吳志強(qiáng) 印 娟 朱欣華

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

MEMS加速度計(jì)嵌入式批量自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳志強(qiáng) 印 娟 朱欣華

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

針對(duì)MEMS傳感器人工測(cè)試、篩選存在的工作效率低、易出錯(cuò)等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種MEMS電容式加速度計(jì)嵌入式自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由嵌入式多通道數(shù)據(jù)采集模塊及上位機(jī)組成，兩者通過(guò)USB接口進(jìn)行通信。為提高測(cè)試效率，嵌入式數(shù)據(jù)采集模塊采用微控制器控制4片菊花鏈方式級(jí)聯(lián)的ADS1278，實(shí)現(xiàn)32通道模擬輸出的同步采樣。經(jīng)測(cè)試，各通道有效分辨率均優(yōu)于21 bits，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)了應(yīng)用軟件。實(shí)測(cè)結(jié)果表明該系統(tǒng)可大大提高M(jìn)EMS傳感器測(cè)試、篩選的效率。

自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備 批量測(cè)試 MEMS電容式加速計(jì) 菊花鏈 ADS1278

0 引言

MEMS傳感器是采用微電子和微機(jī)械加工技術(shù)制造的新型傳感器，具有體積小、質(zhì)量輕、成本低、功耗小、可靠性高、適于批量化生產(chǎn)、易于集成和實(shí)現(xiàn)智能化的特點(diǎn)，在汽車(chē)安全氣囊系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、防滑系統(tǒng)以及防盜系統(tǒng)等方面得到了廣泛應(yīng)用[1]。應(yīng)用過(guò)程中，為提高效率，需對(duì)生產(chǎn)或采購(gòu)的MEMS加速度計(jì)進(jìn)行批量性能測(cè)試，以判別產(chǎn)品的主要性能是否合格或滿足應(yīng)用需求。目前，MEMS傳感器測(cè)試、篩選工作大多依靠人工完成，工作效率低下，且容易出錯(cuò)[2]。當(dāng)然也有部分采用自動(dòng)測(cè)試[3-5]，但自動(dòng)測(cè)試往往僅針對(duì)單一的傳感器，無(wú)法實(shí)現(xiàn)批量自動(dòng)測(cè)試[3-4]，而且所用的測(cè)試設(shè)備龐大、昂貴[5]，因此開(kāi)發(fā)緊湊的批量自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)是MEMS加速度計(jì)應(yīng)用過(guò)程中的迫切需求。

本文采用測(cè)試工裝夾具技術(shù)、模/數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)，研制了一套MEMS電容式加速度計(jì)嵌入式批量自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)。系統(tǒng)具有成本低、體積小、人機(jī)界面友好等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)MEMS電容式加速度計(jì)批量自動(dòng)化測(cè)試。

1 批量自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 MESM電容式加速度計(jì)性能測(cè)試需求

在采用MEMS電容式加速度計(jì)構(gòu)成應(yīng)用系統(tǒng)前，需對(duì)其性能進(jìn)行全面評(píng)估，篩選出符合系統(tǒng)要求的加速度傳感器。本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了MEMS電容式加速度計(jì)零位穩(wěn)定性、零位重復(fù)性及溫度特性等靜態(tài)性能的測(cè)試。系統(tǒng)以Colibrys 公司的MS9030作為篩選對(duì)象，其主要參數(shù)規(guī)格如表1所示。

表1 MS9030主要性能參數(shù)表

根據(jù)表1所示的噪聲譜密度可知，1 Hz帶寬條件下，傳感器的動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)18 bit，為了不損失傳感器的測(cè)量精度，測(cè)試系統(tǒng)有效分辨率需優(yōu)于20 bit@1Hz。為滿足批量化測(cè)試需求，自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的功能及性能參數(shù)如表2所示。

表2 系統(tǒng)功能及技術(shù)指標(biāo)

參照國(guó)軍標(biāo)GJB 1037A《單軸擺式伺服線加速度計(jì)實(shí)驗(yàn)方法》，本文采用的穩(wěn)定性、重復(fù)性及溫度特性測(cè)試方法如下。

(1) 穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)：主要測(cè)試加速度傳感器的短期穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中將待測(cè)傳感器靜態(tài)置于轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)或安靜環(huán)境中的固定臺(tái)面上，敏感軸豎直向上，連接線纜后，上電10 min，然后采集30 min，結(jié)束后存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，斷電。

(2) 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)：按照(1)的要求，重復(fù)完成7次，每次開(kāi)斷電的間隔不少于30 min。

(3)溫度實(shí)驗(yàn)：將待測(cè)加速度計(jì)置于溫控箱內(nèi)，敏感軸豎直向上固定，連接線纜，將溫控箱設(shè)置到-20 ℃穩(wěn)定1 h后，給加速度計(jì)上電，同時(shí)開(kāi)始采集加速度的輸出，30 min后設(shè)置溫控箱按照1 ℃/min升至+60 ℃;保溫30 min后，按照1 ℃/min降至-20 ℃;保溫30 min后，停止采集存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，斷電，轉(zhuǎn)臺(tái)回到室溫，重復(fù)3組。

1.2 批量自動(dòng)化測(cè)試總體方案

本文采用的測(cè)試系統(tǒng)原理如圖1所示，主要由測(cè)試夾具、嵌入式多通道數(shù)據(jù)采集模塊及上位機(jī)組成。

圖1 批量自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)原理框圖

圖1中，為保證系統(tǒng)可重復(fù)使用，采用測(cè)試工裝夾具實(shí)現(xiàn)傳感器的電氣連接和機(jī)械固定，每個(gè)傳感器配備一個(gè)測(cè)試夾具，由測(cè)試夾具將加速度傳感器的各個(gè)引腳引出，實(shí)現(xiàn)傳感器供電，并將傳感器輸出引到多通道數(shù)據(jù)采集模塊。多通道數(shù)據(jù)采集模塊由微控制器控制，完成MEMS加速度計(jì)模擬輸出的數(shù)字化，模/數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過(guò)USB接口送至上位機(jī)。上位機(jī)通過(guò)USB發(fā)送控制命令給微控制器，微控制器通過(guò)GPIO配置實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集過(guò)程中相關(guān)參數(shù)的控制。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的控制過(guò)程包括采樣速率設(shè)定、采樣通道選擇、傳感器電路上電、斷電操作等。上位機(jī)軟件還可以實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的自動(dòng)分組保存及數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析等。

2 批量測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 測(cè)試夾具

在測(cè)試過(guò)程中，為方便安裝與卸載傳感器并能有效地固定傳感器以實(shí)現(xiàn)相關(guān)的靜態(tài)測(cè)試，為每個(gè)待測(cè)MEMS加速度傳感器配置一個(gè)專(zhuān)用的老化測(cè)試夾具。本文待測(cè)試的加速度傳感器MS9030為L(zhǎng)CC20(8.9 mm×8.9 mm)陶瓷封裝，老化測(cè)試夾具將LCC20封裝轉(zhuǎn)換為直插封裝，避免了每次測(cè)試焊接傳感器帶來(lái)的麻煩。

2.2 多通道數(shù)據(jù)采集模塊

一個(gè)嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)至少包括信號(hào)調(diào)理電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和微控制器(或微處理器)等幾個(gè)部分。其中，信號(hào)調(diào)理電路將待測(cè)信號(hào)放大、濾波后送至模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端。模/數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。微控制器(微處理器)對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)采集流程及相關(guān)的程控器件進(jìn)行控制，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并在需要時(shí)通過(guò)通信接口將采集到的數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)。

圖1中的嵌入式多通道數(shù)據(jù)采集模塊采用MSP430F5529作為控制器，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器采用ADS1278，微控制器通過(guò)USB與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

每片ADS1278包含8路同步差分輸入通道，要實(shí)現(xiàn)32個(gè)通道的數(shù)據(jù)采集，需將4片ADS1278通過(guò)菊花鏈方式級(jí)聯(lián)，連接電路原理圖如圖2所示。

圖2 ADS1278菊花鏈連接示意圖

2.3 上位機(jī)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)應(yīng)用軟件的功能主要包括采集過(guò)程的監(jiān)控，采集數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)、處理以及根據(jù)測(cè)試項(xiàng)目發(fā)送相應(yīng)的控制命令給微控制器。設(shè)計(jì)時(shí)，采用LabVIEW編寫(xiě)了上位機(jī)應(yīng)用軟件。

微控制器MSP430F5529內(nèi)嵌USB接口引擎，可以采用TI公司提供的USB API庫(kù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。本系統(tǒng)將USB設(shè)備類(lèi)型定義為通信設(shè)備類(lèi)(CDC)，當(dāng)USB連接主機(jī)時(shí)，會(huì)在主機(jī)上建立一個(gè)“虛擬COM端口”，上位機(jī)應(yīng)用軟件把USB接口當(dāng)做“虛擬COM端口”來(lái)處理即可，簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)流程。根據(jù)上位機(jī)應(yīng)用軟件的功能需求，確定了如圖3所示的軟件流程圖。

圖3 上位機(jī)應(yīng)用軟件流程圖

3 系統(tǒng)測(cè)試與評(píng)價(jià)

3.1 有效分辨率測(cè)試

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能否達(dá)到表1所示的技術(shù)指標(biāo)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了性能評(píng)估測(cè)試，主要是采集模塊的有效分辨率測(cè)試。有效分辨率可由信噪比通過(guò)式(1)求出[6]：

n=(SNR-1.76)/6.02

(1)

SNR為系統(tǒng)的信噪比，可表示為：

SNR=20lg(UN/UR)

(2)

式中：UN為有用信號(hào)電壓的有效值；UR為噪聲信號(hào)電壓的有效值。

表3 各通道的SNR和有效分辨率

3.2 MEMS加速度計(jì)零位穩(wěn)定性測(cè)試

比較測(cè)量結(jié)果可知，系統(tǒng)設(shè)計(jì)發(fā)揮了Σ-Δ型ADC的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在同等測(cè)試條件下，系統(tǒng)測(cè)量精度優(yōu)于六位半數(shù)字多用表。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種MEMS加速度計(jì)嵌入式批量自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)可滿足MEMS加速度計(jì)批量自動(dòng)化測(cè)試要求。通過(guò)設(shè)置加速度篩選條件，可對(duì)一批待測(cè)試MEMS加速度計(jì)進(jìn)行性能評(píng)估、排序，從中篩選出符合系統(tǒng)要求的傳感器，測(cè)試效率高。同時(shí)，該批量測(cè)試系統(tǒng)操作方便，人機(jī)界面友好，稍作調(diào)整即可用于其他種類(lèi)傳感器的批量測(cè)試，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

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Design of the Embedded Automated Batch Testing System for MEMS Accelerometer

Considering the disadvantages of low efficiency and error prone in manual testing and selecting of MEMS sensors, the embedded automatic testing system for MEMS capacitance accelerometer is designed. The system mainly consists of embedded multi-channel data acquisition module and host computer, and both communicate with each other via USB interface. In order to enhance testing efficiency, the embedded data acquisition module adopts micro-controller to control 4 daisy chain cascade ADS1278, to implement synchronous sampling of 32-channel analog outputs. The tests show that the effective resolution of each channel is better than 21 bits, and meets the design indexes. The application software is designed by using virtual instrument technology. The results of practical test indicate that the system greatly enhances the efficiency of testing and selecting MEMS sensors.

Automatic testing equipment Batch test MEMS capacitance accelerometer Daisy chain ADS1278

吳志強(qiáng)(1982-)，男，2012年畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)專(zhuān)業(yè)，獲博士學(xué)位，講師；主要從事慣性傳感器測(cè)試及慣性系統(tǒng)方面的研究。

TP216

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201509019

修改稿收到日期：2015-01-06。