基于DSP的數(shù)字式MEMS加速度傳感器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

引言

加速度傳感器一直是振動(dòng)測(cè)試中的重要元件。ADXL203加速度計(jì)是美國(guó)模擬器件（AD）公司的新型單芯片雙軸傳感器，測(cè)量范圍是1.7g.可以承受3500g振動(dòng)沖擊。相對(duì)于傳統(tǒng)的加速度計(jì)，他的成本比較低，性能好，功耗低。此外，該加速度計(jì)可以同時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)垂直方向的加速度，適用于靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的加速度測(cè)量。

測(cè)量原理

ADXL203采用先進(jìn)的MEMS技術(shù)，由一個(gè)利用表面微機(jī)械加工的多晶體硅機(jī)構(gòu)和一個(gè)差動(dòng)電容器組成。在加速度的作用下，多晶體硅結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生偏移，于是就會(huì)拉動(dòng)電容的運(yùn)動(dòng)極板滑動(dòng)是電容值發(fā)生變化，最終導(dǎo)致輸出方波的變化，利用這個(gè)原理，就可以通過(guò)查動(dòng)電容檢測(cè)到加速度的變化，加速度與輸出方波成正比。

應(yīng)用要點(diǎn)

ADXL203可以測(cè)量靜態(tài)加速度，也可以測(cè)量動(dòng)態(tài)加速度，其最小帶寬為0.5Hz，最大帶寬可以達(dá)到2500Hz。

在設(shè)計(jì)時(shí)，首先要確定北側(cè)加速度頻率范圍，然后再設(shè)定濾波器的參數(shù)。盡量使濾波器的帶寬略高于被測(cè)頻率，這樣做不僅有利于濾除高頻干擾，也有利于降低系統(tǒng)噪聲干擾。

因此要選擇合適的帶寬，如果一味提高通頻帶寬將會(huì)給測(cè)量帶來(lái)更多的噪音，降低測(cè)量精度。

實(shí)際應(yīng)用

在加速度測(cè)量研究中，我們采用了TI公司生產(chǎn)的TMS320LF2407DSP信號(hào)處理器來(lái)進(jìn)行處理。這里首先介紹一下2407的特點(diǎn)與性能。

1TMS320LF2407的硬件特點(diǎn)。

采用了采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，使得供電電壓降為3.3V，減少了功耗；基于TMS320C2xxDSP的CPU核，保證與TMS320系列DSP代碼兼容；片內(nèi)有高達(dá)32K字的單口RAM（SARAM）；兩個(gè)事件管理器模塊EVA和EVB，適用于控制各類電機(jī)；看門(mén)狗定時(shí)模塊（WDT）；控制局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）2.0B模塊；串行通信接口（SCI）模塊；16位的串行外設(shè)接口（SPI）模塊；JTAG接口，使得在系統(tǒng)編程（ISP）很容易實(shí)現(xiàn)；10位A/D轉(zhuǎn)換器最小的轉(zhuǎn)換時(shí)間為500ns，可選擇由兩個(gè)事件管理器來(lái)觸發(fā)2個(gè)8通道輸入A/D轉(zhuǎn)換器或1個(gè)16通道輸入A/D轉(zhuǎn)換器，而每次要轉(zhuǎn)換的通道都可通過(guò)編程來(lái)選擇。需要說(shuō)明的是，TMS320LF2407DSP是丁點(diǎn)16位芯片，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的最小單位是16位的字，每個(gè)地址（包括程序地址，數(shù)據(jù)地址及I/O地址）所存的數(shù)據(jù)都是16位。

2軟件環(huán)境。

TMS320C2407DSP提供兩種編程語(yǔ)言：匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言。兩種語(yǔ)言各有所長(zhǎng)：用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)DSP芯片，開(kāi)發(fā)速度快，可讀性好，可移植性強(qiáng)；而用匯編語(yǔ)言開(kāi)發(fā)DSP芯片，則能充分利用DSP芯片的軟硬件資源，程序代碼的執(zhí)行效率高。在開(kāi)發(fā)過(guò)程中幾乎不可避免的要使用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言的混合編程。如果源程序?yàn)镃語(yǔ)言，需調(diào)用TMS320C2xxDSP的C編譯器將其編譯成匯編語(yǔ)言，然后送匯編器進(jìn)行匯編。匯編后產(chǎn)生COFF格式的目標(biāo)文件，再用鏈接器進(jìn)行鏈接（鏈接過(guò)程包括將編譯器的運(yùn)行支持庫(kù)相關(guān)代碼鏈接進(jìn)來(lái)以及代碼段和數(shù)據(jù)段的重定位），生成在TMS320C2xxDSP上可執(zhí)行的COFF格式的目標(biāo)代碼，并調(diào)用下載程序?qū)⒛繕?biāo)代碼下載到目標(biāo)芯片上。

3系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括：變成邏輯器件接口，數(shù)字量擴(kuò)展單元，傳感器信號(hào)產(chǎn)生單元，A/D轉(zhuǎn)換單元，電源管理模塊（提供5V，3.3V）和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器等，將TMS320LF2407的資源全部引出。

系統(tǒng)主要模塊如下：

1．DSP控制單元。包括晶振，RAM，電源模塊，和相應(yīng)的數(shù)據(jù)輸出接口。根據(jù)DSP的實(shí)驗(yàn)板電路作出相應(yīng)的改動(dòng)，然后就可以與傳感器單元連接了。連接完畢，接入仿真器與電腦對(duì)接，進(jìn)行程序的調(diào)試。

2．傳感器信號(hào)輸出單元。包括ADXL203，AD8341A/D轉(zhuǎn)換器，運(yùn)放電路。傳感器電路分為兩個(gè)相同的組成部分，測(cè)量三個(gè)方向的加速度。使用的是AD公司生產(chǎn)的MEMS傳感器ADXL203，和由TI公司生產(chǎn)的A/D轉(zhuǎn)換器ADS8341。傳感器輸出的模擬信號(hào)送入A/D轉(zhuǎn)換器，然后送入DSP的SPI口進(jìn)行處理。板子的輸入電源由一個(gè)5V電源提供，在輸入之前，用電容進(jìn)行濾波以提高精度，減少毛刺。盡量減少對(duì)傳感器的影響。

4系統(tǒng)軟件。

CCS的設(shè)置與使用。運(yùn)行CodeComposerStudioSetup軟件，在ProcessorConfiguration窗中，在AvailableProcessor中選擇TMS320C24X，然后，點(diǎn)擊AddSingle；對(duì)話框右邊出現(xiàn)CPU_1圖標(biāo)，將板卡的I/O值修改為0X378。點(diǎn)擊Finish，關(guān)閉CodeComposerStudioSetup程序，選擇保存。CodeComposerStudio就設(shè)置完畢。

一個(gè)DSP應(yīng)用軟件的標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)，需要經(jīng)歷下列步驟：用文本編輯器（Editor）編輯滿足匯編器（Assembler）格式要求的匯編源程序；調(diào)用匯編器匯編該源文件，如果源文件中調(diào)用了宏，匯編器還會(huì)到宏庫(kù)中搜索該宏；匯編之后生成格式為公共目標(biāo)文件格式（COFF，CommonObjectFileFormat）的目標(biāo)文件（.obj），稱為COFF目標(biāo)文件；調(diào)用鏈接器（Linker）鏈接目標(biāo)文件，如果包含了運(yùn)行支持庫(kù)和目標(biāo)文件庫(kù)，鏈接器還會(huì)到所保護(hù)的庫(kù)中搜索所需的成員；鏈接之后生成可執(zhí)行的COFF執(zhí)行文件（.out）將COFF執(zhí)行文件下載到DSP中執(zhí)行。同時(shí)也可借助調(diào)試工具（DebuggingTool）對(duì)程序進(jìn)行跟蹤調(diào)試或優(yōu)化，也可利用交叉參考列表器（Cross-referenceLister）和絕對(duì)列表器（AbsoluteLister）生成一些包含調(diào)試信息的表。

TI公司在其系列芯片上設(shè)置了符合IEEE1149標(biāo)準(zhǔn)的JTAG（JointActionGroup）標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試接口及相應(yīng)的控制器，從而不但能控制和觀察多處理器系統(tǒng)中的每一個(gè)處理器的運(yùn)行，測(cè)試每一塊芯片，還可以用這個(gè)接口來(lái)裝入程序。用37芯扁平電纜使計(jì)算機(jī)通過(guò)并行口或轉(zhuǎn)接卡與SEED-SDSPP仿真盒相連，再用14芯JTAG接口線連接到用戶DSP目標(biāo)板。在PCB電路設(shè)計(jì)好后，程序先將JTAG的控制指令通過(guò)TDI送入JTAG控制器的指令寄存器中。再通過(guò)TDI將要寫(xiě)的數(shù)據(jù)及控制線信號(hào)輸入到BSR（邊界掃描寄存器）中，并將數(shù)據(jù)鎖存到BSC（邊界掃描單元）中，此后BSC的內(nèi)容送到其連接的相應(yīng)芯片的引腳!因芯片的數(shù)據(jù)線、地址線及控制線的引腳上都有其相應(yīng)的BSC，只要用JTAG指令將數(shù)據(jù)、地址及控制信號(hào)送到其BSC中，就對(duì)芯片內(nèi)的寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)，通過(guò)BSC對(duì)應(yīng)的引腳，不但可以將信號(hào)送給發(fā)Flash，實(shí)現(xiàn)對(duì)Flash的操作，也可以對(duì)SDRAM進(jìn)行操作。

5結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用上述的設(shè)計(jì)方法及其要點(diǎn)，通過(guò)反復(fù)調(diào)試實(shí)現(xiàn)了對(duì)加速度的測(cè)量，達(dá)到了預(yù)期目的。實(shí)踐證明ADXL203非常適合頻率變化較為緩慢、加速度不太大的測(cè)量。在充分考慮各種因素的基礎(chǔ)上，合理設(shè)置有關(guān)參數(shù)，就可以得到很好的精度。而在用DSP處理信號(hào)的時(shí)候，時(shí)鐘信號(hào)的選擇與A/D的頻率周期非常吻合，可以高效的追蹤信號(hào)，及時(shí)地處理信號(hào)，準(zhǔn)確地反映當(dāng)前物體的位移變化，達(dá)到了很好的效果。