基于加速度傳感器的低功耗沖擊記錄儀的實(shí)現(xiàn)

   引言

　　隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的不斷發(fā)展，產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測(cè)、控制手段已經(jīng)成為保證產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的不可缺少的一環(huán)。許多對(duì)裝配有較高要求的產(chǎn)品，在運(yùn)輸過程中也同樣對(duì)受到的沖擊有極限要求。受到超過極限的沖擊將給產(chǎn)品帶來傷害，為企業(yè)帶來不必要的損失。為監(jiān)測(cè)運(yùn)輸過程，目前通常的做法是隨產(chǎn)品一起安裝沖擊記錄儀。

　　當(dāng)前，國內(nèi)普遍使用的沖擊記錄儀都是機(jī)械式?jīng)_擊記錄儀，其內(nèi)部構(gòu)造像一臺(tái)照相機(jī)，有上下兩個(gè)紙帶卷筒，將記錄紙帶放入上紙筒，紙帶的始端插入下紙筒。在紙帶上方有一個(gè)固定記錄筆的金屬橫梁，橫梁上裝有3只記錄筆，分別記錄X、Y、Z 3條軸線方向的沖擊力。這種機(jī)械式?jīng)_擊記錄儀的缺點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

　　機(jī)械式?jīng)_擊記錄，記錄紙長度有限可記錄的沖擊數(shù)據(jù)也就有限，沒有時(shí)間日期標(biāo)志，只有時(shí)間坐標(biāo)；記錄沖擊范圍只有±5g，達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)較高的單位（如國家電力公司）±10g的要求；為達(dá)到三維檢測(cè)的要求，同時(shí)要安裝三臺(tái)才可以，且安裝及讀取都不便；機(jī)械式?jīng)_擊記錄儀使用壓感式記錄紙，一方面國內(nèi)很少能買到這種紙，另一方面記錄紙?jiān)诔睗竦募竟?jié)或地區(qū)使用時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)卡紙、受潮等現(xiàn)象，從而造成丟失記錄數(shù)據(jù)的嚴(yán)重問題；在運(yùn) 輸時(shí)有時(shí)因運(yùn) 輸方式的不同如海洋運(yùn)輸時(shí)振動(dòng)幅度過大、振動(dòng)次數(shù)過多、同時(shí)還需要經(jīng)歷鐵路、公路不同的運(yùn)輸方式才能到達(dá)安裝現(xiàn)場(chǎng)等因素，經(jīng)常出現(xiàn)記錄紙不夠長，未到目的地而記錄紙已用完，丟失了很多重要數(shù)據(jù)。

　　隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是電子加速度傳感器技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)的迅猛提高，電子智能型沖擊記錄儀應(yīng)運(yùn)而生，為高精密產(chǎn)品的運(yùn)輸提供可靠的保障，給智能貨車技術(shù)的發(fā)展。

　　圖1：沖擊記錄儀的組成框圖

　　沖擊記錄儀的總體設(shè)計(jì)方案

　　本文設(shè)計(jì)的是一種基于電子加速度傳感器的沖擊記錄儀，它的組成原理圖如圖1所示，包括MPS430單片機(jī)及開發(fā)板、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、實(shí)時(shí)鐘單元、看門狗單元、加速度傳感器、信號(hào)放大與濾波單元、A/D轉(zhuǎn)換單元以及PC機(jī)通訊接口、電源接口、液晶顯示屏接口及單片機(jī)ISP（在系統(tǒng)編程）接口等部分。

　　該沖擊記錄儀在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過程中，主要解決以下幾個(gè)主要問題：加速度傳感器的選擇、低功耗芯片的選擇、主板電路的設(shè)計(jì)。

　　加速度傳感器的選擇

　　加速度傳感器是一種能夠測(cè)量加速力的電子設(shè)備，加速力就是當(dāng)物體在加速過程中作用在物體上的力，加速力可以是常量，也可以是變量。加速度傳感器基本的原理就是由于加速度產(chǎn)生某個(gè)介質(zhì)產(chǎn)生變形，通過測(cè)量其變形量并用相關(guān)電路轉(zhuǎn)化成電壓輸出。

　　隨著微電子科技的飛速發(fā)展，低成本、高性能的電子加速度傳感器得以面世。電子加速度傳感器常分為三種：壓電式、容感式、熱感式。壓電式加速度傳感器運(yùn)用的是壓電效應(yīng)，在其內(nèi)部有一個(gè)剛體支撐的質(zhì)量塊，有運(yùn)動(dòng)的情況下質(zhì)量塊會(huì)產(chǎn)生壓力，剛體產(chǎn)生應(yīng)變，把加速度轉(zhuǎn)變成電信號(hào)輸出。容感式加速度傳感器內(nèi)部也存在一個(gè)質(zhì)量塊，從單個(gè)單元來看，它是標(biāo)準(zhǔn)的平板電容器，加速度的變化帶動(dòng)活動(dòng)質(zhì)量塊的移動(dòng)從而改變平板電容兩極的間距和正對(duì)面積，通過測(cè)量電容變化量來計(jì)算加速度。而熱感式加速度傳感器內(nèi)部沒有任何質(zhì)量塊，它的中央有一個(gè)加熱體，周邊是溫度傳感器，里面是密閉的氣腔，工作時(shí)在加熱體的作用下，氣體在內(nèi)部形成一個(gè)熱氣團(tuán)，熱氣團(tuán)的比重和周圍的冷氣是有差異的，通過慣性熱氣團(tuán)的移動(dòng)形成的熱場(chǎng)變化讓感應(yīng)器感應(yīng)到加速度值。由于壓電式加速度傳感器內(nèi)部有剛體支撐的存在，通常情況下，壓電式加速度傳感器只能感應(yīng)到“動(dòng)”加速度，而不能感應(yīng)到“靜態(tài)”加速度，也就是我們所說的重力加速度。而容感式和熱感式既能感應(yīng)“動(dòng)”加速度，又能感應(yīng)“靜態(tài)”加速度。

　　由于沒有任何移動(dòng)部件，而且采用了微機(jī)械加工技術(shù)，熱感式加速度傳感器的研發(fā)過程中解決了很多加工上的難題。生產(chǎn)成本低，抗沖擊能力強(qiáng)，而且可靠性好，失效率低于10ppm。

　　熱感式加速度傳感器體積小，低功耗，工作電流應(yīng)在2mA以下，主芯片接口具備標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字接口模式?？梢蕴峁﹥蓚€(gè)方向的加速度值，采用兩片即可實(shí)現(xiàn)三維加速度值測(cè)量。經(jīng)過全面比較，本項(xiàng)目確定采用熱感式加速度傳感器，作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

　　低功耗芯片的選擇

　　機(jī)械式?jīng)_擊記錄儀特有的優(yōu)勢(shì)在于不發(fā)生沖擊時(shí)就不工作，每振動(dòng)一次， 才工作一次。而便攜式?jīng)_擊記錄儀使用電池供電，不管是否發(fā)生沖擊，都在時(shí)刻工作，因此電子元件的功耗就成為影響電子沖擊記錄儀的工作時(shí)間的主要問題。

　　單片機(jī)作為電路的核心部分，對(duì)整機(jī)性能有重要的影響。經(jīng)過比較研究，美國TI公司MSP430，一種采用了最新低功耗技術(shù)新型的單片機(jī)，被認(rèn)為適合沖擊記錄儀的工作使用。MSP430工作在1.8～3.6V電壓下，有正常工作模式（AM）和4種低功耗工作模式（LPM1、LPM2、LPM3、LPM4），在電源電壓為3V時(shí)，各種模式的工作電流分別為 AM：340uA、LPM1：70uA、LPM2：17uA、LPM3：2uA、LPM4：0.1uA。單片機(jī)可以方便的在各種工作模式之間切換，特別適合在電池供電、便攜式設(shè)備中的應(yīng)用。MSP430也具有非常高的集成度，單片集成了多通道12bit的A/D轉(zhuǎn)換、片內(nèi)精密比較器、多個(gè)具有PWM功能的定時(shí)器、斜邊A/D轉(zhuǎn)換、片內(nèi)USART、看門狗定時(shí)器、片內(nèi)數(shù)控振蕩器（DCO）、大量的I/O端口。MSP430有大容量的片內(nèi)存儲(chǔ)器，有ROM（C型）、OTP（P型）、EPROM（E型）、Flash Memory(F型)4種型號(hào)。 

    外圍器件與電路有各種存儲(chǔ)器全部采用功耗極低的VMOS芯片以實(shí)現(xiàn)整機(jī)極低功耗的目標(biāo)。
　　
   主板電路的設(shè)計(jì)

    ■ 用雙CPU設(shè)計(jì)，可大大減少硬件電路，減少繁瑣的譯碼、邏輯變換，使得系統(tǒng)硬件數(shù)量減少，同時(shí)軟件資源分配及設(shè)計(jì)均相對(duì)獨(dú)立，易于修改程序；
　　■ 隨機(jī)液晶顯示屏、隨機(jī)輕觸式按鍵；
　　■ 采樣頻率高于每秒十萬次不間斷采樣，不會(huì)漏過任何一次振動(dòng)

；
　■ 數(shù)據(jù)永久性儲(chǔ)存功能；即使掉電或斷電，記錄儀儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失；
　■ 記錄儀的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及顯示的數(shù)據(jù)按大到小順序排列功能，數(shù)據(jù)讀取非常方便；
　■ 可連接GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)、沖擊數(shù)據(jù)和沖擊地點(diǎn)位置、時(shí)間可同時(shí)顯示。

　　整機(jī)的低功耗控制技術(shù)

　　有了主要的低功耗芯片，整機(jī)的低功耗控制技術(shù)的采用在設(shè)計(jì)中也是非常重要的環(huán)節(jié)。功耗的控制在這里要通過軟件來實(shí)現(xiàn)，

　　盡量采用待機(jī)運(yùn)行方式

　　單片機(jī)MSP430 有4種低功耗工作模式，節(jié)電效果顯著。單片機(jī)在不需要工作時(shí)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)或掉電狀態(tài)，需要工作時(shí)再喚醒。在儀器檢測(cè)到較長時(shí)間的靜止情況后，系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。開始運(yùn)動(dòng)后，傳感器有輸出，傳感器輸出信號(hào)前端電路變換來喚醒單片機(jī)工作。通過這種管理方式，大大地節(jié)約了在不需要工作時(shí)的功耗。有效地延長了整機(jī)一次充電的持續(xù)工作時(shí)間。

　　有效控制外圍器件與電路的功耗

　　對(duì)外圍器件與電路的功耗采取管理措施，使其在不工作時(shí)進(jìn)入維持狀態(tài)或停止供電，以降低功耗。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，存儲(chǔ)器的功耗是比較大的，待機(jī)時(shí)將存儲(chǔ)器狀態(tài)設(shè)置為維持狀態(tài)使功耗顯著下降。

　　選用運(yùn)算速度快的算法

　　針對(duì)本項(xiàng)目要處理的數(shù)據(jù)等具體問題，合理選用運(yùn)算速度快、精度高的新算法，能減少CPU運(yùn)行時(shí)間。

　　盡量用定時(shí)中斷替代軟件延時(shí)

　　在間斷測(cè)量的情況下，應(yīng)采用外部中斷或內(nèi)部定時(shí)/計(jì)數(shù)中斷，不要采用軟件延時(shí)，以減少CPU運(yùn)行時(shí)間。單片機(jī)的外部中斷源不夠用時(shí)，可方便地?cái)U(kuò)充。

　　盡量用靜態(tài)顯示替代動(dòng)態(tài)顯示

　　選用具有數(shù)據(jù)鎖存、譯碼、驅(qū)動(dòng)和顯示功能的LCD顯示組件，只要組件不掉電，數(shù)據(jù)一直保留，內(nèi)容一直顯示，直到單片機(jī)對(duì)其刷新。

　　縮短通信時(shí)間

　　用RS-232通信接口通信時(shí)，若通信的數(shù)據(jù)量較大，應(yīng)提高傳輸?shù)牟ㄌ芈?，縮短通信時(shí)間?？刹捎酶咝实木幋a方式，如BCD碼的編碼與ASCII碼相比，效率提高一倍。發(fā)送和接收時(shí)不要循環(huán)等待，而應(yīng)采用串行中斷。

　　硬件軟化

　　傳統(tǒng)的硬件濾波電路（如有源濾波器）本身耗電可觀，且不需要其工作時(shí)難以控制其不耗電，故功耗相對(duì)較大。改用軟件濾波可克服功耗大的缺點(diǎn)。

　　降低時(shí)鐘頻率

　　在滿足運(yùn)算速度要求的前提下，盡量降低時(shí)鐘頻率，可達(dá)到降低功耗的目的。降低時(shí)鐘頻率而不犧牲運(yùn)算速度是目前單片機(jī)技術(shù)發(fā)展的特點(diǎn)之一。

　　降低供電電壓

　　當(dāng)外圍器件與電路的工作電壓不能低至單片機(jī)工作電壓的下限或各部分電路的工作電壓下限不盡相同時(shí)，不能象單片機(jī)那樣由電池直接供電，可通過DC-DC變換器供電。DC-DC變換器芯片種類較多，大致可分為升壓型、降壓型和極性反轉(zhuǎn)型，供電方式靈活，轉(zhuǎn)換效率高（很多芯片達(dá)90%以上），體積小巧，使用方便。

　　抗干擾措施

　　在記錄儀工作的環(huán)境中有各種各樣的干擾，可能會(huì)影響到工作可靠性和精度。必須采用抗干擾措施來保證記錄儀的穩(wěn)定工作。本文設(shè)計(jì)的沖擊記錄儀整機(jī)采用屏蔽網(wǎng)有效地保證記錄儀工作時(shí)不受外界電磁信號(hào)的干擾。GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)不在其中。

　　結(jié)論

　　傳統(tǒng)的沖擊記錄儀無論精度，使用的方便程度都受到其結(jié)構(gòu)的限制，很難實(shí)現(xiàn)多功能。全電子智能化是其發(fā)展方向。本文所設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的沖擊記錄儀是在此方向上的一個(gè)探索，相信隨著電子加速度傳感器的不斷進(jìn)步和芯片技術(shù)的飛速發(fā)展，沖擊記錄儀也會(huì)不斷豐富和擴(kuò)充功能，為智能化運(yùn)輸和需要對(duì)振動(dòng)進(jìn)行控制的領(lǐng)域提供更可靠的保障。