nRF905實(shí)現(xiàn)無(wú)線加速度測(cè)量系統(tǒng)

為了克服有線加速度傳感系統(tǒng)中由導(dǎo)線所導(dǎo)致的數(shù)據(jù)傳輸弊端，以射頻數(shù)字傳輸方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)導(dǎo)線傳輸方式。給出了無(wú)線加速度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)電路并進(jìn)行調(diào)試。加速度信號(hào)采集及射頻收發(fā)試驗(yàn)表明，在400 m范圍內(nèi)，測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確。在近距運(yùn)動(dòng)物體加速度測(cè)量的復(fù)雜環(huán)境中，該系統(tǒng)能夠克服因采用傳輸導(dǎo)線所帶來(lái)的一些缺點(diǎn)。

　　引言

　　微電子與微機(jī)械(MEMS)技術(shù)的發(fā)展，使現(xiàn)代傳感器設(shè)計(jì)向微型化、智能化、集成化、微低功耗方向發(fā)展。MEMS技術(shù)突破了傳統(tǒng)傳感器設(shè)計(jì)受質(zhì)量、體積、功耗等技術(shù)瓶頸的束縛，在各測(cè)量領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。而隨著無(wú)線技術(shù)的發(fā)展，傳感器技術(shù)與無(wú)線技術(shù)結(jié)合得越來(lái)越緊密，利用無(wú)線技術(shù)開發(fā)信號(hào)采集無(wú)線傳輸模塊可以克服有線傳輸?shù)谋锥恕?/p>

　　本文結(jié)合三軸線性MEMS慣性傳感器LIS331DL和單片無(wú)線收發(fā)器nRF905構(gòu)建加速度測(cè)量無(wú)線傳輸系統(tǒng)，避免因采用傳輸導(dǎo)線所帶來(lái)的不利影響和使用上的不方便。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是集電源、加速度傳感器、微控器、射頻收發(fā)器于一體，體積小、功耗低，能夠實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)物體三維方向上加速度的測(cè)量。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)裝置可以非常方便地固定于運(yùn)動(dòng)物體上，尤其適合近距復(fù)雜環(huán)境中對(duì)運(yùn)動(dòng)物體加速度的測(cè)量。

　　1 系統(tǒng)組成和工作原理

　　系統(tǒng)總體構(gòu)成如圖1所示。系統(tǒng)分為主、從機(jī)兩部分。從機(jī)負(fù)責(zé)測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的加速度并通過(guò)射頻傳輸方式發(fā)射測(cè)量數(shù)據(jù);主機(jī)負(fù)責(zé)接收從機(jī)發(fā)射的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并將數(shù)據(jù)結(jié)果通過(guò)RS 232串口保存到PC機(jī)中以供分析。

　　系統(tǒng)采用電池供電，在非工作模式下處于待機(jī)模式，通過(guò)控制按鍵實(shí)現(xiàn)工作模式和待機(jī)模式的切換以進(jìn)一步節(jié)省功耗，保證電池長(zhǎng)時(shí)間工作。

　　2 硬件設(shè)計(jì)

　　硬件設(shè)計(jì)主要包括傳感器與微控器外圍連接電路設(shè)計(jì)、射頻收發(fā)器與微控器外圍連接電路設(shè)計(jì)等。

　　2.1 微控制器

　　經(jīng)對(duì)比選用高速C8051F310單片機(jī)作為系統(tǒng)的微控器。C8051F310是完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU芯片，具有片內(nèi)上電復(fù)位、VDD監(jiān)視器、看門狗定時(shí)器和時(shí)鐘振蕩器的真正獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)，片內(nèi)外設(shè)豐富。

　　2.2 LIS331DL傳感器電路設(shè)計(jì)

　　LIS331DL是ST納米運(yùn)動(dòng)傳感器家族中具有最小封裝(LGA16封裝，3 mm×3 mm×1 mm)、最低功耗(小于1 mW)的三軸線性加速度傳感器。

　　邏輯框圖如圖2所示。LIS331DL內(nèi)部有按互相垂直關(guān)系放置的三個(gè)敏感質(zhì)量塊。當(dāng)有外界加速度作用時(shí)，敏感質(zhì)量塊會(huì)偏離其平衡位置一段位移，外界加速度越大位移就越大。由于敏感質(zhì)量塊位于兩個(gè)電極組成的電容之間，質(zhì)量塊位移的變化會(huì)引起電容電極兩端電荷量的變化，電荷量的變化經(jīng)電容/電壓變換器轉(zhuǎn)化為電壓的變化，A/D轉(zhuǎn)換器將模擬電壓值轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)字值，從I2C/SPI串行接口的三個(gè)輸出軸以二進(jìn)制補(bǔ)碼的形式輸出。該芯片能夠測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體在三維空間的線加速度，三個(gè)輸出軸上加速度的矢量和即為運(yùn)動(dòng)物體的加速度。

　　該芯片具有標(biāo)準(zhǔn)的I2C/SPI串行總線接口，內(nèi)置嵌入式功能，為用戶提供動(dòng)態(tài)可編程設(shè)置的兩個(gè)量程±2g/±8g以適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，數(shù)據(jù)輸出速率可編程選擇為100 Hz/400 Hz以適應(yīng)不同外設(shè)的速率要求。當(dāng)外界加速度值超過(guò)三個(gè)輸出軸中至少一個(gè)軸的可編程加速度閾值時(shí)，芯片可被配置用以產(chǎn)生慣性喚醒/自由落體中斷信號(hào)。LIS331DL能夠承受10 000g的加速度沖擊而依然保持性能不變。

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