基于加速度传感器的低功耗冲击记录仪的实现

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。
    机械式冲击记录，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；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；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；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；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。
    随着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。 
 
            图1：冲击记录仪的组成框图

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。
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。
　　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。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。
　　机械式冲击记录仪特有的优势在于不发生冲击时就不工作，每振动一次， 才工作一次。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，被认为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。
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。
整机的低功耗控制技术
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。
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。
　　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。