基于MEMS慣性傳感器的加速度測量無(wú)線(xiàn)傳輸系統設計

　　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。

　　該芯片具有標準的I2C／SPI串行總線(xiàn)接口，內置嵌入式功能，為用戶(hù)提供動(dòng)態(tài)可編程設置的兩個(gè)量程±2g／±8g以適應不同的應用場(chǎng)合，數據輸出速率可編程選擇為100 Hz／400 Hz以適應不同外設的速率要求。當外界加速度值超過(guò)三個(gè)輸出軸中至少一個(gè)軸的可編程加速度閾值時(shí)，芯片可被配置用以產(chǎn)生慣性喚醒／自由落體中斷信號。 LIS331DL能夠承受10 000g的加速度沖擊而依然保持性能不變。

　　LIS331DL與C8051F310的電路連接如圖3所示。C8051F310內部有一個(gè)標準的SPI串行接口，通過(guò)交叉開(kāi)關(guān)將C8051F310（主機）的四線(xiàn)制SPI外部引腳配置在P0．0（總線(xiàn)時(shí)鐘SCK）、P0．1（主人從出MISO）、P0．2（主出從入）和P0．3（從機SPI片選CS）這四個(gè)引腳上，LIS331DL作為SPI總線(xiàn)的從機，主機和從機通過(guò)SPI總線(xiàn)進(jìn)行數據傳輸，總線(xiàn)時(shí)鐘由主機決定。從機的兩個(gè)中斷標志輸出引腳接到主機的 P0．6和P0．7，主機內的交叉開(kāi)關(guān)將兩個(gè)外部中斷標志輸入引腳配置在P0．6和P0．7，它們連接到從機的兩個(gè)中斷標志輸出9號和11號引腳，這樣可以進(jìn)行LIS331DL功能的擴展（自由落體中斷檢測，內部喚醒等）。

　　2．3 nRF905單片機無(wú)線(xiàn)收發(fā)器電路設計

　　本測量系統中采用nRF905射頻芯片作為射頻收發(fā)器。nRF905采用Nordic公司的VLSI ShockBurst技術(shù)。ShockBurst技術(shù)使nRF905能夠提供高速的數據傳輸而無(wú)需昂貴的高速MCU來(lái)進(jìn)行數據處理／時(shí)鐘覆蓋。通過(guò)將與 RF協(xié)議有關(guān)的高速信號處理放到芯片內，nRF905提供給微控器一個(gè)SPI接口，速率由微控器設定的接口速率決定。nRF905通過(guò) ShockBurst工作模式在RF以最大速率進(jìn)行連接時(shí)降低數字應用部分的速率來(lái)降低在應用中的平均電流消耗。

　　nRF905與C8051F310的電路連接如圖4所示。C8051F310的SPI同步串行口已作為與LIS331DL的通信接口，為充分利用C8051F310的引腳資源，取C8051F310的P1．0，P1．1，P1．2和P1．3四個(gè)IO口組成一個(gè)模擬SPI串口與nRF905的 SPI口相連接，數據采用單字節逐次移位的方式進(jìn)行傳輸。

　　C8051F31O作為SPI主機，nRF905作為從機。主機在P1．0引腳提供主機模擬SPI時(shí)鐘，P1．1引腳作為主機模擬MISO 線(xiàn)，P1．2引腳作為主機模擬MOSI線(xiàn)，P1．3引腳作為從機SPI片選線(xiàn)。主機通過(guò)此模擬SPI串行口在配置模式下對從機相關(guān)寄存器進(jìn)行配置；在RF 發(fā)射和接受模式下進(jìn)行發(fā)射數據的傳送和接收數據的讀取。nRF905的工作狀態(tài)接口由CD，AM和DR組成；工作模式控制引腳由PWR，TRX和TX組成，C8051F310通過(guò)P1．4，P1．5和P1．6來(lái)設置nRF905的工作模式，具體模式設置如表1所示。

　　進(jìn)入ShockBurst RX模式650μs后，nRF905不斷檢測，等待接收數據。當檢測到同一頻段的載波時(shí)，載波檢測引腳CD被置高，當接收到一個(gè)相匹配的地址，地址檢測引腳AM被置高，當一個(gè)正確的數據包接收完畢，nRF905自動(dòng)移去字頭、地址和CRC校驗位，然后將DR引腳置高，通知MCU讀取數據，數據讀取完畢DR 引腳置低。

　　當有數據要發(fā)送時(shí)，MCU按時(shí)序將接收機的地址和要發(fā)送的數據傳送給nRF905，SPI接口速率在通信協(xié)議和器件配置時(shí)確定。進(jìn)入Shock Burst TX模式650us后，射頻寄存器自動(dòng)開(kāi)啟，進(jìn)行數據打包（加字頭和CRC校驗碼），發(fā)射數據包。當數據發(fā)射完成，DR引腳置高通知MCU數據已成功發(fā)送。

　　3 軟件設計

　　軟件采用結構化程序設計方法，由主程序和各任務(wù)子程序組成。系統上電后，C8051F310完成對自身、LIS331DL傳感器和射頻收發(fā)器nRF905的初始化設，根據鍵值電平高低來(lái)決定是否進(jìn)入工作狀態(tài)。

　　在從機進(jìn)入工作狀態(tài)后，C8051F310通過(guò)SPI同步串行口讀取LIS331DL傳感器X，Y和Z軸寄存器的值，根據三個(gè)數值求出加速度值，然后將該數值連同主機地址一起通過(guò)模擬SPI口傳給nRF905，由其自動(dòng)完成數據的發(fā)送；主機進(jìn)入工作狀態(tài)后不斷檢測有效載波，當攜帶有效數據的載波出現后，nRF905自動(dòng)完成去除數據包中的地址、CRC校驗位和加速度數據的提取操作，此操作完成后通知C8051F310讀取數據直至數據讀取完畢，C8051F310將數據先在LCD1602液晶顯示器中進(jìn)行顯示，然后通過(guò)RS232將數據保存到PC機，系統程序流程如圖5所示。

　　4 系統調試

　　在旋轉試驗臺上進(jìn)行系統的測試。試驗方案為：從機固定在距旋轉臺中心一定距離處，通過(guò)調整轉臺的轉速來(lái)獲得不同的法向加速度，從機對法向加速度進(jìn)行測量，測量結果以射頻方式傳給主機進(jìn)行顯示和保存。該系統在試驗中運行可靠，測量結果準確性高，由于采用數字式射頻傳輸方式使數據傳輸誤碼率極低。

　　5 結論

　　采用無(wú)線(xiàn)數字傳輸方式避免了傳輸導線(xiàn)的內阻和雜散分布電容、環(huán)境溫度、電磁干擾等影響，尤其適合于復雜環(huán)境下運動(dòng)物體加速度的測量，這一特點(diǎn)是有線(xiàn)傳輸方式所無(wú)法比擬的。