王 超， 徐曉輝， 郭 濤， 閆明明

(1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051;

2.洛陽理工學(xué)院工程訓(xùn)練中心，河南洛陽 471023)

0 引言

隨著MEMS技術(shù)的飛速發(fā)展，體積小、精度高、價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)使得MEMS傾角傳感器成為傾角測量儀器的首選［1］。尤其在國防軍事上車載雷達(dá)、導(dǎo)彈發(fā)射車的調(diào)平領(lǐng)域。發(fā)射導(dǎo)彈前，升起車載雷達(dá)進(jìn)行掃描，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后鎖定，然后攻擊，雷達(dá)工作時(shí)用液壓支腿將車頂起，調(diào)整為水平，并在規(guī)定的范圍內(nèi)保持一定的精度。雷達(dá)工作時(shí)天線及波束掃描要有一個(gè)起始位置，調(diào)平就是使此位置固定，從而使測量精度真實(shí)可靠。調(diào)平導(dǎo)彈發(fā)射車的主要目的是賦予導(dǎo)彈一定精度的初始角度，使導(dǎo)彈發(fā)射后能快速、準(zhǔn)確地射入制導(dǎo)雷達(dá)波束而截獲，從而使導(dǎo)彈盡快受控，防止發(fā)射截獲失敗等事故［2］。本文設(shè)計(jì)的無線傾角傳感器在許多人工很難達(dá)到的測量現(xiàn)場都可以進(jìn)行測量，同時(shí)無線傾角傳感器可被用于復(fù)雜惡劣的工作環(huán)境進(jìn)行信號采集，有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值，應(yīng)用前景十分廣闊［3］。

1 角度測量原理

角度傳感器是基于重力加速度原理而設(shè)計(jì)的，由于重力加速度g方向豎直向下，當(dāng)空間平面水平與g垂直，g在平面上的投影則為0;如果空間平面不水平，即與g不垂直時(shí)，g在該空間平面上的投影不為0。

如圖1所示，通過加速度傳感器感應(yīng)軸上的重力加速度，經(jīng)過轉(zhuǎn)換可得到平面傾角。傳感器輸出與重力之間存在下列關(guān)系:

式中:AX為加速度傳感器輸出;g是以重力作為參考的加速的值;α代表傳感器傾角。傳感器測試到加速度，輸出帶有加速度信息的電壓信號，即可以表征角度。

圖1 測量原理圖

在加速度原理的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)角度測量，它以重力為輸入矢量來決定物體在空間的姿態(tài)，這里即指物體的角度反應(yīng)［4］。把加速度傳感器固定在物體的水平面上，當(dāng)物體角度改變時(shí)，加速度傳感器的敏感軸隨之轉(zhuǎn)動一定角度，由于重力的作用，傳感器敏感軸上的加速度會發(fā)生改變，因此可以通過測量加速度的變化來反映物體的角度偏轉(zhuǎn)。

2 方案設(shè)計(jì)

雙軸加速度傳感器ADXL202可用來測量二維加速度信號，同時(shí)也可測量傾角信號。將采集到的信號傳輸進(jìn)單片機(jī)進(jìn)行分析、處理和數(shù)據(jù)計(jì)算，得到的傾角數(shù)據(jù)經(jīng)由無線發(fā)射電路發(fā)送出去，無線接收模塊檢測的同頻率的信號并接收數(shù)據(jù)［5］。

如圖2所示，無線雙軸傾角傳感器主要包括傳感器模塊、單片機(jī)、顯示模塊、無線模塊4部分。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

(1)傳感器模塊。設(shè)計(jì)MEMS傳感器的外圍電路，使傳感器能輸出數(shù)字信號。本系統(tǒng)采用ANALOG DEVICES公司的ADXL202芯片。

(2)單片機(jī)。系統(tǒng)的控制中心，完成數(shù)據(jù)處理、輸出顯示數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用了STC公司的STC89C52單片機(jī)作為控制核心。

(3)顯示模塊。該模塊作用是使用LCD將輸出的X軸和Y軸的傾角顯示出來。

(4)無線模塊。無線收發(fā)電路是將單片機(jī)處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送并接收，本系統(tǒng)采用了TI公司的CC1110芯片作為無線模塊核心。

2.1 傳感器模塊

本設(shè)計(jì)選用ADXL202作為傾角測量的傳感器芯片［6］。Xfilt與Yfilt為傳感器的模擬輸出端;Xout與Yout為數(shù)字輸出端，ADXL202可輸出數(shù)字信號并直接傳輸給微處理器，而無需A/D轉(zhuǎn)換或附加其他電路。

本設(shè)計(jì)中把傳感器輸出數(shù)字信號的兩個(gè)引腳Xout、Yout直接接到單片機(jī)的兩個(gè)I/O引腳上，通過檢測引腳上高低電平的持續(xù)時(shí)間來計(jì)算其占空比，再進(jìn)一步計(jì)算其加速度值，進(jìn)而可以轉(zhuǎn)換得到傾角值。傳感器部分的外圍電路如圖3所示。

圖3 傳感器外圍電路

2.2 控制模塊

選用STC89C52單片機(jī)作為設(shè)計(jì)電路的控制部分，傳感器測得傾角信號輸入到單片機(jī)，在單片機(jī)中進(jìn)行計(jì)算和轉(zhuǎn)換，最后得到測量的傾角值。單片機(jī)系統(tǒng)電路如圖4所示。

2.2.1 復(fù)位電路

單片機(jī)的復(fù)位電路有上電復(fù)位和手動按鈕復(fù)位兩種形式，RESET端的高電平直接由上電瞬間產(chǎn)生高電平則為上電復(fù)位;若通過按鈕產(chǎn)生高電平復(fù)位信號則稱為手動按鈕復(fù)位。單片機(jī)的復(fù)位電路非常重要，如果復(fù)位端RESET電平不穩(wěn)定將直接導(dǎo)致單片機(jī)的工作異常［7］。因此，復(fù)位電路既要保證電平穩(wěn)定又要滿足單片機(jī)復(fù)位信號的延時(shí)要求。

圖4 單片機(jī)系統(tǒng)電路圖

2.2.2 程序下載電路

選用MAX232作為USB轉(zhuǎn)串口芯片，MAX232芯片是美信公司專門為電腦的RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的接口電路，使用+5V單電源供電。內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本可分3部分:

(1)電荷泵電路。由1～6腳和4只電容構(gòu)成。功能是產(chǎn)生+12 V和－12 V兩個(gè)電源，提供給RS-232串口電平的需要。

(2)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。由7～14腳構(gòu)成兩個(gè)數(shù)據(jù)通道。其中 13腳(R1IN)、12腳(R1OUT)、11腳(T1IN)、14腳(T1OUT)為第一數(shù)據(jù)通道;8腳(R2IN)、9腳(R2OUT)、10 腳(T2IN)、7 腳(T2OUT)為第二數(shù)據(jù)通道。TTL/CMOS數(shù)據(jù)從T1IN、T2IN輸入轉(zhuǎn)換成RS-232數(shù)據(jù)從T1OUT、T2OUT送到電腦DP9插頭;DP9插頭的RS-232數(shù)據(jù)從R1IN、R2IN輸入轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS數(shù)據(jù)后從R1OUT、R2OUT輸出。

(3)供電。15腳GND、16腳VCC(+5 V)。設(shè)計(jì)電路如圖5所示。

2.3 顯示模塊

將經(jīng)單片機(jī)轉(zhuǎn)換得到的傾角值在顯示模塊上顯示，顯示模塊選用LCD1602作為顯示芯片，LCD1602功耗低、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧，常用在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中［8］。使用單片機(jī)對LCD進(jìn)行控制顯示，單片機(jī)的P1口作為數(shù)據(jù)端，P2口作為控制端。顯示模塊的電路如圖6所示。

圖5 程序下載電路圖

2.4 無線收發(fā)模塊

無線收發(fā)模塊分為發(fā)送模塊和接收模塊兩部分［9］，發(fā)送模塊和接收模塊電路大致相同，RF無線模塊由無線單片機(jī)CC1110和RF天線電路組成。

2.4.1 無線單片機(jī)CC1110

CC1110是一種低成本真正的無線SOC，為低功耗無線應(yīng)用而設(shè)計(jì)［10］。該芯片包含了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051MCU和一個(gè)無線收發(fā)芯片CC1100，被封裝在一個(gè)6 mm×6 mm的芯片中。8051MCU自帶32 KB Flash和4 KB RAM。

無線通信主要工作在315、433、868和915 MHz的ISM(工業(yè)，科學(xué)和醫(yī)學(xué))和SRD(短距離設(shè)備)頻率波段，在ISM頻段可自由地設(shè)置為300～348 MHz、391～464 MHz和 728 ～928 MHz［11］。

CC1110的RF射頻收發(fā)器集成了一個(gè)高度可配置的調(diào)制解調(diào)器。這個(gè)調(diào)制解調(diào)器支持不同的調(diào)制格式，其數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)500 kb/s［12］。通過開啟集成在調(diào)制解調(diào)器上的前向誤差校正選項(xiàng)，使性能得到提升。

CC1110結(jié)合一個(gè)高性能433 MHz、868/915 MHz DSSS(直接序列擴(kuò)頻)射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級小巧高效的8051控制器［13］。該芯片延用了以往TI公司ZigBee無線(定位)芯片CC2430/CC2431架構(gòu)，它使用1個(gè)8位MCU(8051)，具有32 KB可編程閃存和4 KB的RAM，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、定時(shí)器(Timer)、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時(shí)器(Watchdog Timer)、32 kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路、掉電檢測電路以及21個(gè)可編程I/O引腳［14］。

CC1110芯片工作時(shí)的電流損耗為16 mA;速率為1.2 kBaud，在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于16.2 mA 或16 mA;速率為2.4 kBaud，CC1110 休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動模式的超短時(shí)間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應(yīng)用［15］。

2.4.2 無線模塊設(shè)計(jì)

無線模塊由單片機(jī)CC1110和RF天線電路組成。CC1110的兩個(gè)引腳 P1_0、P1_1外接兩個(gè)發(fā)光二極管，作為無線通信的閃爍標(biāo)志;RF_N、RF_P引腳外接天線做無線收發(fā)使用，23腳(RF_P)在 RX期間向LNA輸入正向射頻信號，在TX期間接受來自PA的輸入正向射頻信號;24腳(RF_N)在RX期間向LNA輸入負(fù)向射頻信號，在TX期間接受來自PA的輸入負(fù)向射頻信號;X1、X2提供系統(tǒng)工作單片機(jī)需要的晶振，其中 X2是32.768 kHz的 XOSC，X1是32MHz的晶振;DVDD外接2.0～3.6 V電源供電，其中2腳為I/O供電，19腳、22腳、25腳、26腳、29腳為模擬電路的連接供電;27引腳(RBIAS)接電阻為參考電流提供精確的偏置電阻;31腳是復(fù)位引腳，連接一個(gè)復(fù)位電路，設(shè)計(jì)電路如圖7所示。

圖7 無線模塊電路圖

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)控制模塊程序設(shè)計(jì)

利用單片機(jī)對傳感器傳輸?shù)男盘栠M(jìn)行處理和計(jì)算，程序流程如圖8所示。

3.2 無線模塊程序設(shè)計(jì)

主要內(nèi)容包括CC1110芯片的初始化、數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。

圖8 單片機(jī)程序流程圖

3.2.1 RF 配置函數(shù)

配置函數(shù)規(guī)定了無線收發(fā)模塊的收發(fā)頻率、發(fā)送功率、無線傳輸速率、無線收發(fā)模式、調(diào)制方式以及數(shù)據(jù)長度等［16］。CC1110 可以工作于 315、433、868/915 MHz。

本設(shè)計(jì)中，CC1110工作于433 MHz，傳輸速率為250 kHz，GFSK調(diào)制方式，540 kHz接收濾波帶寬。

3.2.2 RF 發(fā)送程序

發(fā)送模塊主程序首先初始化8051MCU和無線射頻部分CC1110模塊。點(diǎn)亮LED，表示系統(tǒng)進(jìn)入等待狀態(tài)。發(fā)送模塊進(jìn)入程序循環(huán)，把數(shù)據(jù)發(fā)送出去，LED閃爍一次。發(fā)送流程如圖9所示。

圖9 RF發(fā)送流程

3.2.3 RF 接收程序

接收模塊主程序首先初始化8051MCU和射頻部分CC1110模塊，然后點(diǎn)亮LED，系統(tǒng)進(jìn)入等待狀態(tài)，監(jiān)視空氣中的無線信號，判斷是否有發(fā)送來的數(shù)據(jù)包，如果有，LED狀態(tài)取反。接收流程如圖10所示。

圖10 RF接收流程

無線收發(fā)模塊主要實(shí)現(xiàn)的功能是:發(fā)送模塊上電復(fù)位以后，進(jìn)入無線通信狀態(tài)，點(diǎn)亮紅燈，進(jìn)入無線發(fā)送狀態(tài)，發(fā)送模塊開始發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，紅燈閃爍一次。接收模塊上電復(fù)位以后進(jìn)入無線通信狀態(tài)，點(diǎn)亮紅燈，進(jìn)入無線接收狀態(tài)，接收到數(shù)據(jù)紅燈閃爍一次。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

利用三軸位置轉(zhuǎn)臺對設(shè)計(jì)的無線傾角傳感器進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，轉(zhuǎn)臺精度為0.01°。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。從表中可以看出，最大角度誤差為±0.03°，測量精度較高，滿足大多數(shù)領(lǐng)域?qū)嵌葴y量精度的要求。

表1 試驗(yàn)標(biāo)定結(jié)果

5 結(jié)語

介紹了MEMS傾角傳感器與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)合設(shè)計(jì)的無線雙軸傾角傳感器，本設(shè)計(jì)具有微型化、低價(jià)格、高精度等特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)采用傾角傳感器的數(shù)字輸出信號進(jìn)行處理，避免了模擬信號處理過程中可能出現(xiàn)的噪聲、干擾等不利因素。試驗(yàn)結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)可以應(yīng)用在頻率變化較為緩慢、加速度不太大的角度測量領(lǐng)域。

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