發布日期：2022-10-09 點擊率：42
摘 要：介紹了一種基于2.4G射頻芯片nRF2401的加速度傳感器性能測試臺的實現方法,詳細介紹了加速度傳感器性能的測試原理和加速度傳感器性能測試臺的實現方法。在該系統中，采用PIC單片機PIC16F877A對加速度傳感器的輸出信號進行采集后通過射頻芯片nRF2401將其傳入工控機中，同時采用 NI LabVIEW對采集的數據進行分析。射頻技術解決了數據采集中旋轉部分與靜止部分的接線困難問題，使數據能正確快速地采集。
關鍵詞：加速度傳感器;nRF2401;測試臺;PIC單片機;LabVIEW
0 引言
本文介紹的是如何利用射頻技術構建一個自動測試臺以實現對加速度傳感器的性能檢測。加速度傳感器廣泛用于汽車領域，它主要用在以下幾個方面：安全氣袋，翻轉檢測，碰撞檢測，車輛動態控制，剎車控制系統，駕駛者安全裝置。一般情況下，加速度傳感器的輸出信號分兩種方式：即模擬電壓輸出方式和數字輸出方式。本加速度傳感器性能測試臺測試的便是模擬電壓輸出方式的加速度傳感器。根據加速度傳感器生產廠家提供的技術指標，在正常情況下，加速度傳感器的輸出電壓與加它所受的加速度成線性關系，或者說符合某一給定曲線，如果測試所得值與給定曲線相符則表明加速度傳感器性能合格，反之則不合格。
1 測試原理與測試方法
圖1 勻速轉盤上物體向心加速度示意圖
要測試加速度傳感器的性能必須要使其處在各種不同的加速度條件下才能有不同的輸出電壓，因此該加速度傳感器自動測試臺首先要實現的就是不同的加速度條件的產生。本系統的測試原理是：物體在勻速轉動時能產生向心加速度，半徑一定而勻速轉動的速率不同時，產生的向心加速度也不相同，向心加速度的大小與轉動的速率成正比。加速度傳感器在固定半徑的圓周上以不同的速率做勻速圓周運動就能產生不同的向心加速度，從而產生不同的電壓輸出值，從而可以測試加速度傳感器的性能指標。
如圖1示，加速度傳感器A安裝在半徑為R（米）的勻速轉動的圓盤上，設圓盤的轉動速度為n（轉/分），圓盤轉動的角速度為ω（弧度/秒），物體運動的線速度為v（米/秒）。物體的向心力為F（牛），向心加速度為a（米/秒2）。加速度方向指向圓心，即與物體的運動方向垂直。
由以上推論可知：只要改變圓盤的轉速，就能使加速度傳感器處在不同的加速度條件下。因此本系統的測試方法是：將加速度傳感器固定在一個勻速轉動的圓盤上，圓盤由電機帶動勻速轉動，由工控機控制電機的轉速。每改變一次電機的轉速，則加速度傳感器就會產生一次不同加速度值下的輸出電壓。因此可以測得加速度傳感器在各個加速度值下的輸出電壓值。
2 加速度傳感器性能試臺的系統結構
本加速度傳感器性能自動測試臺采用NI LabVIEW為開發平臺，在數據采集上采用射頻技術解決旋轉部件與靜止部件的接線問題。如圖2所示為本加速度傳感器性能自動測試臺的系統結構圖。系統由工控機、接口電路，電機調速系統，電動機，采樣系統和被測傳感器測試臺組成。采樣系統與被測加速度傳感器一起轉動，而接口電路與工控機處于靜止狀態。采樣系統與接口電路之間通過射頻進行信號傳輸。被測傳感器固定在測試臺的圓盤上，圓盤的半徑為0.2米。圓盤通過電動機驅動旋轉，電動機采用伺服電機，它由電機調速系統驅動，工控機通過串口控制電動機的轉速。接口電路通過射頻傳輸獲得采樣系統的數據，它將該數據通過串口傳入工控機。
圖2 加速度傳感器自動測試臺系統結構框圖
由于采樣系統與被測加速度傳感器一起轉動，而工控機和接口電路處于靜止狀態。如何將該旋轉部件的信號引出來是本課題的一個難點之一。目前國際上測量旋轉構件信號通常采用的方法有集流器傳輸和無線傳輸兩種。集流器傳輸方法包括拉線式、感應式和電刷式三種 。拉線式集流器使用時易磨損 ,適用于低速旋轉部件的信號測量;感應式集流器工作時其動靜線圈之間的間隙變化會引起磁阻的變化 ,從而影響測量結果 ,而且其測量的旋轉部件轉速不高;電刷式集流器工作性能比較好 ,可用于較高轉速下信號測量 ,但高速旋轉時 ,電刷集流器定子/轉子發熱會導致信號漂移 ,從而出現測量誤差。無線傳輸方法包括紅外傳輸和無線電傳輸兩種。紅外傳輸的載體是紅外線 ,由于紅外線有一定的方向性且不能穿越障礙物 ,因此 ,紅外傳輸只適合于應用在近距離、小角度、無障礙物場合的數據傳輸。因此 ,本系統采用抗干擾能力強的無線數字傳輸技術。
3 加速度傳感器性能測試臺的實現方法
由加速度傳感器性能自動測試臺的系統結構可以看出：該測試臺的實現主要由以下幾個部分組成：
（1） 采樣系統
采樣系統的作用是：采集傳感器的信號和將數據通過射頻收發電路實現數據的接收和發送。本系統采用MICROCHIP公司的PIC16F877A單片機為采樣系統的處理器，選用該種單片機只要考慮到它具有以下優點：
① 采用高性能精簡指令集RISC之CPU，只要學會35條單字指令就可以學會編程;
② 指令執行速度快，時鐘輸入允許范圍在在0～20MHZ,且指令除程序分支有兩個周期外均為單周期指令;
③ 工作電壓范圍寬：2.0～5.5V;
④ 支持在線串行編程ICSP（In-Circuit Serial ProgrammingTM）;
⑤ 10位多通道A/D轉換器;
⑥ 帶有SPITM（主模式）和I2C（主/從）的同步串行端口SSP（Synchronous Serial Port） 。
本測試臺測試的加速度傳感器是模擬電壓輸出方式的，因此采樣系統中的單片機主要接口是加速度傳感器模擬信號輸入和與射頻模塊的接口，射頻芯片采用的是nRF2401,它的數據通信接口是一個SPI方式的同步串行接口，故它可以與單片機的SSP口直接相連。
（2） 射頻收發電路
為了解決了數據采集中旋轉部分與靜止部分的接線困難問題，本設計中采用了射頻技術進行數據傳輸，射頻芯片采用nordic公司的射頻收發芯片nRF2401。
nRF2401是一個單片集成接收、發射器的芯片 ,工作頻率范圍為全球開放的 2.4 GHz 頻段。采用 GFSK調制時的數據速率為高速率 1 M bit/ s,高于藍牙 ,具有高數據吞吐量。nRF2401 內置了 CRC糾、檢錯硬件電路和協議。發射功率、工作頻率等所有工作參數全部通過軟件設置完成。1.9～3.6 V 低功耗 ,滿足低功耗設計需要。每個芯片可以通過軟件設置最多 40bit地址 ,只有收到本機地址時才會輸出數據且提供一個中斷指示 。該芯片編程方便，能滿足本系統的需求。
要實現數據的收發必須要用到至少2個射頻收發模塊，本系統中在采樣系統和接口電路中各使用一個射頻收發模塊實現點對點數據傳輸。接口電路中的射頻收發模塊負責與工控機的數據傳輸，它起到一個數據中轉作用。而采樣系統中的射頻模塊作用是實現向工控及發送采集系統采集的加速度傳感器產生的數據。
（3） 電機調速系統
由于系統中是采用電機驅動圓盤轉動來產生加速度條件，因此要用到電動機和電機調速系統。本系統中電動機選用直流伺服電機，電機調速系統采用DDS系列數字調速系統。它采用直流電機和測速機機組，以單片機8751為核心，數字量給定，軟件PID調節，數字PWM輸出。IGBT功率驅動，是高精度、低漂移的雙向調速系統。電機調速系統可以通過工控機控制，工控機通過串口發送相應指令就可以使電機工作在某一轉速,從而加速度傳感器有在某一加速度值下的電壓輸出。
（4） 數據采集和信號分析軟件
NI LabVIEW 是一種圖形化的編程語言，用于數據采集、分析與顯示的圖形化開發環境，快速創建靈活的、可升級的測試、測量和控制應用程序。使用 LabVIEW可以采集到實際信號，并對其進行分析得出有用信息，然后將測量結果和應用程序進行分析。本設計采用NI LabVIEW而不采用VB或 VC等作為編程語言，正是因為LabVIEW具有強大的信號分析功能，能夠快速便捷地開發出應用與該系統的數據采集和信號分析軟件。
數據通過串口進入工控機后，LabVIEW讀取數據后進行數字濾波，曲線擬合后與給定曲線進行比較，就可以判斷出加速度傳感器性能是否合格。
4 結論
在加速度傳感器性能測試臺的設計過程中，首先要解決的是加速度條件的產生問題，勻速轉動的方法產生加速度條件是一種比較容易實現的方法且精度也比較容易控制。但該方法的一個缺陷在于旋轉機構與靜止機構的接線困難問題，而采用射頻技術實現數據的無線傳輸使問題迎刃而解。且NI LabVIEW以其強大的數據采集和信號分析功能使設計變得方便快捷。
本文作者創新點：利用旋轉物體產生向心加速度的方法來為加速度傳感器性能測試臺創造加速度產生的條件;利用射頻技術解決旋轉部分與靜止部分接線困難的問題。
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