新型智能加速度传感器的设计
刘念聪，李宏穆，孙未
（成都理工大学 自动化学院，四川 成都 610059）
1 引言
对于传统的加速度传感器而言，由于只具有感知环境，输出模拟信号的功能，应用范围受到了很大限制，譬如，在车辆振动测试行车试验中，就需要配置电脑、数据采集卡等设备。不但设备昂贵，而且由于车辆需要在行驶过程中测试，所以就必须加长信号传输线，既带来了测量的不便，也导致由于外界环境的干扰测试误差的加大。现有的测振仪由于存在着大多价格昂贵，操作复杂，测量精度较低的缺陷，很大程度上限制了它的广泛应用。
本文设计了一种智能压阻式加速度传感器，有效地克服了对于传统加速度传感器的输出特性容易受噪声、温度、电源纹波、湿度等多种因素的干扰，避免了应用场合的局限性，实现了加速度的精确测量。
2 硬件组成
根据智能加速度传感器的使用要求，在硬件电路上主要考虑以下几方面的问题：尽量采用集成化程度高的芯片，以减小主机体积，满足便携使用要求；采用低功耗的元器件，满足仪器长时间工作要求；选用宽工作温度范围的元器件，满足仪器在户外工作条件。根据以上原则构建了智能传感器的硬件电路，其组成如图1所示。智能加速度传感器主要由敏感元件、信号调理电路、A/D转换器、典型的单片机系统、键盘和电源等组成。
智能加速度传感器的工作原理是 ：敏感元件将测点的加速度信号转换为相应的电信号，进入前置放大电路，经过信号调理电路改善信号的信噪比，再进行模数转换得到数字信号，最后送入计算机，计算机再进行数据存储和显示。
2.1 敏感元件
系统采用在目前广泛应用于工业自动控制、汽车及其它车辆、振动及地震测试，科学测量等领域的硅微加速度传感元件，其结构及等效桥式电路如图2所示。
当传感元件以加速度a运动时，质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力作用，发生与加速度成正比a的形变，使悬臂梁也随之产生应力和应变。该变形被粘贴在悬臂梁上的扩散电阻感受到。根据硅的压阻效应，扩散电阻的阻值发生与应变成正比的变化，将这个电阻作为电桥的一个桥臂，通过测量电桥输出电压的变化可以完成对加速度的测量[1]。
2.2 P89LPC932单片机系统
作为智能传感器的核心，单片机的选用主要是考虑到智能传感器的测量速度、精度、分辨率和其本身的数据处理能力，并且还要考虑到其与计算机的网络通讯功能。文中选择具有高集成度、低功耗、低成本等特点的P89LPC932单片机作为其作智能传感器的微控制器。它采用高性能的处理器结构，指令执行时间只需2～4个时钟周期，6倍于标准80C51单片机，并且具有增强型UART，具有帧错误检测、自动地址检测和通用的中断功能，I2C和SPI通讯端口。并且P89LPC932还集成了许多系统级的功能，可大大减少元件的数目并降低了系统的成本。同时，考虑到智能加速度传感器在测试过程中需要记录大量数据，单片机系统专门配置了全集成化并且不需设计刷新控制接口的8kB动态RAM2186，作为数据存储器。
2.3 信号调理电路
信号调理主要是指对敏感元件的输出信号进行编码和调制以便获得更好的信噪比，同时也包括信号平均和冗余度、以及自我检查和故障探测系统以便探测敏感元件的任何不正常运转。在敏感元件的输出到放大器的输入端之间，有可能引入工频干扰、静电干扰、电磁耦合干扰和共模干扰等。这样信号就不可避免地带有噪声，严重者会被噪声淹没。因此降低噪声、改善信噪比就显得尤为重要。对于敏感元件，由于输出的电荷量非常小，应将其信号放大。但是当敏感元件输出信号的范围较大时，就不宜用同一增益的放大电路进行放大，否则在输入信号较小时，输出信号将小于一半量程，而输入信号较大时却使放大电路处于饱和状态。同时，由于压阻式敏感元件的电阻除由应变引起之外，也受温度变化的影响，因此也必须考虑温度补偿问题。鉴于上述考虑，系统选用集成智能传感器信号调理模块MAXl452和外接的电阻、电容组成智能传感器信号调理电路。MAXl452内含一个可编程传感器激励源，一个16阶可编程增益放大器，一个768字节内部EEPROM，四个16位DAC，一个预置运算放大器、一个片上温度传感器。
MAXl452偏移纠正过程如下：初始偏移在信号增益放大器的输入级通过近似偏移设置进行纠正，最终的偏移通过温度指示的176个16位入口查询表地址纠正。片上温度传感器提供一个16位偏移补偿值，这个补偿值的指示分辨率在－400℃~＋l25℃约为1.5℃。
MAXl452的两个功能模块用于满量程输出增益矫正。其过程一是通过可编程增益放大器数字选择增益进行增益近似设置，二是通过满量程输出DAC数字输入设置传感器电桥电流或电压。
这样就可通过CPU的操作，设置零位偏移寄存器、温度寄存器、零点温度补偿寄存器、输出基准寄存器、增益温度补偿寄存器等。这些寄存器中的值通过D/A转换器变成模拟量叠加在调理电路中，从而改善了传感器特性。
2.4 串行接口电路
串行口是智能传感器与上位机或者其它设备交换信息的通道[2]。系统采用MAX202E芯片实现接口电路的设计，如图3所示。MAX202E为RS- 232两路发送，两路接收，单一的＋5V供电，传输率高达120kb/s，并且具有较强的抗干扰性。芯片内部自带电压转换装置，＋5～±10V电压转换由双路冲放电电压变换器实现。首先，冲放电电压变换器通过电容C1将＋5V电压转换为＋10V电压，并将＋10V电压储存在V＋的输出滤波电容C3中，然后通过电容C2将＋10V转换为－10V，并将－10V电压V－的输出滤波电容C4中。在芯片闲置时，V＋通过内部1kΩ下拉电阻连接到Vcc上，V－通过上拉电阻链接到GND上。
2.5 其它电路部分
其它电路主要有键盘电路、显示电路、语言输出电路和打印机接口电路等。单片机系统采用8279作为键盘、显示器接口，用硬件完成键盘与显示器扫描。键盘电路由0～9十个数字键和时钟设定键、确认键、开始键、停止键等五个功能键组成，具有设定采样周期、采样频率、启动采样、停止采样、显示控制等功能。其中采样频率系统默认值设定为150Hz。显示部分主要由8位LED数码管构成，具有实时显示加速度数值和系统故障部位的功能。语音报警电路采用ISD公司的ISD1200系列中的20秒单片语音录放芯片。它集语音处理和存储于一体，具有掉电信息保存，手动和单片机控制均可等特点，使用十分方便。
3 抗干扰措施
智能加速度传感器与其它类型的计算机系统相比，工作环境更为恶劣，往往噪声较大，振动剧烈。而抗干扰性作为智能加速度传感器的一个重要方面，直接影响到传感器的测量精度和运行稳定性。系统除采用信号调理电路外，还采用数字滤波技术以提高测量精度，硬件看门狗和软件陷阱技术来提高工作稳定性。
3.1 数字滤波
高斯白噪声和脉冲型噪声的干扰是系统产生随机误差的根源。系统采用中值滤波法，它计算简单，速度快，可以有效地去除脉冲噪声和寄生振荡，并且能够较好地保留信号的斜坡和跳变部分。中值滤波的基本原理是把数字序列中一点的值用该点的一个邻域内各点值的中值来代替。设一组测量值x1，x2，…，xn，把这n 个数按值大小排序：xi1≤xi2≤… ≤xin ，则此序列的中值为
y = Med (x1,x2,…,xn)
= xi((n+1)/2) n为奇数
[xi(n/2)+xi(n/2+1)]/2 n为偶数
3.2 软件陷阱与硬件看门狗
在程序存储区中每隔一段区域放置一个软件陷阱，能够将跑飞的程序纳入正确的系统运行轨道。由于软件陷阱都安排在正常程序执行不到的区域，如程序区、表格、未使用的ROM区、未使用的中断向量区等，故不会影响程序的执行效率[3]。
系统采用看门狗电路Max813作为程序运行监控器。在程序设计时，设定执行程序中全部任务的时间比看门狗延时周期短，并且对于每项任务设置一个标志，使看门狗对多项任务进行监视，只有当全部标志置位，也就是在程序跑飞或进入死循环造成系统失效时，将由看门狗发出一个复位信号，使系统能尽快复位并恢复正常工作。 4 软件设计
系统本身为一实时测试系统，程序设计力求简单可靠，在测量周期内进行计算和处理；其次是灵活性和通用性，要求程序本身既能满足目前应用，又要考虑系统扩充和改进。程序使用汇编语言，采用模块化结构，主要包括主控模块、人机对话功能模块、自诊断模块、通讯模块、显示模块和数据采集模块等。其中主控程序主要是完成各项功能调度；人机对话功能模块负责系统初始参数（采样周期、采样频率等）的设定，通讯模块采用中断方式与上位机进行信息交换；显示模块显示故障位置和测试数值；数据采集模块根据采样频率的设置采用中断方式对A/D数据进行采集；自诊断模块对外部环境条件引起的工作不可靠和传感器内部故障造成的性能下降给出诊断信号。限于篇幅，这里只给出主程序流程图，如图4所示。
5 结论
与传统相同型号的传感器作对比测试试验，传统加速度传感器的电压分辨率为0.3mV/g，智能加速度传感器的电压与电荷分辨率为0.28mV/g。可以看出，该传感器具有测量精度高，价格较低，灵活可靠的特点。它克服了传统加速度传感度低，元器件精度要求较高，测试系统复杂昂贵，应用范围具有局限性的缺陷。目前，已经在车辆振动行车测器测量精试系统中得到了成功运用。
本文摘自《半导体技术》
