1 引言
對(duì)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(hào)的功能，應(yīng)用范圍受到了很大限制，譬如，在車輛振動(dòng)測(cè)試行車試驗(yàn)中，就需要配置電腦、數(shù)據(jù)采集卡等設(shè)備。不但設(shè)備昂貴，而且由于車輛需要在行駛過程中測(cè)試，所以就必須加長(zhǎng)信號(hào)傳輸線，既帶來了測(cè)量的不便，也導(dǎo)致由于外界環(huán)境的干擾測(cè)試誤差的加大。現(xiàn)有的測(cè)振儀由于存在著大多價(jià)格昂貴，操作復(fù)雜，測(cè)量精度較低的缺陷，很大程度上限制了它的廣泛應(yīng)用。
本文設(shè)計(jì)了一種智能壓阻式加速度傳感器，有效地克服了對(duì)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(yīng)用場(chǎng)合的局限性，實(shí)現(xiàn)了加速度的精確測(cè)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(jī)體積，滿足便攜使用要求；采用低功耗的元器件，滿足儀器長(zhǎng)時(shí)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(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器、典型的單片機(jī)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(cè)點(diǎn)的加速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)，進(jìn)入前置放大電路，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路改善信號(hào)的信噪比，再進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號(hào)，最后送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)再進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和顯示。
2.1 敏感元件
系統(tǒng)采用在目前廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)控制、汽車及其它車輛、振動(dòng)及地震測(cè)試，科學(xué)測(cè)量等領(lǐng)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(dāng)傳感元件以加速度a運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊受到一個(gè)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(yīng)力和應(yīng)變。該變形被粘貼在懸臂梁上的擴(kuò)散電阻感受到。根據(jù)硅的壓阻效應(yīng)，擴(kuò)散電阻的阻值發(fā)生與應(yīng)變成正比的變化，將這個(gè)電阻作為電橋的一個(gè)橋臂，通過測(cè)量電橋輸出電壓的變化可以完成對(duì)加速度的測(cè)量［1］。
2.2 P89LPC932單片機(jī)系統(tǒng)
作為智能傳感器的核心，單片機(jī)的選用主要是考慮到智能傳感器的測(cè)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(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊功能。文中選擇具有高集成度、低功耗、低成本等特點(diǎn)的P89LPC932單片機(jī)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(shí)間只需2～4個(gè)時(shí)鐘周期，6倍于標(biāo)準(zhǔn)80C51單片機(jī)，并且具有增強(qiáng)型UART，具有幀錯(cuò)誤檢測(cè)、自動(dòng)地址檢測(cè)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(jí)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(shí)，考慮到智能加速度傳感器在測(cè)試過程中需要記錄大量數(shù)據(jù)，單片機(jī)系統(tǒng)專門配置了全集成化并且不需設(shè)計(jì)刷新控制接口的8kB動(dòng)態(tài)RAM2186，作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。
2.3 信號(hào)調(diào)理電路
信號(hào)調(diào)理主要是指對(duì)敏感元件的輸出信號(hào)進(jìn)行編碼和調(diào)制以便獲得更好的信噪比，同時(shí)也包括信號(hào)平均和冗余度、以及自我檢查和故障探測(cè)系統(tǒng)以便探測(cè)敏感元件的任何不正常運(yùn)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(hào)就不可避免地帶有噪聲，嚴(yán)重者會(huì)被噪聲淹沒。因此降低噪聲、改善信噪比就顯得尤為重要。對(duì)于敏感元件，由于輸出的電荷量非常小，應(yīng)將其信號(hào)放大。但是當(dāng)敏感元件輸出信號(hào)的范圍較大時(shí)，就不宜用同一增益的放大電路進(jìn)行放大，否則在輸入信號(hào)較小時(shí)，輸出信號(hào)將小于一半量程，而輸入信號(hào)較大時(shí)卻使放大電路處于飽和狀態(tài)。同時(shí)，由于壓阻式敏感元件的電阻除由應(yīng)變引起之外，也受溫度變化的影響，因此也必須考慮溫度補(bǔ)償問題。 鑒于上述考慮，系統(tǒng)選用集成智能傳感器信號(hào)調(diào)理模塊MAXl452和外接的電阻、電容組成智能傳感器信號(hào)調(diào)理電路。MAXl452內(nèi)含一個(gè)可編程傳感器激勵(lì)源，一個(gè)16階可編程增益放大器，一個(gè)768字節(jié)內(nèi)部EEPROM，四個(gè)16位DAC，一個(gè)預(yù)置運(yùn)算放大器、一個(gè)片上溫度傳感器。
MAXl452偏移糾正過程如下：初始偏移在信號(hào)增益放大器的輸入級(jí)通過近似偏移設(shè)置進(jìn)行糾正，最終的偏移通過溫度指示的176個(gè)16位入口查詢表地址糾正。片上溫度傳感器提供一個(gè)16位偏移補(bǔ)償值，這個(gè)補(bǔ)償值的指示分辨率在－400℃~＋l25℃約為1.5℃。
MAXl452的兩個(gè)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(jìn)行增益近似設(shè)置，二是通過滿量程輸出DAC數(shù)字輸入設(shè)置傳感器電橋電流或電壓。
這樣就可通過CPU的操作，設(shè)置零位偏移寄存器、溫度寄存器、零點(diǎn)溫度補(bǔ)償寄存器、輸出基準(zhǔn)寄存器、增益溫度補(bǔ)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(jī)或者其它設(shè)備交換信息的通道［2］。系統(tǒng)采用MAX202E芯片實(shí)現(xiàn)接口電路的設(shè)計(jì)，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(dá)120kb/s，并且具有較強(qiáng)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(shí)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(chǔ)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(shí)，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(yǔ)言輸出電路和打印機(jī)接口電路等。單片機(jī)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(gè)數(shù)字鍵和時(shí)鐘設(shè)定鍵、確認(rèn)鍵、開始鍵、停止鍵等五個(gè)功能鍵組成，具有設(shè)定采樣周期、采樣頻率、啟動(dòng)采樣、停止采樣、顯示控制等功能。其中采樣頻率系統(tǒng)默認(rèn)值設(shè)定為150Hz。顯示部分主要由8位LED數(shù)碼管構(gòu)成，具有實(shí)時(shí)顯示加速度數(shù)值和系統(tǒng)故障部位的功能。語(yǔ)音報(bào)警電路采用ISD公司的ISD1200系列中的20秒單片語(yǔ)音錄放芯片。它集語(yǔ)音處理和存儲(chǔ)于一體，具有掉電信息保存，手動(dòng)和單片機(jī)控制均可等特點(diǎn)，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(jì)算機(jī)系統(tǒng)相比，工作環(huán)境更為惡劣，往往噪聲較大，振動(dòng)劇烈。而抗干擾性作為智能加速度傳感器的一個(gè)重要方面，直接影響到傳感器的測(cè)量精度和運(yùn)行穩(wěn)定性。系統(tǒng)除采用信號(hào)調(diào)理電路外，還采用數(shù)字濾波技術(shù)以提高測(cè)量精度，硬件看門狗和軟件陷阱技術(shù)來提高工作穩(wěn)定性。
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(jī)誤差的根源。系統(tǒng)采用中值濾波法，它計(jì)算簡(jiǎn)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(hào)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(diǎn)的值用該點(diǎn)的一個(gè)鄰域內(nèi)各點(diǎn)值的中值來代替。設(shè)一組測(cè)量值x1，x2，…，xn，把這n個(gè)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(chǔ)區(qū)中每隔一段區(qū)域放置一個(gè)軟件陷阱，能夠?qū)⑴茱w的程序納入正確的系統(tǒng)運(yùn)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(huì)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(yùn)行監(jiān)控器。在程序設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)定執(zhí)行程序中全部任務(wù)的時(shí)間比看門狗延時(shí)周期短，并且對(duì)于每項(xiàng)任務(wù)設(shè)置一個(gè)標(biāo)志，使看門狗對(duì)多項(xiàng)任務(wù)進(jìn)行監(jiān)視，只有當(dāng)全部標(biāo)志置位，也就是在程序跑飛或進(jìn)入死循環(huán)造成系統(tǒng)失效時(shí)，將由看門狗發(fā)出一個(gè)復(fù)位信號(hào)，使系統(tǒng)能盡快復(fù)位并恢復(fù)正常工作。
4 軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)本身為一實(shí)時(shí)測(cè)試系統(tǒng)，程序設(shè)計(jì)力求簡(jiǎn)單可靠，在測(cè)量周期內(nèi)進(jìn)行計(jì)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(yīng)用，又要考慮系統(tǒng)擴(kuò)充和改進(jìn)。程序使用匯編語(yǔ)言，采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要包括主控模塊、人機(jī)對(duì)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(xiàng)功能調(diào)度；人機(jī)對(duì)話功能模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)初始參數(shù)（采樣周期、采樣頻率等）的設(shè)定，通訊模塊采用中斷方式與上位機(jī)進(jìn)行信息交換；顯示模塊顯示故障位置和測(cè)試數(shù)值；數(shù)據(jù)采集模塊根據(jù)采樣頻率的設(shè)置采用中斷方式對(duì)A/D數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；自診斷模塊對(duì)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(hào)。限于篇幅，這里只給出主程序流程圖，如圖4所示。
5 結(jié)論
與傳統(tǒng)相同型號(hào)的傳感器作對(duì)比測(cè)試試驗(yàn)，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(cè)量精度高，價(jià)格較低，靈活可靠的特點(diǎn)。它克服了傳統(tǒng)加速度傳感度低，元器件精度要求較高，測(cè)試系統(tǒng)復(fù)雜昂貴，應(yīng)用范圍具有局限性的缺陷。目前，已經(jīng)在車輛振動(dòng)行車測(cè)器測(cè)量精試系統(tǒng)中得到了成功運(yùn)用。
