新型智能加速度傳感器的設計

1 引言

對于傳統(tǒng)的加速度傳感器而言，由于只具有感知環(huán)境，輸出模擬信號的功能，應用范圍受到了很大限制，譬如，在車輛振動測試行車試驗中，就需要配置電腦、數(shù)據(jù)采集卡等設備。不但設備昂貴，而且由于車輛需要在行駛過程中測試，所以就必須加長信號傳輸線，既帶來了測量的不便，也導致由于外界環(huán)境的干擾測試誤差的加大?，F(xiàn)有的測振儀由于存在著大多價格昂貴，操作復雜，測量精度較低的缺陷，很大程度上限制了它的廣泛應用。

本文設計了一種智能壓阻式加速度傳感器，有效地克服了對于傳統(tǒng)加速度傳感器的輸出特性容易受噪聲、溫度、電源紋波、濕度等多種因素的干擾，避免了應用場合的局限性，實現(xiàn)了加速度的精確測量。

2 硬件組成

根據(jù)智能加速度傳感器的使用要求，在硬件電路上主要考慮以下幾方面的問題 ：盡量采用集成化程度高的芯片，以減小主機體積，滿足便攜使用要求;采用低功耗的元器件，滿足儀器長時間工作要求;選用寬工作溫度范圍的元器件，滿足儀器在戶外工作條件。根據(jù)以上原則構(gòu)建了智能傳感器的硬件電路，其組成如圖1所示。智能加速度傳感器主要由敏感元件、信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器、典型的單片機系統(tǒng)、鍵盤和電源等組成。

智能加速度傳感器的工作原理是 ：敏感元件將測點的加速度信號轉(zhuǎn)換為相應的電信號，進入前置放大電路，經(jīng)過信號調(diào)理電路改善信號的信噪比，再進行模數(shù)轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號，最后送入計算機，計算機再進行數(shù)據(jù)存儲和顯示。

2.1 敏感元件

系統(tǒng)采用在目前廣泛應用于工業(yè)自動控制、汽車及其它車輛、振動及地震測試，科學測量等領域的硅微加速度傳感元件，其結(jié)構(gòu)及等效橋式電路如圖2所示。

當傳感元件以加速度a運動時，質(zhì)量塊受到一個與加速度方向相反的慣性力作用，發(fā)生與加速度成正比a的形變，使懸臂梁也隨之產(chǎn)生應力和應變。該變形被粘貼在懸臂梁上的擴散電阻感受到。根據(jù)硅的壓阻效應，擴散電阻的阻值發(fā)生與應變成正比的變化，將這個電阻作為電橋的一個橋臂，通過測量電橋輸出電壓的變化可以完成對加速度的測量[1]。

2.2 P89LPC932單片機系統(tǒng)

作為智能傳感器的核心，單片機的選用主要是考慮到智能傳感器的測量速度、精度、分辨率和其本身的數(shù)據(jù)處理能力，并且還要考慮到其與計算機的網(wǎng)絡通訊功能。文中選擇具有高集成度、低功耗、低成本等特點的P89LPC932單片機作為其作智能傳感器的微控制器。它采用高性能的處理器結(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行時間只需2～4個時鐘周期，6倍于標準80C51單片機，并且具有增強型UART，具有幀錯誤檢測、自動地址檢測和通用的中斷功能，I2C和SPI通訊端口。并且P89LPC932還集成了許多系統(tǒng)級的功能，可大大減少元件的數(shù)目并降低了系統(tǒng)的成本。同時，考慮到智能加速度傳感器在測試過程中需要記錄大量數(shù)據(jù)，單片機系統(tǒng)專門配置了全集成化并且不需設計刷新控制接口的8kB動態(tài)RAM2186，作為數(shù)據(jù)存儲器。

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2.3 信號調(diào)理電路

信號調(diào)理主要是指對敏感元件的輸出信號進行編碼和調(diào)制以便獲得更好的信噪比，同時也包括信號平均和冗余度、以及自我檢查和故障探測系統(tǒng)以便探測敏感元件的任何不正常運轉(zhuǎn)。在敏感元件的輸出到放大器的輸入端之間，有可能引入工頻干擾、靜電干擾、電磁耦合干擾和共模干擾等。這樣信號就不可避免地帶有噪聲，嚴重者會被噪聲淹沒。因此降低噪聲、改善信噪比就顯得尤為重要。對于敏感元件，由于輸出的電荷量非常小，應將其信號放大。但是當敏感元件輸出信號的范圍較大時，就不宜用同一增益的放大電路進行放大，否則在輸入信號較小時，輸出信號將小于一半量程，而輸入信號較大時卻使放大電路處于飽和狀態(tài)。同時，由于壓阻式敏感元件的電阻除由應變引起之外，也受溫度變化的影響，因此也必須考慮溫度補償問題。 　　鑒于上述考慮，系統(tǒng)選用集成智能傳感器信號調(diào)理模塊MAXl452和外接的電阻、電容組成智能傳感器信號調(diào)理電路。MAXl452內(nèi)含一個可編程傳感器激勵源，一個16階可編程增益放大器，一個768字節(jié)內(nèi)部EEPROM，四個16位DAC，一個預置運算放大器、一個片上溫度傳感器。

MAXl452偏移糾正過程如下：初始偏移在信號增益放大器的輸入級通過近似偏移設置進行糾正，最終的偏移通過溫度指示的176個16位入口查詢表地址糾正。片上溫度傳感器提供一個16位偏移補償值，這個補償值的指示分辨率在-400℃~+l25℃約為1.5℃。

MAXl452的兩個功能模塊用于滿量程輸出增益矯正。其過程一是通過可編程增益放大器數(shù)字選擇增益進行增益近似設置，二是通過滿量程輸出DAC數(shù)字輸入設置傳感器電橋電流或電壓。

這樣就可通過CPU的操作，設置零位偏移寄存器、溫度寄存器、零點溫度補償寄存器、輸出基準寄存器、增益溫度補償寄存器等。這些寄存器中的值通過D/A轉(zhuǎn)換器變成模擬量疊加在調(diào)理電路中，從而改善了傳感器特性。

2.4 串行接口電路

串行口是智能傳感器與上位機或者其它設備交換信息的通道[2]。系統(tǒng)采用MAX202E芯片實現(xiàn)接口電路的設計，如圖3所示。MAX202E為RS-232兩路發(fā)送，兩路接收，單一的+5V供電，傳輸率高達120kb/s，并且具有較強的抗干擾性。芯片內(nèi)部自帶電壓轉(zhuǎn)換裝置，+5～±10V電壓轉(zhuǎn)換由雙路沖放電電壓變換器實現(xiàn)。首先，沖放電電壓變換器通過電容C1將+5V電壓轉(zhuǎn)換為+10V電壓，并將+10V電壓儲存在V+的輸出濾波電容C3中，然后通過電容C2將+10V轉(zhuǎn)換為-10V，并將-10V電壓V-的輸出濾波電容C4中。在芯片閑置時，V+通過內(nèi)部1kΩ下拉電阻連接到Vcc上，V-通過上拉電阻鏈接到GND上。

2.5 其它電路部分

其它電路主要有鍵盤電路、顯示電路、語言輸出電路和打印機接口電路等。單片機系統(tǒng)采用8279作為鍵盤、顯示器接口，用硬件完成鍵盤與顯示器掃描。鍵盤電路由0～9十個數(shù)字鍵和時鐘設定鍵、確認鍵、開始鍵、停止鍵等五個功能鍵組成，具有設定采樣周期、采樣頻率、啟動采樣、停止采樣、顯示控制等功能。其中采樣頻率系統(tǒng)默認值設定為150Hz。顯示部分主要由8位LED數(shù)碼管構(gòu)成，具有實時顯示加速度數(shù)值和系統(tǒng)故障部位的功能。語音報警電路采用ISD公司的ISD1200系列中的20秒單片語音錄放芯片。它集語音處理和存儲于一體，具有掉電信息保存，手動和單片機控制均可等特點，使用十分方便。

3 抗干擾措施

智能加速度傳感器與其它類型的計算機系統(tǒng)相比，工作環(huán)境更為惡劣，往往噪聲較大，振動劇烈。而抗干擾性作為智能加速度傳感器的一個重要方面，直接影響到傳感器的測量精度和運行穩(wěn)定性。系統(tǒng)除采用信號調(diào)理電路外，還采用數(shù)字濾波技術以提高測量精度，硬件看門狗和軟件陷阱技術來提高工作穩(wěn)定性。

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3.1 數(shù)字濾波

高斯白噪聲和脈沖型噪聲的干擾是系統(tǒng)產(chǎn)生隨機誤差的根源。系統(tǒng)采用中值濾波法，它計算簡單，速度快，可以有效地去除脈沖噪聲和寄生振蕩，并且能夠較好地保留信號的斜坡和跳變部分。中值濾波的基本原理是把數(shù)字序列中一點的值用該點的一個鄰域內(nèi)各點值的中值來代替。設一組測量值x1，x2，…，xn，把這n個數(shù)按值大小排序：xi1≤xi2≤… ≤xin ，則此序列的中值為

y = Med (x1，x2，…，xn)

= xi((n+1)/2) n為奇數(shù)

[xi(n/2)+xi(n/2+1)]/2 n為偶數(shù)

3.2 軟件陷阱與硬件看門狗

在程序存儲區(qū)中每隔一段區(qū)域放置一個軟件陷阱，能夠?qū)⑴茱w的程序納入正確的系統(tǒng)運行軌道。由于軟件陷阱都安排在正常程序執(zhí)行不到的區(qū)域，如程序區(qū)、表格、未使用的ROM區(qū)、未使用的中斷向量區(qū)等，故不會影響程序的執(zhí)行效率[3]。

系統(tǒng)采用看門狗電路Max813作為程序運行監(jiān)控器。在程序設計時，設定執(zhí)行程序中全部任務的時間比看門狗延時周期短，并且對于每項任務設置一個標志，使看門狗對多項任務進行監(jiān)視，只有當全部標志置位，也就是在程序跑飛或進入死循環(huán)造成系統(tǒng)失效時，將由看門狗發(fā)出一個復位信號，使系統(tǒng)能盡快復位并恢復正常工作。

4 軟件設計

系統(tǒng)本身為一實時測試系統(tǒng)，程序設計力求簡單可靠，在測量周期內(nèi)進行計算和處理;其次是靈活性和通用性，要求程序本身既能滿足目前應用，又要考慮系統(tǒng)擴充和改進。程序使用匯編語言，采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要包括主控模塊、人機對話功能模塊、自診斷模塊、通訊模塊、顯示模塊和數(shù)據(jù)采集模塊等。其中主控程序主要是完成各項功能調(diào)度;人機對話功能模塊負責系統(tǒng)初始參數(shù)(采樣周期、采樣頻率等)的設定，通訊模塊采用中斷方式與上位機進行信息交換;顯示模塊顯示故障位置和測試數(shù)值;數(shù)據(jù)采集模塊根據(jù)采樣頻率的設置采用中斷方式對A/D數(shù)據(jù)進行采集;自診斷模塊對外部環(huán)境條件引起的工作不可靠和傳感器內(nèi)部故障造成的性能下降給出診斷信號。

5 結(jié)論

與傳統(tǒng)相同型號的傳感器作對比測試試驗，傳統(tǒng)加速度傳感器的電壓分辨率為0.3mV/g，智能加速度傳感器的電壓與電荷分辨率為0.28mV/g。可以看出，該傳感器具有測量精度高，價格較低，靈活可靠的特點。它克服了傳統(tǒng)加速度傳感度低，元器件精度要求較高，測試系統(tǒng)復雜昂貴，應用范圍具有局限性的缺陷。目前，已經(jīng)在車輛振動行車測器測量精試系統(tǒng)中得到了成功運用。