MEMS加速度传感器的数据采集系统设计

徐 磊，房立清，李 旭，霍瑞坤，齐子元，郭德卿

(1.海军工程大学兵器工程学院，湖北武汉 430000；2.陆军工程大学石家庄校区火炮工程系，河北石家庄 050003；3.陆军工程大学石家庄校区导弹工程系，河北石家庄 050003)

0 引言

振动在自然界中是普遍存在的，物体的往复运动是振动的基本形式，振动信号在判断机械故障以及获取机械的工作状态中发挥着重要作用，振动信号常用的主要包括加速度、速度和位移。在实际工程应用中，由于安装位置、测试精度和技术水平等条件的限制，相较于加速度，位移和速度的测量更加困难，而位移、速度和加速度的微积分关系又较为明确，因此利用加速度实现振动信号的测量更具有可操作性。通过测量振动加速度可以实现识别结构损伤、隔振器阻抗以及动载荷等功能；加速度二次积分得到位移信号可以判别地震后建筑结构的形变、振动试验台的位移和桥梁的挠度等[1-2]。测量振动加速度在实际应用中具有很重要的价值，然而目前振动加速度测量电路设计大部分都是通过模拟电路实现的，存在信号精度不高甚至发生畸变等缺点[3-4]。

随着MEMS(微机电系统，micro electro-mechanical system)技术的迅速发展，作为MEMS技术的重要分支，MEMS加速度传感器也获得越来越广泛的应用[5-6]，利用MEMS加速度传感器设计测量物体加速度的测试系统，极大地减小了系统的体积，对于提高振动加速度的测量精度也有很大的帮助[7]；同时采用MEMS技术设计的传感器具有较高的抗过载能力，性能稳定，比较适合在地震、机械测量等振动复杂的领域使用[8-9]。虽然MEMS加速度具有诸多优势，但是由于技术水平有限，以MEMS加速度传感器为核心设计的实际应用仍然很少[10]。本文以MEMS加速度传感器为核心，设计了一种加速度测量采集系统，可实时测量和采集运动物体的加速度，并上传给计算机。该系统使用了基于热对流原理制作的加速度传感器，可承受高强度的冲击，并且直接采用数字方式输出，不需要数据转换电路，使系统体积大大缩小，试验验证表明，该系统具有较高的抗过载能力，在精度允许的范围内可实现加速度的测量和采集控制。

1 测量采集系统整体设计

在测量采集系统中，要实现的功能包括加速度信号的实时测量、加速度信号的采集、加速度信号的传输，为了使系统达到所需要的功能，该系统的硬件电路整体设计如图1所示，主要包括3个模块：测量模块、采集模块、读取模块。

图1 加速度采集测量系统整体结构设计

为了充分利用DSP的数字处理能力，在振动的过程中使加速度传感器的采集频率达到最大，并满足实时测量和采集的要求，在测试系统中采用数据流的处理方式采集和处理加速度信号。在一次采集完成后立刻进行加速度数据的顺序采集，并保证在采集结束前加速度传感器不会产生加速度数据。由于数据流的处理方式可以在传感器的采样周期内完成采集和显示，因此可以使系统延迟达到最小，使加速度传感器达到最大采集频率，使测试系统的测量精度进一步提高。

2 测量采集系统硬件电路设计

2.1 加速度测量模块

该模块设计采用三轴MEMS加速度传感器MXC4005XC。MXC4005XC采用的是标准CMOS工艺，采取晶片级封装，由于其核心技术是基于美新专利的热传感技术，在传感器内部没有可移动的机械部件，拥有较好的抗震动和抗冲击性能，在200 000g的冲击作用下。利用I2C串行数据总线实现单主机、多设备模式，硬件电路如图2所示。

图2 加速度测量模块电路原理图

2.2 加速度采集模块

采集模块利用的是铁电存储器FM25V20A，它是一款集低功耗和高性能于一体的非易失存储器，在没有电源时不会丢失存储的数据。

利用DSP设计的加速度存储模块硬件电路如图3所示。数字信号处理器DSP与铁电存储器之间采用SPI(serial perripheral interface，串行外围设备接口)相连，由一个主设备连接多个从设备，采用四线通信的方式，分别是：SCLK时钟，CS从设备选择，MISO主设备输入从设备输出以及MOSI主设备输出从设备输入。从设备FM25V20A内置有8位寄存器，主控制器通过访问和配置这些寄存器，可以存储读取加速度数据。

图3 加速度采集模块

2.3 加速度读取模块

加速度读取模块实现测量采集系统与计算机的通讯，将铁电存储器内采集的加速度数据读取到计算机中。利用串行接口电路实现外设和计算机间的数据传输，通过控制线和数据信号线，按位进行数据传输。利用常见的RS232(ANSI/EIA-232 标准)串行连接标准，实现串口接口电路的设计。硬件设计直接实现串口与USB电路的对接，无论是编码方式还是电平转换，都能达到使用要求，所以不需要软件编程上过多支持。其通信电路设计如图4所示。

图4 通信电路设计

该硬件系统可实现加速度测量数据的实时存取和显示的功能以及复位后可直接显示加速度存取数据的功能，该硬件系统印制电路板原理图和测量系统实物图设计如图5所示，利用通信接口实现加速度测量数据的实时存取和显示的功能，复位开关可实现在复位后直接将加速度数据按照固定格式上传到计算机中，为了保证电路系统的正常工作，准确测量电路板的工作状态，在电路板各处都设置有测试孔，便于输出信号的检测。

图5 印制电路板实物图

3 振动台试验结果

如图6所示，为了便于测量系统与振动试验台刚性连接，将测量系统紧固在承载板上，利用螺纹连接承载板与振动试验台，在振动试验台振动的过程中，实际输出的加速度是振动台的轴向加速度，为了保证振动加速度方向和传感器的感测方向一致，减少测量采集系统的侧偏误差，利用水准仪测量测试振动试验台的水平侧偏角度，然后将水准仪放置于测量采集系统的表面，调整承载板使测量系统的侧偏角度和振动试验台的侧偏角度相同，减小在水平方向的侧偏值。设置振动试验台分别输出2种按正弦规律变化的加速度，并上传测试数据，随后进行抗高过载能力测试，设置振动试验台的加速度输出最大输出值分别能达到为50g、80g和100g，并按正弦规律输出，观察LED灯的闪烁情况，随后设置振动试验台输出可测量的加速度数据，观察数据显示接口数据特点，并输出上传加速度数据，观察数据输出曲线，判断测量系统的工作状态。

图6 测量系统振动试验图

将测量采集系统测量的振动加速度上传到计算机，数据以二进制补码的形式如表1所示，利用MATLAB进行加速度数据处理。

表1 振动试验部分结果

对振动试验台输出设置，使振动加速度分别按a=6.8-2cos(t·2.5)-3.5sin(t·2.5)，a=3.3+cos(t·2)+0.2sin(t·2)的规律变化，其标准输出曲线如图7所示，测量采集系统的测量值如图8所示。

(a)

(b)图7 标准振动曲线

在进行振动试验台的抗过载能力测试时，将振动试验台的最大加速度分别调整至50g、80g、100g持续振动2 min，随后进行a=3+0.4cos(t·2)-0.5sin(t·2)的振动测试，测量采集系统的测试结果如图9所示。

4 试验分析

利用MATLAB曲线拟合工具，对所得的数据进行拟合，a=-3.261-2.292cos(t·2.604)-3.494sin(t·2.604),a=-6.745+0.970 1cos(t·2.086)+0.1sin(t·2.086)的规律变化。由于在振动试验过程中有重力加速度的影响，因此振动试验台进行加速输出曲线拟合时，应该将重力加速度加入到拟合函数中，在拟合函数中加入重力加速度后的函数对比如表2所示。

(a)

(b)图8 实际测量曲线

图9 测量振动曲线

表2 振动试验台输出函数与测量函数对比表

从表2输出函数和输出曲线图7、图8的对比可发现，测量采集系统可基本准确地测量出振动试验台的加速度变化规律。当然，虽然波形图可以直观地看出测量采集系统测量加速度与试验台输出加速度的吻合程度，但是为了定量地分析测量结果，必须有相应的指标进行误差评价。采用3个误差评价参数即平方和误差、平均最大相对误差以及平均峰值误差对测量采集系统的性能进行评价。

评价2个波形，首先要考察不同波形的总体效应，即对波形所具有的能量差别进行评价，因此引入平方和误差来描述振动台输出信号与实际测量信号之间的能量差别。

式中：b(i)为实际测量的加速度信号；a(i)为振动台输出信号；N表示采样点。

对比评价2个波形，不仅需要考察波形的整体效应，还需要注意波形峰值的差异。平均最大相对误差是相对误差时程[b(t)-a(t)]的正负峰值分别相对于a(t)正负峰值的误差的平均值。

平均峰值误差是加速度时程b(t)的正负峰值分别相对于振动台加速度时程a(t)正负峰值的误差的平均值。

通过提出的误差评价指标对加速度测量采集系统的测试性能进行评价，具体结果如表3所示。

表3 加速度测量误差分析 %

从结果可以看出，加速度测量采集系统的测量加速度的精度较高，在误差允许的范围内可以为速度计算和位移计算提供基础的数据支撑，可以满足实际工程的需要。

从图9振动曲线以及LED闪烁状态可判断出，测量系统仍然可以正常工作，在进行了高过载后仍然可以继续进行测量，该测量系统具有较高的抗过载能力。

5 结论

本文对振动加速度测量采集系统进行了详细的介绍，并通过试验验证了本系统的测试性能。该系统以MEMS加速度传感器为主体进行设

[10] 李恒羽，张军，许妍，等.锆管尺寸超声波测量系统的重复性和再现性分析[J].无损检测，2015,38(2):26-28,33.