ADIS16228加速度传感器手册.docx

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ADIS16228加速度传感器手册

亚德诺半导体

——数字三轴振动传感器ADIS16228

产品特性

频域三轴振动传感器

高达5kHz的平坦频率响应

数字加速度数据，±18g测量范围

数字测量范围设置：

0至1g/10g/10g/20g

实时采样模式：

20.48kSPS采样率，单轴

采集样本模式：

20.48kSPS采样率，三个轴

触发模式：

SPI，定时器，外部中断

可编程抽取滤波器，11种速率设置

对于选定的过滤器可设置多记录捕获

手动捕获模式时域数据采集

FFT，512点，实值，所有三个轴（X，Y，Z）

3个窗函数选项：

矩形，汉宁，平顶

可编程FFT平均：

高达255的平均次数

贮存：

可存储所有三个轴14个FFT记录（X，Y，Z）

可编程报警，6个谱带

可定义2级的警告和故障设置

可调节的响应延迟，以减少误报

内部自检与状态标志

数字式温度和电源电压测量

2个辅助数字I/O

SPI兼容串行接口

识别寄存器：

序列号，设备ID，用户ID

单电源供电：

3.0V至3.6V

工作温度范围：

-40°C至+125°C

15毫米×24毫米×15mm铝封装，柔性接头

应用

振动分析

状态监测

机器运行状况

仪器仪表，诊断

安全切断传感

概述

ADIS16228是一个完整的振动监测测系统，集三轴加速度传感器和先进的时域、频域信号处理算法于一体。

时域的信号处理包括可编程抽取滤波器和可选的窗函数。

频域处理包括每个轴512点，实值的FFT变化，采用FFT平均，降低噪声本底变化，从而提高分辨率。

根据存储系统中的14个FFT记录，用户可以追踪随时间发生的变化，并利用多个抽取滤波器设置捕获FFT。

20.48kSPS的采样速率和5kHz的平坦频段提供的频率响应适合许多机械设备的健康应用。

铝芯提供优异的机械耦合到MEMS加速度传感器。

一个内部时钟驱动系统所有的数据采样和信号处理操作，消除了对外部时钟源的依赖。

数据捕获功能具有三种模式，提供多种选择，以满足不同应用的需要。

此外，实时模式下提供了直接访问的一轴流数据。

利用SPI和数据缓冲结构可以方便地访问数据输出。

ADIS16228还提供数字温度传感器和数字电源测量。

ADIS16228上有凸缘，螺丝孔（M2或2-56），和一个柔性连接器。

简单的用户安装界面和15毫米的×24毫米×15毫米模块。

它具有-40°C至+125°C扩展级工作温度范围。

图1

技术规格

表1。

除非另有说明，TA=−40°C至+85°C，VDD=3.3V。

参数

测试条件/注释

最小值典型值最大值

单位

加速度计

测量范围

灵敏度，FFT

灵敏度，时域

灵敏度误差

非线性度

跨轴灵敏度

对齐误差

失调误差

失调温度系数

输出噪声

输出噪声密度

带宽

传感器谐振频率

TA=25℃

TA=25℃，0g至20g范围设置

TA=25℃

相对于满量程

相对于封装安装孔

TA=25℃

TA=25℃，20.48kHz采样速率，时域

TA=25℃，10Hz至1kHz

±5%平坦度，CAL_ENABLE[4]=0,见图17

±5%平坦度，CAL_ENABLE[4]=1,见图18

±18

0.3052

0.6104

±6

±0.2±1.25

2.6

1.5

±1

0.248

840

5000

5.5

mg/LSB

Degrees

mg/℃

mg/ms

mg/Hz

kHz

逻辑输入

输入高电压VINH

输入低电压VINL

逻辑1输入电流，IINH

逻辑0输入电流，IINL

除过RST

RST

输入电容CIN

VIH=3.3V

VIL=0V

2.0

0.8

±0.2±1

-40-60

-1

数字输出

输出高电压VOH

输出低电压VOL

Isource=1.6mA

Isink=.61mA

2.4

0.4

闪存

耐久性

数据保持期限

Tj=85℃，见图25

10,000

Cycles

Years

启动时间

初始启动时间

复位启动时间

休眠模式恢复时间

RST低电平或者GLOB_CMD[7]=1

202

2.3

采样速率

时钟精度

REC_CTRL1[11:

8]=0x1（SR0samplerateselection）

20.48

kSPS

供电

电压

工作电压范围，VDD

记录模式，TA=25℃

睡眠模式，TA=25℃

3.03.33.6

4048

230

时序规格

表2。

除非另有说明，TA=25°C，VDD=3.3V。

参见图3和图4。

参数

说明

最小值典型值最大值

单位

fSCLK

tSTALL

tCS

tDAV

tDSU

tDHD

tSR

tSF

tDF,tDR

tSFS

SCLK频率

数据加载时间，在第16和第17个SCLK之间

CS至SCLK边沿

SCLK边沿之后数据输出有效时间

SCLK边沿之前数据输入建立时间

SCLK边沿之后数据输入保持时间

SCLK上升时间

SCLK下降时间

数据输出下降时间，图中未显示

CSSCLK边沿之后CS高电平时间

0.0125

16.5

48.8

100

24.4

48.8

12.5

512.5

MHz

图2.SPI时序图

图3.DIN位序

绝对最大额定值

表3

参数

额定值

加速度

任意轴，无电

任意轴，有电

VDD至GND

数字输入电压至GND

数字输出电压至GND

模拟输入电压至GND

温度

工作温度范围

存储温度范围

2000g

−0.3V至+6.0V

−0.3V至+5.3V

−0.3V至+3.6V

−40°C至+125°C

−40°C至+150°C

注意，超出上述绝对最大额定值可能会导致器件永久性损坏。

这只是额定最值，并不能以这些条件或者在任何其它超出本技术规范操作章节中所示规格的条件下，推断器件能否正常工作。

长期在绝对最大额定值条件下工作会影响器件的可靠性。

表4.封装特性

封装类型

θJA

θJC

器件重量

15引脚MCML

31°C/W

11°C/W

6.5克

ESD警告

ESD（静电放电）敏感器件。

带电器件和电路板可能会在没有察觉的情况下放电。

尽管本产品具有专利或专有保护电路，但在遇到高

能量ESD时，器件可能会损坏。

因此，应当采取适当

的ESD防范措施，以避免器件性能下降或功能丧失。

引脚配置和功能描述

图4.引脚配置

表5.引脚功能描述

引脚变换

引脚名称

类型

说明

1,2

3,4,5,8

6,9

VDD

GND

DNC

DIO2

RST

DIN

DOUT

SCLK

DIO1

N/A

I/O

电源，3.3V

地。

请勿连接到这些引脚。

数字输出线路2。

复位，低电平有效。

SPI，数据输入。

SPI，数据输出。

当CS为低电平时，DOUT为输出，当CS为高电平时，DOUT进入三态高阻抗模式。

SPI，串行时钟。

SPI，片选。

数字输出线路1

S=电源，O=输出，I=输入，N/A=不适用。

工作原理

ADIS16228是一款结合了三轴MEMS加速度计，具有先进信号处理能力的振动监测系统。

SPI兼容端口和用户寄存器为用户提供了方便的频域振动数据访问和传感器控制。

传感原件

ADIS16228中的数字振动检测从两个不同轴上的MEMS加速度计内核开始。

加速度计将速度的线性变化转换成具有代表性的电信号，使用如图5中所示的微机械系统。

该系统的机械部分包括两个不同的框架，一个固定式，一个移动式，这些框架有一系列层板，从而形成一个可变的差分容性网络。

收到与重力或加速度相关的力时，移动框架会改变其相对于固定框架的物理位置，结果导致电容发生变化。

微型弹簧将移动框架连接到固定框架，并决定加速度和物理位移之间的关系。

移动极板上的调制信号会通过各容性路径馈入固定框架极板和解调电路，从而生成与器件上加速运动成正比的电信号。

图5.MEMS传感器结构框图

信号处理

图6为ADIS16228的简化功能框图。

信号处理阶段包括时域数据捕获、数字抽取/滤波、加窗、FFT分析、FFT均值计算和记录存储。

有关信号处理操作的详情，请参见图14。

图6.传感器信号处理结构框图

用户界面

SPI接口

用户寄存器（包括输出寄存器和控制寄存器两者，如图6所示）管理用户对传感器的数据和配置输入的访问。

每个16位寄存器具有自己唯一的位分配和两个地址：

一个作为高位字节，一个用于低位字节。

表8提供了存储器映射到每个寄存器的示意图，连同它的功能和低字节地址。

数据收集和配置命令使用SPI接口通信，它由四根导线组成。

芯片选择（CS）信号激活SPI接口，串行时钟（SCLK）同步串行数据线。

输入命令时钟到DIN引脚，同一时间一位，在SCLK的上升沿。

输出数据输出在DOUT引脚上，跟随时钟SCLK的下降沿。

当SPI作为从设备时，DOUT内容反映使用DIN指令所要求的信息。

双存储器结构

用户寄存器为SPI接口上的所有输入/输出操作提供寻址服务。

控制寄存器采用双存储器结构（见图7）。

控制器使用静态随机访问存储器（SRAM）寄存器进行正常操作，包括用户配置命令。

闪存为拥有闪存备份功能的控制寄存器提供非易失性存储（参见表8）。

将配置数据保存到闪存中需要使用手动更新flash命令（GLOB_CMD[6]=1,DIN=0xBE40）。

当器件上电或复位时，闪存内容载入SRAM，然后器件根据控制寄存器中的配置开始生成数据。

图7.SRAM和闪存结构框图

基本工作原理

ADIS16228使用SPI进行通信，这使得它与相匹配的嵌入式处理器平台的连接非常简便，如图8所示。

DIO1的工厂默认配置提供了一个繁忙指示信号，当输出由高变低时说明数据采集过程完成，外部可读取传感器数据。

如果需要的话，使用DIO_CTRL寄存器（见表66），重新配置DIO1和DIO2。

图8.电气连接框图

表6.通用主处理器引脚名称和功能

引脚名称

功能

SCLK

MOSI

MISO

IRQ1，IRQ2

选择从机

串行时钟

主机输出，从机输入

主机输入，从机输出

中断请求输出（可选）

ADIS16228SPI接口支持全双工串行通信（同步收发），并使用图12所示的位序。

表7列出了最常用的设置，在为ADIS16228SPI接口初始化处理器串行端口时需要注意这些设置。

表7.通用主处理器SPI设置

处理器设置

说明

主机

SCLK速率≤2.5MHz

SPI模式3

MSB优先

16位

ADIS选择从机

比特率设置

时钟极性/相位

（CPOL=1，CPHA=1）

位序

移位寄存器/数据长度

图12.SPI读写时序举例

表8列出了用户寄存器及其低位字节地址。

每个寄存器都由两个字节构成，其中每一个都有其独特的7位地址。

图9展示了每个寄存器的位与其高位地址和低位地址之间的关系。

图9.通用寄存器位定义

SPI写命令

用户控制寄存器控制着许多内部操作。

图12中的DIN位序提供了对这些寄存器进行写操作的能力，一次一个字节。

有些配置变化和功能只需一个写周期。

例如，设置GLOB_CMD[11]=1（DIN=0xBF08）以启动人工捕捉序列。

人工捕捉的最后一位时钟到DIN（第16个SCLK的上升沿）后立即启动。

其它配置可能需要写入两个字节。

图10.手动捕获模式开启SPI时序图（DIN=0xBF08）

SPI读命令

单个寄存器读取操作需要两个16位SPI周期，这两个周期也使用图12中的位分配。

第一个序列设置R/W=0并传送目标地址（位[A6:

A0]）。

对于读取DIN序列，位[D7:

D0]是无关位。

在第二个序列期间，DOUT逐个输出请求的寄存器内容。

第二个序列还使用DIN来设置下一读取。

图11是读取PROD_ID时全部四种SPI信号的信号图。

在此图中，DIN=0x5600且DOUT反映16228的十进制等效值。

图11.SPI读时序举例，PROD_ID，第二时序

表8.用户寄存器存储器映射

寄存器名称

访问

闪存备份

地址

默认

功能

参考

FLASH_CNT

X_SENS

Y_SENS

Z_SENS

TEMP_OUT

SUPPLY_OUT

FFT_AVG1

FFT_AVG2

BUF_PNTR

REC_PNTR

X_BUF

Y_BUF

Z_BUF

REC_CTRL1

REC_CTRL2

REC_PRD

ALM_F_LOW

ALM_F_HIGH

ALM_X_MAG1

ALM_Y_MAG1

ALM_Z_MAG1

ALM_X_MAG2

ALM_Y_MAG2

ALM_Z_MAG2

ALM_PNTR

ALM_S_MAG

ALM_CTRL

DIO_CTRL

GPIO_CTRL

AVG_CNT

DIAG_STAT

GIOB_CMD

ALM_X_STAT

ALM_Y_STAT

ALM_Z_STAT

ALM_X_PEAK

ALM_Y_PEAK

ALM_Z_PEAK

TIME_STAMP_L

TIME_STAMP_H

LOT_ID1

LOT_ID2

PROD_ID

SERIAL_NUM

USER_ID

REC_FLSH_CNT

REC_INFO1

ALM_X_FREQ

ALM_Y_FREQ

ALM_Z_FREQ

REC_INFO2

REC_CNTR

CAL_ENABLE

只读

读/写

只读

读/写

只读

读/写

只读

只写

只读

读/写

只读

读/写

是

否

是

否

是

不适用

是

否

不适用

是

是、

是

否

不适用

否

是

0x00

0x02

0x04

0x06

0x08

0x0A

0x0C

0x0E

0x10

0x12

0x14

0x16

0x18

0x1A

0x1C

0x1E

0x20

0x22

0x24

0x26

0x28

0x2A

0x2C

0x2E

0x30

0x32

0x34

0x36

0x38

0x3A

0x3C

0x3E

0x40

0x42

0x44

0x46

0x48

0x4A

0x4C

0x4E

0x52

0x54

0x56

0x58

0x5C

0x5E

0x6E

0x70

0x72

0x74

0x76

0x78

0x7A

N/A

0x8000

0x0108

0x0101

0x0000

0x8000

0x1100

0x00FF

0x0000

0x0080

0x000F

0x0000

0x9630

0x0000

不适用

0x0000

不适用

0x3F64

不适用

0x0000

不适用

0x0000

不适用

0x0000

0x0010

闪存更新计数器

控制，x轴比例校正系数

控制，y轴比例校正系数

控制，z轴比例校正系数

输出数据采集时刻的温度

输出数据采集时刻的电压

控制，FFT平均1，SR0和SR1

控制，FFT平均2，SR2和SR3

控制，buffer地址指针

控制，记录地址指针

输出，X轴加速度数据缓冲区

输出，Y轴加速度数据缓冲区

输出，Z轴加速度数据缓冲区

控制，记录控制寄存器1

控制，记录控制寄存器2

控制，记录周期（自动模式下）

警报，频带最低频率限制

警报，X轴门限1（warning）

警报，Y轴门限1（warning）

警报，Z轴门限1（warning）

警报，X轴门限2（falut）

警报，Y轴门限2（falut）

警报，Z轴门限2（falut）

警报，报警频带指针

警报，系统报警门限

警报，报警控制寄存器

控制，功能I/O控制寄存器

控制，普通I/O控制寄存器

采样速率控制（平均计数）

标志位，系统异常报警

控制，全局控制寄存器

报警，X轴，报警指示寄存器

报警，Y轴，报警指示寄存器

报警，Z轴，报警指示寄存器

报警，X轴峰值电平

报警，Y轴峰值电平

报警，Z轴峰值电平

时间戳，低位整数

时间戳，高位整数

批次标识码1

批次标识码2

产品标识寄存器

串口数字

用户序号寄存器

闪存写周期计数

记录设置

警报，X轴，最严重报警频率

警报，Y轴，最严重报警频率

警报，Z轴，最严重报警频率

记录设置

记录计数

控制，频率矫正使能

见表68

见表16

见表17

见表18

见表56

见表54

见表19

见表20

见表47

见表48

见表49

见表50

见表51

见表9

见表14

见表10

见表28

见表29

见表30

见表31

见表32

见表33

见表34

见表35、

见表27

见表36

见表26

见表66

见表67

见表11

见表65

见表64

见表37

见表38

见表39

见表40

见表41

见表42

见表61

见表62

见表69

见表70

见表71

见表72

见表73

见表24

见表59

见表43

见表44

见表45

见表60

见表22

见表13

数据记录模式和信号处理

ADIS16228为记录和监控振动数据提供了一种完整的检测系统。

图13提供了与三个轴（x轴，y轴和z轴）上的频谱记录采集相关联的信号处理电路的简化功能框图。

用户寄存器用于控制数据类型（时间或频率）、触发模式（手动或自动）、采集模式（实时或捕获）、采样速率和滤波、加窗、FFT均值计算、频谱报警以及输入/输出管理。

记录模式

记录模式选择建立数据类型（时域或频域）、触发类型（手动或自动）以及数据采集（捕获或实时）。

REC_CTRL1[1:

0]位（见表9）提供四种工作模式：

手动FFT、自动FFT、手动时间捕获和实时。

在REC_CTRL1设置之后，手动FFT、自动FFT和手动时间捕获三种模式要求通过一个启动命令来开始捕获频谱记录或时域记录。

在此模式下有两个启动命令选项：

SPI和I/O。

SPI的触发包括设置GLOB_CMD[11]=1（DIN=0xBF08）。

I/O触发涉及使用DIO_CTRL（见表66）来配置DIO1或DIO2作为输入的触发线。

表9.REC_CTRL1（低位地址=0x1A），读/写

位

描述（默认值为0x1100）

[15:

14]

[13:

12]

[6:

[3:

[1:

未使用（无关位）

窗口设置，00=矩形，01=Hanning，10=平顶，11=不适用

SR3，1=为FFT使能，0=禁用；采样速率=20000/（2AVG_CNT[15:

12]）,见表11

SR2，1=为FFT使能，0=禁用；采样速率=20000/（2AVG_CNT[11:

8]）,见表11

SR1，1=为FFT使能，0=禁用；采样速率=20000/（2AVG_CNT[7:

4]）,见表11

SR0，1=为FFT使能，0=禁用；采样速率=20000/（2AVG_CNT[3:

0]）,见表11

各次记录之间关断电源，1=使能

未使用（无关位）

存储方法：

00=无，01=报警触发器，10=全部，11=不适用

记录模式：

00=手动FFT，01=自动FFT，10=手动时间捕获，11=实时采样/数据访问

手动FFT模式

设置REC_CTRL1[1：

0]=00，使传感器处于手动FFT模式下。

然后用start命令触发产生频谱记录。

当传感器采集完一个频谱记录后，使用繁忙指示（DIO1，出厂缺省值）来驱动外部处理器产生中断服务，该过程完成之后，就可以开始收集数据。

DIAG_STAT是唯一可以在设备处理过程中SPI可以读取的寄存器，读该寄存器返回一个0x00，则传感器繁忙，返回0x80的时候，说明数据准备好可以外部访问。

当单个谱记录完成后，设备等待另一个启动指令。

自动FFT模式

设置REC_CTRL1[1：

0]=01，使传感器处于自动FFT模式下。

使用REC_PRD寄存器（见表10）编程控制每个频谱记录之间的时间间隔，然后用start命令触发周期性谱记录。

例如设定REC_PRD=0x020A（DIN=0x9E0A，0x9F02），即设置触发周期为10小时。

表10.REC_PRD（低位地址=0x1E），读/写

位

描述（默认值为0x0000）

[15:

10]

[9:

[7:

未使用（无关位）

量表数据位,00=1秒/LSB，01=1分钟/LSB，10=1小时/LSB

数据位，二进制格式，范围=0至255

手动时间捕获模式

设置REC_CTRL1[1:

0]=10，以将器件置于手动时间捕获模式，这会触发单次时域数据捕获。

当器件在该模式下工作时，每个轴将有512个时域样本被载入缓冲器。

在载入数据缓冲器以便用户访问之前，这些数据将经历除preFFT加窗之外的所有时域信号处理过程。

当数据记录完成时，器件会将该数据传输至数据缓冲区

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