ARM7加速度数据采集系统设计（1） 加速度, 数据采集

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引言
加速度传感器一直是加速度测试中的重要元件。随着微加速度计的应用越来越广泛，对于微加速度计的数据信号采集和存储变得极为重要。传统的数据采集方法多数是采用单片机完成的，编程简单、控制灵活，但控制周期长、速度慢，特别是对高速转换的数据来说，单片机的速度极大地限制了数据传输速度。
目前，嵌入式系统的应用已经进入到一个高低并行发展的阶段。ARM处理器凭借体积小、功耗低、集成度高、硬件调试方便和操作系统可移植等优点，获得广泛的应用。本文采用基于ARM7TDMI-S核的32位微处理器AT91SAM7X256为控制核心，利用其内部自带的A/D转换器对采集到的加速度值进行转换。
本文应用Model 1221单轴MEMS加速度计，输出信号经简单处理后直接外接到ARM7处理器上，只需对处理器的相应软件进行设置，省去了A/D转换电路，大大简化了电路复杂程度，并提高了数据处理的速度和精度。该加速度数据采集系统特别适用于对加速度和倾斜角的测量。它既可以测量动态加速度(如典型振动和冲击)，又可以测量静态加速度(如重力加速度和惯性);既可以测量正加速度，又可以测量负加速度，因而可以作为斜率传感器使用。
1 总体设计方案
加速度数据采集系统的总体结构如图1所示。系统主要由单轴加速度计、运放电路、ARM处理器(AT91SAM7X256)三部分组成。单轴加速度计经过电路配置被施加一定加速度后，输出相应大小的电压模拟信号，经运算放大电路处理后，直接送至ARM处理器的A/D处理端口。在处理器接收数据之前，首先要通过软件方式对处理器的A/D功能进行合理设置;处理后的数据经ARM处理器的存储寄存器缓存后，由ARM处理器采取中断的方式接收采集，并对采集到的数据作进一步处理;利用软件分析数据的大小，并将其转换成相应的信号，通过串口通信输出到PC机上实时显示。电源装置采用开关电源为传感器、ARM处理器以及其他外围电路提供所需的各种工作电压。


2 Model 1221单轴MEMS加速度计简介
2.1 主要特点
Model 1221单轴MEMS(Micro Electro MechanicalSysteros)加速度计就是使用MEMS技术制造的加速度计。由于采用了微机电系统技术，使得其尺寸大大缩小，一个MEMS加速度计只有指甲盖的几分之一大小。MEMS加速度计具有体积小、重量轻、功耗低等优点。它可以测量振动类型的动态加速度和重力类型的静态加速度，测量范围是±2g;采用5 V单电源供电，集成在单片集成电路上，具有分辨率高、捕获时间短、带宽宽等特点;工作温度范围为-55～85℃，适合工作在恶劣环境下。
2.2 工作原理
技术成熟的MEMS加速度计分为3种：
①压电式MEMS加速度计。运用的是压电效应，在其内部有一个刚体支撑的质量块，有运动的情况下质量块会产生压力，刚体产生应变，把加速度转变成电信号输出。
②容感式MEMS加速度计。内部也存在一个质量块，从单个单元来看，它是标准的平板电容器。加速度的变化带动活动质量块的移动，从而改变平板电容两极的间距和正对面积，通过测量电容变化量来计算加速度。
③热感式MEMS加速度计。内部没有任何质量块，它的中央有一个加热体，周边是温度传感器，里面是密闭的气腔。工作时在加热体的作用下，气体在内部形成一个热气团，热气团的比重和周围的冷气是有差异的，通过惯性热气团的移动形成的热场变化让感应器感应到加速度值。
由于压电式MEMS加速度计内部有刚体支撑的存在，通常情况下，压电式MEMS加速度计只能感应到“动态”加速度，而不能感应到“静态”加速度，也就是我们所说的重力加速度。而容感式和热感式既能感应“动态”加速度，又能感应“静态”加速度。
Model 1221单轴MEMS加速度计内部包含了微机械电容传感单元、温度传感器、传感运放电路和差分输出电路，所有部件密封在一个迷你包装中。它是容感式MEMS加速度计，即测量电容值的改变来计算加速度。
2.3 应用电路
加速度数据采集电路如图2所示。其中，VDD设置为5 V。17引脚为2.5 V电压参考引脚，可以单独外接2.5 V电压，也可以选择分压的方式。本文采用分压的方式，通过设置R1=R2=5 kΩ。将VDD分压为2.5 V，并连接一个O.01μF的旁路电容C1。

图2 加速度数据采集电路
AON和AOP引脚的电压输出值成比例对应于加速度值，如图3所示。在加速度为0的情况下，AON和AOP输出值都是2.5 V。为了取得噪音较低、效果较好的信号输出，本文采用差动方式将AON和AOP接到运放电路的输入端，适当设置电阻电容值，得出符合要求的输出信号。 AON与AOP求差后，范围在0～4 V之间。考虑到输出值应与ARM7处理器的A/D端口输入范围匹配，因此设置R4/R3=R6/R5=3/4，从而得到一个0～3 V的输出值范围。


图3 AON和AOP引脚的加速度和电压输出值
3 ARM7模数转换器ADC的应用
AT91SAM7X256自带的ADC是基于逐次逼近寄存器(SAR)的10位模数转换器(ADC)。它集成了一个8到1的模拟多路复用器，可实现 8路模拟信号的模数转换;转换范围为0 V～ADVREF;支持8位或10位分辨率模式，转换结果进入一个所有通道可用的通用寄存器中，即通道专用寄存器。
通过设置ARM7并行控制器PIO控制器，将ADO～AD7的某一个端口设置为A/D转换模拟输入端口。ADVREF为参考电压，即ADO～AD7 端口输入电压值的范围为0 V～ADVREF;ADVREF最小值为2.6 V，最大值为VDDIN(一般设为典型值3.3 V)。ARM7处理器的A/D转换共有3种中断方式，即软件触发、外部触发(包括ADTRG引脚上升沿触发)和内部触发定时计数器输出。本文采用内部触发定时计数器输出触发方式，即达到一定的间隔时间后引起中断，然后对当前的A/D模拟数据进行采集和分析。完成上述中断处理后，再等待下一次中断到来。使用 ADC中断请求前须先对AIC(高级中断控制器)编程。