0 引言
微電子與微機械(MEMS)技術的發(fā)展，使現(xiàn)代傳感器設計向微型化、智能化、集成化、微低功耗方向發(fā)展。MEMS技術突破了傳統(tǒng)傳感器設計受質(zhì)量、體積、功耗等技術瓶頸的束縛，在各測量領域有著非常廣泛的應用。而隨著無線技術的發(fā)展，傳感器技術與無線技術結合得越來越緊密，利用無線技術開發(fā)信號采集無線傳輸模塊可以克服有線傳輸?shù)谋锥恕?/p>
本文結合三軸線性MEMS慣性傳感器LIS331DL和單片無線收發(fā)器nRF905構建加速度測量無線傳輸系統(tǒng)，避免因采用傳輸導線所帶來的不利影響和使用上的不方便。該系統(tǒng)的特點是集電源、加速度傳感器、微控器、射頻收發(fā)器于一體，體積小、功耗低，能夠?qū)崿F(xiàn)對運動物體三維方向上加速度的測量。所設計的系統(tǒng)裝置可以非常方便地固定于運動物體上，尤其適合近距復雜環(huán)境中對運動物體加速度的測量。
1 系統(tǒng)組成和工作原理
系統(tǒng)總體構成如圖1所示。系統(tǒng)分為主、從機兩部分。從機負責測量運動物體的加速度并通過射頻傳輸方式發(fā)射測量數(shù)據(jù)；主機負責接收從機發(fā)射的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行實時顯示，并將數(shù)據(jù)結果通過RS 232串口保存到PC機中以供分析。
系統(tǒng)采用電池供電，在非工作模式下處于待機模式，通過控制按鍵實現(xiàn)工作模式和待機模式的切換以進一步節(jié)省功耗，保證電池長時間工作。
2 硬件設計
硬件設計主要包括傳感器與微控器外圍連接電路設計、射頻收發(fā)器與微控器外圍連接電路設計等。
2．1 微控制器
經(jīng)對比選用高速C8051F310單片機作為系統(tǒng)的微控器。C8051F310是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU芯片，具有片內(nèi)上電復位、VDD監(jiān)視器、看門狗定時器和時鐘振蕩器的真正獨立工作的片上系統(tǒng)，片內(nèi)外設豐富。
2．2 LIS331DL傳感器電路設計
LIS331DL是ST納米運動傳感器家族中具有最小封裝(LGA16封裝，3 mm×3 mm×1 mm)、最低功耗(小于1 mW)的三軸線性加速度傳感器。
邏輯框圖如圖2所示。LIS331DL內(nèi)部有按互相垂直關系放置的三個敏感質(zhì)量塊。當有外界加速度作用時，敏感質(zhì)量塊會偏離其平衡位置一段位移，外界加速度越大位移就越大。由于敏感質(zhì)量塊位于兩個電極組成的電容之間，質(zhì)量塊位移的變化會引起電容電極兩端電荷量的變化，電荷量的變化經(jīng)電容／電壓變換器轉(zhuǎn)化為電壓的變化，A／D轉(zhuǎn)換器將模擬電壓值轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)字值，從I2C／SPI串行接口的三個輸出軸以二進制補碼的形式輸出。該芯片能夠測量運動物體在三維空間的線加速度，三個輸出軸上加速度的矢量和即為運動物體的加速度。
該芯片具有標準的I2C／SPI串行總線接口，內(nèi)置嵌入式功能，為用戶提供動態(tài)可編程設置的兩個量程±2g／±8g以適應不同的應用場合，數(shù)據(jù)輸出速率可編程選擇為100 Hz／400 Hz以適應不同外設的速率要求。當外界加速度值超過三個輸出軸中至少一個軸的可編程加速度閾值時，芯片可被配置用以產(chǎn)生慣性喚醒／自由落體中斷信號。LIS331DL能夠承受10 000g的加速度沖擊而依然保持性能不變。
LIS331DL與C8051F310的電路連接如圖3所示。C8051F310內(nèi)部有一個標準的SPI串行接口，通過交叉開關將C8051F310(主機)的四線制SPI外部引腳配置在P0．0(總線時鐘SCK)、P0．1(主人從出MISO)、P0．2(主出從入)和P0．3(從機SPI片選CS)這四個引腳上，LIS331DL作為SPI總線的從機，主機和從機通過SPI總線進行數(shù)據(jù)傳輸，總線時鐘由主機決定。從機的兩個中斷標志輸出引腳接到主機的P0．6和P0．7，主機內(nèi)的交叉開關將兩個外部中斷標志輸入引腳配置在P0．6和P0．7，它們連接到從機的兩個中斷標志輸出9號和11號引腳，這樣可以進行LIS331DL功能的擴展(自由落體中斷檢測，內(nèi)部喚醒等)。
2．3 nRF905單片機無線收發(fā)器電路設計
本測量系統(tǒng)中采用nRF905射頻芯片作為射頻收發(fā)器。nRF905采用Nordic公司的VLSI ShockBurst技術。ShockBurst技術使nRF905能夠提供高速的數(shù)據(jù)傳輸而無需昂貴的高速MCU來進行數(shù)據(jù)處理／時鐘覆蓋。通過將與RF協(xié)議有關的高速信號處理放到芯片內(nèi)，nRF905提供給微控器一個SPI接口，速率由微控器設定的接口速率決定。nRF905通過ShockBurst工作模式在RF以最大速率進行連接時降低數(shù)字應用部分的速率來降低在應用中的平均電流消耗。
nRF905與C8051F310的電路連接如圖4所示。C8051F310的SPI同步串行口已作為與LIS331DL的通信接口，為充分利用C8051F310的引腳資源，取C8051F310的P1．0，P1．1，P1．2和P1．3四個IO口組成一個模擬SPI串口與nRF905的SPI口相連接，數(shù)據(jù)采用單字節(jié)逐次移位的方式進行傳輸。
C8051F31O作為SPI主機，nRF905作為從機。主機在P1．0引腳提供主機模擬SPI時鐘，P1．1引腳作為主機模擬MISO線，P1．2引腳作為主機模擬MOSI線，P1．3引腳作為從機SPI片選線。主機通過此模擬SPI串行口在配置模式下對從機相關寄存器進行配置；在RF發(fā)射和接受模式下進行發(fā)射數(shù)據(jù)的傳送和接收數(shù)據(jù)的讀取。nRF905的工作狀態(tài)接口由CD，AM和DR組成；工作模式控制引腳由PWR，TRX和TX組成，C8051F310通過P1．4，P1．5和P1．6來設置nRF905的工作模式，具體模式設置如表1所示。
進入ShockBurst RX模式650μs后，nRF905不斷檢測，等待接收數(shù)據(jù)。當檢測到同一頻段的載波時，載波檢測引腳CD被置高，當接收到一個相匹配的地址，地址檢測引腳AM被置高，當一個正確的數(shù)據(jù)包接收完畢，nRF905自動移去字頭、地址和CRC校驗位，然后將DR引腳置高，通知MCU讀取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)讀取完畢DR引腳置低。
當有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，MCU按時序?qū)⒔邮諜C的地址和要發(fā)送的數(shù)據(jù)傳送給nRF905，SPI接口速率在通信協(xié)議和器件配置時確定。進入Shock Burst TX模式650us后，射頻寄存器自動開啟，進行數(shù)據(jù)打包(加字頭和CRC校驗碼)，發(fā)射數(shù)據(jù)包。當數(shù)據(jù)發(fā)射完成，DR引腳置高通知MCU數(shù)據(jù)已成功發(fā)送。
3 軟件設計
軟件采用結構化程序設計方法，由主程序和各任務子程序組成。系統(tǒng)上電后，C8051F310完成對自身、LIS331DL傳感器和射頻收發(fā)器nRF905的初始化設，根據(jù)鍵值電平高低來決定是否進入工作狀態(tài)。
在從機進入工作狀態(tài)后，C8051F310通過SPI同步串行口讀取LIS331DL傳感器X，Y和Z軸寄存器的值，根據(jù)三個數(shù)值求出加速度值，然后將該數(shù)值連同主機地址一起通過模擬SPI口傳給nRF905，由其自動完成數(shù)據(jù)的發(fā)送；主機進入工作狀態(tài)后不斷檢測有效載波，當攜帶有效數(shù)據(jù)的載波出現(xiàn)后，nRF905自動完成去除數(shù)據(jù)包中的地址、CRC校驗位和加速度數(shù)據(jù)的提取操作，此操作完成后通知C8051F310讀取數(shù)據(jù)直至數(shù)據(jù)讀取完畢，C8051F310將數(shù)據(jù)先在LCD1602液晶顯示器中進行顯示，然后通過RS232將數(shù)據(jù)保存到PC機，系統(tǒng)程序流程如圖5所示。
4 系統(tǒng)調(diào)試
在旋轉(zhuǎn)試驗臺上進行系統(tǒng)的測試。試驗方案為：從機固定在距旋轉(zhuǎn)臺中心一定距離處，通過調(diào)整轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)速來獲得不同的法向加速度，從機對法向加速度進行測量，測量結果以射頻方式傳給主機進行顯示和保存。該系統(tǒng)在試驗中運行可靠，測量結果準確性高，由于采用數(shù)字式射頻傳輸方式使數(shù)據(jù)傳輸誤碼率極低。原理樣機如圖6所示。
5 結論
采用無線數(shù)字傳輸方式避免了傳輸導線的內(nèi)阻和雜散分布電容、環(huán)境溫度、電磁干擾等影響，尤其適合于復雜環(huán)境下運動物體加速度的測量，這一特點是有線傳輸方式所無法比擬的。