基于DSP的數字式MEMS加速度傳感器的設計與應用

引言

加速度傳感器一直是振動(dòng)測試中的重要元件。ADXL203加速度計是美國模擬器件（AD）公司的新型單芯片雙軸傳感器，測量范圍是1.7g.可以承受3500g振動(dòng)沖擊。相對于傳統的加速度計，他的成本比較低，性能好，功耗低。此外，該加速度計可以同時(shí)測量?jì)蓚€(gè)垂直方向的加速度，適用于靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的加速度測量。

測量原理

ADXL203采用先進(jìn)的MEMS技術(shù)，由一個(gè)利用表面微機械加工的多晶體硅機構和一個(gè)差動(dòng)電容器組成。在加速度的作用下，多晶體硅結構會(huì )產(chǎn)生偏移，于是就會(huì )拉動(dòng)電容的運動(dòng)極板滑動(dòng)是電容值發(fā)生變化，最終導致輸出方波的變化，利用這個(gè)原理，就可以通過(guò)查動(dòng)電容檢測到加速度的變化，加速度與輸出方波成正比。

應用要點(diǎn)

ADXL203可以測量靜態(tài)加速度，也可以測量動(dòng)態(tài)加速度，其最小帶寬為0.5Hz，最大帶寬可以達到2500Hz。

在設計時(shí)，首先要確定北側加速度頻率范圍，然后再設定濾波器的參數。盡量使濾波器的帶寬略高于被測頻率，這樣做不僅有利于濾除高頻干擾，也有利于降低系統噪聲干擾。

因此要選擇合適的帶寬，如果一味提高通頻帶寬將會(huì )給測量帶來(lái)更多的噪音，降低測量精度。

實(shí)際應用

在加速度測量研究中，我們采用了TI公司生產(chǎn)的TMS320LF2407DSP信號處理器來(lái)進(jìn)行處理。這里首先介紹一下2407的特點(diǎn)與性能。

1TMS320LF2407的硬件特點(diǎn)。

采用了采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，使得供電電壓降為3.3V，減少了功耗；基于TMS320C2xxDSP的CPU核，保證與TMS320系列DSP代碼兼容；片內有高達32K字的單口RAM（SARAM）；兩個(gè)事件管理器模塊EVA和EVB，適用于控制各類(lèi)電機；看門(mén)狗定時(shí)模塊（WDT）；控制局域網(wǎng)絡(luò )（CAN）2.0B模塊；串行通信接口（SCI）模塊；16位的串行外設接口（SPI）模塊；JTAG接口，使得在系統編程（ISP）很容易實(shí)現；10位A/D轉換器最小的轉換時(shí)間為500ns，可選擇由兩個(gè)事件管理器來(lái)觸發(fā)2個(gè)8通道輸入A/D轉換器或1個(gè)16通道輸入A/D轉換器，而每次要轉換的通道都可通過(guò)編程來(lái)選擇。需要說(shuō)明的是，TMS320LF2407DSP是丁點(diǎn)16位芯片，存儲數據的最小單位是16位的字，每個(gè)地址（包括程序地址，數據地址及I/O地址）所存的數據都是16位。

2軟件環(huán)境。

TMS320C2407DSP提供兩種編程語(yǔ)言：匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言。兩種語(yǔ)言各有所長(cháng)：用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)DSP芯片，開(kāi)發(fā)速度快，可讀性好，可移植性強；而用匯編語(yǔ)言開(kāi)發(fā)DSP芯片，則能充分利用DSP芯片的軟硬件資源，程序代碼的執行效率高。在開(kāi)發(fā)過(guò)程中幾乎不可避免的要使用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言的混合編程。如果源程序為C語(yǔ)言，需調用TMS320C2xxDSP的C編譯器將其編譯成匯編語(yǔ)言，然后送匯編器進(jìn)行匯編。匯編后產(chǎn)生COFF格式的目標文件，再用鏈接器進(jìn)行鏈接（鏈接過(guò)程包括將編譯器的運行支持庫相關(guān)代碼鏈接進(jìn)來(lái)以及代碼段和數據段的重定位），生成在TMS320C2xxDSP上可執行的COFF格式的目標代碼，并調用下載程序將目標代碼下載到目標芯片上。

3系統設計。

系統設計包括：變成邏輯器件接口，數字量擴展單元，傳感器信號產(chǎn)生單元，A/D轉換單元，電源管理模塊（提供5V，3.3V）和數據存儲器等，將TMS320LF2407的資源全部引出。

系統主要模塊如下：

1．DSP控制單元。包括晶振，RAM，電源模塊，和相應的數據輸出接口。根據DSP的實(shí)驗板電路作出相應的改動(dòng)，然后就可以與傳感器單元連接了。連接完畢，接入仿真器與電腦對接，進(jìn)行程序的調試。

2．傳感器信號輸出單元。包括ADXL203，AD8341A/D轉換器，運放電路。傳感器電路分為兩個(gè)相同的組成部分，測量三個(gè)方向的加速度。使用的是AD公司生產(chǎn)的MEMS傳感器ADXL203，和由TI公司生產(chǎn)的A/D轉換器ADS8341。傳感器輸出的模擬信號送入A/D轉換器，然后送入DSP的SPI口進(jìn)行處理。板子的輸入電源由一個(gè)5V電源提供，在輸入之前，用電容進(jìn)行濾波以提高精度，減少毛刺。盡量減少對傳感器的影響。

4系統軟件。

CCS的設置與使用。運行CodeComposerStudioSetup軟件，在ProcessorConfiguration窗中，在A(yíng)vailableProcessor中選擇TMS320C24X，然后，點(diǎn)擊AddSingle；對話(huà)框右邊出現CPU_1圖標，將板卡的I/O值修改為0X378。點(diǎn)擊Finish，關(guān)閉CodeComposerStudioSetup程序，選擇保存。CodeComposerStudio就設置完畢。

一個(gè)DSP應用軟件的標準開(kāi)發(fā)，需要經(jīng)歷下列步驟：用文本編輯器（Editor）編輯滿(mǎn)足匯編器（Assembler）格式要求的匯編源程序；調用匯編器匯編該源文件，如果源文件中調用了宏，匯編器還會(huì )到宏庫中搜索該宏；匯編之后生成格式為公共目標文件格式（COFF，CommonObjectFileFormat）的目標文件（.obj），稱(chēng)為COFF目標文件；調用鏈接器（Linker）鏈接目標文件，如果包含了運行支持庫和目標文件庫，鏈接器還會(huì )到所保護的庫中搜索所需的成員；鏈接之后生成可執行的COFF執行文件（.out）將COFF執行文件下載到DSP中執行。同時(shí)也可借助調試工具（DebuggingTool）對程序進(jìn)行跟蹤調試或優(yōu)化，也可利用交叉參考列表器（Cross-referenceLister）和絕對列表器（AbsoluteLister）生成一些包含調試信息的表。

TI公司在其系列芯片上設置了符合IEEE1149標準的JTAG（JointActionGroup）標準測試接口及相應的控制器，從而不但能控制和觀(guān)察多處理器系統中的每一個(gè)處理器的運行，測試每一塊芯片，還可以用這個(gè)接口來(lái)裝入程序。用37芯扁平電纜使計算機通過(guò)并行口或轉接卡與SEED-SDSPP仿真盒相連，再用14芯JTAG接口線(xiàn)連接到用戶(hù)DSP目標板。在PCB電路設計好后，程序先將JTAG的控制指令通過(guò)TDI送入JTAG控制器的指令寄存器中。再通過(guò)TDI將要寫(xiě)的數據及控制線(xiàn)信號輸入到BSR（邊界掃描寄存器）中，并將數據鎖存到BSC（邊界掃描單元）中，此后BSC的內容送到其連接的相應芯片的引腳!因芯片的數據線(xiàn)、地址線(xiàn)及控制線(xiàn)的引腳上都有其相應的BSC，只要用JTAG指令將數據、地址及控制信號送到其BSC中，就對芯片內的寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)，通過(guò)BSC對應的引腳，不但可以將信號送給發(fā)Flash，實(shí)現對Flash的操作，也可以對SDRAM進(jìn)行操作。

5結束語(yǔ)

應用上述的設計方法及其要點(diǎn)，通過(guò)反復調試實(shí)現了對加速度的測量，達到了預期目的。實(shí)踐證明ADXL203非常適合頻率變化較為緩慢、加速度不太大的測量。在充分考慮各種因素的基礎上，合理設置有關(guān)參數，就可以得到很好的精度。而在用DSP處理信號的時(shí)候，時(shí)鐘信號的選擇與A/D的頻率周期非常吻合，可以高效的追蹤信號，及時(shí)地處理信號，準確地反映當前物體的位移變化，達到了很好的效果。