ARM7加速度數據采集系統設計

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(dòng)加速度、靜態(tài)加速度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測。通過(guò)AT91SAM7X256對實(shí)時(shí)接收的數據進(jìn)行處理，并將處理后的數據實(shí)時(shí)顯示，或者保存到存儲設備上。
關(guān)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(zhù)微加速度計的應用越來(lái)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(jiǎn)單、控制靈活，但控制周期長(cháng)、速度慢，特別是對高速轉換的數據來(lái)說(shuō)，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(jīng)進(jìn)入到一個(gè)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(diǎn)，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(jìn)行轉換。
本文應用Model 1221單軸MEMS加速度計，輸出信號經(jīng)簡(jiǎn)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(jìn)行設置，省去了A／D轉換電路，大大簡(jiǎn)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(dòng)態(tài)加速度(如典型振動(dòng)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(jīng)過(guò)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(jīng)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(guò)軟件方式對處理器的A／D功能進(jìn)行合理設置；處理后的數據經(jīng)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(jìn)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(guò)串口通信輸出到PC機上實(shí)時(shí)顯示。電源裝置采用開(kāi)關(guān)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(jiǎn)介
2．1 主要特點(diǎn)
Model 1221單軸MEMS(Micro Electro MechanicalSysteros)加速度計就是使用MEMS技術(shù)制造的加速度計。由于采用了微機電系統技術(shù)，使得其尺寸大大縮小，一個(gè)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(diǎn)。它可以測量振動(dòng)類(lèi)型的動(dòng)態(tài)加速度和重力類(lèi)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(shí)間短、帶寬寬等特點(diǎn)；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(shù)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(gè)剛體支撐的質(zhì)量塊，有運動(dòng)的情況下質(zhì)量塊會(huì )產(chǎn)生壓力，剛體產(chǎn)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(gè)質(zhì)量塊，從單個(gè)單元來(lái)看，它是標準的平板電容器。加速度的變化帶動(dòng)活動(dòng)質(zhì)量塊的移動(dòng)，從而改變平板電容兩極的間距和正對面積，通過(guò)測量電容變化量來(lái)計算加速度。
③熱感式MEMS加速度計。內部沒(méi)有任何質(zhì)量塊，它的中央有一個(gè)加熱體，周邊是溫度傳感器，里面是密閉的氣腔。工作時(shí)在加熱體的作用下，氣體在內部形成一個(gè)熱氣團，熱氣團的比重和周?chē)睦錃馐怯胁町惖?，通過(guò)慣性熱氣團的移動(dòng)形成的熱場(chǎng)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(dòng)態(tài)”加速度，而不能感應到“靜態(tài)”加速度，也就是我們所說(shuō)的重力加速度。而容感式和熱感式既能感應“動(dòng)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(gè)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(lái)計算加速度。