摘 要：介紹了一種基于2.4G射頻芯片nRF2401的加速度傳感器性能測(cè)試臺(tái)的實(shí)現(xiàn)方法,詳細(xì)介紹了加速度傳感器性能的測(cè)試原理和加速度傳感器性能測(cè)試臺(tái)的實(shí)現(xiàn)方法。在該系統(tǒng)中，采用PIC單片機(jī)PIC16F877A對(duì)加速度傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行采集后通過(guò)射頻芯片nRF2401將其傳入工控機(jī)中，同時(shí)采用 NI LabVIEW對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。射頻技術(shù)解決了數(shù)據(jù)采集中旋轉(zhuǎn)部分與靜止部分的接線困難問(wèn)題，使數(shù)據(jù)能正確快速地采集。
關(guān)鍵詞：加速度傳感器;nRF2401;測(cè)試臺(tái);PIC單片機(jī);LabVIEW
Abstract: This thesis introduced the method of realizing acceleration sensor performance test platform based on 2.4G radio frequency chip nRF2401 and the test principle of the acceleration sensor performance and the method of realizing the acceleration sensor performance test platform in detail. In this system, it uses PIC single chip computer PIC16F877A to collect the sending data from acceleration sensor, them transmits the data into industrial controlling computer by radio frequency chip nRF2401 and simultaneously analyzes the gathered data by NI LabVIEW. The radio frequency technology solved the problem that in the data acquisition process the rotating part has had some difficulties in wiring with the standstill part and is able to gather the data fast and correct.
Key words: Acceleration sensor;nRF2401; Test platform; PIC single chip computer; LabVIEW.
0 引言
本文介紹的是如何利用射頻技術(shù)構(gòu)建一個(gè)自動(dòng)測(cè)試臺(tái)以實(shí)現(xiàn)對(duì)加速度傳感器的性能檢測(cè)。加速度傳感器廣泛用于汽車領(lǐng)域，它主要用在以下幾個(gè)方面：安全氣袋，翻轉(zhuǎn)檢測(cè)，碰撞檢測(cè)，車輛動(dòng)態(tài)控制，剎車控制系統(tǒng)，駕駛者安全裝置。一般情況下，加速度傳感器的輸出信號(hào)分兩種方式：即模擬電壓輸出方式和數(shù)字輸出方式。本加速度傳感器性能測(cè)試臺(tái)測(cè)試的便是模擬電壓輸出方式的加速度傳感器。根據(jù)加速度傳感器生產(chǎn)廠家提供的技術(shù)指標(biāo)，在正常情況下，加速度傳感器的輸出電壓與加它所受的加速度成線性關(guān)系，或者說(shuō)符合某一給定曲線，如果測(cè)試所得值與給定曲線相符則表明加速度傳感器性能合格，反之則不合格。
1 測(cè)試原理與測(cè)試方法
圖1 勻速轉(zhuǎn)盤上物體向心加速度示意圖
要測(cè)試加速度傳感器的性能必須要使其處在各種不同的加速度條件下才能有不同的輸出電壓，因此該加速度傳感器自動(dòng)測(cè)試臺(tái)首先要實(shí)現(xiàn)的就是不同的加速度條件的產(chǎn)生。本系統(tǒng)的測(cè)試原理是：物體在勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)能產(chǎn)生向心加速度，半徑一定而勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的速率不同時(shí)，產(chǎn)生的向心加速度也不相同，向心加速度的大小與轉(zhuǎn)動(dòng)的速率成正比。加速度傳感器在固定半徑的圓周上以不同的速率做勻速圓周運(yùn)動(dòng)就能產(chǎn)生不同的向心加速度，從而產(chǎn)生不同的電壓輸出值，從而可以測(cè)試加速度傳感器的性能指標(biāo)。
如圖1示，加速度傳感器A安裝在半徑為R（米）的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的圓盤上，設(shè)圓盤的轉(zhuǎn)動(dòng)速度為n（轉(zhuǎn)/分），圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度為ω（弧度/秒），物體運(yùn)動(dòng)的線速度為v（米/秒）。物體的向心力為F（牛），向心加速度為a（米/秒2）。加速度方向指向圓心，即與物體的運(yùn)動(dòng)方向垂直。
由以上推論可知：只要改變圓盤的轉(zhuǎn)速，就能使加速度傳感器處在不同的加速度條件下。因此本系統(tǒng)的測(cè)試方法是：將加速度傳感器固定在一個(gè)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的圓盤上，圓盤由電機(jī)帶動(dòng)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，由工控機(jī)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。每改變一次電機(jī)的轉(zhuǎn)速，則加速度傳感器就會(huì)產(chǎn)生一次不同加速度值下的輸出電壓。因此可以測(cè)得加速度傳感器在各個(gè)加速度值下的輸出電壓值。
2 加速度傳感器性能試臺(tái)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本加速度傳感器性能自動(dòng)測(cè)試臺(tái)采用NI LabVIEW為開發(fā)平臺(tái)，在數(shù)據(jù)采集上采用射頻技術(shù)解決旋轉(zhuǎn)部件與靜止部件的接線問(wèn)題。如圖2所示為本加速度傳感器性能自動(dòng)測(cè)試臺(tái)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)由工控機(jī)、接口電路，電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)，采樣系統(tǒng)和被測(cè)傳感器測(cè)試臺(tái)組成。采樣系統(tǒng)與被測(cè)加速度傳感器一起轉(zhuǎn)動(dòng)，而接口電路與工控機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)。采樣系統(tǒng)與接口電路之間通過(guò)射頻進(jìn)行信號(hào)傳輸。被測(cè)傳感器固定在測(cè)試臺(tái)的圓盤上，圓盤的半徑為0.2米。圓盤通過(guò)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)采用伺服電機(jī)，它由電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，工控機(jī)通過(guò)串口控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。接口電路通過(guò)射頻傳輸獲得采樣系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，它將該數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳入工控機(jī)。
圖2 加速度傳感器自動(dòng)測(cè)試臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
由于采樣系統(tǒng)與被測(cè)加速度傳感器一起轉(zhuǎn)動(dòng)，而工控機(jī)和接口電路處于靜止?fàn)顟B(tài)。如何將該旋轉(zhuǎn)部件的信號(hào)引出來(lái)是本課題的一個(gè)難點(diǎn)之一。目前國(guó)際上測(cè)量旋轉(zhuǎn)構(gòu)件信號(hào)通常采用的方法有集流器傳輸和無(wú)線傳輸兩種。集流器傳輸方法包括拉線式、感應(yīng)式和電刷式三種 。拉線式集流器使用時(shí)易磨損 ,適用于低速旋轉(zhuǎn)部件的信號(hào)測(cè)量;感應(yīng)式集流器工作時(shí)其動(dòng)靜線圈之間的間隙變化會(huì)引起磁阻的變化 ,從而影響測(cè)量結(jié)果 ,而且其測(cè)量的旋轉(zhuǎn)部件轉(zhuǎn)速不高;電刷式集流器工作性能比較好 ,可用于較高轉(zhuǎn)速下信號(hào)測(cè)量 ,但高速旋轉(zhuǎn)時(shí) ,電刷集流器定子/轉(zhuǎn)子發(fā)熱會(huì)導(dǎo)致信號(hào)漂移 ,從而出現(xiàn)測(cè)量誤差。無(wú)線傳輸方法包括紅外傳輸和無(wú)線電傳輸兩種。紅外傳輸?shù)妮d體是紅外線 ,由于紅外線有一定的方向性且不能穿越障礙物 ,因此 ,紅外傳輸只適合于應(yīng)用在近距離、小角度、無(wú)障礙物場(chǎng)合的數(shù)據(jù)傳輸。因此 ,本系統(tǒng)采用抗干擾能力強(qiáng)的無(wú)線數(shù)字傳輸技術(shù)。
3 加速度傳感器性能測(cè)試臺(tái)的實(shí)現(xiàn)方法
由加速度傳感器性能自動(dòng)測(cè)試臺(tái)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以看出：該測(cè)試臺(tái)的實(shí)現(xiàn)主要由以下幾個(gè)部分組成：
（1） 采樣系統(tǒng)
采樣系統(tǒng)的作用是：采集傳感器的信號(hào)和將數(shù)據(jù)通過(guò)射頻收發(fā)電路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。本系統(tǒng)采用MICROCHIP公司的PIC16F877A單片機(jī)為采樣系統(tǒng)的處理器，選用該種單片機(jī)只要考慮到它具有以下優(yōu)點(diǎn)：
① 采用高性能精簡(jiǎn)指令集RISC之CPU，只要學(xué)會(huì)35條單字指令就可以學(xué)會(huì)編程;
② 指令執(zhí)行速度快，時(shí)鐘輸入允許范圍在在0～20MHZ,且指令除程序分支有兩個(gè)周期外均為單周期指令;
③ 工作電壓范圍寬：2.0～5.5V;
④ 支持在線串行編程ICSP（In-Circuit Serial ProgrammingTM）;
⑤ 10位多通道A/D轉(zhuǎn)換器;
⑥ 帶有SPITM（主模式）和I2C（主/從）的同步串行端口SSP（Synchronous Serial Port） 。
本測(cè)試臺(tái)測(cè)試的加速度傳感器是模擬電壓輸出方式的，因此采樣系統(tǒng)中的單片機(jī)主要接口是加速度傳感器模擬信號(hào)輸入和與射頻模塊的接口，射頻芯片采用的是nRF2401,它的數(shù)據(jù)通信接口是一個(gè)SPI方式的同步串行接口，故它可以與單片機(jī)的SSP口直接相連。
（2） 射頻收發(fā)電路
為了解決了數(shù)據(jù)采集中旋轉(zhuǎn)部分與靜止部分的接線困難問(wèn)題，本設(shè)計(jì)中采用了射頻技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，射頻芯片采用nordic公司的射頻收發(fā)芯片nRF2401。
nRF2401是一個(gè)單片集成接收、發(fā)射器的芯片 ,工作頻率范圍為全球開放的 2.4 GHz 頻段。采用 GFSK調(diào)制時(shí)的數(shù)據(jù)速率為高速率 1 M bit/ s,高于藍(lán)牙 ,具有高數(shù)據(jù)吞吐量。nRF2401 內(nèi)置了 CRC糾、檢錯(cuò)硬件電路和協(xié)議。發(fā)射功率、工作頻率等所有工作參數(shù)全部通過(guò)軟件設(shè)置完成。1.9～3.6 V 低功耗 ,滿足低功耗設(shè)計(jì)需要。每個(gè)芯片可以通過(guò)軟件設(shè)置最多 40bit地址 ,只有收到本機(jī)地址時(shí)才會(huì)輸出數(shù)據(jù)且提供一個(gè)中斷指示 。該芯片編程方便，能滿足本系統(tǒng)的需求。
要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)必須要用到至少2個(gè)射頻收發(fā)模塊，本系統(tǒng)中在采樣系統(tǒng)和接口電路中各使用一個(gè)射頻收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸。接口電路中的射頻收發(fā)模塊負(fù)責(zé)與工控機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，它起到一個(gè)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)作用。而采樣系統(tǒng)中的射頻模塊作用是實(shí)現(xiàn)向工控及發(fā)送采集系統(tǒng)采集的加速度傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。
（3） 電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)
由于系統(tǒng)中是采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)產(chǎn)生加速度條件，因此要用到電動(dòng)機(jī)和電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。本系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)選用直流伺服電機(jī)，電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用DDS系列數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)。它采用直流電機(jī)和測(cè)速機(jī)機(jī)組，以單片機(jī)8751為核心，數(shù)字量給定，軟件PID調(diào)節(jié)，數(shù)字PWM輸出。IGBT功率驅(qū)動(dòng)，是高精度、低漂移的雙向調(diào)速系統(tǒng)。電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)可以通過(guò)工控機(jī)控制，工控機(jī)通過(guò)串口發(fā)送相應(yīng)指令就可以使電機(jī)工作在某一轉(zhuǎn)速,從而加速度傳感器有在某一加速度值下的電壓輸出。
（4） 數(shù)據(jù)采集和信號(hào)分析軟件
NI LabVIEW 是一種圖形化的編程語(yǔ)言，用于數(shù)據(jù)采集、分析與顯示的圖形化開發(fā)環(huán)境，快速創(chuàng)建靈活的、可升級(jí)的測(cè)試、測(cè)量和控制應(yīng)用程序。使用 LabVIEW可以采集到實(shí)際信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行分析得出有用信息，然后將測(cè)量結(jié)果和應(yīng)用程序進(jìn)行分析。本設(shè)計(jì)采用NI LabVIEW而不采用VB或 VC等作為編程語(yǔ)言，正是因?yàn)長(zhǎng)abVIEW具有強(qiáng)大的信號(hào)分析功能，能夠快速便捷地開發(fā)出應(yīng)用與該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和信號(hào)分析軟件。
數(shù)據(jù)通過(guò)串口進(jìn)入工控機(jī)后，LabVIEW讀取數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)字濾波，曲線擬合后與給定曲線進(jìn)行比較，就可以判斷出加速度傳感器性能是否合格。
4 結(jié)論
在加速度傳感器性能測(cè)試臺(tái)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先要解決的是加速度條件的產(chǎn)生問(wèn)題，勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的方法產(chǎn)生加速度條件是一種比較容易實(shí)現(xiàn)的方法且精度也比較容易控制。但該方法的一個(gè)缺陷在于旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與靜止機(jī)構(gòu)的接線困難問(wèn)題，而采用射頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸使問(wèn)題迎刃而解。且NI LabVIEW以其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集和信號(hào)分析功能使設(shè)計(jì)變得方便快捷。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：利用旋轉(zhuǎn)物體產(chǎn)生向心加速度的方法來(lái)為加速度傳感器性能測(cè)試臺(tái)創(chuàng)造加速度產(chǎn)生的條件;利用射頻技術(shù)解決旋轉(zhuǎn)部分與靜止部分接線困難的問(wèn)題。
參考文獻(xiàn):
[1] 王育虔，楊紀(jì)明，董順義，李偉.基于單片機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)速度位移和加速度測(cè)量方法[J]. 微計(jì)算機(jī)信息，2005, 7：62-63.
[2] 卞春江,張?zhí)旌?鄧志偉,張平. 面向旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的高速無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].傳感器技術(shù)，2004, 11：53-55.
[3] 侯國(guó)平，王坤，葉齊鑫.LabVIEW7.1編程與虛擬儀器設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005：17-219.
[4] 劉篤仁.PIC軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005：26-36.
