ARM7加速度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)一種基于Model 1221單軸MEMS加速度計(jì)的加速度檢測(cè)裝置。該裝置以ARM7處理器AT91SAM7X256為核心，可對(duì)振動(dòng)加速度、靜態(tài)加速度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。通過(guò)AT91SAM7X256對(duì)實(shí)時(shí)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將處理后的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，或者保存到存儲(chǔ)設(shè)備上。
關(guān)鍵詞：檢測(cè)裝置；加速度；Model 1221；AT91SAM7X256

引言
加速度傳感器一直是加速度測(cè)試中的重要元件。隨著微加速度計(jì)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，對(duì)于微加速度計(jì)的數(shù)據(jù)信號(hào)采集和存儲(chǔ)變得極為重要。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法多數(shù)是采用單片機(jī)完成的，編程簡(jiǎn)單、控制靈活，但控制周期長(zhǎng)、速度慢，特別是對(duì)高速轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，單片機(jī)的速度極大地限制了數(shù)據(jù)傳輸速度。
目前，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)入到一個(gè)高低并行發(fā)展的階段。ARM處理器憑借體積小、功耗低、集成度高、硬件調(diào)試方便和操作系統(tǒng)可移植等優(yōu)點(diǎn)，獲得廣泛的應(yīng)用。本文采用基于ARM7TDMI-S核的32位微處理器AT91SAM7X256為控制核心，利用其內(nèi)部自帶的A／D轉(zhuǎn)換器對(duì)采集到的加速度值進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
本文應(yīng)用Model 1221單軸MEMS加速度計(jì)，輸出信號(hào)經(jīng)簡(jiǎn)單處理后直接外接到ARM7處理器上，只需對(duì)處理器的相應(yīng)軟件進(jìn)行設(shè)置，省去了A／D轉(zhuǎn)換電路，大大簡(jiǎn)化了電路復(fù)雜程度，并提高了數(shù)據(jù)處理的速度和精度。該加速度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)特別適用于對(duì)加速度和傾斜角的測(cè)量。它既可以測(cè)量動(dòng)態(tài)加速度(如典型振動(dòng)和沖擊)，又可以測(cè)量靜態(tài)加速度(如重力加速度和慣性)；既可以測(cè)量正加速度，又可以測(cè)量負(fù)加速度，因而可以作為斜率傳感器使用。

1 總體設(shè)計(jì)方案
加速度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要由單軸加速度計(jì)、運(yùn)放電路、ARM處理器(AT91SAM7X256)三部分組成。單軸加速度計(jì)經(jīng)過(guò)電路配置被施加一定加速度后，輸出相應(yīng)大小的電壓模擬信號(hào)，經(jīng)運(yùn)算放大電路處理后，直接送至ARM處理器的A／D處理端口。在處理器接收數(shù)據(jù)之前，首先要通過(guò)軟件方式對(duì)處理器的A／D功能進(jìn)行合理設(shè)置；處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)ARM處理器的存儲(chǔ)寄存器緩存后，由ARM處理器采取中斷的方式接收采集，并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)作進(jìn)一步處理；利用軟件分析數(shù)據(jù)的大小，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的信號(hào)，通過(guò)串口通信輸出到PC機(jī)上實(shí)時(shí)顯示。電源裝置采用開(kāi)關(guān)電源為傳感器、ARM處理器以及其他外圍電路提供所需的各種工作電壓。

2 Model 1221單軸MEMS加速度計(jì)簡(jiǎn)介
2．1 主要特點(diǎn)
Model 1221單軸MEMS(Micro Electro MechanicalSysteros)加速度計(jì)就是使用MEMS技術(shù)制造的加速度計(jì)。由于采用了微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)，使得其尺寸大大縮小，一個(gè)MEMS加速度計(jì)只有指甲蓋的幾分之一大小。MEMS加速度計(jì)具有體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。它可以測(cè)量振動(dòng)類(lèi)型的動(dòng)態(tài)加速度和重力類(lèi)型的靜態(tài)加速度，測(cè)量范圍是±2g；采用5 V單電源供電，集成在單片集成電路上，具有分辨率高、捕獲時(shí)間短、帶寬寬等特點(diǎn)；工作溫度范圍為-55～85℃，適合工作在惡劣環(huán)境下。
2．2 工作原理
技術(shù)成熟的MEMS加速度計(jì)分為3種：
①壓電式MEMS加速度計(jì)。運(yùn)用的是壓電效應(yīng)，在其內(nèi)部有一個(gè)剛體支撐的質(zhì)量塊，有運(yùn)動(dòng)的情況下質(zhì)量塊會(huì)產(chǎn)生壓力，剛體產(chǎn)生應(yīng)變，把加速度轉(zhuǎn)變成電信號(hào)輸出。
②容感式MEMS加速度計(jì)。內(nèi)部也存在一個(gè)質(zhì)量塊，從單個(gè)單元來(lái)看，它是標(biāo)準(zhǔn)的平板電容器。加速度的變化帶動(dòng)活動(dòng)質(zhì)量塊的移動(dòng)，從而改變平板電容兩極的間距和正對(duì)面積，通過(guò)測(cè)量電容變化量來(lái)計(jì)算加速度。
③熱感式MEMS加速度計(jì)。內(nèi)部沒(méi)有任何質(zhì)量塊，它的中央有一個(gè)加熱體，周邊是溫度傳感器，里面是密閉的氣腔。工作時(shí)在加熱體的作用下，氣體在內(nèi)部形成一個(gè)熱氣團(tuán)，熱氣團(tuán)的比重和周?chē)睦錃馐怯胁町惖?，通過(guò)慣性熱氣團(tuán)的移動(dòng)形成的熱場(chǎng)變化讓感應(yīng)器感應(yīng)到加速度值。
由于壓電式MEMS加速度計(jì)內(nèi)部有剛體支撐的存在，通常情況下，壓電式MEMS加速度計(jì)只能感應(yīng)到“動(dòng)態(tài)”加速度，而不能感應(yīng)到“靜態(tài)”加速度，也就是我們所說(shuō)的重力加速度。而容感式和熱感式既能感應(yīng)“動(dòng)態(tài)”加速度，又能感應(yīng)“靜態(tài)”加速度。
Model 1221單軸MEMS加速度計(jì)內(nèi)部包含了微機(jī)械電容傳感單元、溫度傳感器、傳感運(yùn)放電路和差分輸出電路，所有部件密封在一個(gè)迷你包裝中。它是容感式MEMS加速度計(jì)，即測(cè)量電容值的改變來(lái)計(jì)算加速度。