基于nRF905的無(wú)線(xiàn)加速度測量系統設計

摘要：為了克服有線(xiàn)加速度傳感系統中由導線(xiàn)所導致的數據傳輸弊端，以射頻數字傳輸方式代替傳統導線(xiàn)傳輸方式。給出了無(wú)線(xiàn)加速度測量系統設計方案，設計了系統電路并進(jìn)行調試。加速度信號采集及射頻收發(fā)試驗表明，在400 m范圍內，測量數據傳輸準確。在近距運動(dòng)物體加速度測量的復雜環(huán)境中，該系統能夠克服因采用傳輸導線(xiàn)所帶來(lái)的一些缺點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：nRF905；加速度測量；LIS331DL；無(wú)線(xiàn)傳輸

0 引言
微電子與微機械(MEMS)技術(shù)的發(fā)展，使現代傳感器設計向微型化、智能化、集成化、微低功耗方向發(fā)展。MEMS技術(shù)突破了傳統傳感器設計受質(zhì)量、體積、功耗等技術(shù)瓶頸的束縛，在各測量領(lǐng)域有著(zhù)非常廣泛的應用。而隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展，傳感器技術(shù)與無(wú)線(xiàn)技術(shù)結合得越來(lái)越緊密，利用無(wú)線(xiàn)技術(shù)開(kāi)發(fā)信號采集無(wú)線(xiàn)傳輸模塊可以克服有線(xiàn)傳輸的弊端。
本文結合三軸線(xiàn)性MEMS慣性傳感器LIS331DL和單片無(wú)線(xiàn)收發(fā)器nRF905構建加速度測量無(wú)線(xiàn)傳輸系統，避免因采用傳輸導線(xiàn)所帶來(lái)的不利影響和使用上的不方便。該系統的特點(diǎn)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，能夠實(shí)現對運動(dòng)物體三維方向上加速度的測量。所設計的系統裝置可以非常方便地固定于運動(dòng)物體上，尤其適合近距復雜環(huán)境中對運動(dòng)物體加速度的測量。

1 系統組成和工作原理
系統總體構成如圖1所示。系統分為主、從機兩部分。從機負責測量運動(dòng)物體的加速度并通過(guò)射頻傳輸方式發(fā)射測量數據；主機負責接收從機發(fā)射的數據，對數據進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并將數據結果通過(guò)RS 232串口保存到PC機中以供分析。

系統采用電池供電，在非工作模式下處于待機模式，通過(guò)控制按鍵實(shí)現工作模式和待機模式的切換以進(jìn)一步節省功耗，保證電池長(cháng)時(shí)間工作。

2 硬件設計
硬件設計主要包括傳感器與微控器外圍連接電路設計、射頻收發(fā)器與微控器外圍連接電路設計等。
2．1 微控制器
經(jīng)對比選用高速C8051F310單片機作為系統的微控器。C8051F310是完全集成的混合信號片上系統型MCU芯片，具有片內上電復位、VDD監視器、看門(mén)狗定時(shí)器和時(shí)鐘振蕩器的真正獨立工作的片上系統，片內外設豐富。
2．2 LIS331DL傳感器電路設計
LIS331DL是ST納米運動(dòng)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(xiàn)性加速度傳感器。

邏輯框圖如圖2所示。LIS331DL內部有按互相垂直關(guān)系放置的三個(gè)敏感質(zhì)量塊。當有外界加速度作用時(shí)，敏感質(zhì)量塊會(huì )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(gè)電極組成的電容之間，質(zhì)量塊位移的變化會(huì )引起電容電極兩端電荷量的變化，電荷量的變化經(jīng)電容／電壓變換器轉化為電壓的變化，A／D轉換器將模擬電壓值轉換為二進(jìn)制數字值，從I2C／SPI串行接口的三個(gè)輸出軸以二進(jìn)制補碼的形式輸出。該芯片能夠測量運動(dòng)物體在三維空間的線(xiàn)加速度，三個(gè)輸出軸上加速度的矢量和即為運動(dòng)物體的加速度。