1 引言

　　對(duì)于傳統(tǒng)的加速度傳感器而言，由于只具有感知環(huán)境，輸出模擬信號(hào)的功能，應(yīng)用范圍受到了很大限制，譬如，在車(chē)輛振動(dòng)測(cè)試行車(chē)試驗(yàn)中，就需要配置電腦、數(shù)據(jù)采集卡等設(shè)備。不但設(shè)備昂貴，而且由于車(chē)輛需要在行駛過(guò)程中測(cè)試，所以就必須加長(zhǎng)信號(hào)傳輸線，既帶來(lái)了測(cè)量的不便，也導(dǎo)致由于外界環(huán)境的干擾測(cè)試誤差的加大。現(xiàn)有的測(cè)振儀由于存在著大多價(jià)格昂貴，操作復(fù)雜，測(cè)量精度較低的缺陷，很大程度上限制了它的廣泛應(yīng)用。

　　本文設(shè)計(jì)了一種智能壓阻式加速度傳感器，有效地克服了對(duì)于傳統(tǒng)加速度傳感器的輸出特性容易受噪聲、溫度、電源紋波、濕度等多種因素的干擾，避免了應(yīng)用場(chǎng)合的局限性，實(shí)現(xiàn)了加速度的精確測(cè)量。

　　2 硬件組成

　　根據(jù)智能加速度傳感器的使用要求，在硬件電路上主要考慮以下幾方面的問(wèn)題 ：盡量采用集成化程度高的芯片，以減小主機(jī)體積，滿足便攜使用要求；采用低功耗的元器件，滿足儀器長(zhǎng)時(shí)間工作要求；選用寬工作溫度范圍的元器件，滿足儀器在戶外工作條件。根據(jù)以上原則構(gòu)建了智能傳感器的硬件電路，其組成如圖1所示。智能加速度傳感器主要由敏感元件、信號(hào)調(diào)理電路、a/d轉(zhuǎn)換器、典型的單片機(jī)系統(tǒng)、鍵盤(pán)和電源等組成。

　　智能加速度傳感器的工作原理是 ：敏感元件將測(cè)點(diǎn)的加速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)，進(jìn)入前置放大電路，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路改善信號(hào)的信噪比，再進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號(hào)，最后送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)再進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和顯示。

　　2.1 敏感元件

　　系統(tǒng)采用在目前廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)控制、汽車(chē)及其它車(chē)輛、振動(dòng)及地震測(cè)試，科學(xué)測(cè)量等領(lǐng)域的硅微加速度傳感元件，其結(jié)構(gòu)及等效橋式電路如圖2所示。

　　當(dāng)傳感元件以加速度a運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊受到一個(gè)與加速度方向相反的慣性力作用，發(fā)生與加速度成正比a的形變，使懸臂梁也隨之產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變。該變形被粘貼在懸臂梁上的擴(kuò)散電阻感受到。根據(jù)硅的壓阻效應(yīng)，擴(kuò)散電阻的阻值發(fā)生與應(yīng)變成正比的變化，將這個(gè)電阻作為電橋的一個(gè)橋臂，通過(guò)測(cè)量電橋輸出電壓的變化可以完成對(duì)加速度的測(cè)量[1]。

　　2.2 p89lpc932單片機(jī)系統(tǒng)

　　作為智能傳感器的核心，單片機(jī)的選用主要是考慮到智能傳感器的測(cè)量速度、精度、分辨率和其本身的數(shù)據(jù)處理能力，并且還要考慮到其與計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊功能。文中選擇具有高集成度、低功耗、低成本等特點(diǎn)的p89lpc932單片機(jī)作為其作智能傳感器的微控制器。它采用高性能的處理器結(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行時(shí)間只需2～4個(gè)時(shí)鐘周期，6倍于標(biāo)準(zhǔn)80c51單片機(jī)，并且具有增強(qiáng)型uart，具有幀錯(cuò)誤檢測(cè)、自動(dòng)地址檢測(cè)和通用的中斷功能，i2c和spi通訊端口。并且p89lpc932還集成了許多系統(tǒng)級(jí)的功能，可大大減少元件的數(shù)目并降低了系統(tǒng)的成本。同時(shí)，考慮到智能加速度傳感器在測(cè)試過(guò)程中需要記錄大量數(shù)據(jù)，單片機(jī)系統(tǒng)專(zhuān)門(mén)配置了全集成化并且不需設(shè)計(jì)刷新控制接口的8kb動(dòng)態(tài)ram2186，作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。

　　2.3 信號(hào)調(diào)理電路

　　信號(hào)調(diào)理主要是指對(duì)敏感元件的輸出信號(hào)進(jìn)行編碼和調(diào)制以便獲得更好的信噪比，同時(shí)也包括信號(hào)平均和冗余度、以及自我檢查和故障探測(cè)系統(tǒng)以便探測(cè)敏感元件的任何不正常運(yùn)轉(zhuǎn)。在敏感元件的輸出到放大器的輸入端之間，有可能引入工頻干擾、靜電干擾、電磁耦合干擾和共模干擾等。這樣信號(hào)就不可避免地帶有噪聲，嚴(yán)重者會(huì)被噪聲淹沒(méi)。因此降低噪聲、改善信噪比就顯得尤為重要。對(duì)于敏感元件，由于輸出的電荷量非常小，應(yīng)將其信號(hào)放大。但是當(dāng)敏感元件輸出信號(hào)的范圍較大時(shí)，就不宜用同一增益的放大電路進(jìn)行放大，否則在輸入信號(hào)較小時(shí)，輸出信號(hào)將小于一半量程，而輸入信號(hào)較大時(shí)卻使放大電路處于飽和狀態(tài)。同時(shí)，由于壓阻式敏感元件的電阻除由應(yīng)變引起之外，也受溫度變化的影響，因此也必須考慮溫度補(bǔ)償問(wèn)題。 　　鑒于上述考慮，系統(tǒng)選用集成智能傳感器信號(hào)調(diào)理模塊maxl452和外接的電阻、電容組成智能傳感器信號(hào)調(diào)理電路。maxl452內(nèi)含一個(gè)可編程傳感器激勵(lì)源，一個(gè)16階可編程增益放大器，一個(gè)768字節(jié)內(nèi)部eeprom，四個(gè)16位dac，一個(gè)預(yù)置運(yùn)算放大器、一個(gè)片上溫度傳感器。

　　maxl452偏移糾正過(guò)程如下：初始偏移在信號(hào)增益放大器的輸入級(jí)通過(guò)近似偏移設(shè)置進(jìn)行糾正，最終的偏移通過(guò)溫度指示的176個(gè)16位入口查詢表地址糾正。片上溫度傳感器提供一個(gè)16位偏移補(bǔ)償值，這個(gè)補(bǔ)償值的指示分辨率在－400℃~＋l25℃約為1.5℃。

　　maxl452的兩個(gè)功能模塊用于滿量程輸出增益矯正。其過(guò)程一是通過(guò)可編程增益放大器數(shù)字選擇增益進(jìn)行增益近似設(shè)置，二是通過(guò)滿量程輸出dac數(shù)字輸入設(shè)置傳感器電橋電流或電壓。

　　這樣就可通過(guò)cpu的操作，設(shè)置零位偏移寄存器、溫度寄存器、零點(diǎn)溫度補(bǔ)償寄存器、輸出基準(zhǔn)寄存器、增益溫度補(bǔ)償寄存器等。這些寄存器中的值通過(guò)d/a轉(zhuǎn)換器變成模擬量疊加在調(diào)理電路中，從而改善了傳感器特性。

　　2.4 串行接口電路

　　串行口是智能傳感器與上位機(jī)或者其它設(shè)備交換