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倪恩銘

（遼寧省高速公路管理局監(jiān)控指揮中心，沈陽市 110003）

1  引言

  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)的不可缺少的一環(huán)。許多對裝配有較高要求的產(chǎn)品，在運輸過程中也同樣對受到的沖擊有極限要求。受到超過極限的沖擊將給產(chǎn)品帶來傷害，為企業(yè)帶來不必要的損失。為監(jiān)測運輸過程，目前通常的做法是隨產(chǎn)品一起安裝沖擊記錄儀。

  當(dāng)前，國內(nèi)普遍使用的沖擊記錄儀都是機械式?jīng)_擊記錄儀，其內(nèi)部構(gòu)造象一臺照相機，有上下兩個紙帶卷筒，將記錄紙帶放入上紙筒，紙帶的始端插入下紙筒。在紙帶上方有一個固定記錄筆的金屬橫梁，橫梁上裝有3只記錄筆，分別記錄X、Y、Z 3條軸線方向的沖擊力。紙帶的兩側(cè)有時間坐標(biāo)，一邊確定受撞的時間。紙帶上有條格，可讀出受撞的格數(shù)值[1]。這種機械式?jīng)_擊記錄儀的缺點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

  機械式?jīng)_擊記錄，

  ①記錄紙長度有限可記錄的沖擊數(shù)據(jù)也就有限，沒有時間日期標(biāo)志，只有時間坐標(biāo)；

  ②記錄沖擊范圍只有±5g，達不到標(biāo)準(zhǔn)較高的單位（如國家電力公司）±10g的要求；

  ③為達到三維檢測的要求，同時要安裝三臺才可以，且安裝及讀取都不便；

  ④機械式?jīng)_擊記錄儀使用壓感式記錄紙，一方面國內(nèi)很少能買到這種紙，另一方面記錄紙在潮濕的季節(jié)或地區(qū)使用時經(jīng)常出現(xiàn)卡紙、受潮等現(xiàn)象，從而造成丟失記錄數(shù)據(jù)的嚴(yán)重問題；

  ⑤在運輸時有時因運輸方式的不同如海洋運輸時振動幅度過大、振動次數(shù)過多、同時還需要經(jīng)歷鐵路、公路不同的運輸方式才能到達安裝現(xiàn)場等因素，經(jīng)常出現(xiàn)記錄紙不夠長，未到目的地而記錄紙已用完，丟失了很多重要數(shù)據(jù)。

  因此，機械式?jīng)_擊記錄儀有著本身不可克服的缺點。微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是電子加速度傳感器技術(shù)和單片機技術(shù)的迅猛提高，電子智能型沖擊記錄儀也應(yīng)運而生，為高精密產(chǎn)品的運輸提供可靠的保障，給智能貨車技術(shù)的發(fā)展[2]。

2  沖擊記錄儀的總體設(shè)計方案

  本文設(shè)計的是一種基于電子加速度傳感器的沖擊記錄儀，它的組成原理圖如圖1所示，包括MPS430單片機及開發(fā)板、數(shù)據(jù)存儲單元、實時鐘單元、看門狗單元、加速度傳感器、信號放大與濾波單元、A/D轉(zhuǎn)換單元以及PC機通訊接口、電源接口、液晶顯示屏接口及單片機ISP（在系統(tǒng)編程）接口等部分。

圖1 沖擊記錄儀的組成框圖
Fig.1 composition of shock recorder

  該沖擊記錄儀在設(shè)計和實現(xiàn)過程中，主要解決以下幾個主要問題：加速度傳感器的選擇、低功耗芯片的選擇、主板電路的設(shè)計。

2.1  加速度傳感器的選擇：

  加速度傳感器是一種能夠測量加速力的電子設(shè)備，加速力就是當(dāng)物體在加速過程中作用在物體上的力，加速力可以是常量，也可以是變量。加速度傳感器基本的原理就是由于加速度產(chǎn)生某個介質(zhì)產(chǎn)生變形，通過測量其變形量并用相關(guān)電路轉(zhuǎn)化成電壓輸出。

  隨著微電子科技的飛速發(fā)展，低成本、高性能的電子加速度傳感器得以面世。電子加速度傳感器常分為三種：壓電式、容感式、熱感式[3]。壓電式加速度傳感器運用的是壓電效應(yīng)，在其內(nèi)部有一個剛體支撐的質(zhì)量塊，有運動的情況下質(zhì)量塊會產(chǎn)生壓力，剛體產(chǎn)生應(yīng)變，把加速度轉(zhuǎn)變成電信號輸出。容感式加速度傳感器內(nèi)部也存在一個質(zhì)量塊，從單個單元來看，它是標(biāo)準(zhǔn)的平板電容器，加速度的變化帶動活動質(zhì)量塊的移動從而改變平板電容兩極的間距和正對面積，通過測量電容變化量來計算加速度。而熱感式加速度傳感器內(nèi)部沒有任何質(zhì)量塊，它的中央有一個加熱體，周邊是溫度傳感器，里面是密閉的氣腔，工作時在加熱體的作用下，氣體在內(nèi)部形成一個熱氣團，熱氣團的比重和周圍的冷氣是有差異的，通過慣性熱氣團的移動形成的熱場變化讓感應(yīng)器感應(yīng)到加速度值。由于壓電式加速度傳感器內(nèi)部有剛體支撐的存在，通常情況下，壓電式加速度傳感器只能感應(yīng)到“動”加速度，而不能感應(yīng)到“靜態(tài)”加速度，也就是我們所說的重力加速度。而容感式和熱感式既能感應(yīng)“動”加速度，又能感應(yīng)“靜態(tài)”加速度。

  由于沒有任何移動部件，而且采用了微機械加工技術(shù)，熱感式加速度傳感器的研發(fā)過程中解決了很多加工上的難題。目前已經(jīng)實現(xiàn)生產(chǎn)成本低，抗沖擊能力強，而且可靠性好，失效率低于10ppm。

  熱感式加速度傳感器體積小，低功耗，工作電流應(yīng)在2mA以下，主芯片接口具備標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字接口模式。可以提供兩個方向的加速度值，采用兩片即可實現(xiàn)三維加速度值測量。經(jīng)過全面比較，本項目確定采用熱感式加速度傳感器，作為設(shè)計基礎(chǔ)。

2.2   低功耗芯片的選擇：

  機械式?jīng)_擊記錄儀特有的優(yōu)勢就是在不發(fā)生沖擊時就不工作，每振動一次，就動一次。而便攜式?jīng)_擊記錄儀使用電池供電，不管是否發(fā)生沖擊，都在時刻工作，因此電子元件的功耗就成為影響電子沖擊記錄儀的工作時間的主要問題。

  單片機作為電路的核心部分，對整機性能有重要的影響。經(jīng)過比較研究，美國TI公司的MSP430，一種采用了最新低功耗技術(shù)新型的單片機，適合沖擊記錄儀的工作使用。MSP430工作在1.8～3.6V電壓下，有正常工作模式（AM）和4種低功耗工作模式（LPM1、LPM2、LPM3、LPM4），在電源電壓為3V時，各種模式的工作電流分別為 AM：340uA、LPM1：70uA、LPM2：17uA、LPM3：2uA、LPM4：0.1uA。單片機可以方便的在各種工作模式之間切換，特別適合在電池供電、便攜式設(shè)備中的應(yīng)用。MSP430也具有非常高的集成度，單片集成了多通道12bit的A/D轉(zhuǎn)換、片內(nèi)精密比較器、多個具有PWM功能的定時器、斜邊A/D轉(zhuǎn)換、片內(nèi)USART、看門狗定時器、片內(nèi)數(shù)控振蕩器（DCO）、大量的I/O端口。MSP430有大容量的片內(nèi)存儲器，有ROM（C型）、OTP（P型）、EPROM（E型）、Flash Memory(F型)4種型號。

  外圍器件與電路有各種存儲器全部采用功耗極低的VMOS芯片以實現(xiàn)整機極低功耗的目標(biāo)。

2.3    主板電路的設(shè)計：

  用雙CPU設(shè)計，可大大減少硬件電路，減少繁瑣的譯碼、邏輯變換，使得系統(tǒng)硬件數(shù)量減少，同時軟件資源分配及設(shè)計均相對獨立，易于修改程序；
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  ●  隨機液晶顯示屏、隨機輕觸式按鍵； 

  ●  采樣頻率高于每秒十萬次不間斷采樣，不會漏過任何一次振動；
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  ●  數(shù)據(jù)永久性儲存功能；即使掉電或斷電，記錄儀儲存的數(shù)據(jù)也不會丟失；
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  ●  記錄儀的數(shù)據(jù)存儲及顯示的數(shù)據(jù)按大到小順序排列功能，數(shù)據(jù)讀取非常方便；
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  ●  可連接GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)、沖擊數(shù)據(jù)和沖擊地點位置、時間可同時顯示。

3． 整機的低功耗控制技術(shù)

  有了主要的低功耗芯片，整機的低功耗控制技術(shù)的采用在設(shè)計中也是非常重要的環(huán)節(jié)。功耗的控制在這里要通過軟件來實現(xiàn)，其關(guān)鍵有三條：盡量采用待機運行方式、盡量減少CPU運行時間和硬件軟化[4]。

3.1 盡量采用待機運行方式

  單片機MSP430 有4種低功耗工作模式，節(jié)電效果顯著。

  使單片機在不需要工作時進入待機狀態(tài)或掉電狀態(tài)，需要工作時再喚醒。在儀器檢測到較長時間的靜止情況后，系統(tǒng)進入待機狀態(tài)。開始運動后，傳感器有輸出，傳感器輸出信號前端電路變換來喚醒單片機工作。通過這種管理方式，大大地節(jié)約了在不需要工作時的功耗。有效地延長了整機一次充電的持續(xù)工作時間。

3.2有效控制外圍器件與電路的功耗

  對外圍器件與電路的功耗采取管理措施，使其在不工作時進入維持狀態(tài)或停止供電，以降低功耗。在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，存儲器的功耗是比較大的，待機時將存儲器狀態(tài)設(shè)置為維持狀態(tài)使功耗顯著下降。

3.3 選用運算速度快的算法

  針對本項目要處理的數(shù)據(jù)等具體問題，合理選用運算速度快、精度高的新算法，能減少CPU運行時間。

3.4 盡量用定時中斷替代軟件延時
   
  在間斷測量的情況下，應(yīng)采用外部中斷或內(nèi)部定時/計數(shù)中斷，不要采用軟件延時，以減少CPU運行時間。單片機的外部中斷源不夠用時，可方便地擴充。

3.5 盡量用靜態(tài)顯示替代動態(tài)顯示

  選用具有數(shù)據(jù)鎖存、譯碼、驅(qū)動和顯示功能的LCD顯示組件，只要組件不掉電，數(shù)據(jù)一直保留，內(nèi)容一直顯示，直到單片機對其刷新。

3.6 縮短通信時間
   
  用RS-232通信接口通信時，若通信的數(shù)據(jù)量較大，應(yīng)提高傳輸?shù)牟ㄌ芈剩s短通信時間。可采用高效率的編碼方式，如BCD碼的編碼與ASCII碼相比，效率提高一倍。發(fā)送和接收時不要循環(huán)等待，而應(yīng)采用串行中斷。

3.7硬件軟化

  傳統(tǒng)的硬件濾波電路（如有源濾波器）本身耗電可觀，且不需要其工作時難以控制其不耗電，故功耗相對較大。改用軟件濾波可克服功耗大的缺點。

3.8 降低時鐘頻率

  在滿足運算速度要求的前提下，盡量降低時鐘頻率，可達到降低功耗的目的。降低時鐘頻率而不犧牲運算速度是目前單片機技術(shù)發(fā)展的特點之一。

3.6  降低供電電壓

  當(dāng)外圍器件與電路的工作電壓不能低至單片機工作電壓的下限或各部分電路的工作電壓下限不盡相同時，不能象單片機那樣由電池直接供電，可通過DC-DC變換器供電。DC-DC變換器芯片種類較多，大致可分為升壓型、降壓型和極性反轉(zhuǎn)型，供電方式靈活，轉(zhuǎn)換效率高（很多芯片達90%以上），體積小巧，使用方便。

4.抗干擾措施

  在記錄儀工作的環(huán)境中有各種各樣的干擾，可能會影響到工作可靠性和精度。必須采用抗干擾措施來保證記錄儀的穩(wěn)定工作。本文設(shè)計的沖擊記錄儀整機采用屏蔽網(wǎng)有效地保證記錄儀工作時不受外界電磁信號的干擾。GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)不在其中。

5. 結(jié)論

  傳統(tǒng)的沖擊記錄儀無論精度，使用的方便程度都受到其結(jié)構(gòu)的限制，很難實現(xiàn)多功能。全電子智能化是其發(fā)展方向。本文所設(shè)計實現(xiàn)的沖擊記錄儀是在此方向上的一個探索，相信隨著電子加速度傳感器的不斷進步和芯片技術(shù)的飛速發(fā)展，沖擊記錄儀也會不斷豐富和擴充功能，為智能化運輸和需要對振動進行控制的領(lǐng)域提供更可靠的保障。