基于MEMS加速度计的记录仪.docx

基于MEMS加速度计的记录仪.docx

《基于MEMS加速度计的记录仪.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于MEMS加速度计的记录仪.docx（40页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于MEMS加速度计的记录仪

基于MEMS加速度计的记录仪

摘要

加速度记录仪以Freescale高集成度三轴加速度传感器MMA8453Q为传感器，以TI公司低功耗处理MSP430F1611为控制核心，以Flash存储器K9F1G为存储设备。

本系统实现了对三维加速度信号的动态采集，并将加速度信号以文件的形式存储在存储卡中,便于上位机的读取和进一步分析。

本文阐述的内容有以下几个方面:

1）分析了加速度的测试环境，介绍了MEMS加速度计的记录仪的功能要求和性能指标，对系统进行总体设计。

2）在总体方案的基础上对加速度传感器、控制器、存储器进行选型。

3）对系统硬件电路进行设计，包括信号的采集与存储以及异步串行通信接口等几个部分的设计与实现。

4）硬件电路设计与制作好后，需要对其进行编程，以控制主控器对数据的采集和存储的操作。

关键词：

MEMS加速度计，MSP430微处理器，Flash，异步串行通信

RecorderBasedonMEMSaccelerometer

Abstract

AccelerationrecorderbyFreescaleHighlyintegratedofthree-axisaccelerationsensorMMA8453Qsensor，withlowpowerconsumptionTIcompanyMSP430F1611asthecontrolcore,withFlashmemoryK9F1Gforstoragedevices.Thissystemrealizesthe3Daccelerationdynamicsignalacquisition,andtheaccelerationsignalintheformoffilesstoredinthememorycard,easytoreadandfurtheranalysisofPC.

Thispaperdescribesthecontentsofthefollowingaspects:

1）Analysisoftheaccelerationtestenvironment,anddescribesthefunctionalrequirementsandperformanceindicatorsoftheMEMSaccelerometerlogger,theoveralldesignofthesystem.

2）Accelerationsensors,controllers,memoryselectiononthebasisoftheoverallprogram.

3）Systemhardwarecircuitdesign,includingthedesignandimplementationoftheseveralpartsofthesignalacquisitionandstorageaswellasasynchronousserialcommunicationinterface.

4）Hardwarecircuitdesignandproductionneedtobeprogrammedtocontroltheoperationofthemasterdatacollectionandstorage.

Keywords:

MEMSaccelerationsensor,MSP430microprocessor,Flash,asynchronousserialcommunication

目录

1绪论1

1.1本课题的来源、目的及意义1

1.2加速度计及加速度记录仪的国内外发展状况2

1.2.1MEMS加速度计的原理及应用2

1.2.2加速度记录仪国内外发展状况2

1.3本课题完成的工作及研究内容4

2基于MEMS加速度计的记录仪的总体设计方案5

2.1系统总体结构设计5

2.2系统芯片原理介绍5

3系统硬件设计与实现17

3.1硬件总体结构设计17

3.2加速度信号的采集17

3.2.1I2C总线介绍18

3.3电源管理模块19

3.4复位电路20

3.5外围晶振选择21

3.6存储模块22

3.7异步串行通信模块的设计22

3.7.1异步串行通信介绍22

3.7.2通信接口电路23

3.8电路图24

4系统软件设计与调试问题分析25

4.1应用开发软件概述25

4.2软件设计25

4.3单片机的程序设计26

5总结37

附录A加速度记录仪原理图38

附录B加速度记录仪PCB图39

参考文献40

致谢41

1绪论

1.1本课题的来源、目的及意义

随着工业自动化水平的不断发展，产品质量监测、控制手段已经成为保证产品质量标准不可缺少的环节。

许多对装配有较高要求的产品，在运输过程中也同样对受到的冲击有极限要求。

受到超过极限的冲击将给产品带来伤害，给人们带来不必要的损失。

为了监测运输过程，目前通常的做法是随产品一起安装冲击记录仪[1]。

MEMS技术的迅速发展，特别是MEMS加速度计和单片机技术的迅猛提高，电子智能型冲击记录仪也应运而生。

MEMS加速度计是一种十分重要的力学敏感传感器，其研究与开发始于80年代初，是继微压力传感器之后第二个进入市场的微机械传感器。

微加速度传感器可通过其加工技术、控制系统类型、敏感机理来分类[2]。

压阻式微加速度传感器是通过可动质量块感应加速度，将输入转换为弹性结构的形变，从而引起制作在弹性结构上的压敏电阻阻值的变化，再通过外界电路将电阻的变化转换为电压或电流的变化[3]。

电容式微机械加速度传感器是通过可动质量块感应加速度，利用平行板电容将质量块的相对位移转换为电容的变化，再通过检测电路将电容的微小变化转换为与其成正比的电压的变化[3]。

热对流式微加速度传感器是利用敏感体内气流的加速运动来检测加速度，通过一定的方法将加速度转换为检测电路的输出电压，不需要检测质量块，有很强的抗冲击能力，结构紧凑，加工方便，精度高（达到0.6mg），对小加速度敏感性很高[4]。

隧道式微加速度传感器利用电子势垒隧道效应，把输入的加速度转换为质量块的相对位移，再通过隧道效应将位移量转换为隧道电流的变化，最后用检测电路测出这个电流变化量而获得相应的加速度的大小[3]。

谐振式加速度传感器是通过检测谐振元件固有频率的变化获得加速度。

其独特优点在于：

（1）输出的是谐振频率信号，可与数字电路及计算机直接接口，省去A/D转化，处理电路；

（2）频率信号有很高的抗干扰能力和稳定性，且在传输过程中不易产生失真误差，功耗低；（3）灵敏度高，精度高，稳定性和可靠性好。

所以谐振式加速度传感器已经成为微加速度传感器发展的新趋势[5]。

1.2加速度计及加速度记录仪的国内外发展状况

1.2.1MEMS加速度计的原理及应用

1）MEMS加速度计

MEMS（MicroElectroMechanicalSystem）是一项有着广泛应用前景的应用基础技术。

利用MEMS技术可以使电子设备中元器件实现微型化、低功耗以及便携性等技术要求。

MEMS利用表层蚀刻技术,可实现宏观意义上的机械三维结构，使元器件生产小型化成为可能。

MEMS器件主要以硅晶体为加工材料，可以类似半导体器件的生产方法，以相对较低成本批量生产。

MEMS器件在当今汽车应用电子（如防撞安全气囊感应和发动机各种压力传感器）以及计算机外设（如喷墨打印机的喷墨头、计算机硬盘驱动器磁头）等方面得到广泛应用[6]。

MEMS（MicroElectroMechanicalSystems）加速度计就是使用MEMS技术制造的加速度计。

由于采用了微机电系统技术，使得其尺寸大小缩小，一个MEMS加速度计只有指甲盖的几分之一大小。

MEMS加速度计具有体积小、重量轻、能耗低等优点。

2）MEMS加速度计的应用

通过测量由于重力引起的加速度，可以计算出设备相对于水平面的倾斜角度。

通过分析动态加速度，可以分析出设备移动的方式。

目前最新IBMThinkpad手提电脑里就内置了MEMS加速度计，能够动态的监测出笔记本在使用中的振动，并根据这些振动数据，系统会智能的选择关闭硬盘还是让其继续运行，这样可以最大程度的保护由于振动，比如颠簸的工作环境，或者不小心摔了电脑所造成的硬盘损害，最大程度的保护里面的数据。

目前先进的移动硬盘上也使用了这项技术。

另外一个用处就是目前的数码相机和摄像机里，用MEMS加速度计来检测拍摄时候手部的振动，并根据这些振动，自动调节相机的聚集。

MEMS加速度计还可以用来分析发动机的振动。

汽车防撞气囊的启动也可以由MEMS加速度计控制。

由此可见，MEMS加速度计可以在生活中发挥重要作用。

归纳其应用主要有以下几个方面：

振动检测、姿态控制、安防报警、消费应用、动作识别、状态记录等。

1.2.2加速度记录仪国内外发展状况

80年代以来，随着电子技术和计算机技术的飞速发展，以CPU为核心的新型控制仪表被越来越广泛地应用于化工、炼油、冶金、制药、造纸、建材等行业，但与之配套的记录仪仍停留在传统的机械式，它有纸、有笔、有墨承、有大量的机械传动，具有日常维护工作量大，运行费用高，可靠性差，应用不够灵活，历史信息再处理再利用难度大等缺点与现代化控制手段相当不协调。

进入90年代以后，我国成功研制开发生产出了全智能无纸记录仪，它以微处理器（CPU）为核心，以大容量存储芯片（SRAM）为存储载体，采用液晶屏（LCD）为显示界面，具有实时单通道、棒圈、实时趋势、单通道实时趋势、历史趋势等信息丰富的显示画面，以及时间与通道页面与记录间隔，各通道信息、通信信息等灵活方便的组态功能，同时还配备了同微机通讯的标准通讯接口及中文WINDOWS界面上的上位机管理软件，彻底解决了机械式记录仪在使用中存在的问题[7]。

在无纸记录仪不断地走向市场过程中，根据用户的需求，又增加了许多新的功能：

流量累计、流量温压补偿、PID控制、撮普触点任意组态、工程单位显示、通讯地址组态、配电、显示画面组态、峰值保持功能以及报警追忆显示画面和通道数据显示画面。

在1992年前后，国外不少公司推出了无纸记录仪，其中较有代表性的有德国哈特曼劳恩公司（H＆B）的DatavisA无纸记录仪和英国Panny＆GilesTeletrend公司的无纸记录仪。

Teletrend公司的无纸记录仪，具有l44×144mm标准尺寸，带有与PC完全兼容的3.5英寸磁盘驱动器，便于把表内数据通过磁盘转存或保存，它能存储一天至640天的工作数据（与记录间隔有关），具有四个通道棒状图、数字显示和中程趋势曲线显示功能，通过软件组态选择记录仪的工作方式。

它的最大特点是采用彩色示波管作为显示器，因而具有彩色显示功能[8]。

H＆B公司DatavisA无纸记录仪，采用72×144mm小型机壳，用分辨率为92×200的单色液晶图形屏作为显示器，允许四个通遭标准信号输入，也具有棒状图显示、数字显示和历史趋势显示三大功能。

在德文、英文或法文提示下，完成组态及正常操作，具有标准的通信接口[9]。

智能记录仪作为微处理机技术、超大容量存贮器和图形液晶显示技术相结合的新一代记录仪．它具有非常明显的特点：

可靠性高，无需日常维护，功能多样性，性能价格比高。

智能记录仪具有众多优点，已经引起广大用户极大注意，可以预测，在不久的将来，它将被广大用户所接受[10]。

1.3本课题完成的工作及研究内容

以Freescale高集成度三轴加速度传感器MMA8453Q为传感器，以TI公司低功耗处理MSP430F1611为控制核心，以Flash型存储器K9F1G为大容量存储设备的低功耗加速度信号记录仪的软硬件设计方案，实现了对三维加速度信号的动态采集，并将加速度信号以文件的形式存储在存储卡中,便于上位机的读取和进一步分析。

本文阐述的内容有以下几个方面:

1）分析了加速度的测试环境，介绍了MEMS加速度计的记录仪的功能要求和性能指标，对系统进行总体设计。

2）在总体方案的基础上对加速度传感器、控制器、存储器进行选型。

3）对系统硬件电路进行设计，包括信号的采集与存储以及异步串行通信接口等几个部分的设计与实现。

4）硬件电路设计与制作好后，需要对其进行编程，以控制主控器对数据的采集和存储的操作。

2基于MEMS加速度计的记录仪的总体设计方案

完整的测试系统是将信息采集、存储以及信息读取等功能完整的结合在一起的有机整体。

设计一个完整的系统，首先要有总体的设计思路，要明确被测对象的特点，然后再根据测试对象的具体功能要求，设计系统实现的总体方案，其中包括总体结构设计与测试方案设计。

2.1系统总体结构设计

图2.1为基于MEMS加速度计的记录仪的总体结构框图，系统依照功能可以分为加速度传感器、数据采集模块、数据处理与存储模块、通讯模块以及电源管理模块等部分。

图2.1记录仪总体结构框图

2.2系统芯片原理介绍

1）传感器

加速度传感器是一种非常重要的检测器件。

在传统的检测系统中，加速度传感器功能单一，输出信号需要进行放大、滤波等处理，因此对模拟电路设计有极高的要求。

随着近年来大规模集成电路技术的发展，加速度传感器也逐渐向集成化、低功耗的方向发展[11]。

本系统采用MMA8453Q三轴电容式MEMS加速度传感器。

其特点[12]如下。

·供电电压范围：

1.95V～3.6V

·接口电压范围：

1.6V～3.6V

·可供选择的动态量程：

±2g/±4g/±8g

·数据输出率：

1.56Hz到800Hz

·99μg/√Hz噪声

·10位和8位数字输出

·最高分辨率：

10位有效数字<0.25°分辨率

·I2C数字输出接口（4.7kΩ上拉至2.25MHz）

·2个可编程中断引脚，六个中断源

·内置3通道运动检测功能

–自由落体或运动检测：

1通道

–脉冲检测：

1通道

–震动检测：

1通道

·内置带有滞回补偿的方向（纵向或横向）检测功能

·自动唤醒，自动睡眠能自动切换数据输出率，以实现低功耗

·自检功能

·符合RoHs标准

·电流消耗：

6μA～165μA

·工作温度范围：

-40℃～+85℃

其功能有：

·8位或10位数据

·基于应用的四个不同的过采样决议和电流消耗之间的妥协选项要求

·额外的低噪音模式，独立运作的更高分辨率的过采样模式

·低功耗和自动唤醒/睡眠保护电流消耗

·单/双向冲击定向信息1通道

·运动检测与定向信息或自由落体1通道

·瞬态/震动检测基于高通滤波器和可设置阈值的检测加速度变化，上述阈值定向信息1通道

·纵向/横向检测触发点固定在30°和60°为平滑过渡的方向

其引脚分布如图2.2所示。

图2.2MMA8453Q引脚图

其原理框图如图2.3所示。

图2.3MMA8453Q原理框图

其功耗情况如表2.1所示。

表2.1各模式功耗

2）主控器

单片机作为电路的核心部分，对整机性能有重要影响。

经过比较，美国TI公司的MSP430，一种采用了最新低功耗技术的单片机，集成了丰富的外围模块[15]，包括：

看门狗（WDT）、定时器A（Timer-A）、定时器B（Timer-B）、比较器、串口0、1（USART0、1）、硬件乘法器、液晶驱动器、8路10／12／14位ADC、端口、基本定时器（BasicTimer），适合冲击记录仪的工作使用。

此处选用MSP430系列的MSP430F1611，其主要性能参数如下[13，14]。

它是混合信号微控制器，它具有低电压、超低功率、处理能力强大、系统工作稳定、片内外设丰富、方便开发等优点，并具有高性价比，采用64引脚四方扁平封装（QFP），两个内置的16位定时器，一个快速12位A/D转换器，双12位D/A转换器，一个或两个通用串行同步/异步通信接口（USART），I2C，DMA和48个I/O引脚。

其特点如下。

·低供电电压范围：

1.8V～3.6V

·超低功耗：

 –活动模式：

1MHz，2.2V时为280μA

 –等待模式：

1.6μA

 –关闭模式（RAM保持）：

0.1μA

·五种省电模式

·6μs内从等待状态唤醒

·16位精简指令结构，125ns指令时间周期

·三个内部DMA通道

·具有内部参考电平、采样保持和自动扫描特性的12位A/D转换器

·同步的双12位D/A转换器

·带有三个捕捉/比较寄存器的16位定时器A

·带有三个或七个捕捉/比较影子寄存器的16位定时器B

·片内集成比较器

·串行通讯接口（USART1），具有异步UART或者同步SPI接口的功能

·串行通讯接口（USART0），具有异步UART或者同步SPI或者I2C接口

·具有可编程电平检测的供电电压管理器/监视器

·欠电压检测器

·串行在线编程，无需外部编程电压，可编程的安全熔丝代码保护

·BootstrapLoader

其方框图如图2.4所示。

图2.4MSP430FX161X方框图

3）存储模块

存储测试技术是从七十年代开始的一种新的弹上参数的测试方法。

它是在对被测对象无影响或影响在允许范围的条件下，在被测体内置入微型数据采集与存储测试仪，现场实时完成信息的快速采集与记忆，事后回收记录仪，由计算机处理和再现测试信息的一种动态测试技术[15]。

Flash闪存是非易失存储器，可以对称为块的存储器单元块进行擦写和再编程。

任何Flash器件的写入操作只能在空或已擦除的单元内进行，所以大多数情况下，在进行写入操作之前必须先执行擦除。

NAND器件执行擦除操作是十分简单的，而NOR则要求在进行擦除前先要将目标块内所有的位都写为0。

由于擦除NOR器件时是以64～128KB的块进行的，执行一个写入/擦除操作的时间为5s，与此相反，擦除NAND器件是以8～32KB的块进行的，执行相同的操作最多只需要4ms。

执行擦除时块尺寸的不同进一步拉大了NOR和NADN之间的性能差距，统计表明，对于给定的一套写入操作（尤其是更新小文件时），更多的擦除操作必须在基于NOR的单元中进行。

这样，当选择存储解决方案时，设计师必须权衡以下的各项因素。

·NOR的读速度比NAND稍快一些。

·NAND的写入速度比NOR快很多。

·NOR的读速度比NAND稍快一些。

·NAND的4ms擦除速度远比NOR的5s快。

·大多数写入操作需要先进行擦除操作。

·NAND的擦除单元更小，相应的擦除电路更少。

由于记录仪所用存储的数据量较大，所以要外接存储器件作为数据存储用，本系统选用K9F1G08，它是128M×8位/256M×8位快闪记忆体。

其特点[16]如下。

·电压

–1.8V装置（K9F1G08R0A）：

1.65V～1.95V

–3.3V装置（K9F1G08U0A）：

2.7V～3.6V

·组织

–记忆细胞阵列：

（128M+4096K）位×8位

–数据寄存器：

（2K+64）位×8位

–缓存寄存器：

（2K+64）位×8位

·自动编程和擦除

–页的程序：

（2K+64）字节

–块擦除：

（128K+4K）字节

·页面读取操作

–页的大小：

2K-Byte

–随机阅读：

25μs（最大）

–串行存取：

30ns（最小）-3.3V装置

50ns（最小）-1.8V装置

·快速写周期时间

–编程时间：

200μs（典型值）

–块擦除时间：

2ms（典型值）

·命令/地址/数据多路输入/输出端口

·硬件数据保护

–编程/擦除锁定在电源转换

·可靠的MOS栅技术

–耐力：

100K的编程/擦除周期

–数据保留：

10年

·命令寄存器操作

·高性能程序的缓存程序操作

·智能拷回操作

·独特的著作权保护

其引脚图如图2.5所示。

图2.5K9F1G08引脚图

其功能框图如图2.6所示。

图2.6K9F1G08功能框图

4）通讯模块

此系统与计算机的通信采用串口异步通信，RS232协议的转换电平。

本系统采用MAX3232芯片实现单片机与计算机接口的转换。

图2.7为异步串口的时序图。

图2.7异步串口的时序图

图2.8是MSP430系列芯片硬件串口框图。

图2.8MSP430系列芯片硬件串口框图

在该框图中，串口通讯由三部分组成：

通讯速度的控制（数据位流的产生）、接收控制部分、发送控制部分。

波特率生成部分由时钟输入选择与分频、波特率发生器、调整器、波特率寄存器等组成。

串行通信时，接收与发送以什么样的速率将数据位收进或送出，这个速率由波特率生成构件控制。

图2.9为其较为详细的结构。

图2.9MSP430系列芯片硬件串口详细框图

整个模块的时钟源来自内部的3时钟或外部输入时钟，由SSEL1、SSEL0选择，以决定最终进入模块的时钟信号BRCLK的分频。

时钟信号BRCLK送入一个15位的分频器，通过一系列的硬件控制，最终输出移出与移进，两移位寄存器使用的移位位时钟BITCLK信号，BITCLK信号的产生如图所示，是分频器的作用。

当计数器减计数到“0”时，输出触发器翻转，送给BITCLK信号。

所以BITCLK信号周期的一半就是定时器（分频计数器）的定时时间。

接收控制部分与发送控制部分分别由两个移位寄存器构成。

接收时，当接收到一个完整的数据，产生一个信号（URXIFG0=1），表示接收到完整数据，可以将此数据取走。

而在发送时，当一个数据正在发送过程中，UTXIFG0=1，此时，不能再发送数据，必须等当前数据发送完毕（UTXIFG0=0）时，方可继续发送。

串口接收一般采用中断方式，而发送数据则多采用主动方式。

MAX3232采用专有低压差发送器输出级[17]，利用双电荷泵在3.0V至5.5V电源供电时能够实现真正的RS-232性能，器件仅需四个0.1μF的外部小尺寸电荷泵电容。

MAX3232确保在120kbps数据速率，同时保持RS-232输出电平。

MAX3232具有二路接收器和二路驱动器，提供1μA关断模式，有效降低功效并延迟便携式产品的电池使用寿命。

关断模式下，接收器保持有效状态，对外部设备进行监测，仅消耗1μA电源电流，MAX3232的引脚、封装和功能分别与工业标准MAX242和MAX232兼容。

即使工作在高数据速率下，MAX3232仍然能保持RS-232标准要求的正负5.0V最小发送器输出电压。

只要输入电压在3.0V至5.5V范围以内，即可提供+5.5V（倍压电荷泵）和-5.5V（反相电荷泵）输出电压，电荷泵工作在非连续模式，一旦输出电压低于5.5V，将开启电荷泵；输出电压超过5.5V，即可关闭电荷泵，每个电荷泵需要一个飞容器和一个储能电容，产生V+和V-的电压。

MAX3232在最差工作条件下能够保证120kbps的数据速率。

通常情况下，能够工作于235kbps数据速率，发送器可并联驱动多个接收器和鼠标。

其引脚图如图2.10所示。

图2.10MAX3232引脚图

5）电源管理模块

此系统选用LP2985对系统进行电源管理。

LP2985具有的功能，使得稳压器为各种便携式应用的理想选择。

其特点[18]如下。

·输出量：

-1％（一级）

-1.5％（标准级）

·电压范围宽：

最大能到16V。

·过流和热保护。

·低压差：

一个PNP合格元件允许负载电流为150mA