基于射频技术的加速度传感器性能测试台的设计

关键词：加速度传感器;nRF2401;测试台;PIC单片机;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

　　本文介绍的是如何利用射频技术构建一个自动测试台以实现对加速度传感器的性能检测。加速度传感器广泛用于汽车领域，它主要用在以下几个方面：安全气袋，翻转检测，碰撞检测，车辆动态控制，刹车控制系统，驾驶者安全装置。一般情况下，加速度传感器的输出信号分两种方式：即模拟电压输出方式和数字输出方式。本加速度传感器性能测试台测试的便是模拟电压输出方式的加速度传感器。根据加速度传感器生产厂家提供的技术指标，在正常情况下，加速度传感器的输出电压与加它所受的加速度成线性关系，或者说符合某一给定曲线，如果测试所得值与给定曲线相符则表明加速度传感器性能合格，反之则不合格。

1 测试原理与测试方法

图1 匀速转盘上物体向心加速度示意图

　　要测试加速度传感器的性能必须要使其处在各种不同的加速度条件下才能有不同的输出电压，因此该加速度传感器自动测试台首先要实现的就是不同的加速度条件的产生。本系统的测试原理是：物体在匀速转动时能产生向心加速度，半径一定而匀速转动的速率不同时，产生的向心加速度也不相同，向心加速度的大小与转动的速率成正比。加速度传感器在固定半径的圆周上以不同的速率做匀速圆周运动就能产生不同的向心加速度，从而产生不同的电压输出值，从而可以测试加速度传感器的性能指标。

　　如图1示，加速度传感器A安装在半径为R（米）的匀速转动的圆盘上，设圆盘的转动速度为n（转/分），圆盘转动的角速度为ω（弧度/秒），物体运动的线速度为v（米/秒）。物体的向心力为F（牛），向心加速度为a（米/秒2）。加速度方向指向圆心，即与物体的运动方向垂直。

　　由以上推论可知：只要改变圆盘的转速，就能使加速度传感器处在不同的加速度条件下。因此本系统的测试方法是：将加速度传感器固定在一个匀速转动的圆盘上，圆盘由电机带动匀速转动，由工控机控制电机的转速。每改变一次电机的转速，则加速度传感器就会产生一次不同加速度值下的输出电压。因此可以测得加速度传感器在各个加速度值下的输出电压值。

2 加速度传感器性能试台的系统结构

　　本加速度传感器性能自动测试台采用NI LabVIEW为开发平台，在数据采集上采用射频技术解决旋转部件与静止部件的接线问题。如图2所示为本加速度传感器性能自动测试台的系统结构图。系统由工控机、接口电路，电机调速系统，电动机，采样系统和被测传感器测试台组成。采样系统与被测加速度传感器一起转动，而接口电路与工控机处于静止状态。采样系统与接口电路之间通过射频进行信号传输。被测传感器固定在测试台的圆盘上，圆盘的半径为0.2米。圆盘通过电动机驱动旋转，电动机采用伺服电机，它由电机调速系统驱动，工控机通过串口控制电动机的转速。接口电路通过射频传输获得采样系统的数据，它将该数据通过串口传入工控机。

图2 加速度传感器自动测试台系统结构框图

　　由于采样系统与被测加速度传感器一起转动，而工控机和接口电路处于静止状态。如何将该旋转部件的信号引出来是本课题的一个难点之一。目前国际上测量旋转构件信号通常采用的方法有集流器传输和无线传输两种。集流器传输方法包括拉线式、感应式和电刷式三种 。拉线式集流器使用时易磨损 ,适用于低速旋转部件的信号测量;感应式集流器工作时其动静线圈之间的间隙变化会引起磁阻的变化 ,从而影响测量结果 ,而且其测量的旋转部件转速不高;电刷式集流器工作性能比较好 ,可用于较高转速下信号测量 ,但高速旋转时 ,电刷集流器定子/转子发热会导致信号漂移 ,从而出现测量误差。无线传输方法包括红外传输和无线电传输两种。红外传输的载体是红外线 ,由于红外线有一定的方向性且不能穿越障碍物 ,因此 ,红外传输只适合于应用在近距离、小角度、无障碍物场合的数据传输。因此 ,本系统采用抗干扰能力强的无线数字传输技术。

3 加速度传感器性能测试台的实现方法

　　由加速度传感器性能自动测试台的系统结构可以看出：该测试台的实现主要由以下几个部分组成：

　　（1） 采样系统

　　采样系统的作用是：采集传感器的信号和将数据通过射频收发电路实现数据的接收和发送。本系统采用MICROCHIP公司的PIC16F877A单片机为采样系统的处理器，选用该种单片机只要考虑到它具有以下优点：

　　① 采用高性能精简指令集RISC之CPU，只要学会35条单字指令就可以学会编程;

　　② 指令执行速度快，时钟输入允许范围在在0～20MHZ,且指令除程序分支有两个周期外均为单周期指令;

　　③ 工作电压范围宽：2.0～5.5V;

　　④ 支持在线串行编程ICSP（In-Circuit Serial ProgrammingTM）;

　　⑤ 10位多通道A/D转换器;

　　⑥ 带有SPITM（主模式）和I2C（主/从）的同步串行端口SSP（Synchronous Serial Port） 。

　　本测试台测试的加速度传感器是模拟电压输出方式的，因此采样系统中的单片机主要接口是加速度传感器模拟信号输入和与射频模块的接口，射频芯片采用的是nRF2401,它的数据通信接口是一个SPI方式的同步串行接口，故它可以与单片机的SSP口直接相连。

　　（2） 射频收发电路

　　为了解决了数据采集中旋转部分与静止部分的接线困难问题，本设计中采用了射频技术进行数据传输，射频芯片采用nordic公司的射频收发芯片nRF2401。

　　nRF2401是一个单片集成接收、发射器的芯片 ,工作频率范围为全球开放的 2.4 GHz 频段。采用 GFSK调制时的数据速率为高速率 1 M bit/ s,高于蓝牙 ,具有高数据吞吐量。nRF2401 内置了 CRC纠、检错硬件电路和协议。发射功率、工作频率等所有工作参数全部通过软件设置完成。1.9～3.6 V 低功耗 ,满足低功耗设计需要。每个芯片可以通过软件设置最多 40bit地址 ,只有收到本机地址时才会输出数据且提供一个中断指示 。该芯片编程方便，能满足本系统的需求。

　　要实现数据的收发必须要用到至少2个射频收发模块，本系统中在采样系统和接口电路中各使用一个射频收发模块实现点对点数据传输。接口电路中的射频收发模块负责与工控机的数据传输，它起到一个数据中转作用。而采样系统中的射频模块作用是实现向工控及发送采集系统采集的加速度传感器产生的数据。

　　（3） 电机调速系统

　　由于系统中是采用电机驱动圆盘转动来产生加速度条件，因此要用到电动机和电机调速系统。本系统中电动机选用直流伺服电机，电机调速系统采用DDS系列数字调速系统。它采用直流电机和测速机机组，以单片机8751为核心，数字量给定，软件PID调节，数字PWM输出。IGBT功率驱动，是高精度、低漂移的双向调速系统。电机调速系统可以通过工控机控制，工控机通过串口发送相应指令就可以使电机工作在某一转速,从而加速度传感器有在某一加速度值下的电压输出。

　　（4） 数据采集和信号分析软件

　　NI LabVIEW 是一种图形化的编程语言，用于数据采集、分析与显示的图形化开发环境，快速创建灵活的、可升级的测试、测量和控制应用程序。使用 LabVIEW可以采集到实际信号，并对其进行分析得出有用信息，然后将测量结果和应用程序进行分析。本设计采用NI LabVIEW而不采用VB或 VC等作为编程语言，正是因为LabVIEW具有强大的信号分析功能，能够快速便捷地开发出应用与该系统的数据采集和信号分析软件。

　　数据通过串口进入工控机后，LabVIEW读取数据后进行数字滤波，曲线拟合后与给定曲线进行比较，就可以判断出加速度传感器性能是否合格。

4 结论

　　在加速度传感器性能测试台的设计过程中，首先要解决的是加速度条件的产生问题，匀速转动的方法产生加速度条件是一种比较容易实现的方法且精度也比较容易控制。但该方法的一个缺陷在于旋转机构与静止机构的接线困难问题，而采用射频技术实现数据的无线传输使问题迎刃而解。且NI LabVIEW以其强大的数据采集和信号分析功能使设计变得方便快捷。

　　本文作者创新点：利用旋转物体产生向心加速度的方法来为加速度传感器性能测试台创造加速度产生的条件;利用射频技术解决旋转部分与静止部分接线困难的问题。

参考文献:

　　[1] 王育虔，杨纪明，董顺义，李伟.基于单片机的发动机振动速度位移和加速度测量方法[J]. 微计算机信息，2005, 7：62-63.

　　[2] 卞春江,张天宏,邓志伟,张平. 面向旋转构件的高速无线数据采集系统[J].传感器技术，2004, 11：53-55.

　　[3] 侯国平，王坤，叶齐鑫.LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计[M].北京：清华大学出版社，2005：17-219.

　　[4] 刘笃仁.PIC软硬件系统设计[M].北京：电子工业出版社，2005：26-36.