基于三軸加速度計的橋涵防碰撞報警裝置的設(shè)計

高 嬋,杜國平

(南京理工大學(xué)自動化學(xué)院,南京 210094)

?

基于三軸加速度計的橋涵防碰撞報警裝置的設(shè)計

高 嬋,杜國平*

(南京理工大學(xué)自動化學(xué)院,南京 210094)

設(shè)計了一種基于三軸加速度計ADXL345的橋涵防碰撞報警裝置,它能夠及時檢測橋涵限高門架的碰撞及傾斜情況,并將碰撞信息發(fā)送至遠程監(jiān)控端。將裝置安裝在限高門架上,一旦碰撞加速度超過系統(tǒng)設(shè)定閾值,加速度計產(chǎn)生中斷信號,微控制器聯(lián)網(wǎng)報警。由于裝置安裝環(huán)境的特殊性,系統(tǒng)必須是一個無源系統(tǒng)。電能依靠鋰電池提供,為延長系統(tǒng)的使用周期,采用太陽能充電。為進一步減少系統(tǒng)能耗,對電源模塊進行管理。電源模塊的設(shè)計保證系統(tǒng)能穩(wěn)定持久地運行。

三軸加速度計;碰撞;傾斜;無源系統(tǒng);太陽能充電

近年來,鐵路和公路的迅速發(fā)展極大地方便了人們的日常生活,然而頻發(fā)的交通事故也帶來了嚴重的威脅[1]。鐵路橋涵已經(jīng)安裝了限高門架,但是仍有車輛強行通過的情況發(fā)生,被撞傾斜的門架存在極大的安全隱患,可能會給后續(xù)通行車輛帶來二次傷害從而引發(fā)交通事故甚至影響鐵路的正常運行。為保證橋涵和車輛人員的安全和鐵路公路的正常運行,在限高門架上安裝防碰撞報警裝置有著極大的意義。

本系統(tǒng)采用三軸加速度計代替傾角傳感器來測量碰撞力和傾角。ADXL345加速度計是一種微機械電子系統(tǒng)(MEMS)的新型全固態(tài)加速度計,相比傳統(tǒng)的加速度計具有體積小、重量輕、可靠性高、功耗低、易于數(shù)字化及智能化等一系列優(yōu)點,而廣泛應(yīng)用于航空航天和汽車等領(lǐng)域[2]。另外,ADXL345內(nèi)置的中斷系統(tǒng)可以在滿足一些特定條件時向微處理器發(fā)出中斷請求。這樣就大大簡化了算法的復(fù)雜性,也減輕了微處理器的工作負擔[3]。因此,本文設(shè)計了一種基于ADXL345加速度計的防碰撞報警系統(tǒng)。

本系統(tǒng)為無源系統(tǒng),采用兩塊鋰電池供電,并且對電源進行管理。另一方面采用太陽能充電系統(tǒng)對鋰電池進行充電,保證系統(tǒng)不會因電量不足導(dǎo)致報警失靈,造成事故,并且延長了系統(tǒng)壽命,避免了更換電池帶來的不便和開銷。

1 總體設(shè)計

橋涵報警裝置主要由前端加速度采集模塊、控制模塊、電源管理模塊以及GPRS模塊等組成。電源管理電路用于實現(xiàn)對太陽能和鋰電池供電無縫切換、鋰電池的過充過放保護、主電池和備電池自動切換等功能。本系統(tǒng)以嵌入式芯片MKL14Z64VFT4作為核心控制器件,系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

未發(fā)生碰撞情況下,控制器及GPRS模塊斷電,利用外接RTC的鬧鐘功能產(chǎn)生中斷信號(低電平有效)為系統(tǒng)上電,進行系統(tǒng)自檢;發(fā)生碰撞時,若碰撞加速度大于所設(shè)定的閾值6 g時產(chǎn)生中斷,系統(tǒng)上電,計算傾斜角,開啟GPRS模塊,將信息發(fā)送給遠程控制中心。由于加速度計存在零點溫度漂移現(xiàn)象,需要采集加速度計的溫度進行補償,串口通信模塊用于調(diào)試。

1.1 加速度計測量原理

ADXL345模塊上電后,加速度使慣性質(zhì)量偏轉(zhuǎn)、差分電容失衡,使傳感器輸出與加速度成正比的電壓值[4]。模塊對得到的電壓值進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后進行數(shù)字濾波,再存入DATAx、DATAy、DATAz(地址為0x32～0x37)寄存器,依次保存X、Y、Z軸低、高有效字節(jié)。ADXL345不直接測量傾斜角度,而是通過測量靜止狀態(tài)下X、Y、Z三軸的加速度,利用重力加速度與其在三軸加速度傳感器的X、Y、Z三軸的分量關(guān)系,計算各軸與重力加速度的夾角,從而得出系統(tǒng)與自然軸的傾角[5-6]。重力加速度在三軸的分量與傾角關(guān)系如圖2所示,由此可推導(dǎo)出傾角解算公式[7]:

(1)

(2)

(3)

其中,AX、AY、AZ為重力加速度在X、Y、Z三軸的分量。

圖2 ADXL345三軸加速度分量與傾角關(guān)系

1.2 電源管理方案

由于橋涵報警裝置安裝在限高門架上,故采用鋰電池和太陽能電池結(jié)合的供電方案,兩者實現(xiàn)無縫轉(zhuǎn)換,有太陽光時太陽能電池板給鋰電池充電并給負載供電,系統(tǒng)各個模塊都保持上電;無太陽光時,由鋰電池供電,此時只有加速度計和外接RTC芯片DS3231上電,MCU和GPRS模塊斷電。若有碰撞產(chǎn)生,則產(chǎn)生中斷,開啟MCU和GPRS模塊電源,聯(lián)網(wǎng)報警之后系統(tǒng)斷電。這樣一來,在實現(xiàn)防碰撞報警功能的同時最大限度的節(jié)省電能。

兩塊鋰電池電壓為均為4.2 V,容量均為5 AH。系統(tǒng)每分鐘自檢,兩塊電池能保證系統(tǒng)在無太陽能充電情況下連續(xù)149天正常工作,充分滿足了極端天氣下的工作時長需求。

2 硬件設(shè)計

為節(jié)省電能,對系統(tǒng)功耗要求很嚴格,因此在硬件選型上,盡量選用低功耗的器件。加速度計芯片ADXL345具有自動調(diào)節(jié)功耗的功能,與輸出數(shù)據(jù)速率成正比[8]。此外,在靜止期間ADXL345會自動切換到休眠模式,實現(xiàn)進一步省電。主控制器選用飛思卡爾公司Kinetis系列MKL14Z64VFT4微控制器,它基于ARM Cortex-M0+內(nèi)核,是目前市場上最節(jié)能的微控制器,靜態(tài)功耗低至1 μA[9]。

2.1 加速度計硬件電路

加速度計模塊是由ADXL345和去耦電容組成,硬件電路如下圖3所示。

圖3 加速度計電路

加速度計ADXL345采用+3.3 V典型電壓供電,由鋰電池提供,保證不論有無太陽能,加速度計都能正常工作。電源引腳VDD端加0.1 μF的陶瓷電容和1 μF/10 V的鉭電容用于消除噪音。

2.2 電源管理硬件電路

電源模塊由前端太陽能光伏板、升降壓電路和鋰電池充放電管理電路以及DC-DC直流變換電路組成,如下圖4所示。

圖4 電源電路

選用多晶硅材質(zhì)的太陽能光伏板,保證功率輸出的穩(wěn)定性和持久性。根據(jù)產(chǎn)品的尺寸大小以及負載功率大小選擇工作電壓為+9 V、功率為3 W的光伏板,通過升降壓電路將采集到的太陽能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的+4.8 V直流電壓,升降壓芯片選用TI公司的TPS63060,輸入電壓范圍為+2. 5V～+12 V,結(jié)合太陽能電池板輸出電壓范圍,升降壓電路的有效電壓輸入為+2.5 V～+9 V,保證最大限度地提高太陽能的利用效率。

充電管理電路采用TI公司的BQ24075,其特有動態(tài)電源路徑管理(DPPM),可在為系統(tǒng)負載供電的同時獨立地為電池充電,且?guī)в蠸YSOFF輸入的電池斷開功能[11]。本文將ADXL345和外接RTC鬧鐘中斷引腳接至此引腳,滿足了正常情況下控制器斷電以及太陽能和電池供電無縫切換的要求。系統(tǒng)采用兩塊鋰電池供電,其中一塊留作備用,防止主電池沒電系統(tǒng)掉電。無太陽能情況下,優(yōu)先采用主電供電,若主電沒電,則自動啟用備用電池供電;有太陽能時,優(yōu)先給備用電池充電,保證備用電池電能充足,給系統(tǒng)穩(wěn)定運行提供了有力的保障。利用三極管組合開關(guān)門電路實現(xiàn)主電池和備電池自動切換。

系統(tǒng)控制器及外圍器件用電電壓分別為+3.3 V和+4 V,其中+3.3 V分為CY3.3 V和MCU3.3 V,前者給加速度計和外接RTC芯片供電,不能掉電,由鋰電池直接提供;后者給控制器供電并轉(zhuǎn)換得到+4 V電壓,可掉電,由太陽能或者鋰電池提供。

為防止長時間陰雨天氣兩塊電池電量耗盡對電池造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞,設(shè)計過放保護電路,采用電壓檢測器HT7033A,檢測到電池電壓VBAT<+3.3 V時,輸出低電平至VDD/+3.3 V轉(zhuǎn)換芯片SPX3819M5-L-3.3使能腳EN(高電平有效),禁能電壓轉(zhuǎn)換,斷開負載,實現(xiàn)對電池的保護。

3 軟件實現(xiàn)

3.1 軟件總體設(shè)計

軟件設(shè)計主要包括系統(tǒng)初始化、加速度采集、傾角解算、溫度采集及補償、外部RTC鬧鐘設(shè)置、串口通信、電源管理、GPRS通信等。系統(tǒng)軟件總體設(shè)計流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件總體流程圖

3.2 SPI通信

ADXL345作為從機通過SPI與MCU進行通信,圖6是ADXL345四線式SPI的時序圖。時序方案按照時鐘極性(CPOL)=1、時鐘相位(CPHA)=1執(zhí)行[12],即SCLK下降沿時更新數(shù)據(jù),SCLK上升沿時進行采樣。

圖6 四線SPI讀寫時序

3.3 ADXL345初始化

MCU上電時,要對整個系統(tǒng)進行初始化。主要包括系統(tǒng)時鐘初始化、MCU端口初始化、外圍芯片初始化等。這里主要介紹ADXL345的初始化。ADXL345有2種工作模式:查詢模式和中斷模式。當系統(tǒng)自檢時設(shè)置為查詢模式,發(fā)生碰撞時為中斷模式,故每次斷電之前都要將其設(shè)置為中斷模式,這樣發(fā)生碰撞時才會產(chǎn)生中斷信號開啟MCU電源。

ADXL345中斷模式初始化設(shè)置為測量模式工作,四線式SPI通信,低電平有效的終端輸出,13位全分辨率模式,輸出數(shù)據(jù)右對齊,±16 g量程,采樣頻率為100 Hz,使能X、Y、Z三軸Activity中斷,閾值設(shè)置為6 g,模式為AD-coupled,即直接將三軸的加速度值與6 g相比,任何一個軸加速度值超過閾值,都會產(chǎn)生中斷,并將其映射到INT1引腳。查詢模式除了禁能中斷之外,其他寄存器配置與中斷模式一致。

3.4 加速度及傾角處理

在本系統(tǒng)中,加速度計的性能的優(yōu)劣直接影響到報警系統(tǒng)的可靠性。加速度計測量輸出誤差主要來源于制造工藝、安裝方法、外部環(huán)境等方面,其中環(huán)境溫度對測量輸出的影響尤為突出[13]。為提高精度,將讀取的加速度值進行零點溫度補償之后計算得到傾角值。傾角處理流程如下圖7所示。

圖7 傾角處理流程圖

①讀取溫度。溫度采集芯片DS18B20工作溫度范圍是-40 ℃～85 ℃,首先判斷是否在這個范圍內(nèi),若不在,溫度值小于-40 ℃以-40 ℃為當前溫度,大于85 ℃以85 ℃為當前溫度?？紤]到系統(tǒng)的健壯性,當裝置處于極端溫度條件下傾角計算值仍有較高的準確度[14]。

②讀取加速度值。加速度采樣頻率為100Hz,即每10 ms采集新的加速度值存到DATAx、DATAy、DATAz寄存器中,為了防止在更新數(shù)據(jù)時采樣,產(chǎn)生差錯,將三次采樣得到的加速度值比較,取其中至少兩次相同的加速度值作為一次采樣的有效結(jié)果。

③數(shù)字濾波。為消除采集過程中的噪聲等意外因素的干擾,本設(shè)計對加速度值進行數(shù)字濾波,選擇遞推平均濾波算法,求得50次采樣平均值作為最終的加速度值輸出。

④零點補償。本系統(tǒng)安裝在限高門架上,門架不能保證絕對水平,且每個門架的傾斜角度有所不同,故裝置安裝完畢,安裝人員確定安裝正確后,將此時的位置設(shè)為相對水平位置,按下按鍵,將第1次采集到的加速度值作為零點補償值,即相對于水平靜止時有6 g的加速度增量則認為是一次有效碰撞產(chǎn)生。

⑤溫度補償。溫度對加速度計的影響直接表現(xiàn)為加速度值的零點漂移,故此時需要對加速度進行溫度補償。將裝置進行高低溫試驗,用算法采集溫度及其加速度偏移量。補償值為實驗測得值與實際值之差,這里要以當前測得值減去補償值得到實際值[14]。

⑥傾角解算:經(jīng)過以上5步處理之后根據(jù)1.1節(jié)式(1)、(2)、(3)得到裝置3個方向的傾角,單位為度。

將裝置置于相對水平位置,固定,進行碰撞測試,測得校正前后加速度值和傾斜角如圖8所示。

圖8 加速度和傾斜角輸出波形

由圖8可以看出,裝置的安裝位置并不是絕對水平的,其水平方向有加速度分量,即有一定的傾斜角度。為避免誤差對測量精度的影響,將安裝位置看作相對水平面,將初始靜止時的加速度值作為補償值,補償之后,在相對位置的誤差基本趨于0,提高了系統(tǒng)的可靠性。

4 結(jié)語

本文設(shè)計了基于加速度計ADXL345的橋涵防碰撞報警裝置,其硬件方面電路連接簡單,接口豐富,具有極大的靈活性和可擴展性。系統(tǒng)在器件選擇上盡可能選用低功耗器件,滿足系統(tǒng)節(jié)能省電的要求。此外,設(shè)計電源管理電路,使得靜止常態(tài)下,系統(tǒng)除加速度計和RTC芯片之外全部斷電,當自檢時間到或者發(fā)生碰撞時才上電,鋰電池結(jié)合太陽能的供電方式不僅綠色環(huán)保,而且大大地延長系統(tǒng)使用壽命,提高了系統(tǒng)的可靠性。軟件方面著重介紹了四線式SPI時序、讀寫操作、加速度值和傾角處理程序,具有良好的可移植性和健壯性。經(jīng)驗證,此裝置能實時檢測加速度值及傾角變化,并且具有較高的穩(wěn)定性和準確性。

[1] 徐葉雷,方勇. 基于MEMS加速度計的車用自動呼救系統(tǒng)[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報,2009,22(6):887-892.

[2]范成葉,李杰,景增增. 旋轉(zhuǎn)彈用三軸加速度計安裝位置誤差標定補償技術(shù)[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報,2013,26(10):1352-1356.

[3]秦瑀陽. 老年人跌倒檢測報警裝置的研究與設(shè)計[D]. 大連:大連海事大學(xué),2013.

[4]徐曉翔,陳文薌,葉軍君. 基于三軸加速度傳感器的傾角測量系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 傳感器世界,2012,(7):32-36.

[5]段曉敏,李杰,劉文怡. 基于MEMS加速度計的數(shù)字傾角測量儀的設(shè)計[J]. 電子設(shè)計工程,2009,17(8):71-72.

[6]袁西,陳棟,田湘,等. 三軸數(shù)字加速度計ADXL345及其在捷聯(lián)慣導(dǎo)中的應(yīng)用[J]. 電子設(shè)計工程,2010,18(3):138-140.

[7]唐立軍,滕召勝. 電子秤傾角自動檢測與稱量誤差補償方法研究[J]. 電子測量與儀器學(xué)報,2011,25(1):61-67.

[8]Analog Devices,Inc. ADXL335 Data Sheet[EB/OL]. http://www. analog. com/static/imported-files/data_sheets/ADXL345. pdf,2013-02.

[9]Freescale Semiconductor,Inc. KL15 Sub-Family Reference Manual[EB/OL]. http://cache. freescale. com/files/32bit/doc/data_sheet/KL15P80M48SF0. pdf?fasp=1&WT_TYPE=Data%20Sheets&WT_VENDOR=FREESCALE&WT_FILE_FORMAT=pdf&WT_ASSET=Documentation&Parent_nodeId=1339526302470713736032&Parent_pageType=product&Parent_nodeId=1339526302470713736032&Parent_pageType=product,2014-03.

[10]Tomoaki Tusuzki,ADXL345 Quick Start Guide[EB/OL]. http://www. analog. com/static/imported-files/application_notes/AN-1077. pdf,2010.

[11]Texas Instruments,Inc. BQ24075 Data Sheet[EB/OL]. http://www. ti. com. cn/cn/lit/ds/symlink/bq24072. pdf,2014-1.

[12]Christopher J Fisher. Using an Accelerometer for Inclination Sensing[EB/OL]. http://www. analog. com/static/imported-files/application_notes/AN-1057. pdf,2010.

[13]張麗杰,常佶. 一種MEMS加速度計溫度模型辨識及溫度補償方法[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報,2011,24(11):1551-1555.

[14]顧中林. 移動式起重機姿態(tài)安全傳感器的設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 南京:南京理工大學(xué)自動化學(xué)院,2009.

高嬋(1989-),女,漢,遼寧省瓦房店市人,碩士研究生,專業(yè)為控制工程,研究方向為嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā),gaochan_gxc@163.com;

杜國平(1959-),男,高級工程師,碩士生導(dǎo)師,主要研究方向為工業(yè)自動化和計算機控制等,dgp@mail.njust.edu.cn。

DesignofBridgesandCulvertsAnti-CollisionAlarmDeviceBasedonThree-AxisAccelerometer

GAOChan,DUGuoping*

(College of Automation,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)

The paper has designed a anti-collision alarm device based on three-axis accelerometer ADXL345. It can detect collision and incline situation of bridges’ and culverts’ height-limit portals and send the information to the remote monitoring terminal. The device is installed on the height-limit portals,once the crash acceleration exceeds the setting threshold,the accelerometer generates interrupt signal to drive the microcontroller connect to the network and give an alarm. Due to the special nature of the device installation environment,the system must be a passive system. The power is provided by the lithium battery which can also be charged by solar energy,at the same time the power module is managed to reduce the energy consumption further. This design of power module ensures stable and lasting operation.

three-axis accelerometer;collision;incline;passive system;solar charging

2014-05-06修改日期:2014-07-17

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.09.005

TP212.9

:A

:1004-1699(2014)09-1178-05