基于nRF905的无线加速度测量系统设计 加速度, 传感器, 收发器, 微电子, 机械

Bazinga

0 引言
　　微电子与微机械(MEMS)技术的发展，使现代传感器设计向微型化、智能化、集成化、微低功耗方向发展。MEMS技术突破了传统传感器设计受质量、体积、功耗等技术瓶颈的束缚，在各测量领域有着非常广泛的应用。而随着无线技术的发展，传感器技术与无线技术结合得越来越紧密，利用无线技术开发信号采集无线传输模块可以克服有线传输的弊端。
本文结合三轴线性MEMS惯性传感器LIS331DL和单片无线收发器nRF905构建加速度测量无线传输系统，避免因采用传输导线所带来的不利影响和使用上的不方便。该系统的特点是集电源、加速度传感器、微控器、射频收发器于一体，体积小、功耗低，能够实现对运动物体三维方向上加速度的测量。所设计的系统装置可以非常方便地固定于运动物体上，尤其适合近距复杂环境中对运动物体加速度的测量。
　　1 系统组成和工作原理
　　系统总体构成如图1所示。系统分为主、从机两部分。从机负责测量运动物体的加速度并通过射频传输方式发射测量数据；主机负责接收从机发射的数据，对数据进行实时显示，并将数据结果通过RS 232串口保存到PC机中以供分析。


　　系统采用电池供电，在非工作模式下处于待机模式，通过控制按键实现工作模式和待机模式的切换以进一步节省功耗，保证电池长时间工作。
　　2 硬件设计
　　硬件设计主要包括传感器与微控器外围连接电路设计、射频收发器与微控器外围连接电路设计等。
　　2．1 微控制器
　　经对比选用高速C8051F310单片机作为系统的微控器。C8051F310是完全集成的混合信号片上系统型MCU芯片，具有片内上电复位、VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的真正独立工作的片上系统，片内外设丰富。
　　2．2 LIS331DL传感器电路设计
　　LIS331DL是ST纳米运动传感器家族中具有最小封装(LGA16封装，3 mm×3 mm×1 mm)、最低功耗(小于1 mW)的三轴线性加速度传感器。


　　逻辑框图如图2所示。LIS331DL内部有按互相垂直关系放置的三个敏感质量块。当有外界加速度作用时，敏感质量块会偏离其平衡位置一段位移，外界加速度越大位移就越大。由于敏感质量块位于两个电极组成的电容之间，质量块位移的变化会引起电容电极两端电荷量的变化，电荷量的变化经电容／电压变换器转化为电压的变化，A／D转换器将模拟电压值转换为二进制数字值，从I2C／SPI串行接口的三个输出轴以二进制补码的形式输出。该芯片能够测量运动物体在三维空间的线加速度，三个输出轴上加速度的矢量和即为运动物体的加速度。
　　该芯片具有标准的I2C／SPI串行总线接口，内置嵌入式功能，为用户提供动态可编程设置的两个量程±2g／±8g以适应不同的应用场合，数据输出速率可编程选择为100 Hz／400 Hz以适应不同外设的速率要求。当外界加速度值超过三个输出轴中至少一个轴的可编程加速度阈值时，芯片可被配置用以产生惯性唤醒／自由落体中断信号。LIS331DL能够承受10 000g的加速度冲击而依然保持性能不变。


　　LIS331DL与C8051F310的电路连接如图3所示。C8051F310内部有一个标准的SPI串行接口，通过交叉开关将C8051F310(主机)的四线制SPI外部引脚配置在P0．0(总线时钟SCK)、P0．1(主人从出MISO)、P0．2(主出从入)和P0．3(从机SPI片选CS)这四个引脚上，LIS331DL作为SPI总线的从机，主机和从机通过SPI总线进行数据传输，总线时钟由主机决定。从机的两个中断标志输出引脚接到主机的P0．6和P0．7，主机内的交叉开关将两个外部中断标志输入引脚配置在P0．6和P0．7，它们连接到从机的两个中断标志输出9号和11号引脚，这样可以进行LIS331DL功能的扩展(自由落体中断检测，内部唤醒等)。
　　2．3 nRF905单片机无线收发器电路设计
　　本测量系统中采用nRF905射频芯片作为射频收发器。nRF905采用Nordic公司的VLSI ShockBurst技术。ShockBurst技术使nRF905能够提供高速的数据传输而无需昂贵的高速MCU来进行数据处理／时钟覆盖。通过将与RF协议有关的高速信号处理放到芯片内，nRF905提供给微控器一个SPI接口，速率由微控器设定的接口速率决定。nRF905通过ShockBurst工作模式在RF以最大速率进行连接时降低数字应用部分的速率来降低在应用中的平均电流消耗。


nRF905与C8051F310的电路连接如图4所示。C8051F310的SPI同步串行口已作为与LIS331DL的通信接口，为充分利用C8051F310的引脚资源，取C8051F310的P1．0，P1．1，P1．2和P1．3四个IO口组成一个模拟SPI串口与nRF905的SPI口相连接，数据采用单字节逐次移位的方式进行传输。
　　C8051F31O作为SPI主机，nRF905作为从机。主机在P1．0引脚提供主机模拟SPI时钟，P1．1引脚作为主机模拟MISO线，P1．2引脚作为主机模拟MOSI线，P1．3引脚作为从机SPI片选线。主机通过此模拟SPI串行口在配置模式下对从机相关寄存器进行配置；在RF发射和接受模式下进行发射数据的传送和接收数据的读取。nRF905的工作状态接口由CD，AM和DR组成；工作模式控制引脚由PWR，TRX和TX组成，C8051F310通过P1．4，P1．5和P1．6来设置nRF905的工作模式，具体模式设置如表1所示。


　　进入ShockBurst RX模式650μs后，nRF905不断检测，等待接收数据。当检测到同一频段的载波时，载波检测引脚CD被置高，当接收到一个相匹配的地址，地址检测引脚AM被置高，当一个正确的数据包接收完毕，nRF905自动移去字头、地址和CRC校验位，然后将DR引脚置高，通知MCU读取数据，数据读取完毕DR引脚置低。
　　当有数据要发送时，MCU按时序将接收机的地址和要发送的数据传送给nRF905，SPI接口速率在通信协议和器件配置时确定。进入Shock Burst TX模式650us后，射频寄存器自动开启，进行数据打包(加字头和CRC校验码)，发射数据包。当数据发射完成，DR引脚置高通知MCU数据已成功发送。
　　3 软件设计
　　软件采用结构化程序设计方法，由主程序和各任务子程序组成。系统上电后，C8051F310完成对自身、LIS331DL传感器和射频收发器nRF905的初始化设，根据键值电平高低来决定是否进入工作状态。
　　在从机进入工作状态后，C8051F310通过SPI同步串行口读取LIS331DL传感器X，Y和Z轴寄存器的值，根据三个数值求出加速度值，然后将该数值连同主机地址一起通过模拟SPI口传给nRF905，由其自动完成数据的发送；主机进入工作状态后不断检测有效载波，当携带有效数据的载波出现后，nRF905自动完成去除数据包中的地址、CRC校验位和加速度数据的提取操作，此操作完成后通知C8051F310读取数据直至数据读取完毕，C8051F310将数据先在LCD1602液晶显示器中进行显示，然后通过RS232将数据保存到PC机，系统程序流程如图5所示。


　　4 系统调试
　　在旋转试验台上进行系统的测试。试验方案为：从机固定在距旋转台中心一定距离处，通过调整转台的转速来获得不同的法向加速度，从机对法向加速度进行测量，测量结果以射频方式传给主机进行显示和保存。该系统在试验中运行可靠，测量结果准确性高，由于采用数字式射频传输方式使数据传输误码率极低。原理样机如图6所示。


　　5 结论
　　采用无线数字传输方式避免了传输导线的内阻和杂散分布电容、环境温度、电磁干扰等影响，尤其适合于复杂环境下运动物体加速度的测量，这一特点是有线传输方式所无法比拟的