摘 要：介紹了一種基于2.4G射頻芯片nRF2401的加速度傳感器性能測試臺的實現(xiàn)方法,詳細介紹了加速度傳感器性能的測試原理和加速度傳感器性能測試臺的實現(xiàn)方法。在該系統(tǒng)中，采用PIC單片機PIC16F877A對加速度傳感器的輸出信號進行采集后通過射頻芯片nRF2401將其傳入工控機中，同時采用 NI LabVIEW對采集的數(shù)據(jù)進行分析。射頻技術(shù)解決了數(shù)據(jù)采集中旋轉(zhuǎn)部分與靜止部分的接線困難問題，使數(shù)據(jù)能正確快速地采集。
關(guān)鍵詞：加速度傳感器;nRF2401;測試臺;PIC單片機;LabVIEW
Abstract: This thesis introduced the method of realizing acceleration sensor performance test platform based on 2.4G radio frequency chip nRF2401 and the test principle of the acceleration sensor performance and the method of realizing the acceleration sensor performance test platform in detail. In this system, it uses PIC single chip computer PIC16F877A to collect the sending data from acceleration sensor, them transmits the data into industrial controlling computer by radio frequency chip nRF2401 and simultaneously analyzes the gathered data by NI LabVIEW. The radio frequency technology solved the problem that in the data acquisition process the rotating part has had some difficulties in wiring with the standstill part and is able to gather the data fast and correct.
Key words: Acceleration sensor;nRF2401; Test platform; PIC single chip computer; LabVIEW.
0 引言
本文介紹的是如何利用射頻技術(shù)構(gòu)建一個自動測試臺以實現(xiàn)對加速度傳感器的性能檢測。加速度傳感器廣泛用于汽車領(lǐng)域，它主要用在以下幾個方面：安全氣袋，翻轉(zhuǎn)檢測，碰撞檢測，車輛動態(tài)控制，剎車控制系統(tǒng)，駕駛者安全裝置。一般情況下，加速度傳感器的輸出信號分兩種方式：即模擬電壓輸出方式和數(shù)字輸出方式。本加速度傳感器性能測試臺測試的便是模擬電壓輸出方式的加速度傳感器。根據(jù)加速度傳感器生產(chǎn)廠家提供的技術(shù)指標(biāo)，在正常情況下，加速度傳感器的輸出電壓與加它所受的加速度成線性關(guān)系，或者說符合某一給定曲線，如果測試所得值與給定曲線相符則表明加速度傳感器性能合格，反之則不合格。
1 測試原理與測試方法
圖1 勻速轉(zhuǎn)盤上物體向心加速度示意圖
要測試加速度傳感器的性能必須要使其處在各種不同的加速度條件下才能有不同的輸出電壓，因此該加速度傳感器自動測試臺首先要實現(xiàn)的就是不同的加速度條件的產(chǎn)生。本系統(tǒng)的測試原理是：物體在勻速轉(zhuǎn)動時能產(chǎn)生向心加速度，半徑一定而勻速轉(zhuǎn)動的速率不同時，產(chǎn)生的向心加速度也不相同，向心加速度的大小與轉(zhuǎn)動的速率成正比。加速度傳感器在固定半徑的圓周上以不同的速率做勻速圓周運動就能產(chǎn)生不同的向心加速度，從而產(chǎn)生不同的電壓輸出值，從而可以測試加速度傳感器的性能指標(biāo)。
如圖1示，加速度傳感器A安裝在半徑為R（米）的勻速轉(zhuǎn)動的圓盤上，設(shè)圓盤的轉(zhuǎn)動速度為n（轉(zhuǎn)/分），圓盤轉(zhuǎn)動的角速度為ω（弧度/秒），物體運動的線速度為v（米/秒）。物體的向心力為F（牛），向心加速度為a（米/秒2）。加速度方向指向圓心，即與物體的運動方向垂直。
由以上推論可知：只要改變圓盤的轉(zhuǎn)速，就能使加速度傳感器處在不同的加速度條件下。因此本系統(tǒng)的測試方法是：將加速度傳感器固定在一個勻速轉(zhuǎn)動的圓盤上，圓盤由電機帶動勻速轉(zhuǎn)動，由工控機控制電機的轉(zhuǎn)速。每改變一次電機的轉(zhuǎn)速，則加速度傳感器就會產(chǎn)生一次不同加速度值下的輸出電壓。因此可以測得加速度傳感器在各個加速度值下的輸出電壓值。
2 加速度傳感器性能試臺的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本加速度傳感器性能自動測試臺采用NI LabVIEW為開發(fā)平臺，在數(shù)據(jù)采集上采用射頻技術(shù)解決旋轉(zhuǎn)部件與靜止部件的接線問題。如圖2所示為本加速度傳感器性能自動測試臺的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)由工控機、接口電路，電機調(diào)速系統(tǒng)，電動機，采樣系統(tǒng)和被測傳感器測試臺組成。采樣系統(tǒng)與被測加速度傳感器一起轉(zhuǎn)動，而接口電路與工控機處于靜止?fàn)顟B(tài)。采樣系統(tǒng)與接口電路之間通過射頻進行信號傳輸。被測傳感器固定在測試臺的圓盤上，圓盤的半徑為0.2米。圓盤通過電動機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，電動機采用伺服電機，它由電機調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動，工控機通過串口控制電動機的轉(zhuǎn)速。接口電路通過射頻傳輸獲得采樣系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，它將該數(shù)據(jù)通過串口傳入工控機。
圖2 加速度傳感器自動測試臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
由于采樣系統(tǒng)與被測加速度傳感器一起轉(zhuǎn)動，而工控機和接口電路處于靜止?fàn)顟B(tài)。如何將該旋轉(zhuǎn)部件的信號引出來是本課題的一個難點之一。目前國際上測量旋轉(zhuǎn)構(gòu)件信號通常采用的方法有集流器傳輸和無線傳輸兩種。集流器傳輸方法包括拉線式、感應(yīng)式和電刷式三種 。拉線式集流器使用時易磨損 ,適用于低速旋轉(zhuǎn)部件的信號測量;感應(yīng)式集流器工作時其動靜線圈之間的間隙變化會引起磁阻的變化 ,從而影響測量結(jié)果 ,而且其測量的旋轉(zhuǎn)部件轉(zhuǎn)速不高;電刷式集流器工作性能比較好 ,可用于較高轉(zhuǎn)速下信號測量 ,但高速旋轉(zhuǎn)時 ,電刷集流器定子/轉(zhuǎn)子發(fā)熱會導(dǎo)致信號漂移 ,從而出現(xiàn)測量誤差。無線傳輸方法包括紅外傳輸和無線電傳輸兩種。紅外傳輸?shù)妮d體是紅外線 ,由于紅外線有一定的方向性且不能穿越障礙物 ,因此 ,紅外傳輸只適合于應(yīng)用在近距離、小角度、無障礙物場合的數(shù)據(jù)傳輸。因此 ,本系統(tǒng)采用抗干擾能力強的無線數(shù)字傳輸技術(shù)。
3 加速度傳感器性能測試臺的實現(xiàn)方法
由加速度傳感器性能自動測試臺的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以看出：該測試臺的實現(xiàn)主要由以下幾個部分組成：
（1） 采樣系統(tǒng)
采樣系統(tǒng)的作用是：采集傳感器的信號和將數(shù)據(jù)通過射頻收發(fā)電路實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。本系統(tǒng)采用MICROCHIP公司的PIC16F877A單片機為采樣系統(tǒng)的處理器，選用該種單片機只要考慮到它具有以下優(yōu)點：
① 采用高性能精簡指令集RISC之CPU，只要學(xué)會35條單字指令就可以學(xué)會編程;
② 指令執(zhí)行速度快，時鐘輸入允許范圍在在0～20MHZ,且指令除程序分支有兩個周期外均為單周期指令;
③ 工作電壓范圍寬：2.0～5.5V;
④ 支持在線串行編程ICSP（In-Circuit Serial ProgrammingTM）;
⑤ 10位多通道A/D轉(zhuǎn)換器;
⑥ 帶有SPITM（主模式）和I2C（主/從）的同步串行端口SSP（Synchronous Serial Port） 。
本測試臺測試的加速度傳感器是模擬電壓輸出方式的，因此采樣系統(tǒng)中的單片機主要接口是加速度傳感器模擬信號輸入和與射頻模塊的接口，射頻芯片采用的是nRF2401,它的數(shù)據(jù)通信接口是一個SPI方式的同步串行接口，故它可以與單片機的SSP口直接相連。
（2） 射頻收發(fā)電路
為了解決了數(shù)據(jù)采集中旋轉(zhuǎn)部分與靜止部分的接線困難問題，本設(shè)計中采用了射頻技術(shù)進行數(shù)據(jù)傳輸，射頻芯片采用nordic公司的射頻收發(fā)芯片nRF2401。
nRF2401是一個單片集成接收、發(fā)射器的芯片 ,工作頻率范圍為全球開放的 2.4 GHz 頻段。采用 GFSK調(diào)制時的數(shù)據(jù)速率為高速率 1 M bit/ s,高于藍牙 ,具有高數(shù)據(jù)吞吐量。nRF2401 內(nèi)置了 CRC糾、檢錯硬件電路和協(xié)議。發(fā)射功率、工作頻率等所有工作參數(shù)全部通過軟件設(shè)置完成。1.9～3.6 V 低功耗 ,滿足低功耗設(shè)計需要。每個芯片可以通過軟件設(shè)置最多 40bit地址 ,只有收到本機地址時才會輸出數(shù)據(jù)且提供一個中斷指示 。該芯片編程方便，能滿足本系統(tǒng)的需求。
要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)必須要用到至少2個射頻收發(fā)模塊，本系統(tǒng)中在采樣系統(tǒng)和接口電路中各使用一個射頻收發(fā)模塊實現(xiàn)點對點數(shù)據(jù)傳輸。接口電路中的射頻收發(fā)模塊負責(zé)與工控機的數(shù)據(jù)傳輸，它起到一個數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)作用。而采樣系統(tǒng)中的射頻模塊作用是實現(xiàn)向工控及發(fā)送采集系統(tǒng)采集的加速度傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。
（3） 電機調(diào)速系統(tǒng)
由于系統(tǒng)中是采用電機驅(qū)動圓盤轉(zhuǎn)動來產(chǎn)生加速度條件，因此要用到電動機和電機調(diào)速系統(tǒng)。本系統(tǒng)中電動機選用直流伺服電機，電機調(diào)速系統(tǒng)采用DDS系列數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)。它采用直流電機和測速機機組，以單片機8751為核心，數(shù)字量給定，軟件PID調(diào)節(jié)，數(shù)字PWM輸出。IGBT功率驅(qū)動，是高精度、低漂移的雙向調(diào)速系統(tǒng)。電機調(diào)速系統(tǒng)可以通過工控機控制，工控機通過串口發(fā)送相應(yīng)指令就可以使電機工作在某一轉(zhuǎn)速,從而加速度傳感器有在某一加速度值下的電壓輸出。
（4） 數(shù)據(jù)采集和信號分析軟件
NI LabVIEW 是一種圖形化的編程語言，用于數(shù)據(jù)采集、分析與顯示的圖形化開發(fā)環(huán)境，快速創(chuàng)建靈活的、可升級的測試、測量和控制應(yīng)用程序。使用 LabVIEW可以采集到實際信號，并對其進行分析得出有用信息，然后將測量結(jié)果和應(yīng)用程序進行分析。本設(shè)計采用NI LabVIEW而不采用VB或 VC等作為編程語言，正是因為LabVIEW具有強大的信號分析功能，能夠快速便捷地開發(fā)出應(yīng)用與該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和信號分析軟件。
數(shù)據(jù)通過串口進入工控機后，LabVIEW讀取數(shù)據(jù)后進行數(shù)字濾波，曲線擬合后與給定曲線進行比較，就可以判斷出加速度傳感器性能是否合格。
4 結(jié)論
在加速度傳感器性能測試臺的設(shè)計過程中，首先要解決的是加速度條件的產(chǎn)生問題，勻速轉(zhuǎn)動的方法產(chǎn)生加速度條件是一種比較容易實現(xiàn)的方法且精度也比較容易控制。但該方法的一個缺陷在于旋轉(zhuǎn)機構(gòu)與靜止機構(gòu)的接線困難問題，而采用射頻技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸使問題迎刃而解。且NI LabVIEW以其強大的數(shù)據(jù)采集和信號分析功能使設(shè)計變得方便快捷。
本文作者創(chuàng)新點：利用旋轉(zhuǎn)物體產(chǎn)生向心加速度的方法來為加速度傳感器性能測試臺創(chuàng)造加速度產(chǎn)生的條件;利用射頻技術(shù)解決旋轉(zhuǎn)部分與靜止部分接線困難的問題。
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