趙麗麗,王 剛

(中國包裝科研測試中心，天津 300457)

0 引言

電子商務等行業(yè)的迅速發(fā)展使得物流行業(yè)得到了快速的增長，但居高不下的貨損率已嚴重制約了物流行業(yè)的發(fā)展。研究發(fā)現(xiàn)，貨物在流通環(huán)節(jié)中所遭受的損壞，究其主要原因在于其所遭受的跌落/碰撞沖擊，尤以跌落沖擊所造成的損壞程度最為嚴重。目前，國內對跌落所造成的貨損要依賴以下3個途徑進行控制：一是反復更改包裝設計；二是利用跌落試驗設備模擬運輸環(huán)境進行測試；三是對貨物進行投保。但無論采用哪種途徑都會耗費大量的人力物力，卻無法對運輸過程的實際情況進行監(jiān)測。因此，設計一種可對運輸過程實時監(jiān)控，并可據此進行事后實驗室過程再現(xiàn)做進一步分析的設備，具有非常重要的現(xiàn)實意義。

1 跌落記錄儀的硬件電路設計

跌落記錄儀的硬件部分主要完成加速度信號的采集、計算和存儲工作，主控制器采用MSP430處理器，由傳感器模塊、存儲模塊、電源模塊、JTAG仿真接口、指示燈、按鍵和USB接口組成，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能框圖

1.1 主控制器

該儀器選用的微控制器為MSP430F5529，是最新一代的具有集成USB功能的MSP430器件。片內自帶128 KB的Flash存儲空間滿足了系統(tǒng)存儲運行參數(shù)的要求，并具有8 KB的SRAM空間可構建用于數(shù)據暫存的FIFO數(shù)組，4個16位的Timer配有專門的PWM輸出引腳,1個USB接口，2個UART接口，2個SPI接口，16個12位的ADC通道，3個DMA通道，并具有看門狗和實時時鐘模塊。除具有滿足跌落記錄儀需要的硬件模塊外，該芯片還具有超低的功耗，工作模式下，系統(tǒng)時鐘配置為4 MHz，其功耗為1.16 mA，配置為低功耗模式0時其功耗僅為83 μA.

1.2 傳感器

該儀器采用的傳感器為基于iMEMS技術的三軸數(shù)字式加速度傳感器ADXL345.該傳感器具有±2%、±4%、±8%和±16g4個可選的測量范圍，最高13 bit的分辨率，固定的4 mg/LSB的靈敏度，標準的SPI接口，但其功耗卻超低，在工作模式下僅為140 μA，待機模式下僅為0.1 μA.

由于為iMEMS器件，ADXL345在靜止時其輸出的三軸合成為1g，但當發(fā)生跌落事件時其加速度的三軸合成值會降低到接近0g，并且這個過程的持續(xù)時間與跌落的高度有關。這個特性為在主控制器中通過計算捕捉跌落事件和進行跌落事件的排序覆蓋提供了基礎。

ADXL345與MSP430F5529的連接電路如圖2所示，采用標準的SPI接口方式。系統(tǒng)上電后，ADXL345被配置為16g量程，13 bit的分辨率，800 Hz的采樣頻率，之后進入待機狀態(tài)。在設定的啟動時刻到來時，CPU將ADXL345配置為正常模式，啟動采樣。ADXL345每采集1組數(shù)據通過中斷口喚醒1次CPU，進行1次數(shù)據讀取和計算。

圖2 ADXL345連接圖

1.3 存儲模塊

存儲模塊的連接電路圖如圖3所示，因MSP430系列微處理器并未開放地址和數(shù)據總線，所以該儀器采用了2 Mb的EEPROM芯片M95M02.，該芯片為SPI接口可以很方便地與主控制芯片進行連接，并具有很好的擴展性，非常適合低存儲容量的系統(tǒng)，并且一次頁寫所需要的時間為10 ms，最大功耗為3 mA，待機功耗僅為5 μA，也非常適合低功耗的設備。

國3 M95M02連接圖

1.4 DMA數(shù)據存儲

DMA(Direct Memory Access)直接內存存儲，該記錄儀中采用DMA數(shù)據存儲的方式將數(shù)據從SRAM的FIFO數(shù)組傳遞給EEPROM中進行保存。在整個過程中，CPU只負責初始化這個傳輸，傳輸過程由DMA控制器來執(zhí)行，在傳輸結束后才提起中斷，省去了CPU取指令、取數(shù)、送數(shù)等操作，也無需頻繁的響應中斷，且每傳輸一個字節(jié)僅需2個主時鐘周期，極大降低了數(shù)據的傳輸時間。

該跌落記錄儀采用了突發(fā)塊傳輸(Burst-block transfer)模式，在每傳輸4個字節(jié)或字后CPU將運行2個主時鐘周期，因此在傳輸數(shù)據的過程中還保持了20%的CPU執(zhí)行能力，以保證不間斷地進行數(shù)據采集和跌落事件判別運算。

1.5 電源管理

出于對低功耗的考慮，該跌落記錄儀采用LTC3103芯片用作系統(tǒng)的電源芯片，用于將9 V電壓轉換為系統(tǒng)所需要的電壓。實測其在系統(tǒng)中的轉換效率可達到85%以上，但其靜態(tài)電流僅為1.8 μA.

為保證記錄儀可以穩(wěn)定可靠地工作，系統(tǒng)利用實時時鐘模塊的報警功能，在檢測狀態(tài)下每30 min檢查1次電池電壓，當電壓值降至所設定的門限值時，系統(tǒng)在保存完當前一個事件后進行自動關機。

1.6 USB接口

MSP430F5529芯片內部集成了一個符合USB2.0協(xié)議規(guī)范的USB模塊，支持全速12 Mbit/s的USB收發(fā)。在該跌落記錄儀中，USB接口被配置為2種模式：一種為HID(Human Interface Device)模式，在將儀器用于運輸狀態(tài)監(jiān)測之前，通過PC軟件將用于系統(tǒng)運行參數(shù)通過USB的HID模式設置進儀器中，當運輸監(jiān)測過程結束后，仍通過此種方式將設置的系統(tǒng)運行參數(shù)讀取出來用于后續(xù)的軟件分析；另一種為MSC(Mass storage Class)模式，運輸監(jiān)測過程結束后，通過此模式將采集的跌落事件的數(shù)據傳給PC機。

2 跌落記錄儀的軟件設計

該跌落記錄儀的主體軟件設計流程圖如圖4,出于降低功耗的考慮，系統(tǒng)在上電開機后，完成系統(tǒng)配置即進入低功耗模式0，并且在后續(xù)的運行過程中，每次完成中斷處理工作，系統(tǒng)都進入低功耗模式0。

在用戶設定的啟動采集條件來臨時，系統(tǒng)配置相應的采集參數(shù)，啟動ADXL345，進入數(shù)據采集模式。當ADXL345完成一次數(shù)據轉換后，向系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據采集完成中斷，系統(tǒng)退出低功耗模式對數(shù)據進行相應的處理。如判定為自由落體事件則對其進行保存。

當用戶按下關機鍵后，系統(tǒng)在確認當前數(shù)據保存完畢后，啟動報警指示功能并在規(guī)定的時間內關機。

圖4 軟件流程圖

3 低功耗設計

該跌落記錄儀要求在不充電的情況下連續(xù)工作90 d，因此在整個系統(tǒng)的硬件、軟件部分都充分進行了低功耗的設計。

(1)元件選型方面：盡量選擇低功耗的器件，要保證在正常模式和待機模式下都具有良好的低功耗特性，同時需注意在進行系統(tǒng)連接之后，各個工作狀態(tài)下都不能出現(xiàn)漏電的情況；

(2)硬件設計方面：不用的CPU管腳進行接地處理，各部分電阻的選用進行充分的考慮，盡量做到在電阻上消耗的電流最小；

(3)軟件設計方面：盡量將系統(tǒng)時鐘調整在合適頻率，過高的系統(tǒng)時鐘頻率會增加系統(tǒng)的功耗。對各部分的代碼進行了優(yōu)化，并采用DMA方式進行數(shù)據存儲，以提高系統(tǒng)運行效率。盡量讓系統(tǒng)在不工作時進入低功耗模式。

4 測試分析

該次測試為測試某快遞公司將貨物從天津運往?？诘倪^程中所發(fā)生的跌落沖擊事件。跌落記錄儀所記錄的數(shù)據傳輸給上位機，并經上位機軟件分析后給出跌落高度信息。以發(fā)生在2013年8月8號 8∶31∶45，跌落高度為0.566 4 m的跌落事件為例，以下為各個軸在本次跌落事件中所受加速度的情況分析?？v軸為沖擊值，單位為g(9.8 m/s2)，橫軸為時間軸，單位為ms.

X軸所受的加速度的曲線圖如圖5所示，其最大加速度為4.914g.

圖5 X軸曲線

Y軸所受的加速度的曲線圖如圖6所示，其最大加速度為10.21g.

圖6 Y軸曲線

Z軸所受的加速度的曲線圖如圖7所示，其最大加速度為15.966g.

圖7 Z軸曲線

三軸所受的加速度的合成值曲線圖如圖8所示。

圖8 三軸合成曲線

5 結束語

該記錄儀專注于采集物流運輸過程中的跌落沖擊事件，已在中國包裝科研測試中心的運輸包裝實驗室完成性能測試，并經過了實際運行的檢驗，可作為改進包裝運輸方式提供重要的實際數(shù)據依據，有效地降低貨損率，現(xiàn)已推向市場。

參考文獻：

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[4] 莫莉,王雪梅,倪文波.基于DSP的數(shù)據采集與顯示系統(tǒng)，儀表技術與傳感器,2011(7):41-43.