摘要：設計一種基于Model 1221單軸MEMS加速度計的加速度檢測裝置。該裝置以ARM7處理器AT91SAM7X256為核心,，可對振動加速度,、靜態(tài)加速度進行實時檢測。通過AT91SAM7X256對實時接收的數據進行處理,，并將處理后的數據實時顯示,，或者保存到存儲設備上。
關鍵詞：檢測裝置,；加速度,；Model 1221；AT91SAM7X256
引言
加速度傳感器一直是加速度測試中的重要元件,。隨著微加速度計的應用越來越廣泛,，對于微加速度計的數據信號采集和存儲變得極為重要。傳統的數據采集方法多數是采用單片機完成的,，編程簡單,、控制靈活，但控制周期長、速度慢,，特別是對高速轉換的數據來說,，單片機的速度極大地限制了數據傳輸速度。
目前,，嵌入式系統的應用已經進入到一個高低并行發(fā)展的階段,。ARM處理器憑借體積小、功耗低,、集成度高,、硬件調試方便和操作系統可移植等優(yōu)點，獲得廣泛的應用,。本文采用基于ARM7TDMI-S核的32位微處理器AT91SAM7X256為控制核心,，利用其內部自帶的A／D轉換器對采集到的加速度值進行轉換。
本文應用Model 1221單軸MEMS加速度計,，輸出信號經簡單處理后直接外接到ARM7處理器上,，只需對處理器的相應軟件進行設置，省去了A／D轉換電路,，大大簡化了電路復雜程度,，并提高了數據處理的速度和精度。該加速度數據采集系統特別適用于對加速度和傾斜角的測量,。它既可以測量動態(tài)加速度(如典型振動和沖擊),，又可以測量靜態(tài)加速度(如重力加速度和慣性)；既可以測量正加速度,，又可以測量負加速度,，因而可以作為斜率傳感器使用。
1 總體設計方案
加速度數據采集系統的總體結構如圖1所示,。系統主要由單軸加速度計,、運放電路、ARM處理器(AT91SAM7X256)三部分組成,。單軸加速度計經過電路配置被施加一定加速度后,，輸出相應大小的電壓模擬信號，經運算放大電路處理后,，直接送至ARM處理器的A／D處理端口,。在處理器接收數據之前，首先要通過軟件方式對處理器的A／D功能進行合理設置,；處理后的數據經ARM處理器的存儲寄存器緩存后,，由ARM處理器采取中斷的方式接收采集，并對采集到的數據作進一步處理,；利用軟件分析數據的大小,，并將其轉換成相應的信號,，通過串口通信輸出到PC機上實時顯示。電源裝置采用開關電源為傳感器,、ARM處理器以及其他外圍電路提供所需的各種工作電壓,。
2 Model 1221單軸MEMS加速度計簡介
2．1 主要特點
Model 1221單軸MEMS(Micro Electro MechanicalSysteros)加速度計就是使用MEMS技術制造的加速度計。由于采用了微機電系統技術,，使得其尺寸大大縮小,，一個MEMS加速度計只有指甲蓋的幾分之一大小。MEMS加速度計具有體積小,、重量輕,、功耗低等優(yōu)點。它可以測量振動類型的動態(tài)加速度和重力類型的靜態(tài)加速度,，測量范圍是±2g,；采用5 V單電源供電，集成在單片集成電路上,，具有分辨率高,、捕獲時間短、帶寬寬等特點,；工作溫度范圍為-55～85℃，適合工作在惡劣環(huán)境下,。
2．2 工作原理
技術成熟的MEMS加速度計分為3種：
①壓電式MEMS加速度計,。運用的是壓電效應，在其內部有一個剛體支撐的質量塊,，有運動的情況下質量塊會產生壓力,，剛體產生應變，把加速度轉變成電信號輸出,。
②容感式MEMS加速度計,。內部也存在一個質量塊，從單個單元來看,，它是標準的平板電容器,。加速度的變化帶動活動質量塊的移動，從而改變平板電容兩極的間距和正對面積,，通過測量電容變化量來計算加速度,。
③熱感式MEMS加速度計。內部沒有任何質量塊,，它的中央有一個加熱體,，周邊是溫度傳感器，里面是密閉的氣腔,。工作時在加熱體的作用下,，氣體在內部形成一個熱氣團,，熱氣團的比重和周圍的冷氣是有差異的，通過慣性熱氣團的移動形成的熱場變化讓感應器感應到加速度值,。
由于壓電式MEMS加速度計內部有剛體支撐的存在,，通常情況下，壓電式MEMS加速度計只能感應到“動態(tài)”加速度,，而不能感應到“靜態(tài)”加速度,，也就是我們所說的重力加速度。而容感式和熱感式既能感應“動態(tài)”加速度,，又能感應“靜態(tài)”加速度,。
Model 1221單軸MEMS加速度計內部包含了微機械電容傳感單元、溫度傳感器,、傳感運放電路和差分輸出電路,，所有部件密封在一個迷你包裝中。它是容感式MEMS加速度計,，即測量電容值的改變來計算加速度,。
2．3 應用電路
加速度數據采集電路如圖2所示。其中,，VDD設置為5 V,。17引腳為2．5 V電壓參考引腳，可以單獨外接2．5 V電壓,，也可以選擇分壓的方式,。本文采用分壓的方式，通過設置R1=R2=5 kΩ,。將VDD分壓為2．5 V,，并連接一個O．01μF的旁路電容C1。
AON和AOP引腳的電壓輸出值成比例對應于加速度值,，如圖3所示,。在加速度為0的情況下，AON和AOP輸出值都是2．5 V,。為了取得噪音較低,、效果較好的信號輸出，本文采用差動方式將AON和AOP接到運放電路的輸入端,，適當設置電阻電容值,，得出符合要求的輸出信號。AON與AOP求差后,，范圍在0～4 V之間,。考慮到輸出值應與ARM7處理器的A／D端口輸入范圍匹配,，因此設置R4／R3=R6／R5=3／4,，從而得到一個0～3 V的輸出值范圍,。
3 ARM7模數轉換器ADC的應用
AT91SAM7X256自帶的ADC是基于逐次逼近寄存器(SAR)的10位模數轉換器(ADC)。它集成了一個8到1的模擬多路復用器,，可實現8路模擬信號的模數轉換,；轉換范圍為0 V～ADVREF；支持8位或10位分辨率模式,，轉換結果進入一個所有通道可用的通用寄存器中,，即通道專用寄存器。
通過設置ARM7并行控制器PIO控制器,，將ADO～AD7的某一個端口設置為A／D轉換模擬輸入端口,。ADVREF為參考電壓，即ADO～AD7端口輸入電壓值的范圍為0 V～ADVREF,；ADVREF最小值為2．6 V,，最大值為VDDIN(一般設為典型值3．3 V)。ARM7處理器的A／D轉換共有3種中斷方式,，即軟件觸發(fā),、外部觸發(fā)(包括ADTRG引腳上升沿觸發(fā))和內部觸發(fā)定時計數器輸出。本文采用內部觸發(fā)定時計數器輸出觸發(fā)方式,，即達到一定的間隔時間后引起中斷,，然后對當前的A／D模擬數據進行采集和分析。完成上述中斷處理后,，再等待下一次中斷到來,。使用ADC中斷請求前須先對AIC(高級中斷控制器)編程。
ADC還與PDC(外設數據控制器)通道連接,。在轉換完成后，數字結果將會保存到當前通道數據寄存器里,。當數據寄存器保存當前數據后,，狀態(tài)寄存器相應位置位；當取走數據寄存器中的數據后,，狀態(tài)寄存器相應位清零,。
ADC支持8位或10位的分辨率。通過設置ADC模式寄存器(ADC_MR)LOWRES位執(zhí)行對8位的選擇,。默認情況下,，復位后分辨率最高，且數據寄存器中的DATA域完全使用,。通過設置LOWRES位,，ADC切換到最低分辨率，且轉換結果可從數據寄存器的低8位中讀出,。對應于ADC_CDR寄存器的DATA域,，最高兩位及ADC_LCDR寄存器的LDATA位為0,。在數據處理之前，通過設置相應寄存器對轉換分辨率,、休眠方式,、ADC時間等進行初始化。為防止ADVREF端口電壓過高,，通常外加穩(wěn)壓二極管作保護,。
4 系統軟件設計
軟件設計是整個檢測系統的重要組成部分。依據硬件設計的相關特點和要求,，軟件設計的主要任務是完成系統的初始化,，對加速度信號進行提取和分析，加速度過大或者超出設定值時予以警告提示,，并完成與其他外設之間的數據通信,。系統軟件流程如圖4所示。
本檢測裝置工作在惡劣環(huán)境下,，易受到各種干擾源的干擾,。另外，檢測裝置本身也會產生電磁噪音,，將嚴重影響信號的分析和讀取,。可以采用電源去耦,、低通濾波等硬件方式來濾除干擾,，但不容易達到理想效果，因此必須依靠軟件抗干擾技術,。軟件抗干擾技術不僅設計靈活,，而且節(jié)約硬件資源。常用的軟件抗干擾技術有軟件陷阱技術,、軟件濾波技術等,。在程序的具體編寫過程中，可以利用這些技術達到抗干擾的目的,。
由ARM系統采集到的數據可通過串口線發(fā)送到上位機進行實時顯示,，也可以通過模擬IDE通信協議存儲到IDE硬盤中。AT91SAM7X256通過串口與上位機進行通信,，主要是應用AT91SAM7X256中的通用異步接收／發(fā)送裝置UART0,；而使用AT91SAM7X256的通用可編程I／O口，可以模擬產生IDE硬盤的讀寫時序,，完成對存儲設備的讀寫操作,，從而實現加速度數據的顯示和存儲。上位機實時顯示加速度的檢測數值,，如圖5所示,。
結語
本文介紹一種MEMS加速度計的設計與應用,，結合當前應用廣泛的ARM7處理器芯片，設計出一套方面靈活,、應用性強的數據采集方案,。實驗證明，該系統可準確地采集Model 1221單軸MEMS加速度計的加速度信號,，可以對采集到的信號進行靈活的處理,，既可以在上位機實時顯示，又可以存儲在IDE接口硬盤中,，達到了數據顯示和存儲的目的,。