加速計(jì)測(cè)量沖力和擺動(dòng)

引言

本文描述用加速計(jì)、微控制器硬/軟件和液晶顯示測(cè)量物體沖力和擺動(dòng)的原理。由于加速計(jì)具有dc～400Hz的寬頻率響應(yīng)，所以本裝置能夠測(cè)量地球引力的靜態(tài)加速度和沖力震動(dòng)或振動(dòng)。本設(shè)計(jì)用40G加速計(jì)（Motorola P/N:MMA2200W)產(chǎn)生-40G～+40G最小加速度。

擺動(dòng)測(cè)量原理

測(cè)量物體擺動(dòng)或方位，加速計(jì)必須能響應(yīng)d.c.力。而像壓電技術(shù)不可能做到，因?yàn)樗痪哂腥魏蝑.c.響應(yīng)。如圖1所示，加速計(jì)應(yīng)該安裝在并行于地平面靈敏軸上。當(dāng)角度θ從-90°到+90°傾斜時(shí)，加速計(jì)輸出將從-1.0g到+1.0g變化。下列方程式給出其關(guān)系式：

VOUT=Voff+(△V / △G)×1.0G×Sinθ

式中：VOUT-加速計(jì)輸出，Voff-零加速計(jì)值，△V/△G-靈敏度，1.0G-地球引力，θ-擺動(dòng)角。

在擺動(dòng)測(cè)量中，測(cè)量這種小的變化（即40g滿量程中小于1g變化），對(duì)很多取樣數(shù)據(jù)求平均以消除高頻分量，因?yàn)閿[動(dòng)信息基本上是由低頻分量組成（量級(jí)為幾赫茲或更低）。另外，需要一個(gè)外部低通濾波器濾掉a.c.分量以便提取dc分量。本設(shè)計(jì)分辨率為0.5g，因?yàn)槭?位A/D變換器所產(chǎn)生的19.6mV/步所限。MMA2200W的40mV/g靈敏度大約等于0.5g。然而，沖力測(cè)量時(shí)信號(hào)的處理方法不同于擺測(cè)量，因?yàn)榉逯禌_力信息是高頻分量。

用方程式測(cè)量擺動(dòng)角，首先必須解正弦函數(shù)。在C語(yǔ)言編程中，在庫(kù)中可用asin()函數(shù)，然后，在匯編語(yǔ)言中，可用下列議程給出的查表或三角級(jí)數(shù)求解：

θ=Sin -1X=X+(X3 / 6)+(1×3X5 / 2×45)+(1×3×5X7 / 2×4×6)+……

對(duì)于擺動(dòng)角小于10°，可用下面近似式：

sinθ=θ

式中θ單位是弧度

沖力測(cè)量原理

在沖力期間，加速計(jì)將測(cè)量物體從dc到400Hz所承受的減速度。通常，峰值沖力脈沖為幾毫秒量級(jí)。

為了檢測(cè)信號(hào)峰值，根據(jù)Nyquist取樣準(zhǔn)則，取樣率至少是2倍信號(hào)頻率。如信號(hào)頻率為300Hz，則取樣率至少是600Hz。在本設(shè)計(jì)中，對(duì)32個(gè)取樣求平均以消除加速計(jì)的隨機(jī)噪聲。獲得32個(gè)取樣和求平均所需時(shí)間大約為650μs，此相應(yīng)于1.5kHz取樣頻率。通常的加速計(jì)取樣時(shí)間為500μs量級(jí)。

本設(shè)計(jì)中，測(cè)量車輛加速度并與7g預(yù)置閥值進(jìn)行比較以確定所需的LED是否導(dǎo)通或關(guān)斷。同時(shí)，峰值加速度上LED上顯示3秒。

一旦超過(guò)閥值，大多數(shù)氣包系統(tǒng)立刻執(zhí)行緊急鑒別。然后軟件程序監(jiān)控加速計(jì)以確定緊爭(zhēng)情況的嚴(yán)重性和需要采用氣包和/或安全帶。算法隨設(shè)計(jì)變化，通常在調(diào)用包開(kāi)傘之前設(shè)置到高于可靠的能量閥值。例如，某設(shè)計(jì)利用下面的方程在時(shí)間周期內(nèi)積分加速度成速度信號(hào)或駕駛員沖擊：

同時(shí)也可以用其他很多參量（如車輛能量改變），因?yàn)閷?duì)一種類型緊急情況是良好的，而另一種參量對(duì)另一類型緊急情況也是良好的。

硬件描述

由于MMA2200W是完全由其內(nèi)部運(yùn)放和濕度補(bǔ)償調(diào)理，所以加速計(jì)輸出可直接與A/D變換器接口，假若加速計(jì)輸出和A/D變換之間的連接是一長(zhǎng)線或電纜，則應(yīng)增加一個(gè)由RC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的濾波器。雜散電容可改變內(nèi)部的位置，可導(dǎo)致加速計(jì)輸出放大器處于振蕩或不穩(wěn)定狀態(tài)。本設(shè)計(jì)選擇截止頻率為15.9kHz，這也做為A/D變換器抗混淆濾波器的截止頻率。3dB頻率可由下式近似地給出：

f-3dB=1 / 2πRC

從電路圖2可見(jiàn)，MMA2200W加速計(jì)連接到微控機(jī)器PORT D位5，而放大器輸出連接到PORT D位6.此端口是片上8位A/D變換器的一個(gè)輸入。通常，加速計(jì)提供到微處理器的信號(hào)輸出大約0.3Vdc（在-5.5g加速度）～4.7Vdc（d +5.5g加速度）。A/D變換器和加速計(jì)采用相同基準(zhǔn)電壓，使附加元件最少，但犧牲了分辨率。分辨率由下式確定：

count=Vout / 5 ×255

0g時(shí)count=[2.5/5]×255∝ 128

+25g時(shí)count=[3.5/5]×255∝ 197

-25g時(shí)count=[1.5/5]×255 77

所以分辨率為0.5g/count。

加速計(jì)輸出與所加電壓成比例。加速計(jì)和基準(zhǔn)電壓連接到公共電源，使系統(tǒng)變?yōu)楸嚷氏到y(tǒng)。根據(jù)比率系統(tǒng)的性質(zhì)，加到系統(tǒng)的電源電壓變化將不影響系統(tǒng)精度。

液晶顯示（LCD）直接由微控制器的I/O端口A、B和C驅(qū)動(dòng)。LCD數(shù)據(jù)和背板（BP）引腳必須用交變信號(hào)驅(qū)動(dòng)。此功能由軟件程序提供，數(shù)據(jù)和背板交換速率為30Hz。除LCD外，一個(gè)LED連接到微控制器的脈沖長(zhǎng)度變換器（PLM）上。當(dāng)檢測(cè)沖力大于或等于7g時(shí)，LED將亮三秒鐘。

系統(tǒng)微控制器部分需要一定支持硬件。圖中MC34064P-65提供過(guò)壓感測(cè)功能，用于系統(tǒng)上電時(shí)復(fù)位微處理器。4MHz晶振為微控制器提供時(shí)鐘、為時(shí)基功能（如脈沖率計(jì)算）提供穩(wěn)定時(shí)基。

軟件描述

系統(tǒng)上電后，LCD顯示CAL 4秒左右，在此時(shí)間，取樣和求平均加速計(jì)輸出以獲得零補(bǔ)償電壓或加速度。此數(shù)值將存儲(chǔ)在RAM中，用下式計(jì)算沖力：

沖力=[count-countoffset]×分辨率

注意，在零定標(biāo)期間加速計(jì)應(yīng)保持穩(wěn)定。

在軟件程序中，每650μs計(jì)算加速計(jì)輸出一次。在沖南昌期間，測(cè)量峰值加速度并在復(fù)位到零之前LCD上顯示3秒鐘，此期間，若測(cè)量到較高的沖力，則LCD顯示值將做相應(yīng)更新。

當(dāng)檢測(cè)到低g值（即1.0g）時(shí)，將不顯示此值。繼而進(jìn)行更多取樣進(jìn)一步求平均以消除隨機(jī)噪聲和高頻分量。由于擺動(dòng)是低g和低頻信號(hào)，所以采用多取樣數(shù)以防止不穩(wěn)定顯示。另外，顯示值不像沖力那樣保持3秒鐘。詳細(xì)軟件在此就不詳述了。