(dòng)。

　　VGA顯示部分采用雙緩沖機(jī)制進(jìn)行工作，在FPGA內(nèi)部建立RAM，按照一定時(shí)序降RAM內(nèi)的緩存數(shù)據(jù)映射到VGA顯示屏上。

　　2 硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 信號(hào)調(diào)理電路模塊

　　信號(hào)調(diào)理電路模塊，對(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行處理，由于輸入電壓幅度為-2.5～+2.5 V之間，而后一級(jí)的AD模塊采用了12位的高速A／D轉(zhuǎn)換芯片ADS804，只能對(duì)0～2 V的電壓進(jìn)行模／數(shù)轉(zhuǎn)換，故需要將輸入電壓先抬升為0～5 V，在應(yīng)用運(yùn)算放大器進(jìn)行比例縮小，達(dá)到0～2 V的模數(shù)轉(zhuǎn)換要求。

　　2.2 A／D轉(zhuǎn)換電路

　　A／D轉(zhuǎn)換模塊采用存儲(chǔ)采樣數(shù)據(jù)的并行數(shù)據(jù)處理方法，這樣可以使硬件電路得到最大程度的簡(jiǎn)化，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。AD部分的采樣，選用實(shí)時(shí)采樣技術(shù)。能夠捕獲到單個(gè)信號(hào)。采樣速率為10 MHz，即在最高頻率1 MHz時(shí)，實(shí)時(shí)采樣可以在每周期采10個(gè)點(diǎn)以保證取到一個(gè)完整的信號(hào)波形。

　　2.3 觸發(fā)電路模塊

　　觸發(fā)電路模塊屬于外觸發(fā)，對(duì)模擬信號(hào)實(shí)現(xiàn)任意電平觸發(fā)，該模塊采用電壓比較器來(lái)實(shí)現(xiàn)單次觸發(fā)。

　　2.4 存儲(chǔ)模塊

　　存儲(chǔ)模塊包括內(nèi)存儲(chǔ)和外存儲(chǔ)兩部分，使用外部電路進(jìn)行搭建的為外存儲(chǔ)，內(nèi)存儲(chǔ)在軟件部分進(jìn)行說(shuō)明。

　　外部非易失性存儲(chǔ)器模塊采用存儲(chǔ)容量為16 KB的E2PROM芯片24C128，該芯片作為手動(dòng)存儲(chǔ)的存儲(chǔ)介質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)掉電不丟失的設(shè)計(jì)目的。

　　2.5 VGA顯示模塊

　　VGA顯示模塊是建于FPGA內(nèi)的雙緩沖機(jī)制，由嵌入的MicroBlaze軟核進(jìn)行控制，能夠進(jìn)行多個(gè)頁(yè)面間的切換。另外，每個(gè)界面，可以實(shí)現(xiàn)中文信息、彩色通道和所測(cè)輸入波形的顯示，并可控制顯示內(nèi)容的顯示顏色。

　　2.6 鍵盤(pán)模塊

　　4×4矩陣鍵盤(pán)模塊實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

　　通過(guò)鍵盤(pán)，可以對(duì)示波器的數(shù)字通道、模擬通道、混合通道、存儲(chǔ)、回放、波形左移、波形右移等功能進(jìn)行選擇。

　　3 基于FPGA的軟件設(shè)計(jì)

　　FPGA的硬件主要包括：觸發(fā)電路模塊、數(shù)字信號(hào)發(fā)生模塊、存儲(chǔ)模塊、鍵盤(pán)模塊、VGA顯示模塊等5個(gè)部分，軟件流程圖如圖2所示。

　　3.1 觸發(fā)電路程序

　　AD采樣啟動(dòng)后，將從AD進(jìn)來(lái)的數(shù)據(jù)與觸發(fā)字進(jìn)行比較，當(dāng)滿足設(shè)定條件時(shí)，會(huì)產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，此信號(hào)送到RAM控制器端。通過(guò)對(duì)外部觸發(fā)電路發(fā)出觸發(fā)信號(hào)與內(nèi)部的兩路數(shù)字信號(hào)進(jìn)行觸發(fā)的選擇后，RAM控制器得到觸發(fā)后將采樣數(shù)據(jù)寫(xiě)入到RAM中。當(dāng)RAM在進(jìn)行寫(xiě)數(shù)據(jù)過(guò)程中觸發(fā)信號(hào)是被抑制的；當(dāng)RAM達(dá)到預(yù)觸發(fā)深度時(shí)，釋放觸發(fā)信號(hào)，等待下一次觸發(fā)的到來(lái)。

　　3.2 數(shù)竽信號(hào)發(fā)生程序

　　利用DDS的原理，在FPGA內(nèi)部生成一個(gè)信號(hào)發(fā)生器。主要包括頻率控制寄存器、高速相位累加器和比較器3部分。具體做法為：使用一個(gè)表示信號(hào)平均值的數(shù)據(jù)與AD采樣得來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較得到同頻同相的A路信號(hào)，再經(jīng)由A信號(hào)觸發(fā)計(jì)數(shù)器，經(jīng)過(guò)合理設(shè)置計(jì)數(shù)脈沖，得到有45°延時(shí)，占空比25％的B路信號(hào)。最后對(duì)該相位值計(jì)算數(shù)字化正弦波幅度輸出。

　　表示信號(hào)平均值的數(shù)據(jù)由MicroBlaze測(cè)量信號(hào)提供。

　　3.3 存儲(chǔ)程序

　　存儲(chǔ)模塊分RAM存儲(chǔ)和FLASH存儲(chǔ)RAM存儲(chǔ)使用一個(gè)雙口RAM，寫(xiě)和讀分開(kāi)，波形數(shù)據(jù)滿足觸發(fā)條件時(shí)送進(jìn)RAM，存儲(chǔ)了1 024個(gè)點(diǎn)，其中前560組送住VGA顯示。

　　FLASH存儲(chǔ)完成掉電不丟失的存儲(chǔ)目的。20世紀(jì)使用開(kāi)發(fā)板上的一塊型號(hào)為AM29LV160DB的FLASH存儲(chǔ)器，當(dāng)按下存儲(chǔ)健后，F(xiàn)LASH把RAM中的數(shù)據(jù)寫(xiě)到FLASH中，根據(jù)資料中的讀寫(xiě)時(shí)序圖，使用狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)這個(gè)過(guò)程，當(dāng)按下回顯的按鍵時(shí)將FLASH中的數(shù)據(jù)讀回圖像顯示RAM，再顯示出來(lái)。

　　3.4 鍵盤(pán)程序

　　鍵盤(pán)采用4×4矩陣鍵盤(pán)，使用FPGA進(jìn)行掃描控制，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

　　鍵盤(pán)子程序主要包括數(shù)字通道、模擬通道、混合通道、存儲(chǔ)、回放、波形左移、波形右移、垂直靈敏度檔位設(shè)置，掃描速度檔位設(shè)置等功能與按鍵的對(duì)應(yīng)。

　　3.4.1 顯示分辨率分析

　　垂直方向劃分為10 div，設(shè)置3檔垂直靈敏度：1 000 mV／div，100 mV／div和10 V／div，即每div可代表1 000 mV，100 mV和10 mV。

　　A／D轉(zhuǎn)換模塊的模擬信號(hào)輸入端的輸入信號(hào)電壓為0～2 V，當(dāng)示波器滿刻度顯示時(shí)，被測(cè)信號(hào)的幅度將分別為：V11=1 V／div×10 div=10 V，V12=0.1 V／div×10 div=1 V，V13=10 mv／div×10 div=100 mV。A／D轉(zhuǎn)換器的滿刻度輸入值為Vmax=2 V，程控放大器電路的增益AN=Vmax／VIn，其中N=1，2，3，對(duì)應(yīng)于3檔不同垂直靈敏度的增益分別為：A1=2／10=0.2；A2=2／1=2；A3=2／0.1=20。

　　A／D轉(zhuǎn)換器的滿刻度輸入值為Vmax=5 V《10 V，將AD采樣的值和數(shù)字信號(hào)的值據(jù)當(dāng)前檔位進(jìn)行計(jì)數(shù)存儲(chǔ)，即1μs／div時(shí)每10個(gè)點(diǎn)保存一個(gè)，1 ms，／div時(shí)每10 000個(gè)點(diǎn)保存一個(gè)，1 s／div時(shí)每采樣10 000 000個(gè)點(diǎn)保存一個(gè)。

　　3.4.2 掃描速率分析

　　A／D的轉(zhuǎn)換速率取決于被測(cè)信號(hào)的頻率范圍，或DSO對(duì)掃描速度的要求，設(shè)計(jì)掃描速度含1 ms／div，1μs，／div，1 s／div三檔，通過(guò)FPGA內(nèi)部建立分頻電路實(shí)現(xiàn)了最高采樣率16 MS／s，每10倍頻步進(jìn)，共六檔，增加了該示波器的實(shí)用性。水平顯示分辨率為64點(diǎn)／div，以保證顯示波形清晰穩(wěn)定。

　　3.5 VGA顯示部分

　　VGA顯示模塊使用雙緩沖機(jī)制，軟核MicroBlaze通過(guò)讀寫(xiě)顯存來(lái)控制VGA顯示。VGA顯示可顯示3種顏色，利用了SOPC的優(yōu)勢(shì)。GRAM位寬32b，大大提高了FPGA刷屏的速度。vga_dn與GRAM對(duì)內(nèi)嵌的MCU設(shè)計(jì)成為BlackBox，MCU只需向相應(yīng)地址發(fā)送合適數(shù)據(jù)即可顯示想要的波形。本設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)了的顯示為：底色，漢字，示波器的顯示框，波形數(shù)據(jù)。通過(guò)取字摸的方式，可在顯示屏上顯示中文信息。當(dāng)部分的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合時(shí)，這幾部分的數(shù)據(jù)各自有不同的優(yōu)先級(jí)，當(dāng)多部分重疊時(shí)，根據(jù)優(yōu)先級(jí)顯示出來(lái)。

　　4 總體效果

　　圖3為同時(shí)顯示2個(gè)數(shù)字通道和1個(gè)模擬通道的界面，通道1（CH1）為模擬通道，通道2（CH2）和通道3（CH3）為數(shù)字通道，輸入信號(hào)為一正弦波，峰一峰值為1.2 V，通道2，設(shè)定輸入信號(hào)信號(hào)電壓大于0為高電平，反之為低電平，故通道2為占空比為50％的矩形波。通道3設(shè)定輸入信號(hào)大于3.3 V為高電平，反之為低電平，故在本圖上通道3為占空比約為25％的矩形波。由圖可知觀察值與計(jì)算值相符。

　　5 結(jié)語(yǔ)

　　設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一款基于FPGA的VGA顯示的多通道數(shù)字存儲(chǔ)示波器。FPGA的高速性比其他控制芯片更適合于高速數(shù)據(jù)的采集和處理，另外FPGA內(nèi)部存儲(chǔ)模塊在完成輸入信號(hào)的量化存儲(chǔ)速度上有著外接RAM無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)測(cè)試，設(shè)計(jì)系統(tǒng)比較好地完成了各項(xiàng)設(shè)計(jì)要求。

　　三、單片機(jī)與模糊控制的溫控儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　摘要：溫度是科學(xué)技術(shù)中最基本的物理量之一，在工業(yè)生產(chǎn)和生活中，常常是表征對(duì)象和過(guò)程狀態(tài)的重要參數(shù)，其控制具有非線性、時(shí)滯性和不確定性，用傳統(tǒng)的控制達(dá)不到好的控制效果。設(shè)計(jì)一種以單片機(jī)MSP430F149為系統(tǒng)的核心部件，并將模糊控制算法應(yīng)用到其中的溫控儀上，溫度控制范圍為常溫0～100℃，設(shè)定溫度值與測(cè)量溫度值實(shí)時(shí)顯示，控制精度可達(dá)±0．5℃。該系統(tǒng)采用恒瀧供電，電路較簡(jiǎn)單，成本低，溫度控制精度高，可以廣泛應(yīng)用于需要進(jìn)行恒溫控制的生產(chǎn)和生活中。

　　0 引言

　　溫度控制對(duì)于工業(yè)和日常生活等領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景，很多應(yīng)用領(lǐng)域，需要精度較高的恒溫控制，由于其控制具有非線性、時(shí)滯性和不確定性，用傳統(tǒng)的控制達(dá)不到好的控制效果。模糊控制是一種基于規(guī)則的控制，它直接采用語(yǔ)言型控制規(guī)則，出發(fā)點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)操作人員的控制經(jīng)驗(yàn)或相關(guān)專家的知識(shí)，其魯棒性強(qiáng)，干擾和參數(shù)變化對(duì)控制效果的影響被大大減弱，所以特別適合于0～100℃溫度的精確控制。

　　MSP430系列單片機(jī)是一個(gè)16位的、具有精簡(jiǎn)指令集的、超低功耗的混合型單片機(jī)。MSP430F149單片機(jī)采用了精簡(jiǎn)指令（RISC），具有豐富的尋址方式（7種源操作數(shù)尋址、4種目的操作數(shù)尋址）、簡(jiǎn)潔的27條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令，大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算，還有高效的查表處理指令；有較高的處理速度，在8MHz晶體驅(qū)動(dòng)下指令周期為125 ns。這些特點(diǎn)保證了可編制出高效率的源程序。MSP430F149單片機(jī)具有10位／12位ADC、16位Sigma-Delta A／D、直接尋址模塊（DMA）、端口1～6、基本定時(shí)器（Basic Timer）等的一些外圍模塊的不同組合。其中，看門(mén)狗可以使程序失控時(shí)迅速?gòu)?fù)位；模擬比較器進(jìn)行模擬電壓的比較，配合定時(shí)器，可設(shè)計(jì)出A／D轉(zhuǎn)換器。該系統(tǒng)采用MSP430F149單片機(jī)，可以省去A／D等硬件電路，使其成本降低，可靠性大大增強(qiáng)。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)以MSP430F149單片機(jī)為控制核心，溫度測(cè)量由鉑電阻恒流調(diào)理電路完成，調(diào)理電路的輸出電壓送入單片機(jī)，在單片機(jī)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換，并對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波及標(biāo)度變換處理，溫度值由3位數(shù)碼管顯示。輸入的溫度設(shè)定值由4位獨(dú)立式鍵盤(pán)電路進(jìn)行，設(shè)定值送入單片機(jī)后，由另一個(gè)3位數(shù)碼管顯示。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

　　2 主要硬件電路設(shè)計(jì)

　　2．1 鉑電阻測(cè)溫調(diào)理電路

　　在本系統(tǒng)中，實(shí)際溫度值由鉑電阻恒流工作調(diào)理電路進(jìn)行測(cè)量。為了克服鉑電阻的非線性特點(diǎn)，在信號(hào)調(diào)理電路中加入負(fù)反饋非線性矯正網(wǎng)絡(luò)。如圖2所示，鉑電阻選用標(biāo)稱值為100Ω的RT100作為溫度傳感器。A1，A2和A3采用低溫漂運(yùn)放OP07，由于有電流流經(jīng)鉑電阻傳感器，所以當(dāng)溫度為0℃時(shí)，在鉑電阻傳感器上有壓降，這個(gè)電壓為鉑電阻傳感器的偏置電壓，是運(yùn)放A1輸出電壓的一部分，使恒流工作調(diào)理電路的輸出實(shí)際不為0，所以需要對(duì)這個(gè)偏置電壓調(diào)零，圖中R3為調(diào)零電阻。圖中運(yùn)放A3及電阻R1，R4和R6構(gòu)成負(fù)反饋非線性校正網(wǎng)絡(luò)。R5用于調(diào)整運(yùn)放A2的增益。

　　2．2 溫度控制電路

　　系統(tǒng)加熱絲與風(fēng)扇均采用圖3所示電路形式。電路采用了晶體管驅(qū)動(dòng)的直流電磁繼電器。當(dāng)單片機(jī)的P5．4為低電平時(shí)，繼電器RL1吸合，當(dāng)P5．4為高電平時(shí)，繼電器RL1釋放。采用這種控制邏輯可以使繼電器在上電復(fù)位或單片機(jī)受控復(fù)位時(shí)不吸合。繼電器由晶體管2N222A驅(qū)動(dòng)，可以提供所需的驅(qū)動(dòng)電流。

　　3 模糊控制規(guī)則表及軟件流程圖

　　3．1 建立模糊控制規(guī)則表

　　采用溫度誤差E和溫度誤差變化率Ec作為模糊控制器的輸入變量，溫度控制量U作為模糊控制器的輸出變量。系統(tǒng)中溫度誤差E、溫度誤差變化率Ec和溫度控制量U（單位：℃）的基本域分別為［-5，+5］，［-2，+2］和［0，1］。輸入語(yǔ)言變量的語(yǔ)言值取7個(gè)，輸出控制量用于控制繼電器驅(qū)動(dòng)電路。將占空比模糊控制量設(shè)定為0，1／4，1／2，3／4，1五個(gè)單點(diǎn)模糊量和1個(gè)控制風(fēng)扇吹風(fēng)的單點(diǎn)模糊量。輸出語(yǔ)言變量的語(yǔ)言值取6個(gè)。當(dāng)U=0時(shí)，單片機(jī)P3．5口置低電平，使風(fēng)扇控制電路工作；當(dāng)U=1時(shí)，加熱絲控制電路工作，且繼電器在1個(gè)周期內(nèi)全關(guān)斷；當(dāng)U=2時(shí)，加熱絲控制電路工作，且繼電器在1／4個(gè)周期內(nèi)接通，在3／4個(gè)周期內(nèi)關(guān)斷；當(dāng)U=5時(shí)，加熱絲控制電路工作，且繼電器在1個(gè)周期內(nèi)全接通。本控制系統(tǒng)選用三角函數(shù)、升半梯形函數(shù)與降半梯形函數(shù)作為輸入量語(yǔ)言值的隸屬函數(shù)，用脈沖函數(shù)作為輸出量語(yǔ)言值的隸屬函數(shù)。模糊控制規(guī)則如表1所示。

　　由模糊規(guī)則進(jìn)行推理可以得出模糊控制器語(yǔ)言規(guī)則的輸入輸出關(guān)系，其關(guān)系是一個(gè)非線性的關(guān)系曲面。當(dāng)偏差較大時(shí)，控制量的變化應(yīng)盡力使偏差迅速減小；當(dāng)偏差較小時(shí)，除了要消除偏差外，還要考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性，防止系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)沖，甚至引起系統(tǒng)振蕩。

　　3．2 軟件流程圖

　　主程序軟件流程如圖4所示。

　　溫度采集和顯示、鍵盤(pán)處理等在編程時(shí)作為相對(duì)獨(dú)立的功能模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，并自主程序運(yùn)行中按照設(shè)定的流程來(lái)調(diào)用，完成相應(yīng)的任務(wù)后再返回主程序即可。

　　4 仿真分析

　　在Proteus仿真軟件中加入編譯后的HEX文件，使用分析圖表分析系統(tǒng)分析加熱器控制信號(hào)與風(fēng)扇控制信號(hào)輸出端口的占空比。當(dāng)輸入電壓為2．7 V時(shí)，系統(tǒng)的輸出顯示實(shí)際溫度為54℃，系統(tǒng)的設(shè)定溫度為55℃，此時(shí)P5．4輸出占空比為2：1的加熱器控制信號(hào)；而當(dāng)系統(tǒng)的實(shí)際溫度大于設(shè)定溫度時(shí)，系統(tǒng)輸出適當(dāng)?shù)娘L(fēng)扇控制信號(hào)以恒定的功率散熱，說(shuō)明滿足設(shè)計(jì)要求。

　　5 結(jié)語(yǔ)

　　本系統(tǒng)采用低功耗MSP430系列單片機(jī)作為控制核心，整個(gè)控制電路較簡(jiǎn)單，用模糊控制算法設(shè)計(jì)程序，設(shè)定溫度值與測(cè)量溫度值實(shí)時(shí)顯示，控制精度可達(dá)±0．5℃，在實(shí)際生產(chǎn)和生活中具有廣泛的實(shí)用性。

　　四、3軸加速度計(jì)全功能計(jì)步器參考設(shè)計(jì)

　　簡(jiǎn)介

　　計(jì)步器是一種頗受歡迎的日常鍛煉進(jìn)度監(jiān)控器，可以激勵(lì)人們挑戰(zhàn)自己，增強(qiáng)體質(zhì)，幫助瘦身。早期設(shè)計(jì)利用加重的機(jī)械開(kāi)關(guān)檢測(cè)步伐，并帶有一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)數(shù)器。晃動(dòng)這些裝置時(shí)，可以聽(tīng)到有一個(gè)金屬球來(lái)回滑動(dòng)，或者一個(gè)擺錘左右擺動(dòng)敲擊擋塊。

　　如今，先進(jìn)的計(jì)步器利用MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）慣性傳感器和復(fù)雜的軟件來(lái)精確檢測(cè)真實(shí)的步伐。MEMS慣性傳感器可以更準(zhǔn)確地檢測(cè)步伐，誤檢率更低。MEMS慣性傳感器具有低成本、小尺寸和低功耗的特點(diǎn)，因此越來(lái)越多的便攜式消費(fèi)電子設(shè)備開(kāi)始集成計(jì)步器功能，如音樂(lè)播放器和手機(jī)等。ADI公司的3軸加速度計(jì)ADXL335， ADXL345和 ADXL346小巧纖薄，功耗極低，非常適合這種應(yīng)用。

　　本文以對(duì)步伐特征的研究為基礎(chǔ)，描述一個(gè)采用3軸加速度計(jì)ADXL345的全功能計(jì)步器參考設(shè)計(jì)，它能辨別并計(jì)數(shù)步伐，測(cè)量距離、速度甚至所消耗的卡路里。

　　ADXL345專有的（正在申請(qǐng)專利）片內(nèi)32級(jí)先進(jìn)先出（FIFO）緩沖器可以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并執(zhí)行計(jì)步器應(yīng)用的相關(guān)操作，從而最大程度地減少主處理器干預(yù)，為便攜式設(shè)備節(jié)省寶貴的系統(tǒng)功率。其13位分辨率（4 mg/LSB）甚至允許計(jì)步器以合理的精度測(cè)量超低速步行（每步加速度變化約55 mg）。

　　了解模型

　　在可用于分析跑步或步行的特征當(dāng)中，我們選擇“加速度”作為相關(guān)參數(shù)。個(gè)體（及其相關(guān)軸）的運(yùn)動(dòng)包括三個(gè)分量，分別是前向（“滾動(dòng)”）、豎向（“偏航”）和側(cè)向（“俯仰”），如圖1所示。ADXL345檢測(cè)其三個(gè)軸——x、y和z上的加速度。計(jì)步器處于未知方向，因此測(cè)量精度不應(yīng)嚴(yán)重依賴于運(yùn)動(dòng)軸與加速度計(jì)測(cè)量軸之間的關(guān)系。

　　圖1. 各軸的定義

　　讓我們考慮步行的特性。圖2描繪了一個(gè)步伐，我們將其定義為單位步行周期，圖中顯示了步行周期各階段與豎向和前向加速度變化之間的關(guān)系。

　　圖2. 步行階段與加速度模式

　　圖3顯示了與一名跑步者的豎向、前向和側(cè)向加速度相對(duì)應(yīng)的x、y和z軸測(cè)量結(jié)果的典型圖樣。無(wú)論如何穿戴計(jì)步器，總有至少一個(gè)軸具有相對(duì)較大的周期性加速度變化，因此峰值檢測(cè)和針對(duì)所有三個(gè)軸上的加速度的動(dòng)態(tài)閾值決策算法對(duì)于檢測(cè)單位步行或跑步周期至關(guān)重要。

　　圖3. 從一名跑步者測(cè)得的x、y和z軸加速度的典型圖樣

　　算法

　　步伐參數(shù)

　　數(shù)字濾波器：首先，為使圖3所示的信號(hào)波形變得平滑，需要一個(gè)數(shù)字濾波器?？梢允褂盟膫€(gè)寄存器和一個(gè)求和單元，如圖4所示。當(dāng)然，可以使用更多寄存器以使加速度數(shù)據(jù)更加平滑，但響應(yīng)時(shí)間會(huì)變慢。

　　圖4. 數(shù)字濾波器

　　圖5顯示了來(lái)自一名步行者所戴計(jì)步器的最活躍軸的濾波數(shù)據(jù)。對(duì)于跑步者，峰峰值會(huì)更高。

　　圖5. 最活躍軸的濾波數(shù)據(jù)

　　動(dòng)態(tài)閾值和動(dòng)態(tài)精度：系統(tǒng)持續(xù)更新3軸加速度的最大值和最小值，每采樣50次更新一次。平均值（Max + Min）/2稱為“動(dòng)態(tài)閾值”。接下來(lái)的50次采樣利用此閾值判斷個(gè)體是否邁出步伐。由于此閾值每50次采樣更新一次，因此它是動(dòng)態(tài)的。這種選擇具有自適應(yīng)性，并且足夠快。除動(dòng)態(tài)閾值外，還利用動(dòng)態(tài)精度來(lái)執(zhí)行進(jìn)一步濾波，如圖6所示。

　　圖6. 動(dòng)態(tài)閾值和動(dòng)態(tài)精度

　　利用一個(gè)線性移位寄存器和動(dòng)態(tài)閾值判斷個(gè)體是否有效地邁出一步。該線性移位寄存器含有2個(gè)寄存器：sample_new寄存器和sample_old寄存器。這些寄存器中的數(shù)據(jù)分別稱為sample_new和sample_old。當(dāng)新采樣數(shù)據(jù)到來(lái)時(shí)，sample_new無(wú)條件移入sample_old寄存器。然而，sample_result是否移入sample_new寄存器取決于下述條件：如果加速度變化大于預(yù)定義精度，則最新的采樣結(jié)果sample_result移入sample_new寄存器，否則sample_new寄存器保持不變。因此，移位寄存器組可以消除高頻噪聲，從而保證結(jié)果更加精確。

　　步伐邁出的條件定義為：當(dāng)加速度曲線跨過(guò)動(dòng)態(tài)閾值下方時(shí)，加速度曲線的斜率為負(fù)值（sample_new 《 sample_old）。 。

　　峰值檢測(cè)：步伐計(jì)數(shù)器根據(jù)x、y、z三軸中加速度變化最大的一個(gè)軸計(jì)算步數(shù)。如果加速度變化太小，步伐計(jì)數(shù)器將忽略。

　　步伐計(jì)數(shù)器利用此算法可以很好地工作，但有時(shí)顯得太敏感。當(dāng)計(jì)步器因?yàn)椴叫谢蚺懿街獾脑蚨浅Ｑ杆倩蚍浅＞徛卣駝?dòng)時(shí)，步伐計(jì)數(shù)器也會(huì)認(rèn)為它是步伐。為了找到真正的有節(jié)奏的步伐，必須排除這種無(wú)效振動(dòng)。利用“時(shí)間窗口”和“計(jì)數(shù)規(guī)則”可以解決這個(gè)問(wèn)題。

　　“時(shí)間窗口”用于排除無(wú)效振動(dòng)。假設(shè)人們最快的跑步速度為每秒5步，最慢的步行速度為每2秒1步。這樣，兩個(gè)有效步伐的時(shí)間間隔在時(shí)間窗口［0.2 s - 2.0 s］之內(nèi)，時(shí)間間隔超出該時(shí)間窗口的所有步伐都應(yīng)被排除。

　　ADXL345的用戶可選輸出數(shù)據(jù)速率特性有助于實(shí)現(xiàn)時(shí)間窗口。表1列出了TA = 25°C， VS = 2.5 V， and VDD I/O = 1.8 V時(shí)的可配置數(shù)據(jù)速率（以及功耗）。

　　表1. 數(shù)據(jù)速率和功耗

　　此算法使用50 Hz數(shù)據(jù)速率（20 ms）。采用interval的寄存器記錄兩步之間的數(shù)據(jù)更新次數(shù)。如果間隔值在10與100之間，則說(shuō)明兩步之間的時(shí)間在有效窗口之內(nèi)；否則，時(shí)間間隔在時(shí)間窗口之外，步伐無(wú)效。

　　“計(jì)數(shù)規(guī)則” 用于確定步伐是否是一個(gè)節(jié)奏模式的一部分。步伐計(jì)數(shù)器有兩個(gè)工作狀態(tài)：搜索規(guī)則和確認(rèn)規(guī)則。步伐計(jì)數(shù)器以搜索規(guī)則模式開(kāi)始工作。假設(shè)經(jīng)過(guò)四個(gè)連續(xù)有效步伐之后，發(fā)現(xiàn)存在某種規(guī)則（in regulation），那么步伐計(jì)數(shù)器就會(huì)刷新和顯示結(jié)果，并進(jìn)入“確認(rèn)規(guī)則”工作模式。在這種模式下工作時(shí)，每經(jīng)過(guò)一個(gè)有效步伐，步伐計(jì)數(shù)器就會(huì)更新一次。但是，如果發(fā)現(xiàn)哪怕一個(gè)無(wú)效步伐，步伐計(jì)數(shù)器就會(huì)返回搜索規(guī)則模式，重新搜索四個(gè)連續(xù)有效步伐。

　　圖7顯示了步伐參數(shù)的算法流程圖。

　　圖7. 步伐參數(shù)算法流程圖

　　距離參數(shù)

　　根據(jù)上述算法計(jì)算步伐參數(shù)之后，我們可以使用公式1獲得距離參數(shù)。

　　距離 = 步數(shù) × 每步距離 （1）

　　每步距離取決于用戶的速度和身高。如果用戶身材較高或以較快速度跑步，步長(zhǎng)就會(huì)較長(zhǎng)。參考設(shè)計(jì)每2秒更新一次距離、速度和卡路里參數(shù)。因此，我們使用每2秒計(jì)數(shù)到的步數(shù)判斷當(dāng)前跨步長(zhǎng)度。表2顯示了用于判斷當(dāng)前跨步長(zhǎng)度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

　　表2. 跨步長(zhǎng)度與速度（每2秒步數(shù)）和身高的關(guān)系

　　2秒的時(shí)間間隔可以利用采樣數(shù)精確算出。以50 Hz數(shù)據(jù)速率為例，處理器可以每100次采樣發(fā)送一次相應(yīng)的指令。處理器利用一個(gè)名為m_nLastPedometer的變量記錄每個(gè)2秒間隔開(kāi)始時(shí)的步數(shù)，并利用一個(gè)名為m_nPedometerValue的變量記錄每個(gè)2秒間隔結(jié)束時(shí)的步數(shù)。這樣，每2秒步數(shù)等于m_nPedometerValue與m_nLastPedometer之差。

　　雖然數(shù)據(jù)速率為50 Hz，但ADXL345的片內(nèi)FIFO使得處理器無(wú)需每20 ms讀取一次數(shù)據(jù)，極大地減輕了主處理器的負(fù)擔(dān)。該緩沖器支持四種工作模式：旁路、FIFO、流和觸發(fā)。在FIFO模式下，x、y、z軸的測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在FIFO中。當(dāng)FIFO中的采樣數(shù)與FIFO_CTL寄存器采樣數(shù)位規(guī)定的數(shù)量相等時(shí)，水印中斷置1。如前所述，人們的跑步速度最快可達(dá)每秒5步，因此每0.2秒刷新一次結(jié)果即可保證實(shí)時(shí)顯示，從而處理器只需每0.2秒通過(guò)水印中斷喚醒一次并從ADXL345讀取數(shù)據(jù)。FIFO的其它功能也都非常有用。利用觸發(fā)模式，F(xiàn)IFO可以告訴我們中斷之前發(fā)生了什么。由于所述解決方案沒(méi)有使用FIFO的其它功能，因此筆者將不展開(kāi)討論。

　　速度參數(shù)

　　速度 = 距離/時(shí)間，而每2秒步數(shù)和跨步長(zhǎng)度均可根據(jù)上述算法計(jì)算，因此可以使用公式2獲得速度參數(shù)。

　　速度 = 每2秒步數(shù) × 跨步/2 s（2）

　　卡路里參數(shù)

　　我們無(wú)法精確計(jì)算卡路里的消耗速率。決定其消耗速率的一些因素包括體重、健身強(qiáng)度、運(yùn)動(dòng)水平和新陳代謝。不過(guò)，我們可以使用常規(guī)近似法進(jìn)行估計(jì)。表3顯示了卡路里消耗與跑步速度的典型關(guān)系。

　　表3. 卡路里消耗與跑步速度的關(guān)系

　　由表3可以得到公式（3）。

　　卡路里（C/kg/h） = 1.25 × 跑步速度（km/h） （3）

　　以上所用的速度參數(shù)單位為m/s，將km/h轉(zhuǎn)換為m/s可得公式4。

　　卡路里（C/kg/h） = 1.25 × 速度（m/s） × 3600/1000 （4）

　　卡路里參數(shù)隨同距離和速度參數(shù)每2秒更新一次。為了考慮運(yùn)動(dòng)者的體重，我們可以將公式4轉(zhuǎn)換為公式5。體重（kg）為用戶輸入量，一個(gè)小時(shí)等于1800個(gè)2秒間隔。

　　卡路里（C/2 s） = 4.5 × 速度 × 體重/1800（5）

　　如果用戶在步行或跑步之后休息，則步數(shù)和距離將不變化，速度應(yīng)為0，此時(shí)的卡路里消耗可以利用公式6計(jì)算（休息時(shí)的卡路里消耗約為1 C/kg/h）。

　　卡路里（C/2 s） = 1 × 體重/1800 （6）

　　最后，我們可以將所有2秒間隔的卡路里相加，獲得總卡路里消耗量。

　　硬件連接

　　ADXL345易于連接到任何使用I2C®或SPI數(shù)字通信協(xié)議的處理器。圖8給出了演示設(shè)備的原理示意圖，它采用3V電池供電。ADXL345的/CS引腳連接到板上的VS，以選擇I2C模式。利用一個(gè)低成本精密模擬微控制器ADuC7024從ADXL345讀取數(shù)據(jù)，執(zhí)行算法，并通過(guò)UART將結(jié)果發(fā)送至PC。SDA和SCL分別為I2C總線的數(shù)據(jù)和時(shí)鐘引腳，從ADXL345連接到ADuC7024的對(duì)應(yīng)引腳。ADXL345的兩個(gè)中斷引腳連接到ADuC7024的IRQ輸入，以產(chǎn)生各種中斷信號(hào)并喚醒處理器。

　　圖8. 硬件系統(tǒng)的原理示意圖

　　用戶界面

　　用戶界面顯示測(cè)試數(shù)據(jù)，并對(duì)操作員的指令做出響應(yīng)。用戶界面（UI）運(yùn)行之后，串行端口應(yīng)打開(kāi)，通信鏈路應(yīng)啟動(dòng)，隨后演示程序?qū)⒊掷m(xù)運(yùn)行。圖9顯示了用戶佩戴計(jì)步器步行或跑步時(shí)的測(cè)試情況。用戶可以輸入其體重和身高數(shù)據(jù)，距離、速度和卡路里參數(shù)將根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

　　圖9. 用戶佩戴計(jì)步器步行或跑步時(shí)的測(cè)試情況

　　結(jié)論

　　ADXL345是一款出色的加速度計(jì)，非常適合計(jì)步器應(yīng)用。它具有小巧纖薄的特點(diǎn)，采用3 mm × 5 mm × 0.95 mm塑封封裝，利用它開(kāi)發(fā)的計(jì)步器已經(jīng)出現(xiàn)在醫(yī)療儀器和高檔消費(fèi)電子設(shè)備中。它在測(cè)量模式下的功耗僅40 µA，待機(jī)模式下為0.1 µA，堪稱電池供電產(chǎn)品的理想之選。嵌入式FIFO極大地減輕了主處理器的負(fù)荷，使功耗顯著降低。此外，可以利用可選的輸出數(shù)據(jù)速率進(jìn)行定時(shí)，從而取代處理器中的定時(shí)器。13位分辨率可以檢測(cè)非常小的峰峰值變化，為開(kāi)發(fā)高精度計(jì)步器創(chuàng)造了條件。最后，它具有三軸輸出功能，結(jié)合上述算法，用戶可以將計(jì)步器戴在身上幾乎任何部位。

　　幾點(diǎn)建議：如果應(yīng)用對(duì)成本極其敏感，或者模擬輸出加速度計(jì)更適合，建議使用ADXL335，它是一款完整的小尺寸、薄型、低功耗、三軸加速度計(jì)，提供經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理的電壓輸出。如果PCB尺寸至關(guān)重要，建議使用ADXL346，這款低功耗器件的內(nèi)置功能甚至比ADXL345還多，采用小巧纖薄的3 mm × 3 mm × 0.95 mm塑封封裝，電源電壓范圍為1.7 V至2.75 V。