基于MEMS加速度計的記錄儀

1、基于mems加速度計的記錄儀摘 要加速度記錄儀以freescale高集成度三軸加速度傳感器mma8453q為傳感器，以ti公司低功耗處理msp430f1611為控制核心，以flash存儲器k9f1g為存儲設(shè)備。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對三維加速度信號的動態(tài)采集，并將加速度信號以文件的形式存儲在存儲卡中, 便于上位機(jī)的讀取和進(jìn)一步分析。本文闡述的內(nèi)容有以下幾個方面:1）分析了加速度的測試環(huán)境，介紹了mems加速度計的記錄儀的功能要求和性能指標(biāo)，對系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計。2）在總體方案的基礎(chǔ)上對加速度傳感器、控制器、存儲器進(jìn)行選型。3）對系統(tǒng)硬件電路進(jìn)行設(shè)計，包括信號的采集與存儲以及異步串行通信接口等幾個部分的設(shè)計

2、與實(shí)現(xiàn)。 4）硬件電路設(shè)計與制作好后，需要對其進(jìn)行編程，以控制主控器對數(shù)據(jù)的采集和存儲的操作。關(guān)鍵詞：mems加速度計，msp430微處理器，flash，異步串行通信recorder based on mems accelerometer abstractacceleration recorder by freescale highly integrated of three-axis acceleration sensor mma8453q sensor， with low power consumption ti company msp430f1611 as the control cor

3、e, with flash memory k9f1g for storage devices. this system realizes the 3d acceleration dynamic signal acquisition, and the acceleration signal in the form of files stored in the memory card, easy to read and further analysis of pc.this paper describes the contents of the following aspects:1) analy

4、sis of the acceleration test environment, and describes the functional requirements and performance indicators of the mems accelerometer logger, the overall design of the system.2) acceleration sensors, controllers, memory selection on the basis of the overall program.3) system hardware circuit desi

5、gn, including the design and implementation of the several parts of the signal acquisition and storage as well as asynchronous serial communication interface.4) hardware circuit design and production need to be programmed to control the operation of the master data collection and storage.key words:

6、mems acceleration sensor, msp430 microprocessor, flash, asynchronous serial communication目 錄1 緒論11.1 本課題的來源、目的及意義11.2 加速度計及加速度記錄儀的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r21.2.1 mems加速度計的原理及應(yīng)用21.2.2 加速度記錄儀國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r21.3 本課題完成的工作及研究內(nèi)容42 基于mems加速度計的記錄儀的總體設(shè)計方案52.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計52.2 系統(tǒng)芯片原理介紹53 系統(tǒng)硬件設(shè)計與實(shí)現(xiàn)173.1 硬件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計173.2 加速度信號的采集173.2.1 i2c總線介

7、紹183.3 電源管理模塊193.4 復(fù)位電路203.5 外圍晶振選擇213.6 存儲模塊223.7 異步串行通信模塊的設(shè)計223.7.1 異步串行通信介紹223.7.2 通信接口電路233.8 電路圖244 系統(tǒng)軟件設(shè)計與調(diào)試問題分析254.1 應(yīng)用開發(fā)軟件概述254.2 軟件設(shè)計254.3 單片機(jī)的程序設(shè)計265 總結(jié)37附錄a 加速度記錄儀原理圖38附錄b 加速度記錄儀pcb圖39參考文獻(xiàn)40致謝411 緒論1.1 本課題的來源、目的及意義隨著工業(yè)自動化水平的不斷發(fā)展，產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測、控制手段已經(jīng)成為保證產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)不可缺少的環(huán)節(jié)。許多對裝配有較高要求的產(chǎn)品，在運(yùn)輸過程中也同樣對受到的沖擊

8、有極限要求。受到超過極限的沖擊將給產(chǎn)品帶來傷害，給人們帶來不必要的損失。為了監(jiān)測運(yùn)輸過程，目前通常的做法是隨產(chǎn)品一起安裝沖擊記錄儀1。mems技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是mems加速度計和單片機(jī)技術(shù)的迅猛提高，電子智能型沖擊記錄儀也應(yīng)運(yùn)而生。mems加速度計是一種十分重要的力學(xué)敏感傳感器，其研究與開發(fā)始于80年代初，是繼微壓力傳感器之后第二個進(jìn)入市場的微機(jī)械傳感器。微加速度傳感器可通過其加工技術(shù)、控制系統(tǒng)類型、敏感機(jī)理來分類2。壓阻式微加速度傳感器是通過可動質(zhì)量塊感應(yīng)加速度，將輸入轉(zhuǎn)換為彈性結(jié)構(gòu)的形變，從而引起制作在彈性結(jié)構(gòu)上的壓敏電阻阻值的變化，再通過外界電路將電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化3。

9、電容式微機(jī)械加速度傳感器是通過可動質(zhì)量塊感應(yīng)加速度，利用平行板電容將質(zhì)量塊的相對位移轉(zhuǎn)換為電容的變化，再通過檢測電路將電容的微小變化轉(zhuǎn)換為與其成正比的電壓的變化3。熱對流式微加速度傳感器是利用敏感體內(nèi)氣流的加速運(yùn)動來檢測加速度，通過一定的方法將加速度轉(zhuǎn)換為檢測電路的輸出電壓，不需要檢測質(zhì)量塊，有很強(qiáng)的抗沖擊能力，結(jié)構(gòu)緊湊，加工方便，精度高（達(dá)到0.6mg），對小加速度敏感性很高4。隧道式微加速度傳感器利用電子勢壘隧道效應(yīng)，把輸入的加速度轉(zhuǎn)換為質(zhì)量塊的相對位移，再通過隧道效應(yīng)將位移量轉(zhuǎn)換為隧道電流的變化，最后用檢測電路測出這個電流變化量而獲得相應(yīng)的加速度的大小3。諧振式加速度傳感器是通過檢測諧振

10、元件固有頻率的變化獲得加速度。其獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)在于：（1）輸出的是諧振頻率信號，可與數(shù)字電路及計算機(jī)直接接口，省去a/d轉(zhuǎn)化，處理電路；（2）頻率信號有很高的抗干擾能力和穩(wěn)定性，且在傳輸過程中不易產(chǎn)生失真誤差，功耗低；（3）靈敏度高，精度高，穩(wěn)定性和可靠性好。所以諧振式加速度傳感器已經(jīng)成為微加速度傳感器發(fā)展的新趨勢5。1.2 加速度計及加速度記錄儀的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r1.2.1 mems加速度計的原理及應(yīng)用1）mems加速度計mems(micro electro mechanical system) 是一項(xiàng)有著廣泛應(yīng)用前景的應(yīng)用基礎(chǔ)技術(shù)。利用mems技術(shù)可以使電子設(shè)備中元器件實(shí)現(xiàn)微型化、低功耗以及便攜性

11、等技術(shù)要求。mems利用表層蝕刻技術(shù),可實(shí)現(xiàn)宏觀意義上的機(jī)械三維結(jié)構(gòu)，使元器件生產(chǎn)小型化成為可能。mems器件主要以硅晶體為加工材料，可以類似半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)方法，以相對較低成本批量生產(chǎn)。mems器件在當(dāng)今汽車應(yīng)用電子（如防撞安全氣囊感應(yīng)和發(fā)動機(jī)各種壓力傳感器）以及計算機(jī)外設(shè)（如噴墨打印機(jī)的噴墨頭、計算機(jī)硬盤驅(qū)動器磁頭）等方面得到廣泛應(yīng)用6。mems（micro electro mechanical systems）加速度計就是使用mems技術(shù)制造的加速度計。由于采用了微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)，使得其尺寸大小縮小，一個mems加速度計只有指甲蓋的幾分之一大小。mems加速度計具有體積小、重量輕、能耗低等

12、優(yōu)點(diǎn)。2）mems加速度計的應(yīng)用通過測量由于重力引起的加速度，可以計算出設(shè)備相對于水平面的傾斜角度。通過分析動態(tài)加速度，可以分析出設(shè)備移動的方式。目前最新ibm thinkpad 手提電腦里就內(nèi)置了mems加速度計，能夠動態(tài)的監(jiān)測出筆記本在使用中的振動，并根據(jù)這些振動數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會智能的選擇關(guān)閉硬盤還是讓其繼續(xù)運(yùn)行，這樣可以最大程度的保護(hù)由于振動，比如顛簸的工作環(huán)境，或者不小心摔了電腦所造成的硬盤損害，最大程度的保護(hù)里面的數(shù)據(jù)。目前先進(jìn)的移動硬盤上也使用了這項(xiàng)技術(shù)。另外一個用處就是目前的數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)里，用mems加速度計來檢測拍攝時候手部的振動，并根據(jù)這些振動，自動調(diào)節(jié)相機(jī)的聚集。mems加

13、速度計還可以用來分析發(fā)動機(jī)的振動。汽車防撞氣囊的啟動也可以由mems加速度計控制。由此可見，mems加速度計可以在生活中發(fā)揮重要作用。歸納其應(yīng)用主要有以下幾個方面：振動檢測、姿態(tài)控制、安防報警、消費(fèi)應(yīng)用、動作識別、狀態(tài)記錄等。1.2.2 加速度記錄儀國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r80年代以來，隨著電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，以cpu為核心的新型控制儀表被越來越廣泛地應(yīng)用于化工、煉油、冶金、制藥、造紙、建材等行業(yè)，但與之配套的記錄儀仍停留在傳統(tǒng)的機(jī)械式，它有紙、有筆、有墨承、有大量的機(jī)械傳動，具有日常維護(hù)工作量大，運(yùn)行費(fèi)用高，可靠性差，應(yīng)用不夠靈活，歷史信息再處理再利用難度大等缺點(diǎn)與現(xiàn)代化控制手段相當(dāng)不協(xié)調(diào)

14、。進(jìn)入90年代以后，我國成功研制開發(fā)生產(chǎn)出了全智能無紙記錄儀，它以微處理器(cpu)為核心，以大容量存儲芯片(sram)為存儲載體，采用液晶屏(lcd)為顯示界面，具有實(shí)時單通道、棒圈、實(shí)時趨勢、單通道實(shí)時趨勢、歷史趨勢等信息豐富的顯示畫面，以及時間與通道頁面與記錄間隔，各通道信息、通信信息等靈活方便的組態(tài)功能，同時還配備了同微機(jī)通訊的標(biāo)準(zhǔn)通訊接口及中文windows界面上的上位機(jī)管理軟件，徹底解決了機(jī)械式記錄儀在使用中存在的問題7。在無紙記錄儀不斷地走向市場過程中，根據(jù)用戶的需求，又增加了許多新的功能：流量累計、流量溫壓補(bǔ)償、pid控制、撮普觸點(diǎn)任意組態(tài)、工程單位顯示、通訊地址組態(tài)、配電、顯

15、示畫面組態(tài)、峰值保持功能以及報警追憶顯示畫面和通道數(shù)據(jù)顯示畫面。在1992年前后，國外不少公司推出了無紙記錄儀，其中較有代表性的有德國哈特曼勞恩公司(hb)的datavis a 無紙記錄儀和英國pannygiles teletrend公司的無紙記錄儀。teletrend公司的無紙記錄儀，具有l(wèi)44144mm標(biāo)準(zhǔn)尺寸，帶有與pc完全兼容的3.5英寸磁盤驅(qū)動器，便于把表內(nèi)數(shù)據(jù)通過磁盤轉(zhuǎn)存或保存，它能存儲一天至640天的工作數(shù)據(jù)(與記錄間隔有關(guān))，具有四個通道棒狀圖、數(shù)字顯示和中程趨勢曲線顯示功能，通過軟件組態(tài)選擇記錄儀的工作方式。它的最大特點(diǎn)是采用彩色示波管作為顯示器，因而具有彩色顯示功能8。hb

16、公司datavis a無紙記錄儀，采用72144mm小型機(jī)殼，用分辨率為92200的單色液晶圖形屏作為顯示器，允許四個通遭標(biāo)準(zhǔn)信號輸入，也具有棒狀圖顯示、數(shù)字顯示和歷史趨勢顯示三大功能。在德文、英文或法文提示下，完成組態(tài)及正常操作，具有標(biāo)準(zhǔn)的通信接口9。智能記錄儀作為微處理機(jī)技術(shù)、超大容量存貯器和圖形液晶顯示技術(shù)相結(jié)合的新一代記錄儀它具有非常明顯的特點(diǎn)：可靠性高，無需日常維護(hù)，功能多樣性，性能價格比高。智能記錄儀具有眾多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)引起廣大用戶極大注意，可以預(yù)測，在不久的將來，它將被廣大用戶所接受10。1.3 本課題完成的工作及研究內(nèi)容以freescale高集成度三軸加速度傳感器mma8453q

17、為傳感器，以ti公司低功耗處理msp430f1611為控制核心，以flash型存儲器k9f1g為大容量存儲設(shè)備的低功耗加速度信號記錄儀的軟硬件設(shè)計方案，實(shí)現(xiàn)了對三維加速度信號的動態(tài)采集，并將加速度信號以文件的形式存儲在存儲卡中, 便于上位機(jī)的讀取和進(jìn)一步分析。本文闡述的內(nèi)容有以下幾個方面:1）分析了加速度的測試環(huán)境，介紹了mems加速度計的記錄儀的功能要求和性能指標(biāo)，對系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計。2）在總體方案的基礎(chǔ)上對加速度傳感器、控制器、存儲器進(jìn)行選型。3）對系統(tǒng)硬件電路進(jìn)行設(shè)計，包括信號的采集與存儲以及異步串行通信接口等幾個部分的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)。4）硬件電路設(shè)計與制作好后，需要對其進(jìn)行編程，以控制主控

18、器對數(shù)據(jù)的采集和存儲的操作。2 基于mems加速度計的記錄儀的總體設(shè)計方案完整的測試系統(tǒng)是將信息采集、存儲以及信息讀取等功能完整的結(jié)合在一起的有機(jī)整體。設(shè)計一個完整的系統(tǒng)，首先要有總體的設(shè)計思路，要明確被測對象的特點(diǎn)，然后再根據(jù)測試對象的具體功能要求，設(shè)計系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的總體方案，其中包括總體結(jié)構(gòu)設(shè)計與測試方案設(shè)計。2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計控制單元存儲單元 串行接口mems加速度計i2c時鐘單元計算機(jī)電源模塊圖2.1為基于mems加速度計的記錄儀的總體結(jié)構(gòu)框圖，系統(tǒng)依照功能可以分為加速度傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理與存儲模塊、通訊模塊以及電源管理模塊等部分。圖2.1 記錄儀總體結(jié)構(gòu)框圖2.2 系統(tǒng)

19、芯片原理介紹1） 傳感器 加速度傳感器是一種非常重要的檢測器件。在傳統(tǒng)的檢測系統(tǒng)中，加速度傳感器功能單一，輸出信號需要進(jìn)行放大、濾波等處理，因此對模擬電路設(shè)計有極高的要求。隨著近年來大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，加速度傳感器也逐漸向集成化、低功耗的方向發(fā)展11。本系統(tǒng)采用mma8453q三軸電容式mems加速度傳感器。其特點(diǎn)12如下。供電電壓范圍：1.95v3.6v接口電壓范圍：1.6v3.6v可供選擇的動態(tài)量程：2g/4g/8g數(shù)據(jù)輸出率：1.56hz到800hz99g/hz噪聲10位和8位數(shù)字輸出最高分辨率：10位有效數(shù)字0.25分辨率i2c數(shù)字輸出接口（4.7k上拉至2.25mhz）2個可編

20、程中斷引腳，六個中斷源內(nèi)置3通道運(yùn)動檢測功能自由落體或運(yùn)動檢測：1通道脈沖檢測：1通道震動檢測：1通道內(nèi)置帶有滯回補(bǔ)償?shù)姆较颍v向或橫向）檢測功能自動喚醒，自動睡眠能自動切換數(shù)據(jù)輸出率，以實(shí)現(xiàn)低功耗自檢功能符合rohs標(biāo)準(zhǔn)電流消耗：6a165a工作溫度范圍：-40+85其功能有：8位或10位數(shù)據(jù)基于應(yīng)用的四個不同的過采樣決議和電流消耗之間的妥協(xié)選項(xiàng)要求額外的低噪音模式，獨(dú)立運(yùn)作的更高分辨率的過采樣模式低功耗和自動喚醒/睡眠保護(hù)電流消耗單/雙向沖擊定向信息1通道運(yùn)動檢測與定向信息或自由落體1通道瞬態(tài)/震動檢測基于高通濾波器和可設(shè)置閾值的檢測加速度變化，上述閾值定向信息1通道縱向/橫向檢測觸發(fā)點(diǎn)固

21、定在30和60為平滑過渡的方向其引腳分布如圖2.2所示。圖2.2 mma8453q引腳圖其原理框圖如圖2.3所示。圖2.3 mma8453q原理框圖其功耗情況如表2.1所示。表2.1 各模式功耗2）主控器單片機(jī)作為電路的核心部分，對整機(jī)性能有重要影響。經(jīng)過比較，美國ti公司的msp430，一種采用了最新低功耗技術(shù)的單片機(jī)，集成了豐富的外圍模塊15，包括：看門狗(wdt)、定時器a(timer-a)、定時器b(timer-b)、比較器、串口0、1(usart0、1)、硬件乘法器、液晶驅(qū)動器、8路101214位adc、端口、基本定時器(basic timer)，適合沖擊記錄儀的工作使用。此處選用m

22、sp430系列的msp430f1611，其主要性能參數(shù)如下13，14。它是混合信號微控制器，它具有低電壓、超低功率、處理能力強(qiáng)大、系統(tǒng)工作穩(wěn)定、片內(nèi)外設(shè)豐富、方便開發(fā)等優(yōu)點(diǎn)，并具有高性價比，采用64引腳四方扁平封裝（qfp），兩個內(nèi)置的16位定時器，一個快速12位a/d轉(zhuǎn)換器，雙12位d/a轉(zhuǎn)換器，一個或兩個通用串行同步/異步通信接口（usart），i2c，dma和48個i/o引腳。其特點(diǎn)如下。低供電電壓范圍：1.8v3.6v超低功耗：活動模式：1mhz，2.2v時為280a等待模式：1.6a關(guān)閉模式（ram 保持）：0.1a五種省電模式6s內(nèi)從等待狀態(tài)喚醒16位精簡指令結(jié)構(gòu)，125ns指令時

23、間周期三個內(nèi)部dma通道具有內(nèi)部參考電平、采樣保持和自動掃描特性的12位a/d轉(zhuǎn)換器同步的雙12位d/a轉(zhuǎn)換器帶有三個捕捉/比較寄存器的16位定時器a帶有三個或七個捕捉/比較影子寄存器的16位定時器b片內(nèi)集成比較器串行通訊接口（usart1），具有異步uart或者同步spi接口的功能串行通訊接口（usart0），具有異步uart或者同步spi或者i2c接口具有可編程電平檢測的供電電壓管理器/監(jiān)視器欠電壓檢測器串行在線編程，無需外部編程電壓，可編程的安全熔絲代碼保護(hù)bootstrap loader其方框圖如圖2.4所示。圖2.4 msp430fx161x方框圖3）存儲模塊存儲測試技術(shù)是從七十年代

24、開始的一種新的彈上參數(shù)的測試方法。它是在對被測對象無影響或影響在允許范圍的條件下，在被測體內(nèi)置入微型數(shù)據(jù)采集與存儲測試儀，現(xiàn)場實(shí)時完成信息的快速采集與記憶，事后回收記錄儀，由計算機(jī)處理和再現(xiàn)測試信息的一種動態(tài)測試技術(shù)15。flash閃存是非易失存儲器，可以對稱為塊的存儲器單元塊進(jìn)行擦寫和再編程。任何flash器件的寫入操作只能在空或已擦除的單元內(nèi)進(jìn)行，所以大多數(shù)情況下，在進(jìn)行寫入操作之前必須先執(zhí)行擦除。nand器件執(zhí)行擦除操作是十分簡單的，而nor則要求在進(jìn)行擦除前先要將目標(biāo)塊內(nèi)所有的位都寫為0。由于擦除nor器件時是以64128kb的塊進(jìn)行的，執(zhí)行一個寫入/擦除操作的時間為5s，與此相反，擦

25、除nand器件是以832kb的塊進(jìn)行的，執(zhí)行相同的操作最多只需要4ms。執(zhí)行擦除時塊尺寸的不同進(jìn)一步拉大了nor和nadn之間的性能差距，統(tǒng)計表明，對于給定的一套寫入操作(尤其是更新小文件時)，更多的擦除操作必須在基于nor的單元中進(jìn)行。這樣，當(dāng)選擇存儲解決方案時，設(shè)計師必須權(quán)衡以下的各項(xiàng)因素。nor的讀速度比nand稍快一些。nand的寫入速度比nor快很多。nor的讀速度比nand稍快一些。nand的4ms擦除速度遠(yuǎn)比nor的5s快。大多數(shù)寫入操作需要先進(jìn)行擦除操作。 nand的擦除單元更小，相應(yīng)的擦除電路更少。由于記錄儀所用存儲的數(shù)據(jù)量較大，所以要外接存儲器件作為數(shù)據(jù)存儲用，本系統(tǒng)選用k

26、9f1g08，它是128m8位/256m8位快閃記憶體。其特點(diǎn)16如下。電壓1.8v裝置（k9f1g08r0a）：1.65v1.95v3.3v裝置（k9f1g08u0a）：2.7v3.6v組織記憶細(xì)胞陣列：（128m+4096 k）位8位數(shù)據(jù)寄存器：（2k+64）位8位緩存寄存器：（2k+64）位8位自動編程和擦除頁的程序：（2k+64）字節(jié)塊擦除：（128k+4 k）字節(jié)頁面讀取操作頁的大?。?k-byte隨機(jī)閱讀：25s（最大）串行存?。?0ns（最小）-3.3v裝置50ns（最?。?1.8v裝置快速寫周期時間編程時間：200s（典型值）塊擦除時間：2ms（典型值）命令/地址/數(shù)據(jù)多路輸入

27、/輸出端口硬件數(shù)據(jù)保護(hù)編程/擦除鎖定在電源轉(zhuǎn)換可靠的mos柵技術(shù)耐力：100k的編程/擦除周期數(shù)據(jù)保留：10年命令寄存器操作高性能程序的緩存程序操作智能拷回操作獨(dú)特的著作權(quán)保護(hù)其引腳圖如圖2.5所示。圖2.5 k9f1g08引腳圖 其功能框圖如圖2.6所示。圖2.6 k9f1g08功能框圖4） 通訊模塊 此系統(tǒng)與計算機(jī)的通信采用串口異步通信，rs232協(xié)議的轉(zhuǎn)換電平。本系統(tǒng)采用max3232芯片實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與計算機(jī)接口的轉(zhuǎn)換。圖2.7為異步串口的時序圖。圖2.7 異步串口的時序圖圖2.8是msp430系列芯片硬件串口框圖。圖2.8 msp430系列芯片硬件串口框圖在該框圖中，串口通訊由三部分組成

28、：通訊速度的控制（數(shù)據(jù)位流的產(chǎn)生）、接收控制部分、發(fā)送控制部分。波特率生成部分由時鐘輸入選擇與分頻、波特率發(fā)生器、調(diào)整器、波特率寄存器等組成。串行通信時，接收與發(fā)送以什么樣的速率將數(shù)據(jù)位收進(jìn)或送出，這個速率由波特率生成構(gòu)件控制。圖2.9為其較為詳細(xì)的結(jié)構(gòu)。圖2.9 msp430系列芯片硬件串口詳細(xì)框圖整個模塊的時鐘源來自內(nèi)部的3時鐘或外部輸入時鐘，由ssel1、ssel0選擇，以決定最終進(jìn)入模塊的時鐘信號brclk的分頻。時鐘信號brclk送入一個15位的分頻器，通過一系列的硬件控制，最終輸出移出與移進(jìn)，兩移位寄存器使用的移位位時鐘bitclk信號，bitclk信號的產(chǎn)生如圖所示，是分頻器的作

29、用。當(dāng)計數(shù)器減計數(shù)到“0”時，輸出觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，送給bitclk信號。所以bitclk信號周期的一半就是定時器（分頻計數(shù)器）的定時時間。接收控制部分與發(fā)送控制部分分別由兩個移位寄存器構(gòu)成。接收時，當(dāng)接收到一個完整的數(shù)據(jù)，產(chǎn)生一個信號（urxifg0=1），表示接收到完整數(shù)據(jù)，可以將此數(shù)據(jù)取走。而在發(fā)送時，當(dāng)一個數(shù)據(jù)正在發(fā)送過程中，utxifg0=1，此時，不能再發(fā)送數(shù)據(jù)，必須等當(dāng)前數(shù)據(jù)發(fā)送完畢（utxifg0=0）時，方可繼續(xù)發(fā)送。串口接收一般采用中斷方式，而發(fā)送數(shù)據(jù)則多采用主動方式。max3232采用專有低壓差發(fā)送器輸出級17，利用雙電荷泵在3.0v至5.5v電源供電時能夠?qū)崿F(xiàn)真正的rs-23

30、2性能，器件僅需四個0.1f的外部小尺寸電荷泵電容。max3232確保在120kbps數(shù)據(jù)速率，同時保持rs-232輸出電平。max3232具有二路接收器和二路驅(qū)動器，提供1a關(guān)斷模式，有效降低功效并延遲便攜式產(chǎn)品的電池使用壽命。關(guān)斷模式下，接收器保持有效狀態(tài)，對外部設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測，僅消耗1a電源電流，max3232的引腳、封裝和功能分別與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)max242和max232兼容。即使工作在高數(shù)據(jù)速率下，max3232仍然能保持rs-232標(biāo)準(zhǔn)要求的正負(fù)5.0v最小發(fā)送器輸出電壓。只要輸入電壓在3.0v至5.5v范圍以內(nèi)，即可提供+5.5v（倍壓電荷泵）和-5.5v（反相電荷泵）輸出電壓，電荷泵工

31、作在非連續(xù)模式，一旦輸出電壓低于5.5v，將開啟電荷泵；輸出電壓超過5.5v，即可關(guān)閉電荷泵，每個電荷泵需要一個飛容器和一個儲能電容，產(chǎn)生v+和v-的電壓。 max3232在最差工作條件下能夠保證120kbps的數(shù)據(jù)速率。通常情況下，能夠工作于235kbps數(shù)據(jù)速率，發(fā)送器可并聯(lián)驅(qū)動多個接收器和鼠標(biāo)。其引腳圖如圖2.10所示。圖2.10 max3232引腳圖5)電源管理模塊此系統(tǒng)選用lp2985對系統(tǒng)進(jìn)行電源管理。lp2985具有的功能，使得穩(wěn)壓器為各種便攜式應(yīng)用的理想選擇。其特點(diǎn)18如下。輸出量： - 1（一級） - 1.5（標(biāo)準(zhǔn)級）電壓范圍寬：最大能到16v。過流和熱保護(hù)。低壓差：一個pn

32、p合格元件允許負(fù)載電流為150ma時的典型壓差為280mv，1 ma時為7mv。低靜態(tài)電流：允許使用縱向pnp過程，大大低于那些與傳統(tǒng)的橫向pnp穩(wěn)壓器低靜態(tài)電流。關(guān)閉：關(guān)閉功能是可用的，當(dāng)on/ 引腳被拉低允許穩(wěn)壓器僅消耗0.01a。低esr電容：穩(wěn)壓器是穩(wěn)定的低esr電容，允許使用小，價格低廉，陶瓷電容器，在成本敏感的應(yīng)用。低噪聲：一個旁路引腳使用10nf的旁路電容允許低噪音操作，有30v（rms）的典型輸出噪聲。小包裝：對于大多數(shù)的空間約束的需求，該穩(wěn)壓器在sot-23封裝，以及的nanostar晶圓芯片級封裝，提供了一個更小的熱尺寸和更好電氣特性。 nanostar封裝技術(shù)采用包死，是

33、ic封裝概念的重大突破。其引腳封裝如圖2.11所示。圖2.11 lp2985引腳封裝圖其功能方框圖如圖2.12所示。圖2.12 lp2958功能方框圖其推薦工作條件如表2.2。表2.2 lp2985推薦工作條件表min max uintvin 電源電壓 16 vvon/ von/電壓 0 vin viout 輸出電流 150 matj 虛擬交界處的溫度 -40 125 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計與實(shí)現(xiàn)通過硬件電路設(shè)計完成對mems加速度計對加速度信號進(jìn)行相關(guān)的采集與存儲。依據(jù)這樣的思想，本章對各個部分的電路進(jìn)行了詳細(xì)的分析和設(shè)計。3.1 硬件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計硬件電路模塊是記錄儀的核心部件，如圖3.1所示由高

34、頻晶振、單片機(jī)、電源管理模塊及異步串行通信接口電路組成。整個系統(tǒng)在控制器(單片機(jī))的作用下完成采集和存儲功能。當(dāng)系統(tǒng)采樣完畢，等待數(shù)據(jù)的讀出，通過計算機(jī)和異步串行通信接口，可以很方便的讀出數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理和顯示。單片機(jī)被測信號傳感器電 源 管 理高頻晶振復(fù)位電路電池rs232接口計算機(jī)圖3.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)的工作原理為：加速度記錄儀上電后進(jìn)入采樣存儲狀態(tài)，通過i2c串口將采集的加速度信息存儲至flash中。當(dāng)存儲滿后，進(jìn)入待讀數(shù)狀態(tài)。計算機(jī)可以通過rs232串口完成對記錄儀的讀數(shù)，并在上位機(jī)上完成數(shù)據(jù)的后續(xù)處理與分析。圖3.2為加速度記錄儀的狀態(tài)流程圖。讀數(shù)計滿待讀數(shù)狀態(tài)采 集 存 儲

35、態(tài)接通電源低功耗 態(tài)圖3.2 系統(tǒng)原理圖 3.2 加速度信號的采集本設(shè)計選用了freescale高集成度三軸加速度傳感器mma8453q。它是一款具有14位分辨率的智能低功耗、三軸、電容式微機(jī)械加速度傳感器，具有豐富的嵌入式功能，帶有靈活的用戶可編程選項(xiàng)，可以配置多達(dá)兩個中斷引腳。嵌入式中斷功能可以節(jié)省整體功耗，解除主處理器不斷輪詢數(shù)據(jù)的負(fù)擔(dān)。同時具備訪問低通濾波數(shù)據(jù)和高通濾波數(shù)據(jù)的功能，可以將所需數(shù)據(jù)分析降至最低程度，從而實(shí)現(xiàn)晃動監(jiān)測和快速的響應(yīng)。該器件可被配置成利用任意組合可配置嵌入式的功能生成慣性喚醒中斷信號，這就使mma8453q在監(jiān)控事件時，在靜止?fàn)顟B(tài)保持低功耗模式19。綜上所述，它

36、完全適應(yīng)于便攜式節(jié)能產(chǎn)品的檢測。加速度信號采集電路如圖3.3所示。圖3.3 信號采集電路其中r1、r2為上拉電阻，其值是查芯片資料所得。c6、c7、c8起到濾波的作用，其值是查芯片資料所得。3.2.1 i2c總線介紹 單片機(jī)與加速度計之間的通信是通過i2c方式。 i2c總線工作原理如下。i2c總線是由數(shù)據(jù)線sda和時鐘scl構(gòu)成的串行總線，可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。i2c總線上傳送的數(shù)據(jù)信號是廣義的，既包括地址信號，又包括真正的數(shù)據(jù)信號。在cpu與被控ic之間、ic與ic之間進(jìn)行雙向傳送，最高傳送速率100kbps。各種被控制電路均并聯(lián)在這條總線上，但就像電話機(jī)一樣只有撥通各自的號碼才能工作，所以每個

37、電路和模塊都有唯一的地址，在信息的傳輸過程中，i2c總線上并接的每一模塊電路既是主控器（或被控器），又是發(fā)送器（或接收器），這取決于它所要完成的功能。cpu發(fā)出的控制信號分為地址碼和控制量兩部分，地址碼用來選址，即接通需要控制的電路，確定控制的種類；控制量決定該調(diào)整的類別（如對比度、亮度等）及需要調(diào)整的量。這樣，各控制電路雖然掛在同一條總線上，卻彼此獨(dú)立，互不相關(guān)。 i2c總線在傳送數(shù)據(jù)過程中共有三種類型信號，它們分別是：開始信號、結(jié)束信號和應(yīng)答信號。 開始信號：scl為高電平時，sda由高電平向低電平跳變，開始傳送數(shù)據(jù)。 結(jié)束信號：scl為高電平時，sda由低電平向高電平跳變，結(jié)束傳送數(shù)據(jù)。

38、 應(yīng)答信號：接收數(shù)據(jù)的ic在接收到8bit數(shù)據(jù)后，向發(fā)送數(shù)據(jù)的ic發(fā)出特定的低電平脈沖，表示已收到數(shù)據(jù)。cpu向受控單元發(fā)出一個信號后，等待受控單元發(fā)出一個應(yīng)答信號，cpu接收到應(yīng)答信號后，根據(jù)實(shí)際情況作出是否繼續(xù)傳遞信號的判斷。若未收到應(yīng)答信號，由判斷為受控單元出現(xiàn)故障。這些信號中，起始信號是必需的，結(jié)束信號和應(yīng)答信號，都可以不要。mma8453q的i2c時序圖如圖3.4所示。圖3.4 mma8453q i2c時序圖3.3 電源管理模塊隨著芯片集成化、模塊化的發(fā)展，電源控制技術(shù)也得到足夠的重視。對于系統(tǒng)各部分單獨(dú)供電的管理，為系統(tǒng)低功耗的實(shí)現(xiàn)提供了保障。當(dāng)采用電源分支管理時，可以消除無效損耗

39、，達(dá)到節(jié)省功耗的目的。設(shè)計時選用電源管理減少了不必要的電流消耗。其具體實(shí)現(xiàn)方法為：將外部高頻晶振以及單片機(jī)組采用獨(dú)立供電的方式，對于各個模塊在不同狀態(tài)下是否需要工作的狀況，選用通過單片機(jī)控制各獨(dú)立電源的打開與關(guān)閉，為其提供電源或者切除電源，從而達(dá)到省電的目的。例如：外圍高頻晶振在剛接通電源時不需要工作，通過電源管理就可以關(guān)閉其供電電源vcc，當(dāng)采集存儲時打開，從而避免不必要的電量損耗。由于系統(tǒng)追求小體積、低功耗，因此對于所用芯片的封裝和功耗都有著嚴(yán)格的要求，在滿足功能的前提條件下，電源管理芯片的小體積可以減少其在電路板中的占有空間，因此本系統(tǒng)選用了lp2985。如圖3.5所示為其基本應(yīng)用圖。圖

40、3.5 lp2985基本應(yīng)用電路lp2985在系統(tǒng)中的連接如下圖3.6所示，采用7.4v電池給lp2985供電，使能端on/ 控制輸出vout，當(dāng)s1閉合時，lp2985處于工作狀態(tài)，一直輸出電壓vcc，vcc是單片機(jī)組及外部高頻晶振的電源。旁路電容c12起到降低噪聲的作用。c13起到濾波作用，提高其穩(wěn)定性。圖3.6 lp2985連接圖3.4 復(fù)位電路上電復(fù)位電路如圖3.7所示，此處是低電平復(fù)位，在復(fù)位輸入引腳上接一電阻至vcc端，下接一個電容到地即可。上電復(fù)位的工作過程是：在上電時，復(fù)位電路給端一個短暫的低電平信號，此低電平信號隨著vcc對電容的充電過程而逐漸上升。系統(tǒng)上電后電容兩端的電壓為

41、0v，單片機(jī)復(fù)位。c不斷充電，隨著時間增加c兩端的電壓也變大，到達(dá)高電平后單片機(jī)復(fù)位完成，執(zhí)行用戶程序 。此處r4為100k，c11為0.1f，能滿足要求。圖3.7復(fù)位電路3.5 外圍晶振選擇時鐘作為電路的“心臟”，是系統(tǒng)重要的組成部分。此系統(tǒng)在采集信號時采用外部8mhz晶振給系統(tǒng)提供工作時鐘，為此電路外圍晶振選用了epson公司的芯片sg350scf-8m20。選用的時鐘芯片性能要穩(wěn)定，并且電流消耗盡可能的小，而電流的消耗一般與供電的范圍有關(guān)，sg350scf-8m的供電范圍為2.7v3.6v，可以適用于上面選擇的電源管理輸出的3.3v，并且溫度范圍廣。其有一個使能端st，只有st有效時，晶

42、振才會輸出8m的時鐘。本設(shè)計中，st端與vcc端直接相連，當(dāng)系統(tǒng)上電時， st端為高電平，out端就會輸出8m的時鐘供給系統(tǒng)電路。如圖3.8所示，為其連接電路。圖3.8 sg350scf-8m連接圖3.6 存儲模塊圖3.9存儲模塊由于k9fig08的命令，地址，數(shù)據(jù)共用8條io線，只通過ale和cle兩根控制線來指示當(dāng)前io線上的操作類型，因此，msp430f1611與k9flg08的接口連接比較簡單。設(shè)計中a7連接flash的命令鎖存使能端（cle），p1.1連接flash的地址鎖存使能端（ale），a6與flash的片選（）相連，它在整個flash訪問期間必須有效，a4與flash的r/端

43、相連，通過讀取該信號的狀態(tài)，判斷flash是處于擦除，編程或隨機(jī)讀操作的忙狀態(tài)。flash還帶有一個寫保護(hù)（）端，用來防止flash被意外的編程和擦除。3.7 異步串行通信模塊的設(shè)計3.7.1 異步串行通信介紹電子工業(yè)協(xié)會(eia，electronic industry association)推薦的rs-232標(biāo)準(zhǔn)，是一種常用的串行數(shù)據(jù)傳輸總線標(biāo)準(zhǔn)。uart(通用異步收發(fā)器/串口/rs-232)，早期它被應(yīng)用于計算機(jī)與終端通過電話線和modem進(jìn)行遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸，隨著計算機(jī)和微控制器的發(fā)展，近距離也采用該通信方式。目前uart是pc機(jī)與電子通信中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口，rs-232被定義

44、為一種在低速率串行通信中增加通信距離的單端標(biāo)準(zhǔn)。串行通信是指將構(gòu)成字符的每個二進(jìn)制數(shù)據(jù)位，依據(jù)一定的順序逐位進(jìn)行傳送的通信方法。在串行通信中，有兩種基本的通信方式：異步通信和同步通信。異步通信數(shù)據(jù)幀的第一位是開始位，在通信線上沒有數(shù)據(jù)傳送時處于邏輯“1”狀態(tài)。當(dāng)發(fā)送設(shè)備要發(fā)送一個字符數(shù)據(jù)時，首先發(fā)出一個邏輯“0”信號，這個邏輯低電平就是起始位。起始位通過通信線傳向接收設(shè)備，當(dāng)接收設(shè)備檢測到這個邏輯低電平后，就開始準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)位信號。因此，起始位所起的作用就是表示字符傳送開始。當(dāng)接收設(shè)備收到起始位后，緊接著就會收到數(shù)據(jù)位。數(shù)據(jù)位的個數(shù)可以是5，6，7或8位的數(shù)據(jù)。在字符數(shù)據(jù)傳送過程中，數(shù)據(jù)位從最

45、低位開始傳輸。數(shù)據(jù)發(fā)送完之后，可以發(fā)送奇偶校驗(yàn)位。奇偶校驗(yàn)位用于有限差錯檢測，通信雙方在通信時需約定一致的奇偶校驗(yàn)方式。就數(shù)據(jù)傳送而言，奇偶校驗(yàn)位是冗余位，但它表示數(shù)據(jù)的一種性質(zhì)，這種性質(zhì)用于檢錯，雖有限但很容易實(shí)現(xiàn)。在奇偶位或數(shù)據(jù)位之后發(fā)送的是停止位，可以是1位、1.5位或2位。停止位是一個字符數(shù)據(jù)的結(jié)束標(biāo)志。3.7.2 通信接口電路本系統(tǒng)通信接口電路圖如圖3.9所示。圖3.9 異步串行通信接口其中在管腳c1+、c1-、c2+、c2-、v+和v-處分別放置0.1f 的電容實(shí)現(xiàn)充電作用，以滿足相應(yīng)的充電泵的要求。管腳t1out、t1ln、r1out和r1ln分別是rs232轉(zhuǎn)換的輸入與輸出腳，

46、實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的ttl電平與上位機(jī)的接口電平的轉(zhuǎn)換。為減小輸入端受到的干擾，還需在芯片的電源輸入管腳處加一個0.1f的電容來實(shí)現(xiàn)濾波。如圖3.10為rs232協(xié)議的9芯接口。圖3.10 rs232協(xié)議的9芯接口9芯接口定義如表3.1所示。表3.1 9芯接口定義表引腳縮寫符itu-tdce方向說明 1dco109輸出接收線信號檢測2rxd104輸出接收數(shù)據(jù)3txd103輸入發(fā)送數(shù)據(jù)4dtr108輸入數(shù)據(jù)終端就緒5gnd102信號線6dsr107輸出數(shù)據(jù)裝置就緒7rts105輸入請求發(fā)送8cts106輸出清除請求9ri125輸出振鈴提示3.8 電路圖加速度記錄儀的原理圖與pcb圖如附錄a、附錄b。4

47、系統(tǒng)軟件設(shè)計與調(diào)試問題分析4.1 應(yīng)用開發(fā)軟件概述iar embedded workbench for msp430支持msp430、msp430x系列，能產(chǎn)生非常緊湊、高效的代碼。標(biāo)準(zhǔn)版包含各種硬件調(diào)試系統(tǒng)、rtos的插件。iar嵌入式工作平臺embedded workbench為開發(fā)不同的msp430目標(biāo)處理器項(xiàng)目提供了強(qiáng)有力的開發(fā)環(huán)境，并為每一種目標(biāo)處理器提供工具選擇。因此workbench為開發(fā)和管理msp430嵌入式應(yīng)用程序提供了極大便利。iar embedded workbench工具的關(guān)鍵組成21：帶項(xiàng)目管理器和編輯器的集成開發(fā)環(huán)境；高度優(yōu)化的msp430 c/c+編譯器；集成所

48、有msp430芯片包括msp430x的配置文件；帶完整源代碼的run-time庫；msp430匯編器；鏈接器和庫工具；帶msp430模擬器和rtos內(nèi)核識別調(diào)試插件的c-spy調(diào)試器；msp430代碼例程；用戶參考手冊，印刷版以及pdf電子版；用戶參考手冊，印刷版以及pdf電子版；在線幫助。本系統(tǒng)在開發(fā)設(shè)計時選用了iar embedded workbench for msp430 v4.10e版本，其內(nèi)部包含了msp430系列的所有產(chǎn)品型號，可以實(shí)現(xiàn)jtag與usb的在線仿真。4.2 軟件設(shè)計基于mems加速度計的記錄儀以ti公司低功耗、高性能msp430微處理器為核心部分，實(shí)現(xiàn)對加速度的采集

49、、存儲，以及將所測數(shù)據(jù)提交給計算機(jī)的。其工作的過程是通過單片機(jī)內(nèi)的程序來實(shí)現(xiàn)的，主要有以下幾部分：1)實(shí)現(xiàn)定時此部分程序的功能：根據(jù)系統(tǒng)功能要求的不同，在不同的程序段作不同的定時。2)實(shí)現(xiàn)信號的采集此部分程序的功能：控制mems加速度計mma8453q，實(shí)現(xiàn)對加速度信號的采集。3)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲 此部分程序的功能：將采集到的數(shù)據(jù)存入外接的存儲器，以備后期的處理和分析。4)異步串行通訊中單片機(jī)部分(下位機(jī))的實(shí)現(xiàn)此部分程序的功能：單片機(jī)通過異步串行通訊電路實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)之間的通信，并完成上位機(jī)發(fā)送的發(fā)送數(shù)據(jù)或者電路編程的命令。4.3 單片機(jī)的程序設(shè)計1. 系統(tǒng)主流程圖開始關(guān)閉看門狗系統(tǒng)初始化向存儲

50、器寫入數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)寫入完畢進(jìn)入低功耗模式y(tǒng)n讀取采集的數(shù)據(jù)圖4.1 系統(tǒng)主流程圖2. 數(shù)據(jù)采集1) 數(shù)據(jù)采集流程圖如圖4.2所示。開始配置加速度計加速度計清零開啟加速度計，開始采集數(shù)據(jù)讀取加速度計中的值將數(shù)據(jù)存入存儲器圖4.2 數(shù)據(jù)采集流程圖2） 數(shù)據(jù)采集的部分程序。-通過i2c對加速度計進(jìn)行配置-stpw1 bit.b #uctxstp，&ucb0ctl1 ；判斷uctxstp是否為0，是的則開始通信，否則等待清零jc stpw1 bis.b #uctr+uctxstt，&ucb0ctl1 ；開始寫 mov.b #0eh，&ucb0txbuf ；往加速度計寄存器0eh寫入00hsh11 bit.

51、b #ucb0txifg，&ifg2 ；等待發(fā)送完畢 jnc sh11 mov.b #00h，&ucb0txbuf ；設(shè)定量程為2gsh12 bit.b #ucb0txifg，&ifg2 ；等待發(fā)送完畢 jnc sh12 bis.b #uctxstp，&ucb0ctl1 ；寫結(jié)束 bic.b #ucb0txifg，&ifg2 ；清除ucb0txifg中斷 nop nop stpw3 bit.b #uctxstp，&ucb0ctl1 ；判斷uctxstp是否為0，是的則開始通信，否則等待清零jc stpw3bis.b #uctr+uctxstt，&ucb0ctl1 ；開始寫 mov.b #1dh

52、，&ucb0txbuf ；往加速度計寄存器1dh寫入10hsh31 bit.b #ucb0txifg，&ifg2 ；等待發(fā)送完畢 jnc sh31 mov.b #10h，&ucb0txbuf ；事件標(biāo)志鎖存使能sh32 bit.b #ucb0txifg，&ifg2 ；等待發(fā)送完畢 jnc sh32 bis.b #uctxstp，&ucb0ctl1 ；寫結(jié)束 bic.b #ucb0txifg，&ifg2 ；清除ucb0txifg中斷 nop nopstpw5 bit.b #uctxstp，&ucb0ctl1 ；判斷uctxstp是否為0，是的則開始通信，否則等待清零 jc stpw5 bis.b #uctr+uctxstt，&ucb0ctl1 ；開始寫 mov.b #14h，&ucb0txbuf ；往加速度計寄存器14h寫入84hsh51 bit.b #ucb0txifg，&ifg2 ；等待發(fā)送完畢 jnc sh51 mov.b #84h，&ucb0txbuf ；hysteresis14sh52 bit.b #ucb0txifg，&ifg2 ；等待發(fā)送完畢 jnc sh52 bis.b #uctxstp，&ucb0ctl1 ；寫結(jié)束 bic.b #ucb0txifg，&ifg2 ；清除ucb0txifg中斷 nop nopstpw6