基于加速度传感器的低功耗冲击记录仪的实现

基于加速度传感器的低功耗冲击记录仪的实现
Realization of Ultra-Low-Power Shock Recorder Based on Accelerometer
Ni En-ming
（Supervision Center of Liaoning Expressway Administration，Shenyang 110003）

摘      要： 本文分析了机械冲击记录仪的不足，设计了一种基于加速度传感器的冲击记录仪，该电路采用双CPU结构，提高了系统的数据处理能力，通过对实时数据的计算和存储，实现了全程运动（既运输）过程受冲击情况监测。
Abstract：In this paper, the deficiencies of machine shock recorder are analyzed. The method of design and realization of shock recorder based on the accelerometer is introduced. Double CPU is applied in the new system, it can develop the capability of data processing. By mounting the shock recorder on the goods, it can collect and calculate the real-time data to monitor and record all shocks that is exposed to the goods during its transportation.
关  键  词： 冲击记录仪 加速度传感器 超低功耗
Key  words：shock recorder，accelerometer，ultra-low-power

中图分类号： TP24             文献标识码：A
　　　　 
　　 
　　1  引言

　　随着工业自动化水平的不断发展，产品质量监测、控制手段已经成为保证产品质量标准的不可缺少的一环。许多对装配有较高要求的产品，在运输过程中也同样对受到的冲击有极限要求。受到超过极限的冲击将给产品带来伤害，为企业带来不必要的损失。为监测运输过程，目前通常的做法是随产品一起安装冲击记录仪。
　　当前，国内普遍使用的冲击记录仪都是机械式冲击记录仪，其内部构造象一台照相机，有上下两个纸带卷筒，将记录纸带放入上纸筒，纸带的始端插入下纸筒。在纸带上方有一个固定记录笔的金属横梁，横梁上装有3只记录笔，分别记录X、Y、Z 3条轴线方向的冲击力。纸带的两侧有时间坐标，一边确定受撞的时间。纸带上有条格，可读出受撞的格数值[1]。这种机械式冲击记录仪的缺点主要体现在以下几个方面：
　　机械式冲击记录，①记录纸长度有限可记录的冲击数据也就有限，没有时间日期标志，只有时间坐标；②记录冲击范围只有±5g，达不到标准较高的单位（如国家电力公司）±10g的要求；③为达到三维检测的要求，同时要安装三台才可以，且安装及读取都不便；④机械式冲击记录仪使用压感式记录纸，一方面国内很少能买到这种纸，另一方面记录纸在潮湿的季节或地区使用时经常出现卡纸、受潮等现象，从而造成丢失记录数据的严重问题；⑤在运输时有时因运输方式的不同如海洋运输时振动幅度过大、振动次数过多、同时还需要经历铁路、公路不同的运输方式才能到达安装现场等因素，经常出现记录纸不够长，未到目的地而记录纸已用完，丢失了很多重要数据。
　　因此，机械式冲击记录仪有着本身不可克服的缺点。微电子技术的迅速发展，特别是电子加速度传感器技术和单片机技术的迅猛提高，电子智能型冲击记录仪也应运而生，为高精密产品的运输提供可靠的保障，给智能货车技术的发展[2]。

　　2  冲击记录仪的总体设计方案

　　本文设计的是一种基于电子加速度传感器的冲击记录仪，它的组成原理图如图1所示，包括MPS430单片机及开发板、数据存储单元、实时钟单元、看门狗单元、加速度传感器、信号放大与滤波单元、A/D转换单元以及PC机通讯接口、电源接口、液晶显示屏接口及单片机ISP（在系统编程）接口等部分。
　　该冲击记录仪在设计和实现过程中，主要解决以下几个主要问题：加速度传感器的选择、低功耗芯片的选择、主板电路的设计。
　　2.1  加速度传感器的选择：
　　加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备，加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力，加速力可以是常量，也可以是变量。加速度传感器基本的原理就是由于加速度产生某个介质产生变形，通过测量其变形量并用相关电路转化成电压输出。
　　随着微电子科技的飞速发展，低成本、高性能的电子加速度传感器得以面世。电子加速度传感器常分为三种：压电式、容感式、热感式[3]。压电式加速度传感器运用的是压电效应，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。容感式加速度传感器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。而热感式加速度传感器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。由于压电式加速度传感器内部有刚体支撑的存在，通常情况下，压电式加速度传感器只能感应到"动"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"加速度，又能感应"静态"加速度。
　　由于没有任何移动部件，而且采用了微机械加工技术，热感式加速度传感器的研发过程中解决了很多加工上的难题。目前已经实现生产成本低，抗冲击能力强，而且可靠性好，失效率低于10ppm。
　　热感式加速度传感器体积小，低功耗，工作电流应在2mA以下，主芯片接口具备标准的数字接口模式。可以提供两个方向的加速度值，采用两片即可实现三维加速度值测量。经过全面比较，本项目确定采用热感式加速度传感器，作为设计基础。
　　2.2   低功耗芯片的选择：
　　机械式冲击记录仪特有的优势就是在不发生冲击时就不工作，每振动一次，就动一次。而便携式冲击记录仪使用电池供电，不管是否发生冲击，都在时刻工作，因此电子元件的功耗就成为影响电子冲击记录仪的工作时间的主要问题。
　　单片机作为电路的核心部分，对整机性能有重要的影响。经过比较研究，美国TI公司的MSP430，一种采用了最新低功耗技术新型的单片机，适合冲击记录仪的工作使用。MSP430工作在1.8～3.6V电压下，有正常工作模式（AM）和4种低功耗工作模式（LPM1、LPM2、LPM3、LPM4），在电源电压为3V时，各种模式的工作电流分别为 AM：340uA、LPM1：70uA、LPM2：17uA、LPM3：2uA、LPM4：0.1uA。单片机可以方便的在各种工作模式之间切换，特别适合在电池供电、便携式设备中的应用。MSP430也具有非常高的集成度，单片集成了多通道12bit的A/D转换、片内精密比较器、多个具有PWM功能的定时器、斜边A/D转换、片内USART、看门狗定时器、片内数控振荡器（DCO）、大量的I/O端口。MSP430有大容量的片内存储器，有ROM（C型）、OTP（P型）、EPROM（E型）、Flash Memory(F型)4种型号。
　　外围器件与电路有各种存储器全部采用功耗极低的VMOS芯片以实现整机极低功耗的目标。
　　2.3    主板电路的设计：
　　用双CPU设计，可大大减少硬件电路，减少繁琐的译码、逻辑变换，使得系统硬件数量减少，同时软件资源分配及设计均相对独立，易于修改程序；
　　随机液晶显示屏、随机轻触式按键；
　　采样频率高于每秒十万次不间断采样，不会漏过任何一次振动；
　　数据永久性储存功能；即使掉电或断电，记录仪储存的数据也不会丢失；
　　记录仪的数据存储及显示的数据按大到小顺序排列功能，数据读取非常方便；
　　可连接GPS卫星定位系统、冲击数据和冲击地点位置、时间可同时显示。

　　3． 整机的低功耗控制技术

　　有了主要的低功耗芯片，整机的低功耗控制技术的采用在设计中也是非常重要的环节。功耗的控制在这里要通过软件来实现，其关键有三条：尽量采用待机运行方式、尽量减少CPU运行时间和硬件软化[4]。
　　3.1 尽量采用待机运行方式
　　单片机MSP430 有4种低功耗工作模式，节电效果显著。
　　使单片机在不需要工作时进入待机状态或掉电状态，需要工作时再唤醒。在仪器检测到较长时间的静止情况后，系统进入待机状态。开始运动后，传感器有输出，传感器输出信号前端电路变换来唤醒单片机工作。通过这种管理方式，大大地节约了在不需要工作时的功耗。有效地延长了整机一次充电的持续工作时间。
　　3.2有效控制外围器件与电路的功耗
　　对外围器件与电路的功耗采取管理措施，使其在不工作时进入维持状态或停止供电，以
降低功耗。在单片机应用系统中，存储器的功耗是比较大的，待机时将存储器状态设置为维持状态使功耗显著下降。
　　3.3 选用运算速度快的算法
　　针对本项目要处理的数据等具体问题，合理选用运算速度快、精度高的新算法，能减少CPU运行时间。
　　3.4 尽量用定时中断替代软件延时
　　在间断测量的情况下，应采用外部中断或内部定时/计数中断，不要采用软件延时，以减少CPU运行时间。单片机的外部中断源不够用时，可方便地扩充。
　　3.5 尽量用静态显示替代动态显示
　　选用具有数据锁存、译码、驱动和显示功能的LCD显示组件，只要组件不掉电，数据一直保留，内容一直显示，直到单片机对其刷新。
　　3.6 缩短通信时间
　　用RS-232通信接口通信时，若通信的数据量较大，应提高传输的波特率，缩短通信时间。可采用高效率的编码方式，如BCD码的编码与ASCII码相比，效率提高一倍。发送和接收时不要循环等待，而应采用串行中断。
　　3.7硬件软化
　　传统的硬件滤波电路（如有源滤波器）本身耗电可观，且不需要其工作时难以控制其不耗电，故功耗相对较大。改用软件滤波可克服功耗大的缺点。
 
　　3.8 降低时钟频率
　　在满足运算速度要求的前提下，尽量降低时钟频率，可达到降低功耗的目的。降低时钟频率而不牺牲运算速度是目前单片机技术发展的特点之一。
　　3.6  降低供电电压
　　当外围器件与电路的工作电压不能低至单片机工作电压的下限或各部分电路的工作电压下限不尽相同时，不能象单片机那样由电池直接供电，可通过DC-DC变换器供电。DC-DC变换器芯片种类较多，大致可分为升压型、降压型和极性反转型，供电方式灵活，转换效率高（很多芯片达90%以上），体积小巧，使用方便。

　　4.抗干扰措施

在记录仪工作的环境中有各种各样的干扰，可能会影响到工作可靠性和精度。必须采用抗干扰措施来保证记录仪的稳定工作。

　　5. 结论

　　传统的冲击记录仪无论精度，使用的方便程度都受到其结构的限制，很难实现多功能。全电子智能化是其发展方向。本文所设计实现的冲击记录仪是在此方向上的一个探索，相信随着电子加速度传感器的不断进步和芯片技术的飞速发展，冲击记录仪也会不断丰富和扩充功能，为智能化运输和需要对振动进行控制的领域提供更可靠的保障。

　　参考文献（References）：
　　[1]  朱伟.冲击记录仪的工作原理和应用[J].中国电力，1996,7(29):51-53.(Zhu Wei. Operating Principle and Application of Shock Recorders[J].Electric Power. 1996,7(29):51-53)
　　[2]   Reinhard Grolms,等. 智能货车之必要部件[J]. 国外铁道车辆. 2001,6(38):26-30.(Reinhard Grolms,etc. Necessary Components of Intelligent Freight Cars[J]. Foreign Rolling Stock. 2001,6(38):26-30)
　　[3]　 王俊云.热对流式加速度传感器原理及应用[J].世界电子元器件.2006,3:58-62(Wang Jun-yun. Thermal Accelermeter Principle and Applications in Portable Devices[J]. Global Electronics  China. 2006,3:58-62)
　　[4]   何为民.低功耗单片微机系统设计[M].北京航空航天大学出版社,1993.(He Wei-ming. Low Power Consumption Design of Single Chip Microcomputer[M]. Beijing: Beihang University Publisher,1993)
 
　　作者简介：倪恩铭(1964- )，男，辽宁沈阳人，高级工程师，硕士，长期从事高速公路监控系统管理工作和智能运输研究工作
　　作者简历：东北大学通信与电子系统专业硕士
　　联系地址： 辽宁省沈阳市和平区十三纬路19号甲辽宁省高速公路管理局监控指挥中心
　　邮编：110003