基于MSP430和iMEMS傳感器的跌落記錄儀

趙麗麗,王 剛

(中國(guó)包裝科研測(cè)試中心，天津 300457)

0 引言

電子商務(wù)等行業(yè)的迅速發(fā)展使得物流行業(yè)得到了快速的增長(zhǎng)，但居高不下的貨損率已嚴(yán)重制約了物流行業(yè)的發(fā)展。研究發(fā)現(xiàn)，貨物在流通環(huán)節(jié)中所遭受的損壞，究其主要原因在于其所遭受的跌落/碰撞沖擊，尤以跌落沖擊所造成的損壞程度最為嚴(yán)重。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)跌落所造成的貨損要依賴以下3個(gè)途徑進(jìn)行控制：一是反復(fù)更改包裝設(shè)計(jì)；二是利用跌落試驗(yàn)設(shè)備模擬運(yùn)輸環(huán)境進(jìn)行測(cè)試；三是對(duì)貨物進(jìn)行投保。但無(wú)論采用哪種途徑都會(huì)耗費(fèi)大量的人力物力，卻無(wú)法對(duì)運(yùn)輸過(guò)程的實(shí)際情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。因此，設(shè)計(jì)一種可對(duì)運(yùn)輸過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，并可據(jù)此進(jìn)行事后實(shí)驗(yàn)室過(guò)程再現(xiàn)做進(jìn)一步分析的設(shè)備，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 跌落記錄儀的硬件電路設(shè)計(jì)

跌落記錄儀的硬件部分主要完成加速度信號(hào)的采集、計(jì)算和存儲(chǔ)工作，主控制器采用MSP430處理器，由傳感器模塊、存儲(chǔ)模塊、電源模塊、JTAG仿真接口、指示燈、按鍵和USB接口組成，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能框圖

1.1 主控制器

該儀器選用的微控制器為MSP430F5529，是最新一代的具有集成USB功能的MSP430器件。片內(nèi)自帶128 KB的Flash存儲(chǔ)空間滿足了系統(tǒng)存儲(chǔ)運(yùn)行參數(shù)的要求，并具有8 KB的SRAM空間可構(gòu)建用于數(shù)據(jù)暫存的FIFO數(shù)組，4個(gè)16位的Timer配有專(zhuān)門(mén)的PWM輸出引腳,1個(gè)USB接口，2個(gè)UART接口，2個(gè)SPI接口，16個(gè)12位的ADC通道，3個(gè)DMA通道，并具有看門(mén)狗和實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊。除具有滿足跌落記錄儀需要的硬件模塊外，該芯片還具有超低的功耗，工作模式下，系統(tǒng)時(shí)鐘配置為4 MHz，其功耗為1.16 mA，配置為低功耗模式0時(shí)其功耗僅為83 μA.

1.2 傳感器

該儀器采用的傳感器為基于iMEMS技術(shù)的三軸數(shù)字式加速度傳感器ADXL345.該傳感器具有±2%、±4%、±8%和±16g4個(gè)可選的測(cè)量范圍，最高13 bit的分辨率，固定的4 mg/LSB的靈敏度，標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口，但其功耗卻超低，在工作模式下僅為140 μA，待機(jī)模式下僅為0.1 μA.

由于為iMEMS器件，ADXL345在靜止時(shí)其輸出的三軸合成為1g，但當(dāng)發(fā)生跌落事件時(shí)其加速度的三軸合成值會(huì)降低到接近0g，并且這個(gè)過(guò)程的持續(xù)時(shí)間與跌落的高度有關(guān)。這個(gè)特性為在主控制器中通過(guò)計(jì)算捕捉跌落事件和進(jìn)行跌落事件的排序覆蓋提供了基礎(chǔ)。

ADXL345與MSP430F5529的連接電路如圖2所示，采用標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口方式。系統(tǒng)上電后，ADXL345被配置為16g量程，13 bit的分辨率，800 Hz的采樣頻率，之后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。在設(shè)定的啟動(dòng)時(shí)刻到來(lái)時(shí)，CPU將ADXL345配置為正常模式，啟動(dòng)采樣。ADXL345每采集1組數(shù)據(jù)通過(guò)中斷口喚醒1次CPU，進(jìn)行1次數(shù)據(jù)讀取和計(jì)算。

圖2 ADXL345連接圖

1.3 存儲(chǔ)模塊

存儲(chǔ)模塊的連接電路圖如圖3所示，因MSP430系列微處理器并未開(kāi)放地址和數(shù)據(jù)總線，所以該儀器采用了2 Mb的EEPROM芯片M95M02.，該芯片為SPI接口可以很方便地與主控制芯片進(jìn)行連接，并具有很好的擴(kuò)展性，非常適合低存儲(chǔ)容量的系統(tǒng)，并且一次頁(yè)寫(xiě)所需要的時(shí)間為10 ms，最大功耗為3 mA，待機(jī)功耗僅為5 μA，也非常適合低功耗的設(shè)備。

國(guó)3 M95M02連接圖

1.4 DMA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

DMA(Direct Memory Access)直接內(nèi)存存儲(chǔ)，該記錄儀中采用DMA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的方式將數(shù)據(jù)從SRAM的FIFO數(shù)組傳遞給EEPROM中進(jìn)行保存。在整個(gè)過(guò)程中，CPU只負(fù)責(zé)初始化這個(gè)傳輸，傳輸過(guò)程由DMA控制器來(lái)執(zhí)行，在傳輸結(jié)束后才提起中斷，省去了CPU取指令、取數(shù)、送數(shù)等操作，也無(wú)需頻繁的響應(yīng)中斷，且每傳輸一個(gè)字節(jié)僅需2個(gè)主時(shí)鐘周期，極大降低了數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間。

該跌落記錄儀采用了突發(fā)塊傳輸(Burst-block transfer)模式，在每傳輸4個(gè)字節(jié)或字后CPU將運(yùn)行2個(gè)主時(shí)鐘周期，因此在傳輸數(shù)據(jù)的過(guò)程中還保持了20%的CPU執(zhí)行能力，以保證不間斷地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和跌落事件判別運(yùn)算。

1.5 電源管理

出于對(duì)低功耗的考慮，該跌落記錄儀采用LTC3103芯片用作系統(tǒng)的電源芯片，用于將9 V電壓轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需要的電壓。實(shí)測(cè)其在系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到85%以上，但其靜態(tài)電流僅為1.8 μA.

為保證記錄儀可以穩(wěn)定可靠地工作，系統(tǒng)利用實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊的報(bào)警功能，在檢測(cè)狀態(tài)下每30 min檢查1次電池電壓，當(dāng)電壓值降至所設(shè)定的門(mén)限值時(shí)，系統(tǒng)在保存完當(dāng)前一個(gè)事件后進(jìn)行自動(dòng)關(guān)機(jī)。

1.6 USB接口

MSP430F5529芯片內(nèi)部集成了一個(gè)符合USB2.0協(xié)議規(guī)范的USB模塊，支持全速12 Mbit/s的USB收發(fā)。在該跌落記錄儀中，USB接口被配置為2種模式：一種為HID(Human Interface Device)模式，在將儀器用于運(yùn)輸狀態(tài)監(jiān)測(cè)之前，通過(guò)PC軟件將用于系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)通過(guò)USB的HID模式設(shè)置進(jìn)儀器中，當(dāng)運(yùn)輸監(jiān)測(cè)過(guò)程結(jié)束后，仍通過(guò)此種方式將設(shè)置的系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)讀取出來(lái)用于后續(xù)的軟件分析；另一種為MSC(Mass storage Class)模式，運(yùn)輸監(jiān)測(cè)過(guò)程結(jié)束后，通過(guò)此模式將采集的跌落事件的數(shù)據(jù)傳給PC機(jī)。

2 跌落記錄儀的軟件設(shè)計(jì)

該跌落記錄儀的主體軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖4,出于降低功耗的考慮，系統(tǒng)在上電開(kāi)機(jī)后，完成系統(tǒng)配置即進(jìn)入低功耗模式0，并且在后續(xù)的運(yùn)行過(guò)程中，每次完成中斷處理工作，系統(tǒng)都進(jìn)入低功耗模式0。

在用戶設(shè)定的啟動(dòng)采集條件來(lái)臨時(shí)，系統(tǒng)配置相應(yīng)的采集參數(shù)，啟動(dòng)ADXL345，進(jìn)入數(shù)據(jù)采集模式。當(dāng)ADXL345完成一次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，向系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)采集完成中斷，系統(tǒng)退出低功耗模式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理。如判定為自由落體事件則對(duì)其進(jìn)行保存。

當(dāng)用戶按下關(guān)機(jī)鍵后，系統(tǒng)在確認(rèn)當(dāng)前數(shù)據(jù)保存完畢后，啟動(dòng)報(bào)警指示功能并在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)關(guān)機(jī)。

圖4 軟件流程圖

3 低功耗設(shè)計(jì)

該跌落記錄儀要求在不充電的情況下連續(xù)工作90 d，因此在整個(gè)系統(tǒng)的硬件、軟件部分都充分進(jìn)行了低功耗的設(shè)計(jì)。

(1)元件選型方面：盡量選擇低功耗的器件，要保證在正常模式和待機(jī)模式下都具有良好的低功耗特性，同時(shí)需注意在進(jìn)行系統(tǒng)連接之后，各個(gè)工作狀態(tài)下都不能出現(xiàn)漏電的情況；

(2)硬件設(shè)計(jì)方面：不用的CPU管腳進(jìn)行接地處理，各部分電阻的選用進(jìn)行充分的考慮，盡量做到在電阻上消耗的電流最?。?/p>

(3)軟件設(shè)計(jì)方面：盡量將系統(tǒng)時(shí)鐘調(diào)整在合適頻率，過(guò)高的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率會(huì)增加系統(tǒng)的功耗。對(duì)各部分的代碼進(jìn)行了優(yōu)化，并采用DMA方式進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，以提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。盡量讓系統(tǒng)在不工作時(shí)進(jìn)入低功耗模式。

4 測(cè)試分析

該次測(cè)試為測(cè)試某快遞公司將貨物從天津運(yùn)往海口的過(guò)程中所發(fā)生的跌落沖擊事件。跌落記錄儀所記錄的數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)，并經(jīng)上位機(jī)軟件分析后給出跌落高度信息。以發(fā)生在2013年8月8號(hào) 8∶31∶45，跌落高度為0.566 4 m的跌落事件為例，以下為各個(gè)軸在本次跌落事件中所受加速度的情況分析?？v軸為沖擊值，單位為g(9.8 m/s2)，橫軸為時(shí)間軸，單位為ms.

X軸所受的加速度的曲線圖如圖5所示，其最大加速度為4.914g.

圖5 X軸曲線

Y軸所受的加速度的曲線圖如圖6所示，其最大加速度為10.21g.

圖6 Y軸曲線

Z軸所受的加速度的曲線圖如圖7所示，其最大加速度為15.966g.

圖7 Z軸曲線

三軸所受的加速度的合成值曲線圖如圖8所示。

圖8 三軸合成曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

該記錄儀專(zhuān)注于采集物流運(yùn)輸過(guò)程中的跌落沖擊事件，已在中國(guó)包裝科研測(cè)試中心的運(yùn)輸包裝實(shí)驗(yàn)室完成性能測(cè)試，并經(jīng)過(guò)了實(shí)際運(yùn)行的檢驗(yàn)，可作為改進(jìn)包裝運(yùn)輸方式提供重要的實(shí)際數(shù)據(jù)依據(jù)，有效地降低貨損率，現(xiàn)已推向市場(chǎng)。

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