吳志煌　吳志強(qiáng)　王　宇　朱欣華

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

沖擊加速度信號采集記錄裝置的設(shè)計與應(yīng)用

吳志煌吳志強(qiáng)王宇朱欣華

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

摘要：為彈載制導(dǎo)等應(yīng)用所研制的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)慣性傳感器或MEMS慣性系統(tǒng)，常常需要通過高沖擊環(huán)境試驗來測量傳感器或系統(tǒng)的抗高過載能力。為了對待測器件或系統(tǒng)在試驗過程中的沖擊加速度進(jìn)行全面的描述，設(shè)計了一種基于存儲測試技術(shù)的小體積、低功耗的瞬態(tài)沖擊加速度信號采集記錄裝置。系統(tǒng)的性能指標(biāo)為：采樣速率100 kHz，采集時間大于5 min，采樣分辨率為12位；具有RS-422通信接口，可以將存儲數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)。介紹了圍繞系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)開展的設(shè)計研究工作，討論了設(shè)計方案、軟硬件設(shè)計及測試方法。測試表明，設(shè)計完成的系統(tǒng)滿足性能指標(biāo)要求。

關(guān)鍵詞：沖擊加速度數(shù)據(jù)采集串口通信MEMS慣性傳感器AD7980N25Q00AA

0引言

為彈載制導(dǎo)等應(yīng)用所研制的微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)慣性傳感器或MEMS慣性系統(tǒng)，須通過高沖擊環(huán)境試驗來測量傳感器或系統(tǒng)的抗高過載能力。為了定量評價其抗過載能力，須獲取待測器件或系統(tǒng)在試驗過程中承受的沖擊加速度情況。傳統(tǒng)的測試方法往往只能給出最大沖擊加速度等有限的參數(shù)。本文設(shè)計的瞬態(tài)沖擊加速度數(shù)據(jù)記錄儀采用了存儲測試技術(shù)，使測試裝置隨待測器件或系統(tǒng)一起承受沖擊過程，通過對承受的沖擊加速度進(jìn)行實時采集、記錄，并在試驗結(jié)束后將數(shù)據(jù)上傳上位機(jī)，實現(xiàn)了對系統(tǒng)沖擊的全程記錄[1]。

根據(jù)測試需要，系統(tǒng)的設(shè)計指標(biāo)為：采樣速率不小于100 kHz，采樣時間不低于5 min，采樣分辨率不低于12位，使用RS-422進(jìn)行數(shù)據(jù)回傳的波特率不低于115 200 bit/s。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

圍繞設(shè)計指標(biāo)，設(shè)計了如圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、單片機(jī)以及電源模塊等組成。

圖1　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)工作流程為：系統(tǒng)上電后，單片機(jī)首先對需要用到的時鐘源、定時器和通信模塊等進(jìn)行初始化配置，接著對存儲模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)檢查，根據(jù)是否已有數(shù)據(jù)對數(shù)據(jù)標(biāo)志變量賦值。然后對數(shù)據(jù)標(biāo)志變量進(jìn)行判斷，當(dāng)有數(shù)據(jù)時，循環(huán)等待讀取命令或者擦除命令；若無數(shù)據(jù)，則進(jìn)入等待觸發(fā)模式。在達(dá)到觸發(fā)條件后，開始采集和存儲過程。最后，到達(dá)采集結(jié)束時間，停止工作，進(jìn)入低功耗模式等待回收。在該系統(tǒng)中，由單片機(jī)統(tǒng)籌整個工作流程的主控模塊，利用單片機(jī)協(xié)調(diào)采集和存儲這2個進(jìn)程的時序，并在采集結(jié)束后將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)。存儲模塊主要用來保存采集的大量數(shù)據(jù)；采集模塊對傳感器的輸出進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并與單片機(jī)通信；通信模塊用于與上位機(jī)通信；而電源模塊主要將輸入電壓轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)所需要的電壓，如3.3 V、2.5 V、5 V等。

2硬件電路

2.1沖擊加速度傳感器的選擇

MEMS傳感器一般利用半導(dǎo)體集成電路制造工藝、由硅基材料制造而成，是集微機(jī)械、微電子功能于一體的傳感器系統(tǒng)[2]。目前研制的MEMS傳感器主要包括MEMS壓力傳感器、MEMS加速度計及MEMS陀螺儀等。由于在尺寸、質(zhì)量、功耗和可靠性等方面的優(yōu)異性能，MEMS傳感器被應(yīng)用于軍事領(lǐng)域和對抗干擾環(huán)境要求高的場合[3]。設(shè)計時，采用了中電十三所美泰公司的大量程電容式MEMS加速度計MSA6000-20000，其量程為±20 000 g，模擬電壓輸出，輸出電壓范圍為(2.5±2)V。傳感器采用單片電容式檢測電路、+5 V單電源供電，具有體積小、輸出阻抗低、結(jié)構(gòu)簡單、功耗低等優(yōu)點。

2.2數(shù)據(jù)采集模塊

為達(dá)到100 kHz的采樣速度以及較高的分辨率，裝置中的信號采集模塊選用ADI公司的16位低功耗高速模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，芯片采用2.5 V單電源供電，內(nèi)置一個低功耗、高速、16位采樣的ADC和一個多功能串口通信接口。偽差分輸入范圍為0～UREF(UREF在2.5～5.5 V之間)，吞吐速率可達(dá)1 MSPS。

MSA6000-20000的輸出電壓范圍為(2.5±2)V，其輸出阻抗較低，可以驅(qū)動AD7980，所以無需加入中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。具體電路如圖2所示。

圖2　數(shù)據(jù)采集模塊原理圖

根據(jù)傳感器輸出范圍，設(shè)定AD7980的基準(zhǔn)電壓輸入為5 V。根據(jù)AD7980數(shù)據(jù)手冊的推薦，選擇ADR435作為基準(zhǔn)電壓，并使用22 μF的陶瓷芯片電容作為基準(zhǔn)電源去耦電容。由于本設(shè)計中的采集通道只有一個，所以只需要單個AD7980和主控芯片連接。為了簡化連接線路，選擇使用CS模式的三線式且無繁忙指示，將SDI連接到VIO上(即SDI一直拉高)。

2.3數(shù)據(jù)存儲模塊

數(shù)據(jù)存儲模塊的設(shè)計重點主要是存儲容量和讀寫速度。存儲器的成本通常與其容量成正相關(guān)。在設(shè)計指標(biāo)中，設(shè)定的采樣時間為5 min(即300 s)，采樣速率為100 kHz，采樣分辨率為16位，則所需的存儲容量應(yīng)至少為57.22 MB。再加上一些冗余設(shè)計，按照存儲器的規(guī)格，選擇的存儲器容量可以為1 GB(125MB)或2 GB(250 MB)。

選擇應(yīng)用廣泛的Flash存儲器，其具有容量大、成本低、存儲壽命長等特點。最終選用了micron公司的NOR型Flash芯片N25Q00AA，其容量為1 GB(125 MB)，支持按4 KB、64 KB和32 MB大小進(jìn)行擦除，并具有最高108 MHz的SPI接口。頁編程的典型時間為0.5 ms，足以滿足100 kHz采樣速率的要求。此外，該芯片的32 MB(1/4片)擦除時間為240 s。

2.4主控模塊

考慮到系統(tǒng)的低功耗和體積，選用TI公司的超低功耗16位單片機(jī)MSP430F2618，其運(yùn)行時的功耗僅為365 μA(在1 MHz頻率和2.2 V電壓條件下)。MSP430F2618最高支持頻率為16 MHz，使用16位精簡指令集(RISC)架構(gòu)，指令周期為62.5 ns時間；116 KB+256 B的Flash和8 KB的RAM存儲空間;配備4個通用串行通信接口(USCI)，其中2個可配置成UART和SPI，另外2個可配置成I2C和SPI。在本設(shè)計中，須用到2個SPI，用于與AD7980以及N25Q00AA通信；另外需要1個UART，用于與上位機(jī)進(jìn)行通信。

主控模塊要實現(xiàn)的功能是在采集存儲模式下，控制采樣速率、將模/數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)據(jù)暫存在緩存區(qū)內(nèi)、將緩存區(qū)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到外部Flash存儲器并控制整個時序；在擦除、讀取模式下識別命令字，并執(zhí)行命令，上傳數(shù)據(jù)或返回相應(yīng)的標(biāo)志字符。主控模塊的大部分功能是由MSP430F2618的內(nèi)部外設(shè)完成的。為了使MSP430F2618能夠正常工作，必須構(gòu)建最小系統(tǒng)。除此之外，為了便于樣機(jī)調(diào)試，還設(shè)計有LED指示燈電路、功能按鍵電路等。

AD7980通過USCI_A0接口與MSP430連接(因為MSP430不必向AD7980發(fā)送數(shù)據(jù)，所以無須連接UCA0SIMO引腳，AD7980的SDI上拉)，P2.0作為轉(zhuǎn)換信號發(fā)送I/O口；N25Q00AA通過USCI_B0與MSP430連接，I/O口P2.1為片選、P2.2為HLID、P2.3為寫保護(hù)；MAX3074通過UCA1TXD和UCA1RXD連接到USCI_A1上，實現(xiàn)異步串口通信。系統(tǒng)還設(shè)計了3個LED指示燈以及1個功能按鈕，分別使用P1.0～P1.2和P1.7來控制。此外,還須為MSP430下載程序并進(jìn)行在線調(diào)試，在此使用JTAG調(diào)試接口電路來實現(xiàn)。

2.5數(shù)據(jù)通信模塊和電源模塊

系統(tǒng)采用RS-422協(xié)議與上位機(jī)通信，通信波特率為115 200 bit/s。根據(jù)要求并考慮供電電源，選用MAXIM公司的RS-485/RS-422收發(fā)器MAX3074作為電平轉(zhuǎn)換芯片。芯片采用3.3 V供電，允許最大轉(zhuǎn)換速率為500 Kbit/s。在接收端上接入一個120 Ω的電阻作為終接電阻，可以吸收網(wǎng)絡(luò)上的反射波，并有效增強(qiáng)信號的強(qiáng)度。

整個系統(tǒng)需要提供的電源共有5 V、3.3 V、2.5 V這3種。其中：3.3 V主要為數(shù)字電路部分供電，如MSP430、N25Q00AA、MAX3074等芯片；而5 V和2.5 V則分別為模擬電路部分的傳感器和AD7980供電。使用AMS1117系列正向低壓降穩(wěn)壓器的相應(yīng)芯片作為電源轉(zhuǎn)換芯片。在設(shè)計時，考慮了模擬電路和數(shù)字電路的供電隔離，因此在布局時對3個電源布局作了相應(yīng)處理。

3軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件通過TI公司的集成開發(fā)環(huán)境(code composer studio,CCS)進(jìn)行編譯和在線調(diào)試。軟件主要實現(xiàn)三大功能，一是采集存儲模式，這是系統(tǒng)的主要工作模式，即實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和存儲功能；二是數(shù)據(jù)上傳模式，將存儲測試系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)上傳上位機(jī)；三是數(shù)據(jù)擦除模式，F(xiàn)lash存儲器在編程前須先進(jìn)行擦除操作，故在此模式下需要上位機(jī)下達(dá)擦除命令，完成對Flash的擦除操作，為下次試驗作準(zhǔn)備。其中，數(shù)據(jù)上傳和數(shù)據(jù)擦除功能的實現(xiàn)較為簡單，在UART的接收中斷中實現(xiàn)，在中斷服務(wù)程序中，對上位機(jī)下達(dá)的命令字進(jìn)行判定，然后根據(jù)命令字執(zhí)行相應(yīng)的操作；采集存儲模式的實現(xiàn)較為復(fù)雜，本設(shè)計采用雙緩沖采集存儲機(jī)制來實現(xiàn)。

下面介紹采集存儲模式的實現(xiàn)過程。

3.1初始化

在系統(tǒng)上電之后，首先要做的就是初始化工作。除了必要的時鐘源配置，SPI、UART配置以及定時器配置以外，還須在RAM內(nèi)開辟2個大小為256 B的緩存區(qū)，用來實現(xiàn)雙緩沖采集存儲機(jī)制。開辟緩沖區(qū)的方法是聲明2個大小為256 B的char數(shù)組。另外一項要做的工作就是對Flash數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，判別Flash的數(shù)據(jù)是否為空。檢查的機(jī)制為：讀取Flash起始地址(0x00000000)5個字節(jié)的數(shù)字，并判斷是否為(0xFF)。若有1個不是,則令標(biāo)志位data_empty =0x00；若都為0xFF，則標(biāo)志位data_empty = 0x01。然后，檢查標(biāo)志位，若標(biāo)志位為0x00，則表示存儲器有數(shù)據(jù)，點亮數(shù)據(jù)指示燈。由于Flash的擦除是將位0變成1的操作，而編程只能將1變成0，并且數(shù)據(jù)是在一定加速度的觸發(fā)條件下啟動采集存儲的，所以寫入的數(shù)據(jù)在正常情況下不會是0xFF，由此證明該方法是可行的。

3.2觸發(fā)方式

本設(shè)計的測試對象是瞬態(tài)沖擊加速度信號，具備瞬時性、持續(xù)時間短的特點。這一特征使得信號無法像穩(wěn)態(tài)信號一樣可以隨意截取，這就要求設(shè)計的存儲測試系統(tǒng)既要有足夠高的采集速率，又必須在適當(dāng)?shù)臅r候啟動采集，才能完整地獲取沖擊加速度信號。由于存儲測試系統(tǒng)一般在脫機(jī)狀態(tài)下工作，所以必須要設(shè)置一定的觸發(fā)手段來啟動采集。

常用的觸發(fā)有內(nèi)部觸發(fā)和外部觸發(fā)2種[4]。內(nèi)部觸發(fā)方式的觸發(fā)信號來自主控單元的控制信號，設(shè)定比較門限與采集的信號對比，當(dāng)達(dá)到門限即啟動采樣。外部觸發(fā)方式的觸發(fā)信號來自外部觸發(fā)電路產(chǎn)生的信號，比如通過電壓比較器對傳感器的輸出信號與設(shè)定的電壓值進(jìn)行比較，若達(dá)到觸發(fā)條件，則向主控單元發(fā)送電平變化，從而啟動采樣。

由于外部觸發(fā)須增加外部器件，考慮到結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度及成本等因素，設(shè)計時采用內(nèi)部觸發(fā)方式，將采集的加速度值與設(shè)定的門限進(jìn)行比較，超過門限后即啟動采集。

3.3雙緩沖采集存儲機(jī)制

本設(shè)計最主要的難點在于如何控制整個程序的時序，在不間斷采集的情況下，實現(xiàn)實時存儲功能。具體的實現(xiàn)方法如圖3所示。

由于數(shù)據(jù)寫入存儲器需要一定的時間，在此期間還必須進(jìn)行采集的相關(guān)操作。雖然在此前的芯片型號選擇上已經(jīng)考慮到存儲器的編程速度，但仍然必須采用一定的手段才能解決數(shù)據(jù)采集和存儲之間的時序矛盾。本設(shè)計中采用的雙緩存區(qū)采集存儲方式，能有效地解決上述矛盾。這其實是一種流水線操作的簡單形式，通過兩個緩存區(qū)的交替，同步進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)存儲。

數(shù)據(jù)采集模塊的采集速率是由MSP430的定時器來控制的，設(shè)定定時器每10 μs產(chǎn)生一次觸發(fā)、一次中斷，并在定時器中斷中啟動AD7980的模數(shù)轉(zhuǎn)換，等待1 μs后，讀取AD7980轉(zhuǎn)換完成的2個字節(jié)數(shù)據(jù)。

圖3　雙緩沖采集存儲機(jī)制流程圖

系統(tǒng)上電初始化后，在主控芯片的RAM中開辟2塊大小相等的內(nèi)存區(qū)域作為緩存區(qū)。根據(jù)上文所述，為得到最大的Flash編程效率，設(shè)定緩沖區(qū)的大小為Flash一頁的數(shù)據(jù)量大小，即256 B。本文采用中斷來實現(xiàn)該操作。采集啟動后，定時器中斷使能。在定時器中斷服務(wù)流程中，如圖3(a)所示，啟動AD7980的模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后，將數(shù)據(jù)讀到緩存區(qū)DATA_BUF1。當(dāng)緩存區(qū)DATA_BUF1數(shù)據(jù)存滿后，采集數(shù)據(jù)存儲的緩存區(qū)改為緩存區(qū)DATA_BUF2，而緩存區(qū)DATA_BUF1作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到存儲器的源地址，接著發(fā)送存儲器寫使能命令、編程命令、地址。打開SPI_B0的發(fā)送中斷使能，在該中斷服務(wù)程序中，如圖3(b)所示，首先關(guān)閉該中斷使能，將緩存區(qū)DATA_BUF1的數(shù)據(jù)發(fā)送到存儲器。當(dāng)發(fā)送完一個緩存區(qū)后，拉高存儲器片選，判斷數(shù)據(jù)量是否到達(dá)設(shè)定的大小(即到達(dá)采集完成時間時)。若達(dá)到則關(guān)閉所有中斷，結(jié)束采集；若未達(dá)到，則直接退出中斷服務(wù)程序。待緩存區(qū)DATA_BUF2的數(shù)據(jù)采集滿后，再次交換2個緩存區(qū)，由緩存區(qū)DATA_BUF1作為數(shù)據(jù)采集的緩存，而緩存區(qū)DATA_BUF2作為數(shù)據(jù)存儲的源地址，重復(fù)上述操作。

4試驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

使用馬歇特錘試驗機(jī)，對設(shè)計完成的沖擊加速度信號采集記錄裝置樣機(jī)進(jìn)行試驗驗證。由于沖擊加速度大，因此在試驗前，必須對系統(tǒng)進(jìn)行灌封處理，以保護(hù)電路不受沖擊危害[5-6]。

圖4為一次沖擊試驗后采集到的沖擊加速度信號。該次試驗中設(shè)置的觸發(fā)門限為±2 000g，沖擊負(fù)載約為6 000g。從圖4所示波形可以得到，觸發(fā)后采集的第一點加速度為-3 349g、最大峰值為-6 129g、沖擊振蕩時間為4 ms。圖4中沖擊加速度主要為負(fù)值，這是因為試驗時加速度計的敏感軸方向與沖擊加速度方向相反。另外，由于無須采集觸發(fā)點加速度信號，因此，存儲的第一點加速度信號是在加速度絕對值大于2 000g、經(jīng)10 μs(因為采集率為100 kHz)后的加速度信號(-3 349g)(其中g(shù)為重力加速度值，1g≈9.8 m/s2)。

圖4　沖擊加速度波形圖

綜上所述，圖4所示的數(shù)據(jù)較好地反映了設(shè)計完成的沖擊加速度信號采集記錄裝置記錄的試驗過程中，MSA6000-20000測得的沖擊加速度，驗證了該裝置的性能。

5結(jié)束語

本文以MSA6000-20000為沖擊加速度敏感元

件，選用MSP430F2618作為主控器件，并使用大容量Flash芯片N25Q00AA和高速模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7980，設(shè)計了沖擊加速度信號采集記錄裝置。試驗驗證表明，該裝置實現(xiàn)了要求的性能指標(biāo)。經(jīng)過進(jìn)一步改進(jìn)及優(yōu)化設(shè)計后，可以隨待測器件或系統(tǒng)一起承受沖擊過程，采集、記錄沖擊過程中的加速度信號，為待測器件或系統(tǒng)的抗過載能力的評價提供更為準(zhǔn)確的測試手段。

參考文獻(xiàn)

[1] 張瑜, 祖靜, 張紅艷,等.基于存儲測試技術(shù)的彈底壓力測試技術(shù)[J].火力與指揮控制, 2014(1):172-175.

[2] 王勇.MEMS技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用趨勢[J].飛航導(dǎo)彈, 2011(5):89-93.

[3] 劉曉為, 陳偉平.MEMS傳感器接口ASIC集成技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社,2013.

[4] 丁寧, 靳璐.基于通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集信號觸發(fā)方式研究[J].電子世界, 2014(3):14-15.

[5] 白偉.數(shù)據(jù)采集裝置的安全性與可靠性設(shè)計及研究[D].太原：中北大學(xué), 2015.

[6] 姬永強(qiáng), 李映輝, 聶飛.彈載數(shù)據(jù)存儲模塊抗高過載防護(hù)技術(shù)研究[J].振動與沖擊,2012(18):104-106.

Acquisition and Storage Device of Shock Acceleration Signal

Abstract：Micro electro mechanical system(MEMS) inertial sensor or MEMS inertial system, developed for missile-borne guidance or other applications, generally need to measure their capacity against high overload through high shock test.In order to comprehensively describe the high anti-overload capacity of the sensor or system to be tested, a small volume, low power consumption acquisition and storage device based on storage test technology for transient shock acceleration signal is designed.The performance indexes of the system are: sampling rate of 100k Hz, acquisition time greater than 5min; and the sampling resolution of 12 bits; and RS-422 communication interface to upload data to PC.The design and research for implementing these indexes of the system are introduced. The designing scheme, hardware and software design, and testing method are discussed.The tests indicate that this system meets requirement of performance indexes.

Keywords:Shock accelerationData acquisitionSerial communicationMEMS inertial sensorAD7980N25Q00AA

中圖分類號：TH824;TP27

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201606025

修改稿收到日期：2015-11-20。

第一作者吳志煌(1992-)，男，現(xiàn)為南京理工大學(xué)機(jī)械電子工程專業(yè)在讀碩士研究生；主要從事機(jī)械電子工程方向的研究。