華中師范大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 孫 捷 劉 瑄

?

三軸運(yùn)動(dòng)檢測(cè)芯片應(yīng)用測(cè)試研究

華中師范大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 孫 捷 劉 瑄

【摘要】運(yùn)動(dòng)檢測(cè)芯片在手機(jī)、相機(jī)、智能穿戴設(shè)備中都在使用，在測(cè)試、測(cè)量等領(lǐng)域也應(yīng)用普遍。以飛思卡爾公司生產(chǎn)的低成本新型三軸加速度傳感器MMA7660FC為例，介紹了它的工作原理、功能、應(yīng)用方法及其與STM32F103的接口電路，通過(guò)將MMA7660FC的數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)實(shí)時(shí)顯示，并通過(guò)改變傳感器工作模式等，測(cè)試該傳感器應(yīng)用的各種方法及效果。

【關(guān)鍵詞】MMA7660FC；加速度傳感器；運(yùn)動(dòng)檢測(cè)；STM32F103

0　引言

加速度傳感器是一種十分重要的測(cè)量加速力或運(yùn)動(dòng)情況的傳感器，一般加速度測(cè)量范圍為0.1g～10g。加速度傳感器的種類(lèi)繁多，從工作原理上可分為壓電式、電容式、電感式、壓阻式、隧道電流式、諧振式等等。從測(cè)量維數(shù)上來(lái)看，有單軸、二軸、三軸等，目前市場(chǎng)上有越來(lái)越多的產(chǎn)品應(yīng)用了雙軸以及三軸加速度傳感器。隨著近年來(lái)大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，加速度傳感器也逐漸向集成化、低功耗的方向發(fā)展。集成了信號(hào)調(diào)理電路的加速度傳感器能大大簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，降低系統(tǒng)功耗，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，同時(shí)減少了系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本，縮短開(kāi)發(fā)周期，更利于產(chǎn)品快速推向市場(chǎng)。加速度傳感器應(yīng)用范圍廣泛，一般來(lái)講它可用于傾斜度檢測(cè)、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、定位檢測(cè)、震動(dòng)檢測(cè)、振動(dòng)檢測(cè)和自由落下等檢測(cè)功能。本文將簡(jiǎn)要介紹MMA7660FC的功能、工作原理及與STM32F103的接口電路，通過(guò)在PC機(jī)上實(shí)時(shí)顯示傳感器的數(shù)據(jù)，構(gòu)建一個(gè)MMA7660FC的各種應(yīng)用方法的測(cè)試系統(tǒng)，以方便更快更好的應(yīng)用該傳感器芯片。

1　MMA7660FC工作原理

MMA7660FC是飛思卡爾生產(chǎn)的一種±1.5g三軸加速度I2C總線(xiàn)數(shù)字輸出的傳感器芯片，具有超低功耗、微型電容式MEMS的傳感器，內(nèi)部具有低通濾波器，用于0g偏移和增益誤差補(bǔ)償。在配置為每秒采樣一次時(shí)可達(dá)到6位分辨率。該器件通過(guò)中斷引腳（INT）可以提供傳感器數(shù)據(jù)變化、產(chǎn)品方向和姿態(tài)識(shí)別等中斷觸發(fā)信號(hào)。一般常用來(lái)測(cè)量?jī)A斜角、慣性力、沖擊力及震動(dòng)，廣泛用于手機(jī)、掌上電腦、PDA、數(shù)碼相機(jī)、小家電、游戲中的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)叫醒、醫(yī)療和體育應(yīng)用的活動(dòng)監(jiān)測(cè)、沖擊檢測(cè)和運(yùn)動(dòng)控制、方向和自由落體檢測(cè)。具體性能特點(diǎn)如下：

●低電壓操作：模擬工作電壓為2.4V ～3.6V，數(shù)字工作電壓為1.71V～3.6V

●低功耗

關(guān)閉模式：0.4μA

待機(jī)模式：2μA

工作模式：可配置到47μA

●3mm*3mm*0.9mmDFN封裝

●集成3軸±1.5g MEMS傳感器和CMOS接口控制器在同一個(gè)封裝內(nèi)

●可配置數(shù)據(jù)輸出速率：1～120次采樣/秒

●包括智能電源管理功能，自動(dòng)喚醒/自動(dòng)休眠功能來(lái)降低功耗

●方向檢測(cè)：橫向/縱向、正面/反面識(shí)別，MMA7660FC可在六個(gè)方向檢測(cè)加速度

●集成了眾多智能的運(yùn)動(dòng)功能，振動(dòng)識(shí)別和方向、震動(dòng)、敲擊檢測(cè)

●可靠的設(shè)計(jì)、高抗震性（10，000g）

MMA7660FC內(nèi)部功能框圖如下圖1所示，它是一種電容式傳感器，是在wafer的表面上做出梳狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)產(chǎn)生動(dòng)作時(shí)，由偵測(cè)電容差來(lái)判斷變形量，從而反推出加速度的值。MMA7660FC設(shè)置MODE寄存器可以有三種工作模式： Standby（待機(jī)）模式、Active and Auto-Sleep （活動(dòng)并且Auto-Sleep） 模式、Auto-Wake（自動(dòng)喚醒）模式。

圖1　MMA7660FC內(nèi)部功能框圖

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為了研究MMA7660FC使用方法與性能，需要構(gòu)建一個(gè)完整的控制電路及測(cè)試方案，我們使用STM32F103作為主控制芯片，其引腳及外圍連接信號(hào)如圖2所示，供電電壓為3.3V，與MMA7660FC電源電壓一致，可以直接連接。

圖2　STM32F103引腳及外圍信號(hào)圖

傳感器與CPU部分的連接電路原理圖如圖3所示，IIC總線(xiàn)的兩根線(xiàn)SCL、SDA要接4.7K上拉電阻，另外中斷信號(hào)接CPU的PA0端口。CPU的復(fù)位、晶振、電源部分電路原理圖如圖4所示，發(fā)光二極管D1接CPU的PB9端口，主要用來(lái)指示傳感器采樣的頻率。另外傳感器的數(shù)據(jù)要發(fā)送到PC機(jī)的串口，因此還需要一個(gè)串口通信電平轉(zhuǎn)換電路，電路原理圖如圖5所示，P1插座的TXD接電腦串口DB9的2腳，RXD接DB9的3腳，GND接DB9的5腳。圖6為STM32F103的JTAG端口，與J-LINK仿真器連接。

圖3　MMA7660FC電路原理圖

圖4　CPU復(fù)位、電源、晶振電路原理圖

圖5　串行接口電路原理圖

圖6　JTAG接口電路原理圖

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1STM32F103的程序設(shè)計(jì)

開(kāi)發(fā)環(huán)境使用的是Keil uVision3+MDK3.50，STM32F103的程序設(shè)計(jì)主要完成MMA7660FC初始化設(shè)置，使其工作在標(biāo)準(zhǔn)模式下，通過(guò)I2C總線(xiàn)通信方式讀取X、Y、Z三軸加速度值，并通過(guò)串口發(fā)送到計(jì)算機(jī)中去顯示，同時(shí)還要接收計(jì)算機(jī)發(fā)過(guò)來(lái)的命令數(shù)據(jù)，從而改變MMA7660FC的工作模式或方式，主控程序流程圖如圖7所示。

圖7　STM32F103主控程序流程圖

STM32F103初始化主要進(jìn)行RCC_Configuration（void）、NVIC_Configuration（void）、GPIO_Configuration（void）、USART_Init（USART1，&USART_InitStructure）和IIC_Init（void）。在MMA7660FC的初始化過(guò)程中，主要完成如下的一些工作：

void MMA7660_Init（void）

｛

FSL_MMA_IICWrite（MMA7660_MODE， 0）； //Make 7660 enter standby mode to set registers

FSL_MMA_IICWrite（MMA7660_SPCNT， MMA7660_SPCNT_Value）；// Sleep Counter Register： SPCNT

FSL_MMA_IICWrite（MMA7660_INTSU， MMA7660_INTSU_Value）；// Interrupt Setup Register： INTSU

FSL_MMA_IICWrite（MMA7660_SR， MMA7660_SR_Value）； //Sample Rates Register： SR

FSL_MMA_IICWrite（MMA7660_PDET， MMA7660_PDET_Value）；//Pulse Detection Register： PDET

FSL_MMA_IICWrite（MMA7660_PD， MMA7660_PD_Value）； //Pulse Debounce Count： PD

FSL_MMA_IICWrite（MMA7660_MODE， MMA7660_MODE_Value）；// Mode Register： MODE

｝

對(duì)于MMA7660FC的兩種工作模式，一個(gè)為Auto-Sleep，即Running模式。在該模式下，傳感器可以配置較高的采樣率。另一個(gè)模式為Auto-Wakeup，即Sleep模式。該模式并非真正的休眠模式，而只是低速采樣模式。在該模式下，能夠有效地降低芯片的運(yùn)行功耗。

實(shí)際測(cè)試時(shí)，當(dāng)水平放置時(shí)，傳感器的某個(gè)軸加速度達(dá)到最大時(shí)，另外兩個(gè)軸讀數(shù)應(yīng)該為0，但是硬件缺陷使得另兩軸會(huì)跳值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其跳值范圍在1～2，且連續(xù)跳值次數(shù)極少超過(guò)2次。故在讀入數(shù)據(jù)過(guò)程中加入判斷語(yǔ)句，過(guò)濾加速度傳感器的“自跳”，其邏輯是：在某個(gè)軸上，若此次讀數(shù)小于等于2，且前兩次讀數(shù)至少有一次為0，就認(rèn)為此讀數(shù)為自跳，將其置零。在動(dòng)作檢測(cè)的過(guò)程中，盡量采用的是相對(duì)的坐標(biāo)值，而不是絕對(duì)的坐標(biāo)值。因?yàn)樵谏a(chǎn)過(guò)程中，并不能保證傳感器的絕對(duì)水平。在讀取XYZ坐標(biāo)的時(shí)候，最好采用的就是Multiple Byte Read的方式，這樣才能保證XYZ三個(gè)坐標(biāo)是同一次采樣的結(jié)果。如果分開(kāi)讀取，則有可能讀取到不同組的采樣數(shù)據(jù)。

3.2PC端的程序設(shè)計(jì)

在PC機(jī)端主要負(fù)責(zé)顯示三軸傳感器的數(shù)值，并且還要能發(fā)送控制數(shù)據(jù)改變傳感器的工作狀態(tài)，從而能直觀的觀察MMA7660FC在各種不同模式和不同方式下的性能，這種數(shù)據(jù)雙向傳送是通過(guò)串口進(jìn)行的。采用VC進(jìn)行了上位機(jī)的程序設(shè)計(jì)，界面如圖8所示。主要包括三個(gè)軸的數(shù)據(jù)顯示，數(shù)據(jù)顯示區(qū)部分是串口接收全部數(shù)據(jù)的顯示，命令區(qū)是發(fā)送給STM32F103的命令數(shù)據(jù)，另外還有串口配置的相關(guān)內(nèi)容。

圖8　PC機(jī)端顯示與控制界面圖

上位機(jī)發(fā)送的命令數(shù)據(jù)主要包括設(shè)置MMA7660FC的工作模式、采樣率、對(duì)傳感器數(shù)據(jù)濾波處理的參數(shù)選擇命令，通過(guò)改變不同工作狀況從而能直觀觀察到傳感器的數(shù)據(jù)精確度及穩(wěn)定性。

4　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)當(dāng)板子水平放置時(shí)，無(wú)論如何改變X、Y的位置，都不會(huì)有中斷產(chǎn)生，因?yàn)檫@時(shí)它只能檢測(cè)Z軸的變化，X、Y的變化它檢測(cè)不到，只有當(dāng)我們將板子傾斜一個(gè)角度后才能檢測(cè)X、Y的變化，經(jīng)過(guò)查找相關(guān)文獻(xiàn)，這是由于其內(nèi)部是電容式的結(jié)構(gòu)，很難在同一個(gè)結(jié)構(gòu)中同時(shí)感測(cè)到三個(gè)軸（X、Y、Z）的變化。另外在采樣率越低時(shí)穩(wěn)定性越好，但實(shí)時(shí)性較差，一般可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的要求，優(yōu)先選擇響應(yīng)時(shí)間的條件下，通過(guò)設(shè)置濾波參數(shù)可達(dá)到較好的效果。如果傳感器只是應(yīng)用于方位檢測(cè)的話(huà)，8個(gè)值的濾波就夠了。而用于動(dòng)作檢測(cè)的話(huà)，一般使用32階的均值濾波效果較好。

參考文獻(xiàn)

［1］資道周.加速度傳感器性能測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.湖南：湖南大學(xué)，2007.

［2］汪少初，劉昱，郝文飛，劉開(kāi)華，路文平.基于慣性傳感的人員行進(jìn)動(dòng)作識(shí)別方法［J］.電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2014（06）

［3］李智利，汪正祥.MMA7260Q在車(chē)載導(dǎo)航定位中的應(yīng)用［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2007，23（8-2）：218-219.

［4］杜時(shí)英.加速度傳感器在嵌入式系統(tǒng)中的電路搭建及驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)時(shí)代，2013（01）

［5］張潔.基于加速度傳感器的人體運(yùn)動(dòng)行為識(shí)別研究［J］.自動(dòng)化與儀器儀表，2016（03）

［6］唐曉剛，顏永安，趙冰.石油勘探MEMS加速度傳感器在煤田勘探的應(yīng)用［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2006，6：50-57.

［7］馬少龍，劉冬花，馬國(guó)紅，朱書(shū)林，葉佳.一種快速獲取機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡的方法研究［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2014（10）

［8］蘇維嘉，王旭輝.新型加速度傳感器在傾角測(cè)量中的應(yīng)用研究［J］.機(jī)械研究與應(yīng)用，2007，20（5）：62-65.

作者簡(jiǎn)介：

孫捷（1995—），女，湖北荊州人，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于華中師范大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系。

劉瑄（1995—），女，廣東珠海人，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于華中師范大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院軟件工程系。