MEMS加速度傳感器標(biāo)定測試采集系統(tǒng)的設(shè)計

于春華 ，石云波 ，趙 赟 ，李 祥

（1.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原 030051；2.蘇州中盛納米科技有限公司，蘇州 215123）

MEMS加速度傳感器由于其成本低、體積小、功耗低等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用到多種振動檢測系統(tǒng)與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中。作為對現(xiàn)實環(huán)境中各種信息進(jìn)行采集、傳輸、轉(zhuǎn)換和處理的關(guān)鍵器件，為系統(tǒng)提供能夠識別并進(jìn)行處理的最原始數(shù)據(jù)。加速度傳感器的靜動態(tài)特性直接影響其使用性能。傳統(tǒng)的MEMS加速度傳感器標(biāo)定測試系統(tǒng)操作復(fù)雜，所需儀器繁多，且功能單一，不但效率低，而且標(biāo)定的精確度也不高，后續(xù)的數(shù)據(jù)處理也較為繁瑣，直接影響了傳感器的廣泛應(yīng)用。因此如何進(jìn)行批量測試標(biāo)定成為首要解決的問題。

針對這種需求，本文設(shè)計了一套采用計算機(jī)控制的批量測試自動標(biāo)定采集系統(tǒng)。利用網(wǎng)線連接數(shù)據(jù)采集卡與計算機(jī)，能同時采集與處理20個加速度傳感器的數(shù)據(jù)，并具有自動校驗以及實時顯示波形的功能[1]。與傳統(tǒng)的標(biāo)定系統(tǒng)相比，批量測試標(biāo)定系統(tǒng)具有操作簡單，處理能力強(qiáng)，使用靈活，效率高等優(yōu)勢。利用C++強(qiáng)大的人機(jī)互動以及簡潔的語言來編寫標(biāo)定采集系統(tǒng)的控制程序。

1 標(biāo)定系統(tǒng)的組成

加速度傳感器標(biāo)定測試采集系統(tǒng)的組成如圖1所示，系統(tǒng)主要由2部分組成：傳感器測試節(jié)點和傳感器輸出信號采集與分析端。

傳感器測試節(jié)點構(gòu)成了測試系統(tǒng)的下位機(jī)模塊，輸出信號采集與分析端作為系統(tǒng)的上位機(jī)模塊[2]。其中傳感器測試節(jié)點包括電源模塊、外接傳感器接口模塊、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)模塊、以太網(wǎng)收發(fā)模塊。傳感器輸出信號采集與分析端包括以太網(wǎng)收發(fā)模塊和網(wǎng)線通信模塊。

圖1 加速度傳感器標(biāo)定測試系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Block diagram of the accelerationsensor calibration test system

2 硬件系統(tǒng)組成

2.1 系統(tǒng)組成及工作原理

依據(jù)課題需求，標(biāo)定測試采集系統(tǒng)需要同時并行采集20路傳感器的信號，其原理框圖如圖2所示。

圖2 加速度傳感器標(biāo)定測試系統(tǒng)硬件組成原理框圖Fig.2 Block diagram of acceleration sensor calibration test system of hardware components

每路信號進(jìn)入跟隨運(yùn)放前先進(jìn)行低通濾波，然后進(jìn)入模擬開關(guān)，之后再分壓跟隨后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器，由FPGA控制模擬開關(guān)進(jìn)行通道切換并控制A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，最后將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)接口芯片W5300上傳至計算機(jī)。通過ACDC產(chǎn)生系統(tǒng)所需的5 V直流電源，再由線性電源產(chǎn)生FPGA所需的電源。

2.2 以太網(wǎng)接口設(shè)計模塊

以太網(wǎng)接口模塊芯片選取W5300，采用UDP通訊協(xié)議，特別適用于大流量的數(shù)據(jù)傳輸[3]。CR4、C161、C162構(gòu)成并行諧振晶體，提供給內(nèi)部振蕩器25 MHz的時鐘信號，用于W5300內(nèi)核的工作時鐘。RXIP（IN）、TXOP（ON）的介質(zhì)接口 RJ45 的網(wǎng)口連接，形成以太網(wǎng)傳輸接收數(shù)據(jù)的模塊。電阻R31、R32、R247、R248以及電容 C29、C153能夠阻抗匹配。 2 個獨立分開的PRO作為PHY與RJ45之間的隔離變壓器，能夠進(jìn)行波形的修復(fù)、增強(qiáng)信號，使得計算機(jī)可以與實驗設(shè)備之間的傳輸距離更遠(yuǎn)，芯片與外部隔離，使得其抗干擾能力增強(qiáng)。電壓穩(wěn)壓器為所有的3.3 V、1.8 V電壓的引腳和內(nèi)部電源供電。電路圖如圖3所示。

圖3 以太網(wǎng)接口設(shè)計模塊電路Fig.3 Ethernet interface module diagram

2.3 外接傳感器接口模塊

在采集卡電路中設(shè)計20個接口電路完成對20個傳感器的數(shù)據(jù)采集。

其中運(yùn)放采用AD8608，該運(yùn)放單電源供電簡單、可靠性高，可以實現(xiàn)軌到軌的跟隨；它的傳輸速度滿足輸入信號要求，可以與后續(xù)的模擬開關(guān)速度及阻抗匹配；容性負(fù)載驅(qū)動能力強(qiáng)，避免出現(xiàn)信號振蕩[4]。輸入信號端的輸入電平為0～5 V，上電工作時輸入阻抗Rin≥2 MΩ。輸入端阻值為3 MΩ的電阻保證了輸入信號開路。

2.4 電源模塊

電源模塊具有2種形式的輸出電壓：一種是單輸入單輸出的2.5 V電源，一種是單輸入雙輸出的3.3 V、1.2 V電源。單輸入單輸出的模塊采用低壓差的線性穩(wěn)壓芯片AMS1117將輸入的外接5 V直流電壓穩(wěn)定為2.5 V。為了增強(qiáng)電路的穩(wěn)定性[5]，設(shè)計中增加了濾波電容。單輸入雙輸出的模塊利用的TPS70345電壓調(diào)節(jié)器外接5 V直流電壓，提供給電路非常低的壓差電壓和輸出電源的順序控制，輸入信號在SEQ終端處控制上電順序，用來輸出3.3 V、1.2 V電壓。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

上位機(jī)軟件采用Visual Studio+QT的開發(fā)平臺，運(yùn)用C++語言編譯程序，依據(jù)UDP/IP網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，通過網(wǎng)線與采集卡進(jìn)行通信。如圖4所示為上位機(jī)軟件的人機(jī)界面?？梢詫崿F(xiàn)多通道連續(xù)采集、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)存儲、實時顯示波形以及同時反映20個傳感器電壓信號的功能。

圖4 上位機(jī)軟件人機(jī)界面Fig.4 Upper computer software interface

在保證計算機(jī)的IP地址與采集卡的IP地址一致后，對上位機(jī)自身配置模塊的IP地址、端口號進(jìn)行設(shè)置，確認(rèn)監(jiān)聽成功，設(shè)定不同實驗條件的標(biāo)定系數(shù)。

點擊接收，系統(tǒng)將按照指定的參數(shù)采集數(shù)據(jù)，上位機(jī)能同時校驗數(shù)據(jù)的完整度以及實時地顯示波形，在接收數(shù)據(jù)的過程中，可以改變顯示波形的通道，實現(xiàn)并行檢測的功能。

采集結(jié)束后，將校驗正確的數(shù)據(jù)保存到指定的文件中。軟件還具有對已經(jīng)存儲數(shù)據(jù)的事后畫圖功能。上位機(jī)軟件流程圖如圖5所示。

圖5 上位機(jī)軟件流程圖Fig.5 Upper computer software flowchart

4 實驗測試結(jié)果

系統(tǒng)在頻率1 kHz，10 g加速度的定頻正弦振動實驗中[6]，采集到的其中一個傳感器的實時信號如圖6所示?？梢钥闯霾ㄐ蔚睦L制較為完善，采樣數(shù)據(jù)精度達(dá)到0.5 V，與示波器輸出波形無異，但與傳統(tǒng)標(biāo)定設(shè)備相比效率提高了10倍。

圖6 系統(tǒng)實際采集的信號Fig.6 Actual acquisition of the signal

5 結(jié)語

該標(biāo)定測試系統(tǒng)利用以太網(wǎng)的采集方式取代以往的USB通信采集模式，并且能夠同時并行標(biāo)定20個傳感器，極大地提高了采集效率和數(shù)據(jù)量，解決了傳統(tǒng)模式下數(shù)據(jù)擁堵導(dǎo)致的丟失問題，硬件模塊采用W5300作為網(wǎng)絡(luò)通信采集系統(tǒng)的控制中心，充分利用芯片內(nèi)部本身的功能，從而簡化了外部電路；軟件上采用C++編程語言，提高了系統(tǒng)的軟件可視化效果，能夠很好地實現(xiàn)人機(jī)交互，方便用戶操作，具有很高的實際應(yīng)用價值。

[1] 邵憲輝.多路加速度傳感器測試系統(tǒng)設(shè)計[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

[2] 徐宜，趙玉龍，唐秀萍.加速度傳感器靜態(tài)標(biāo)定數(shù)據(jù)無線采集系統(tǒng)的設(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器，2011（2）：38-44.

[3] 曹書華.基于千兆以太網(wǎng)的雷達(dá)數(shù)據(jù)高速采集與傳輸技術(shù)[D].南京：南京信息工程大學(xué)，2008.

[4] 張哲.嵌入式平臺數(shù)據(jù)采集傳輸技術(shù)研究與實現(xiàn)[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2011.

[5] 李廣才，徐曉燕.加速度傳感器動態(tài)特性虛擬標(biāo)定系統(tǒng)設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2006，25（11）：44-48.

[6] 陳傳俊，陳志高.基于振動臺的加速度傳感器靈敏度的標(biāo)定[J].大地測量與地球力學(xué)，2013，33（z1）：168-171. ■