基于nRF905的無線加速度測量系統(tǒng)設(shè)計

摘要：為了克服有線加速度傳感系統(tǒng)中由導(dǎo)線所導(dǎo)致的數(shù)據(jù)傳輸弊端，以射頻數(shù)字傳輸方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)導(dǎo)線傳輸方式。給出了無線加速度測量系統(tǒng)設(shè)計方案，設(shè)計了系統(tǒng)電路并進(jìn)行調(diào)試。加速度信號采集及射頻收發(fā)試驗表明，在400 m范圍內(nèi)，測量數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確。在近距運(yùn)動物體加速度測量的復(fù)雜環(huán)境中，該系統(tǒng)能夠克服因采用傳輸導(dǎo)線所帶來的一些缺點。
關(guān)鍵詞：nRF905；加速度測量；LIS331DL；無線傳輸

0 引言
    微電子與微機(jī)械(MEMS)技術(shù)的發(fā)展，使現(xiàn)代傳感器設(shè)計向微型化、智能化、集成化、微低功耗方向發(fā)展。MEMS技術(shù)突破了傳統(tǒng)傳感器設(shè)計受質(zhì)量、體積、功耗等技術(shù)瓶頸的束縛，在各測量領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。而隨著無線技術(shù)的發(fā)展，傳感器技術(shù)與無線技術(shù)結(jié)合得越來越緊密，利用無線技術(shù)開發(fā)信號采集無線傳輸模塊可以克服有線傳輸?shù)谋锥恕?br />     本文結(jié)合三軸線性MEMS慣性傳感器LIS331DL和單片無線收發(fā)器nRF905構(gòu)建加速度測量無線傳輸系統(tǒng)，避免因采用傳輸導(dǎo)線所帶來的不利影響和使用上的不方便。該系統(tǒng)的特點是集電源、加速度傳感器、微控器、射頻收發(fā)器于一體，體積小、功耗低，能夠?qū)崿F(xiàn)對運(yùn)動物體三維方向上加速度的測量。所設(shè)計的系統(tǒng)裝置可以非常方便地固定于運(yùn)動物體上，尤其適合近距復(fù)雜環(huán)境中對運(yùn)動物體加速度的測量。

1 系統(tǒng)組成和工作原理
    系統(tǒng)總體構(gòu)成如圖1所示。系統(tǒng)分為主、從機(jī)兩部分。從機(jī)負(fù)責(zé)測量運(yùn)動物體的加速度并通過射頻傳輸方式發(fā)射測量數(shù)據(jù)；主機(jī)負(fù)責(zé)接收從機(jī)發(fā)射的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行實時顯示，并將數(shù)據(jù)結(jié)果通過RS 232串口保存到PC機(jī)中以供分析。

    系統(tǒng)采用電池供電，在非工作模式下處于待機(jī)模式，通過控制按鍵實現(xiàn)工作模式和待機(jī)模式的切換以進(jìn)一步節(jié)省功耗，保證電池長時間工作。

2 硬件設(shè)計
    硬件設(shè)計主要包括傳感器與微控器外圍連接電路設(shè)計、射頻收發(fā)器與微控器外圍連接電路設(shè)計等。
2．1 微控制器
    經(jīng)對比選用高速C8051F310單片機(jī)作為系統(tǒng)的微控器。C8051F310是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU芯片，具有片內(nèi)上電復(fù)位、VDD監(jiān)視器、看門狗定時器和時鐘振蕩器的真正獨立工作的片上系統(tǒng)，片內(nèi)外設(shè)豐富。
2．2 LIS331DL傳感器電路設(shè)計
    LIS331DL是ST納米運(yùn)動傳感器家族中具有最小封裝(LGA16封裝，3 mm×3 mm×1 mm)、最低功耗(小于1 mW)的三軸線性加速度傳感器。

    邏輯框圖如圖2所示。LIS331DL內(nèi)部有按互相垂直關(guān)系放置的三個敏感質(zhì)量塊。當(dāng)有外界加速度作用時，敏感質(zhì)量塊會偏離其平衡位置一段位移，外界加速度越大位移就越大。由于敏感質(zhì)量塊位于兩個電極組成的電容之間，質(zhì)量塊位移的變化會引起電容電極兩端電荷量的變化，電荷量的變化經(jīng)電容／電壓變換器轉(zhuǎn)化為電壓的變化，A／D轉(zhuǎn)換器將模擬電壓值轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)字值，從I2C／SPI串行接口的三個輸出軸以二進(jìn)制補(bǔ)碼的形式輸出。該芯片能夠測量運(yùn)動物體在三維空間的線加速度，三個輸出軸上加速度的矢量和即為運(yùn)動物體的加速度。
    該芯片具有標(biāo)準(zhǔn)的I2C／SPI串行總線接口，內(nèi)置嵌入式功能，為用戶提供動態(tài)可編程設(shè)置的兩個量程±2g／±8g以適應(yīng)不同的應(yīng)用場合，數(shù)據(jù)輸出速率可編程選擇為100 Hz／400 Hz以適應(yīng)不同外設(shè)的速率要求。當(dāng)外界加速度值超過三個輸出軸中至少一個軸的可編程加速度閾值時，芯片可被配置用以產(chǎn)生慣性喚醒／自由落體中斷信號。LIS331DL能夠承受10 000g的加速度沖擊而依然保持性能不變。

    LIS331DL與C8051F310的電路連接如圖3所示。C8051F310內(nèi)部有一個標(biāo)準(zhǔn)的SPI串行接口，通過交叉開關(guān)將C8051F310(主機(jī))的四線制SPI外部引腳配置在P0．0(總線時鐘SCK)、P0．1(主人從出MISO)、P0．2(主出從入)和P0．3(從機(jī)SPI片選CS)這四個引腳上，LIS331DL作為SPI總線的從機(jī)，主機(jī)和從機(jī)通過SPI總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，總線時鐘由主機(jī)決定。從機(jī)的兩個中斷標(biāo)志輸出引腳接到主機(jī)的P0．6和P0．7，主機(jī)內(nèi)的交叉開關(guān)將兩個外部中斷標(biāo)志輸入引腳配置在P0．6和P0．7，它們連接到從機(jī)的兩個中斷標(biāo)志輸出9號和11號引腳，這樣可以進(jìn)行LIS331DL功能的擴(kuò)展(自由落體中斷檢測，內(nèi)部喚醒等)。
2．3 nRF905單片機(jī)無線收發(fā)器電路設(shè)計
    本測量系統(tǒng)中采用nRF905射頻芯片作為射頻收發(fā)器。nRF905采用Nordic公司的VLSI ShockBurst技術(shù)。ShockBurst技術(shù)使nRF905能夠提供高速的數(shù)據(jù)傳輸而無需昂貴的高速MCU來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理／時鐘覆蓋。通過將與RF協(xié)議有關(guān)的高速信號處理放到芯片內(nèi)，nRF905提供給微控器一個SPI接口，速率由微控器設(shè)定的接口速率決定。nRF905通過ShockBurst工作模式在RF以最大速率進(jìn)行連接時降低數(shù)字應(yīng)用部分的速率來降低在應(yīng)用中的平均電流消耗。

    nRF905與C8051F310的電路連接如圖4所示。C8051F310的SPI同步串行口已作為與LIS331DL的通信接口，為充分利用C8051F310的引腳資源，取C8051F310的P1．0，P1．1，P1．2和P1．3四個IO口組成一個模擬SPI串口與nRF905的SPI口相連接，數(shù)據(jù)采用單字節(jié)逐次移位的方式進(jìn)行傳輸。
    C8051F31O作為SPI主機(jī)，nRF905作為從機(jī)。主機(jī)在P1．0引腳提供主機(jī)模擬SPI時鐘，P1．1引腳作為主機(jī)模擬MISO線，P1．2引腳作為主機(jī)模擬MOSI線，P1．3引腳作為從機(jī)SPI片選線。主機(jī)通過此模擬SPI串行口在配置模式下對從機(jī)相關(guān)寄存器進(jìn)行配置；在RF發(fā)射和接受模式下進(jìn)行發(fā)射數(shù)據(jù)的傳送和接收數(shù)據(jù)的讀取。nRF905的工作狀態(tài)接口由CD，AM和DR組成；工作模式控制引腳由PWR，TRX和TX組成，C8051F310通過P1．4，P1．5和P1．6來設(shè)置nRF905的工作模式，具體模式設(shè)置如表1所示。

    進(jìn)入ShockBurst RX模式650μs后，nRF905不斷檢測，等待接收數(shù)據(jù)。當(dāng)檢測到同一頻段的載波時，載波檢測引腳CD被置高，當(dāng)接收到一個相匹配的地址，地址檢測引腳AM被置高，當(dāng)一個正確的數(shù)據(jù)包接收完畢，nRF905自動移去字頭、地址和CRC校驗位，然后將DR引腳置高，通知MCU讀取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)讀取完畢DR引腳置低。
    當(dāng)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，MCU按時序?qū)⒔邮諜C(jī)的地址和要發(fā)送的數(shù)據(jù)傳送給nRF905，SPI接口速率在通信協(xié)議和器件配置時確定。進(jìn)入Shock Burst TX模式650us后，射頻寄存器自動開啟，進(jìn)行數(shù)據(jù)打包(加字頭和CRC校驗碼)，發(fā)射數(shù)據(jù)包。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)射完成，DR引腳置高通知MCU數(shù)據(jù)已成功發(fā)送。

3 軟件設(shè)計
    軟件采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方法，由主程序和各任務(wù)子程序組成。系統(tǒng)上電后，C8051F310完成對自身、LIS331DL傳感器和射頻收發(fā)器nRF905的初始化設(shè)，根據(jù)鍵值電平高低來決定是否進(jìn)入工作狀態(tài)。
    在從機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)后，C8051F310通過SPI同步串行口讀取LIS331DL傳感器X，Y和Z軸寄存器的值，根據(jù)三個數(shù)值求出加速度值，然后將該數(shù)值連同主機(jī)地址一起通過模擬SPI口傳給nRF905，由其自動完成數(shù)據(jù)的發(fā)送；主機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)后不斷檢測有效載波，當(dāng)攜帶有效數(shù)據(jù)的載波出現(xiàn)后，nRF905自動完成去除數(shù)據(jù)包中的地址、CRC校驗位和加速度數(shù)據(jù)的提取操作，此操作完成后通知C8051F310讀取數(shù)據(jù)直至數(shù)據(jù)讀取完畢，C8051F310將數(shù)據(jù)先在LCD1602液晶顯示器中進(jìn)行顯示，然后通過RS232將數(shù)據(jù)保存到PC機(jī)，系統(tǒng)程序流程如圖5所示。

4 系統(tǒng)調(diào)試
    在旋轉(zhuǎn)試驗臺上進(jìn)行系統(tǒng)的測試。試驗方案為：從機(jī)固定在距旋轉(zhuǎn)臺中心一定距離處，通過調(diào)整轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)速來獲得不同的法向加速度，從機(jī)對法向加速度進(jìn)行測量，測量結(jié)果以射頻方式傳給主機(jī)進(jìn)行顯示和保存。該系統(tǒng)在試驗中運(yùn)行可靠，測量結(jié)果準(zhǔn)確性高，由于采用數(shù)字式射頻傳輸方式使數(shù)據(jù)傳輸誤碼率極低。原理樣機(jī)如圖6所示。

5 結(jié)論
    采用無線數(shù)字傳輸方式避免了傳輸導(dǎo)線的內(nèi)阻和雜散分布電容、環(huán)境溫度、電磁干擾等影響，尤其適合于復(fù)雜環(huán)境下運(yùn)動物體加速度的測量，這一特點是有線傳輸方式所無法比擬的。