《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置：首頁 > 測(cè)試測(cè)量 > 業(yè)界動(dòng)態(tài) > 一種新型加速度傳感器性能測(cè)試系統(tǒng)

一種新型加速度傳感器性能測(cè)試系統(tǒng)

2008-11-28
作者：李建奇1,2, 資道周2

??? 摘? 要: 介紹了一種新型的加速度傳感器" title="加速度傳感器">加速度傳感器性能測(cè)試系統(tǒng),它由計(jì)算機(jī)分析平臺(tái)、數(shù)據(jù)采集" title="數(shù)據(jù)采集">數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)交換" title="數(shù)據(jù)交換">數(shù)據(jù)交換子系統(tǒng)和直流調(diào)速子系統(tǒng)四個(gè)部分組成。系統(tǒng)通過串口" title="串口">串口控制直流調(diào)速系統(tǒng)改變轉(zhuǎn)盤的速度從而獲得變化的加速度曲線,再通過射頻芯片nRF2401進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集。上位機(jī)采用LabVIEW開發(fā),其他3個(gè)子系統(tǒng)采用PIC單片機(jī)作為主控芯片實(shí)現(xiàn)。?

??? 關(guān)鍵詞: 加速度傳感器; 數(shù)據(jù)采集; 射頻通信; LabVIEW?

?

??? 傳感器是自動(dòng)化系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的關(guān)鍵性基礎(chǔ)器件,其技術(shù)水平直接影響到自動(dòng)化系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的水平,傳感器的好壞對(duì)系統(tǒng)質(zhì)量起著決定性作用。其中加速度傳感器用途廣泛,目前加速度傳感器在汽車電子領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。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。因?yàn)榧铀俣葌鞲衅鞯挠猛緩V泛,所以加速度傳感器也越來越重要,產(chǎn)品在出廠之前必須經(jīng)過嚴(yán)格的測(cè)試[1-2]。?

??? 本文介紹了一種基于虛擬儀器和射頻技術(shù)的新型加速度傳感器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng),它基于LabVIEW 圖形化開發(fā)環(huán)境,對(duì)汽車加速度傳感器的性能數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,利用其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析功能對(duì)汽車加速度傳感器的性能進(jìn)行分析。?

1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?

??? 系統(tǒng)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題。圖1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)由計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)交換子系統(tǒng)、電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)、采樣子系統(tǒng)、被測(cè)傳感器測(cè)試臺(tái)6個(gè)部分組成。采樣子系統(tǒng)與被測(cè)加速度傳感器一起轉(zhuǎn)動(dòng),而數(shù)據(jù)交換子系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)。采樣子系統(tǒng)與數(shù)據(jù)交換子系統(tǒng)之間通過射頻進(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0.2m。圓盤通過電動(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)控制,計(jì)算機(jī)通過串口控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。數(shù)據(jù)交換子系統(tǒng)通過射頻傳輸獲得采樣子系統(tǒng)的數(shù)據(jù),并將該數(shù)據(jù)通過串口傳入計(jì)算機(jī)。

?

?

2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)?

??? 測(cè)試臺(tái)的硬件部分由數(shù)據(jù)交換子系統(tǒng)與采樣子系統(tǒng)組成,其中數(shù)據(jù)交換子系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸采用串口通信,采樣子系統(tǒng)與數(shù)據(jù)交換子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸采用射頻通信方式。 采樣子系統(tǒng)的作用是采集傳感器的信號(hào)并通過射頻收發(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)為采樣子系統(tǒng)的處理器,其內(nèi)部帶有10位8通道A/D" title="A/D">A/D轉(zhuǎn)換器,能一次性測(cè)量8個(gè)加速度傳感器,基本能滿足系統(tǒng)的精度要求[3]。為了解決數(shù)據(jù)采集中旋轉(zhuǎn)部分與靜止部分的接線困難問題[4],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,它是一個(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2.4GHz 頻段,采用GFSK調(diào)制時(shí)的數(shù)據(jù)速率為1Mb/s,高于藍(lán)牙,具有高數(shù)據(jù)吞吐量。nRF2401 內(nèi)置了CRC糾錯(cuò)、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)全部通過軟件設(shè)置完成。每個(gè)芯片可以通過軟件設(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,該芯片編程非常方便[5]。?

2.1采樣子系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)?

2.1.1 電源電路?

??? 系統(tǒng)電源采用的模式是AC/DC-DC/DC,由于采樣子系統(tǒng)是隨測(cè)試臺(tái)一起旋轉(zhuǎn),先采用一個(gè)AC/DC電源將電網(wǎng)上的220V電源轉(zhuǎn)換成DC48V電源,然后將DC48V電源通過一個(gè)碳刷和滑環(huán)接入到旋轉(zhuǎn)的采樣子系統(tǒng)電路上,而采樣子系統(tǒng)上的電源主要有32/24/16V、16/12/8V、5.3/5/4.7V、5V、3.3V這五路電源,其中前三路電源是給測(cè)試三種不同加速度傳感器時(shí)提供電源的,而5V、3.3V是給采樣子系統(tǒng)電路提供電源的,采樣子系統(tǒng)電源采用三端穩(wěn)壓塊LM317來實(shí)現(xiàn)。?

2.1.2 傳感器電源與接地狀態(tài)切換電路?

??? 由于測(cè)試過程中加速度傳感器的電源和接地狀態(tài)要經(jīng)常被改變,這里用繼電器來切換加速度傳感器的電源與接地狀態(tài)。本系統(tǒng)用到的繼電器為DC5V的小印制板繼電器,繼電器線圈的驅(qū)動(dòng)電壓為+5V,驅(qū)動(dòng)電流為40mA,在該電路中,繼電器的驅(qū)動(dòng)采用集成了7路達(dá)林頓管的集成芯片MC1413。MC1413的每路驅(qū)動(dòng)電流最高可達(dá)500mA,而且它內(nèi)部集成了續(xù)流二極管,因此非常適合用于驅(qū)動(dòng)小功率的繼電器。單片機(jī)的I/O口RD2、RD3、RD4、RC6和RC7分別用來控制5個(gè)繼電器的閉合與斷開。?

2.1.3? 射頻電路?

??? 在采樣子系統(tǒng)中,單片機(jī)的工作電源為5V,這主要考慮到系統(tǒng)要用到的單片機(jī)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器必須采用+5V電源作為其參考電壓。但是nRF2401工作電源為3.3V。因此,單片機(jī)的I/O口不能與nRF2401直接相連,中間必須經(jīng)過一個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路將5V電平轉(zhuǎn)換成3.3V電平。本電路采用高速光耦6N137來實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。6N137的最高開關(guān)速率可達(dá)到75ns,而本系統(tǒng)中采用的PIC16F877A的晶振為8MHz,即模擬的I/O時(shí)序中高低電平翻轉(zhuǎn)時(shí)間不可能小于1μs,因此6N137在這里能夠滿足要求。這里用到的單片機(jī)I/O口為RC0~RC5。本系統(tǒng)只用到nRF2401兩路通道中的頻道1。?

2.1.4 A/D采樣電路?

??? 由于加速度傳感器的輸出電壓有可能高于5V,該電路用了一個(gè)穩(wěn)壓值為5.1V的穩(wěn)壓二極管IN5338將傳感器的輸出電壓穩(wěn)定在5.1V以內(nèi),然后接到單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換引腳上。IN5338的功率為0.5W,即能夠承受的最大電流為100mA,該電路用了一個(gè)1kΩ的電阻起限流作用,以防止流過穩(wěn)壓二極管的電流過大。?

2.1.5 直流伺服電機(jī)及DDS調(diào)速系統(tǒng)?

??? DDS直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)以PIC16F877A為核心,采用數(shù)字方式,通過軟件PID調(diào)節(jié),通過數(shù)字PWM輸出。系統(tǒng)調(diào)速范圍為1:500,調(diào)速精度為1%,直流電機(jī)選用70SZD06,其主要參數(shù)為轉(zhuǎn)速2 000r/s,轉(zhuǎn)矩0.72Nm。減速器型號(hào)PX40-8,輸出轉(zhuǎn)矩5Nm。?

2.2 數(shù)據(jù)交換子系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)?

??? 該子系統(tǒng)也采用PIC16F877A作為系統(tǒng)的主控芯片,nRF2401接收數(shù)據(jù),用MAX232作為RS-232的電平轉(zhuǎn)換芯片。?

3 系統(tǒng)的通信組成?

??? 本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信分成三個(gè)部分:計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)交換子系統(tǒng)采用串口1通信;數(shù)據(jù)交換子系統(tǒng)與采樣子系統(tǒng),采用射頻通信;計(jì)算機(jī)與直流調(diào)速系統(tǒng),采用串口2通信。本系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)采用串口通信的方法,主要是考慮到接口硬件方便,易于實(shí)現(xiàn)。其中串口通信采用9 600b/s的波特率,傳輸?shù)膬?nèi)容分命令和數(shù)據(jù)兩種,分別按照不同的固定格式加幀頭和CRC校驗(yàn)組成。而射頻通信則以250Kb/s的速率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,射頻芯片根據(jù)配置的內(nèi)容自動(dòng)加上4個(gè)字節(jié)的地址信息和2個(gè)字節(jié)的CRC校驗(yàn)信息。為了配置方便,系統(tǒng)中射頻通信都是采用10個(gè)字節(jié)有效數(shù)據(jù)作為一幀信息發(fā)送,即超過10個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)采用多幀發(fā)送,不足10個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)自動(dòng)在數(shù)據(jù)尾段補(bǔ)0X55湊足10個(gè)字節(jié)[6-7]。?

4 系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)?

4.1系統(tǒng)的主要功能模塊?

??? 在主程序中包括用戶配置、自動(dòng)測(cè)試、手動(dòng)測(cè)試、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、報(bào)表處理和帳號(hào)修改等6個(gè)主要的功能模塊。?

??? (1) 自動(dòng)測(cè)試?

??? 自動(dòng)測(cè)試為本系統(tǒng)的最重要的組成部分。自動(dòng)測(cè)試程序流程圖如圖2所示。LabVIEW接收到傳感器的數(shù)據(jù)被從串口中讀出,數(shù)據(jù)是一個(gè)字符串,程序先將該字符串轉(zhuǎn)換成數(shù)值數(shù)組,將8個(gè)傳感器數(shù)據(jù)分別存放于8個(gè)數(shù)組中,一次自動(dòng)測(cè)試得到的數(shù)據(jù)為8個(gè)二位數(shù)組,數(shù)組大小為10行5列。?

?

?

??? 自動(dòng)測(cè)試時(shí),數(shù)據(jù)交換子系統(tǒng)總共上傳1 000幀數(shù)據(jù),每幀數(shù)據(jù)12B,其中有效數(shù)據(jù)即傳感器的電壓值為8B。它分50次發(fā)送,每次傳送的有效數(shù)據(jù)為160B,由于上傳的數(shù)據(jù)為A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果,還未將之轉(zhuǎn)換成電壓值,故要用2個(gè)字節(jié)存放1個(gè)電壓值數(shù)據(jù),即每次傳送80個(gè)電壓值數(shù)據(jù)。?

??? (2) 手動(dòng)測(cè)試?

??? 手動(dòng)測(cè)試可以完成對(duì)某個(gè)傳感器的某個(gè)狀態(tài)下的性能測(cè)試。?

??? (3) 報(bào)表處理?

??? 測(cè)試產(chǎn)生的數(shù)據(jù)以文本格式保存在計(jì)算機(jī)硬盤中,同時(shí)為這些報(bào)表建立了一個(gè)索引表,索引文件中記錄了報(bào)表產(chǎn)生的時(shí)間信息和報(bào)表的批次號(hào)信息。因此在程序中提供了四種報(bào)表查詢方法:單報(bào)表按時(shí)間查詢、批報(bào)表按時(shí)間查詢、單報(bào)表按批次號(hào)查詢和批報(bào)表按批次號(hào)查詢。測(cè)試人員可以對(duì)查詢到的報(bào)表進(jìn)行查看、移動(dòng)、刪除和打印等操作。?

??? (4) 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)?

??? 系統(tǒng)提供了三種統(tǒng)計(jì)方式:自定義時(shí)間統(tǒng)計(jì)、月統(tǒng)計(jì)、年統(tǒng)計(jì)。合格產(chǎn)品數(shù)和合格率等統(tǒng)計(jì)結(jié)果以文字形式和柱形圖形式顯示在前面板上。在統(tǒng)計(jì)完畢之后,都將自動(dòng)生成統(tǒng)計(jì)報(bào)表,測(cè)試人員可以對(duì)這些統(tǒng)計(jì)報(bào)表進(jìn)行查看、打印等處理。?

??? (5) 帳號(hào)修改?

??? 提供了一個(gè)密碼修改和用戶注冊(cè)的功能。 ?

4.2 主要模塊程序?qū)崿F(xiàn)?

4.2.1 讀取串口接收的數(shù)據(jù)?

??? 在向串口發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令之后,數(shù)據(jù)交換子系統(tǒng)通過串口接收到該命令,然后將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC運(yùn)算。如果接收正確,則通過射頻模塊向采樣子系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)該命令,而采樣子系統(tǒng)在接收到命令后對(duì)命令進(jìn)行解釋,然后根據(jù)命令內(nèi)容采集數(shù)據(jù),采集完畢后即向數(shù)據(jù)交換子系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù),而數(shù)據(jù)交換子系統(tǒng)又通過串口將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到計(jì)算機(jī)中。?

??? 在延時(shí)250ms之后,串口將接收到采樣子系統(tǒng)發(fā)送過來的傳感器測(cè)試數(shù)據(jù),如圖3所示,通過VISA Read子VI可以讀取串口緩沖區(qū)里的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)長度。將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)運(yùn)算,如果校驗(yàn)正確則認(rèn)為該組數(shù)據(jù)被正確接收。

?

?

4.2.2 電機(jī)調(diào)速?

??? 要控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速,需要通過串口向DDS調(diào)速系統(tǒng)發(fā)送速度值,命令在0000H~3FFFH之間為正轉(zhuǎn),8001H~BFFFH之間為反轉(zhuǎn)。需要將實(shí)際轉(zhuǎn)速值換算成命令值,計(jì)算方法如下:?

??? 假設(shè)要使電機(jī)運(yùn)行速度為X,則發(fā)送的命令值為其中3FFFH=16 383。?

??? 如果是反轉(zhuǎn),還要將該數(shù)值加上32 769(8000H),然后將得到的值轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制,提取每一位數(shù)據(jù)與30H相“與”,得到一個(gè)新的數(shù)組,再把該數(shù)組轉(zhuǎn)換成字符串,前面加上字符“V”后面加上空格字符向串口發(fā)送即可。如圖4所示為LabVIEW電機(jī)調(diào)速程序圖。?

?

?

4.2.3 測(cè)試數(shù)據(jù)分析模塊?

??? 程序可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線與測(cè)試曲線的吻合程度進(jìn)行判斷并顯示其結(jié)果。在該界面中,用戶還可以對(duì)該組數(shù)據(jù)的某個(gè)點(diǎn)的值進(jìn)行重新測(cè)試,將實(shí)測(cè)曲線在不同的標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行分析而得出結(jié)論。同時(shí)可以將某組數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除、保存等操作。?

??? 本系統(tǒng)采用了虛擬儀器測(cè)試技術(shù),以VI為開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)。硬件上,系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了加速度傳感器性能的測(cè)試;軟件上,NI LabVIEW的選用使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程趨于簡便。該系統(tǒng)的關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)通信的實(shí)現(xiàn)上,即計(jì)算機(jī)串口的RS-232數(shù)據(jù)與采樣系統(tǒng)的射頻數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換,在軟件編寫過程中充分考慮了數(shù)據(jù)通信過程中的容錯(cuò)性處理。目前系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)的串口接收的數(shù)據(jù),其波特率為9 600b/s,而射頻模塊的傳送波特率高達(dá)1Mb/s,要提高整個(gè)系統(tǒng)的通信速率,可以采用計(jì)算機(jī)的USB口進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。?

參考文獻(xiàn)?

[1] 張晉賓,周四維.現(xiàn)代傳感器技術(shù)發(fā)展的必要性及其動(dòng)態(tài)[J]. 世界儀表與自動(dòng)化, 2005,(9):37-38?

[2] 王文燕,張冰蔚. LabVIEW中遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2006,19(9):8-9.?

[3] 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,2005:27-267.?

[4] 卞春江,張?zhí)旌?鄧志偉,等. 面向旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的高速無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].傳感器技術(shù),2004,(11):53-55.?

[5] Nordic VLSI ASA.nRF2401 single chip 2.4GHz radio transceiver[M].USA: Nordic Corporation,2003:1-37.?

[6] 王博,李迅,馬宏緒.基于nRF2401的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng).電子工程師,2004,(8):17-20.?

[7] 侯國屏,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,2004.?

本站內(nèi)容除特別聲明的原創(chuàng)文章之外，轉(zhuǎn)載內(nèi)容只為傳遞更多信息，并不代表本網(wǎng)站贊同其觀點(diǎn)。轉(zhuǎn)載的所有的文章、圖片、音/視頻文件等資料的版權(quán)歸版權(quán)所有權(quán)人所有。本站采用的非本站原創(chuàng)文章及圖片等內(nèi)容無法一一聯(lián)系確認(rèn)版權(quán)者。如涉及作品內(nèi)容、版權(quán)和其它問題，請(qǐng)及時(shí)通過電子郵件或電話通知我們，以便迅速采取適當(dāng)措施，避免給雙方造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。聯(lián)系電話：010-82306118；郵箱：aet@chinaaet.com。