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摘要 MMA8451是一款低电压供电，电容式微机械全数字式的传感器，可测量三轴方向的加速度。基于这款高性能的传感器，设计出主从式振动检测仪器。文中介绍了整个电路的设计思路与组成结构，给出了作为前端传感器在虚拟仪器中的应用，并且给出了测试结果。使用主从式对虚拟仪器进行设计，实现了预定目标并且摆脱了虚拟仪器开发对LabView的依赖。
关键词 振动检测;三轴加速度传感器;虚拟仪器
自从美国国家仪器公司(NI)提出基于计算机技术的虚拟仪器概念以来，电子仪器得到了较大的发展。现在的虚拟仪器大多使用基于NI公司的LabView专用的PCI总线的数据采集卡，但是受PC机箱和总线限制，电源功率不足，机箱内部的噪声电平较高，机箱内无屏蔽等诸多缺点，限制了虚拟仪器的推广与使用。文中使用主从式虚拟仪器用以代替传统的PCI总线的数据采集卡，主从式虚拟仪器由主机和从机两部分组成，从机即为该振动检测电路，完成数据的处理和数据的显示。
1 从机硬件结构
设计基于主从式虚拟仪器的设计思想，使用单片机作为从机的控制系统，由于STC89C52RC性价比高并且应用技术成熟等特点，故采用其作为从机的控制芯片。单片机用于接收传感器信号并进行数据处理，通过串行口发送到主机进行数据分析和显示。这种设计的优点是既可以与笔记本计算机相连，方便野外作业，又可与台式PC机相连，实现台式和便携式两用，使用方便。基本设计思想框图如图1所示。
基于加速度传感器MMA8451的振动检测仪设计
1.1 传感器及其外围电路设计
MMA8451数字式三轴加速度传感器是飞思卡尔公司新推出的一款低电压供电，电容式微机械传感器，其最高精度可达14位。传感器采用QFN封装，灵活的可编程选项，拥有两个可配置的中断端口。其模式可选，在嵌入式系统中可大幅地节省电量，传感器内部自带低通滤波器功能，在作振动检测时可以快速作出反应。在嵌入式系统应用中，静止状态时可以保持功耗状态，并且器件可以由中断信号唤醒。
作为一款数字式输出的传感器，相比于传统的输出模拟信号的传感器而言，无需添加A/D转换器，并且传感器的集成电路自带高通滤波器，大幅简化了外围电路的设计，其典型电路如图2所示。
基于加速度传感器MMA8451的振动检测仪设计
I2C协议：由于MMA8451默认使用I2C协议，所以，在此将对I2C的工作方式进行解释。I2C总线使用3根信号线进行通信，分别是SCL、SDA和SA0，外部上拉电阻需要将SDA和SCL接到VDD的IO上，当总线空闲时，这两根线表现为高电平状态。MMA8451的I2C接口可工作在快速模式400 kHz或普通模式100 kHz。
总线传输开始由START信号触发，START信号定义为，当数据线从高电平跳变到低电平，而时钟线SCL仍然保持高电平。由主机发送START信号后，I2C总线被认为从空闲状态进入忙状态。紧接着START信号后主机发送的字节，前7位用于指示从机地址，第8位用于指示数据方向是读出还是写入。地址发送完毕后，总线上的所有从机将自己的地址和总线上接收到的地址进行比较，地址匹配的设备即为主机选中设备。第9个脉冲为应答响应，发送设备必须在这个ACK周期内释放数据线，而接收设备则需要在ACK周期的时钟高电平期间将数据线拉低。
SCL线是高电平时，SDA线由低电平向高电平切换，这个情况表示停止条件。停止条件将终止发送器的发送。
1.2 单片机STC89C52RC
从机的核心部件采用宏晶科技推出的新一代高速、低功耗、超强抗干扰的单片机STC89C52RC，指令代码完全兼容传统8051单片机，其性能与可靠性完全满足本次设计的需求。工作时的基本参数为：工作频率范围，0～40 MHz，相当于普通8051的0～80 MHz，实际工作频率可达48 MHz;用户应用程序空间为8 kByte;12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择;片上集成512 Byte RAM;ISP/IAP，无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口直接下载用户程序，具有EEPROM功能;具有看门狗功能;共3个16位定时器/计数器。
1.3 5 V转3.3 V电源电路
由于现今晶体管尺寸在持续减小，电路集成度越来越高，晶体尺寸也随之减小。导致晶体管击穿电压也变更低，但当击穿电压低于电源电压时，则要求减小电源电压。对于MMA8451电路而言，就是用3.3 V电源。
由于单片机的速度和复杂性，使之达到了足以要求降低电源电压的程度，并正在向5 V电源电压以下转换。但绝大多数接口电路仍然是为5 V电源而设计的。为使MMA8451电路正常工作，需要将5 V电源转换为3.3 V。另外，这个任务不仅包括逻辑电平转换，同时还包括为3.3 V系统供电、电压电流稳定问题、转换模拟信号使之避开从5～3.3 V的障碍。
设计采用LM1117电路，LM1117是一个低压差三端可调稳压集成电路。其压差在1.2 V输出，电流为800 mA时为1.2 V。LM1117有可调电压的版本，通过两个外部电阻可实现1.25～13.8 V输出电压范围。另外还有5个固定电压输出的型号。
LM1117的典型应用如图3所示，在电路中，输出端需要一个至少10μF的钽电容来改善瞬态响应和稳定性。
基于加速度传感器MMA8451的振动检测仪设计
1.4 通信电平转换电路的选择
由于MMA8451的输出数据速率为1.56～800 Hz，所以在这种速率的传输模式下，使用这种接口简单、使用方便、价格低廉的串口通信方式，成为一种合理的选择，由于单片机STC89C52RC采用TTL电平，但PC机的串行口使用RS-232的电平，所以单片机与电脑不能直接连接，首先必须进行RS-232电平与TTL电平的转换。所以在本设计中使用MAX232作为通信电平转换芯片。
2 振动检测电路的软件设计
从机按照主机的指令，完成数据采集，并且将数据暂时存储，在串口空闲的时候将数据发送给主机。主程序的工作流程如图4所示，图5为串口发送程序的流程图。在图5中，连续发送FF的原因在于选择上位机显示程序中的示波器功能。
基于加速度传感器MMA8451的振动检测仪设计
3 测试结果
上位机显示软件为软件开发采用VS2010的集成开发环境，使用C#语言模块化编程，为系统调试带来极大的方便。由于传感器输出为数字信号，单片机经过处理后送入示波器，示波器采数字上位机软件示波器。图6为示波器界面显示的测试结果。
基于加速度传感器MMA8451的振动检测仪设计
4 结束语
设计实现了振动检测的几个基本功能。而且它摆脱了LabView的束缚，所以具有较高开放性和扩展空间。当然，本设计还有许多需要改进的地方，如提高通信的速度和可靠性，提高从机的数据处理速度，除此之外，还需在软件算法上作进一步优化，以提高测试精度，减小数据误差。 |
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