基于MEMS加速度計(jì)的記錄儀

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1、清華大學(xué)2012屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 基于MEMS加速度計(jì)的記錄儀 摘 要 加速度記錄儀以Freescale高集成度三軸加速度傳感器MMA8453Q為傳感器，以TI公司低功耗處理MSP430F1611為控制核心，以Flash存儲(chǔ)器K9F1G為存儲(chǔ)設(shè)備。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)三維加速度信號(hào)的動(dòng)態(tài)采集，并將加速度信號(hào)以文件的形式存儲(chǔ)在存儲(chǔ)卡中, 便于上位機(jī)的讀取和進(jìn)一步分析。 本文闡述的內(nèi)容有以下幾個(gè)方面: 1）分析了加速度的測(cè)試環(huán)境，介紹了MEMS加速度計(jì)的記錄儀的功能要求和性能指標(biāo)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。 2）在總體方案的基礎(chǔ)上對(duì)加速度傳感器、控制器、存儲(chǔ)器進(jìn)行選型。 3）對(duì)系統(tǒng)硬件電路進(jìn)行

2、設(shè)計(jì)，包括信號(hào)的采集與存儲(chǔ)以及異步串行通信接口等幾個(gè)部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。 4）硬件電路設(shè)計(jì)與制作好后，需要對(duì)其進(jìn)行編程，以控制主控器對(duì)數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)的操作。 關(guān)鍵詞：MEMS加速度計(jì)，MSP430微處理器，F(xiàn)lash，異步串行通信 Recorder Based on MEMS accelerometer Abstract Acceleration recorder by Freescale Highly integrated of three-axis acceleration sensor MMA8453Q sens

3、or， with low power consumption TI company MSP430F1611 as the control core, with Flash memory K9F1G for storage devices. This system realizes the 3D acceleration dynamic signal acquisition, and the acceleration signal in the form of files stored in the memory card, easy to read and further analysis o

4、f PC. This paper describes the contents of the following aspects: 1) Analysis of the acceleration test environment, and describes the functional requirements and performance indicators of the MEMS accelerometer logger, the overall design of the system. 2) Acceleration sensors, controllers, memory

5、 selection on the basis of the overall program. 3) System hardware circuit design, including the design and implementation of the several parts of the signal acquisition and storage as well as asynchronous serial communication interface. 4) Hardware circuit design and production need to be program

6、med to control the operation of the master data collection and storage. Key words: MEMS acceleration sensor, MSP430 microprocessor, Flash, asynchronous serial communication 目 錄 1 緒論 1 1.1 本課題的來(lái)源、目的及意義 1 1.2 加速度計(jì)及加速度記錄儀的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 2 1.2.1 MEMS加速度計(jì)的原理及應(yīng)用 2 1.2.2 加速度記錄儀國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)?/p>

7、況 2 1.3 本課題完成的工作及研究?jī)?nèi)容 4 2 基于MEMS加速度計(jì)的記錄儀的總體設(shè)計(jì)方案 5 2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5 2.2 系統(tǒng)芯片原理介紹 5 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 17 3.1 硬件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 17 3.2 加速度信號(hào)的采集 17 3.2.1 I2C總線介紹 18 3.3 電源管理模塊 19 3.4 復(fù)位電路 20 3.5 外圍晶振選擇 21 3.6 存儲(chǔ)模塊 22 3.7 異步串行通信模塊的設(shè)計(jì) 22 3.7.1 異步串行通信介紹 22 3.7.2 通信接口電路 23 3.8 電路圖 24 4 系統(tǒng)軟件

8、設(shè)計(jì)與調(diào)試問(wèn)題分析 25 4.1 應(yīng)用開(kāi)發(fā)軟件概述 25 4.2 軟件設(shè)計(jì) 25 4.3 單片機(jī)的程序設(shè)計(jì) 26 5 總結(jié) 37 附錄A 加速度記錄儀原理圖 38 附錄B 加速度記錄儀PCB圖 39 參考文獻(xiàn) 40 致謝 41 第 II 頁(yè) 共 Ⅱ 頁(yè) 清華大學(xué)2012屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 1 緒論 1.1 本課題的來(lái)源、目的及意義 隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的不斷發(fā)展，產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測(cè)、控制手段已經(jīng)成為保證產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)不可缺少的環(huán)節(jié)。許多對(duì)裝配有較高要求的產(chǎn)品，在運(yùn)輸過(guò)程中也同樣對(duì)受到的沖擊有極限要求。受到超過(guò)極限的沖擊將給產(chǎn)品帶來(lái)傷害，給人們帶來(lái)不必要的損

9、失。為了監(jiān)測(cè)運(yùn)輸過(guò)程，目前通常的做法是隨產(chǎn)品一起安裝沖擊記錄儀[1]。 MEMS技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是MEMS加速度計(jì)和單片機(jī)技術(shù)的迅猛提高，電子智能型沖擊記錄儀也應(yīng)運(yùn)而生。MEMS加速度計(jì)是一種十分重要的力學(xué)敏感傳感器，其研究與開(kāi)發(fā)始于80年代初，是繼微壓力傳感器之后第二個(gè)進(jìn)入市場(chǎng)的微機(jī)械傳感器。 微加速度傳感器可通過(guò)其加工技術(shù)、控制系統(tǒng)類型、敏感機(jī)理來(lái)分類[2]。 壓阻式微加速度傳感器是通過(guò)可動(dòng)質(zhì)量塊感應(yīng)加速度，將輸入轉(zhuǎn)換為彈性結(jié)構(gòu)的形變，從而引起制作在彈性結(jié)構(gòu)上的壓敏電阻阻值的變化，再通過(guò)外界電路將電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化[3]。 電容式微機(jī)械加速度傳感器是通過(guò)可動(dòng)質(zhì)量塊

10、感應(yīng)加速度，利用平行板電容將質(zhì)量塊的相對(duì)位移轉(zhuǎn)換為電容的變化，再通過(guò)檢測(cè)電路將電容的微小變化轉(zhuǎn)換為與其成正比的電壓的變化[3]。 熱對(duì)流式微加速度傳感器是利用敏感體內(nèi)氣流的加速運(yùn)動(dòng)來(lái)檢測(cè)加速度，通過(guò)一定的方法將加速度轉(zhuǎn)換為檢測(cè)電路的輸出電壓，不需要檢測(cè)質(zhì)量塊，有很強(qiáng)的抗沖擊能力，結(jié)構(gòu)緊湊，加工方便，精度高（達(dá)到0.6mg），對(duì)小加速度敏感性很高[4]。 隧道式微加速度傳感器利用電子勢(shì)壘隧道效應(yīng)，把輸入的加速度轉(zhuǎn)換為質(zhì)量塊的相對(duì)位移，再通過(guò)隧道效應(yīng)將位移量轉(zhuǎn)換為隧道電流的變化，最后用檢測(cè)電路測(cè)出這個(gè)電流變化量而獲得相應(yīng)的加速度的大小[3]。 諧振式加速度傳感器是通過(guò)檢測(cè)諧振元件固有頻率的變

11、化獲得加速度。其獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)在于：（1）輸出的是諧振頻率信號(hào)，可與數(shù)字電路及計(jì)算機(jī)直接接口，省去A/D轉(zhuǎn)化，處理電路；（2）頻率信號(hào)有很高的抗干擾能力和穩(wěn)定性，且在傳輸過(guò)程中不易產(chǎn)生失真誤差，功耗低；（3）靈敏度高，精度高，穩(wěn)定性和可靠性好。所以諧振式加速度傳感器已經(jīng)成為微加速度傳感器發(fā)展的新趨勢(shì)[5]。 1.2 加速度計(jì)及加速度記錄儀的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 1.2.1 MEMS加速度計(jì)的原理及應(yīng)用 1）MEMS加速度計(jì) MEMS(Micro Electro Mechanical System) 是一項(xiàng)有著廣泛應(yīng)用前景的應(yīng)用基礎(chǔ)技術(shù)。利用MEMS技術(shù)可以使電子設(shè)備中元器件實(shí)現(xiàn)微型化、低功耗以

12、及便攜性等技術(shù)要求。MEMS利用表層蝕刻技術(shù),可實(shí)現(xiàn)宏觀意義上的機(jī)械三維結(jié)構(gòu)，使元器件生產(chǎn)小型化成為可能。MEMS器件主要以硅晶體為加工材料，可以類似半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)方法，以相對(duì)較低成本批量生產(chǎn)。MEMS器件在當(dāng)今汽車應(yīng)用電子（如防撞安全氣囊感應(yīng)和發(fā)動(dòng)機(jī)各種壓力傳感器）以及計(jì)算機(jī)外設(shè)（如噴墨打印機(jī)的噴墨頭、計(jì)算機(jī)硬盤驅(qū)動(dòng)器磁頭）等方面得到廣泛應(yīng)用[6]。 MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）加速度計(jì)就是使用MEMS技術(shù)制造的加速度計(jì)。由于采用了微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)，使得其尺寸大小縮小，一個(gè)MEMS加速度計(jì)只有指甲蓋的幾分之一大小。MEMS加速度計(jì)具有體積小、

13、重量輕、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。 2）MEMS加速度計(jì)的應(yīng)用 通過(guò)測(cè)量由于重力引起的加速度，可以計(jì)算出設(shè)備相對(duì)于水平面的傾斜角度。通過(guò)分析動(dòng)態(tài)加速度，可以分析出設(shè)備移動(dòng)的方式。 目前最新IBM Thinkpad 手提電腦里就內(nèi)置了MEMS加速度計(jì)，能夠動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)出筆記本在使用中的振動(dòng)，并根據(jù)這些振動(dòng)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會(huì)智能的選擇關(guān)閉硬盤還是讓其繼續(xù)運(yùn)行，這樣可以最大程度的保護(hù)由于振動(dòng)，比如顛簸的工作環(huán)境，或者不小心摔了電腦所造成的硬盤損害，最大程度的保護(hù)里面的數(shù)據(jù)。目前先進(jìn)的移動(dòng)硬盤上也使用了這項(xiàng)技術(shù)。 另外一個(gè)用處就是目前的數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)里，用MEMS加速度計(jì)來(lái)檢測(cè)拍攝時(shí)候手部的振動(dòng)，并根據(jù)這些振動(dòng)

14、，自動(dòng)調(diào)節(jié)相機(jī)的聚集。 MEMS加速度計(jì)還可以用來(lái)分析發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)。汽車防撞氣囊的啟動(dòng)也可以由MEMS加速度計(jì)控制。 由此可見(jiàn)，MEMS加速度計(jì)可以在生活中發(fā)揮重要作用。歸納其應(yīng)用主要有以下幾個(gè)方面：振動(dòng)檢測(cè)、姿態(tài)控制、安防報(bào)警、消費(fèi)應(yīng)用、動(dòng)作識(shí)別、狀態(tài)記錄等。 1.2.2 加速度記錄儀國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 80年代以來(lái)，隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，以CPU為核心的新型控制儀表被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于化工、煉油、冶金、制藥、造紙、建材等行業(yè)，但與之配套的記錄儀仍停留在傳統(tǒng)的機(jī)械式，它有紙、有筆、有墨承、有大量的機(jī)械傳動(dòng)，具有日常維護(hù)工作量大，運(yùn)行費(fèi)用高，可靠性差，應(yīng)用不夠靈活，歷史信息

15、再處理再利用難度大等缺點(diǎn)與現(xiàn)代化控制手段相當(dāng)不協(xié)調(diào)。 進(jìn)入90年代以后，我國(guó)成功研制開(kāi)發(fā)生產(chǎn)出了全智能無(wú)紙記錄儀，它以微處理器(CPU)為核心，以大容量存儲(chǔ)芯片(SRAM)為存儲(chǔ)載體，采用液晶屏(LCD)為顯示界面，具有實(shí)時(shí)單通道、棒圈、實(shí)時(shí)趨勢(shì)、單通道實(shí)時(shí)趨勢(shì)、歷史趨勢(shì)等信息豐富的顯示畫面，以及時(shí)間與通道頁(yè)面與記錄間隔，各通道信息、通信信息等靈活方便的組態(tài)功能，同時(shí)還配備了同微機(jī)通訊的標(biāo)準(zhǔn)通訊接口及中文WINDOWS界面上的上位機(jī)管理軟件，徹底解決了機(jī)械式記錄儀在使用中存在的問(wèn)題[7]。 在無(wú)紙記錄儀不斷地走向市場(chǎng)過(guò)程中，根據(jù)用戶的需求，又增加了許多新的功能：流量累計(jì)、流量溫壓補(bǔ)償、PI

16、D控制、撮普觸點(diǎn)任意組態(tài)、工程單位顯示、通訊地址組態(tài)、配電、顯示畫面組態(tài)、峰值保持功能以及報(bào)警追憶顯示畫面和通道數(shù)據(jù)顯示畫面。 在1992年前后，國(guó)外不少公司推出了無(wú)紙記錄儀，其中較有代表性的有德國(guó)哈特曼勞恩公司(H＆B)的Datavis A 無(wú)紙記錄儀和英國(guó)Panny＆Giles Teletrend公司的無(wú)紙記錄儀。Teletrend公司的無(wú)紙記錄儀，具有l(wèi)44144mm標(biāo)準(zhǔn)尺寸，帶有與PC完全兼容的3.5英寸磁盤驅(qū)動(dòng)器，便于把表內(nèi)數(shù)據(jù)通過(guò)磁盤轉(zhuǎn)存或保存，它能存儲(chǔ)一天至640天的工作數(shù)據(jù)(與記錄間隔有關(guān))，具有四個(gè)通道棒狀圖、數(shù)字顯示和中程趨勢(shì)曲線顯示功能，通過(guò)軟件組態(tài)選擇記錄儀的工作方式

17、。它的最大特點(diǎn)是采用彩色示波管作為顯示器，因而具有彩色顯示功能[8]。 H＆B公司Datavis A無(wú)紙記錄儀，采用72144mm小型機(jī)殼，用分辨率為92200的單色液晶圖形屏作為顯示器，允許四個(gè)通遭標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸入，也具有棒狀圖顯示、數(shù)字顯示和歷史趨勢(shì)顯示三大功能。在德文、英文或法文提示下，完成組態(tài)及正常操作，具有標(biāo)準(zhǔn)的通信接口[9]。 智能記錄儀作為微處理機(jī)技術(shù)、超大容量存貯器和圖形液晶顯示技術(shù)相結(jié)合的新一代記錄儀．它具有非常明顯的特點(diǎn)：可靠性高，無(wú)需日常維護(hù)，功能多樣性，性能價(jià)格比高。智能記錄儀具有眾多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)引起廣大用戶極大注意，可以預(yù)測(cè)，在不久的將來(lái)，它將被廣大用戶所接受[10]。

18、 1.3 本課題完成的工作及研究?jī)?nèi)容 以Freescale高集成度三軸加速度傳感器MMA8453Q為傳感器，以TI公司低功耗處理MSP430F1611為控制核心，以Flash型存儲(chǔ)器K9F1G為大容量存儲(chǔ)設(shè)備的低功耗加速度信號(hào)記錄儀的軟硬件設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了對(duì)三維加速度信號(hào)的動(dòng)態(tài)采集，并將加速度信號(hào)以文件的形式存儲(chǔ)在存儲(chǔ)卡中, 便于上位機(jī)的讀取和進(jìn)一步分析。 本文闡述的內(nèi)容有以下幾個(gè)方面: 1）分析了加速度的測(cè)試環(huán)境，介紹了MEMS加速度計(jì)的記錄儀的功能要求和性能指標(biāo)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。 2）在總體方案的基礎(chǔ)上對(duì)加速度傳感器、控制器、存儲(chǔ)器進(jìn)行選型。 3）對(duì)系統(tǒng)硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，

19、包括信號(hào)的采集與存儲(chǔ)以及異步串行通信接口等幾個(gè)部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。 4）硬件電路設(shè)計(jì)與制作好后，需要對(duì)其進(jìn)行編程，以控制主控器對(duì)數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)的操作。 2 基于MEMS加速度計(jì)的記錄儀的總體設(shè)計(jì)方案 完整的測(cè)試系統(tǒng)是將信息采集、存儲(chǔ)以及信息讀取等功能完整的結(jié)合在一起的有機(jī)整體。設(shè)計(jì)一個(gè)完整的系統(tǒng)，首先要有總體的設(shè)計(jì)思路，要明確被測(cè)對(duì)象的特點(diǎn)，然后再根據(jù)測(cè)試對(duì)象的具體功能要求，設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的總體方案，其中包括總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與測(cè)試方案設(shè)計(jì)。 2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 控制單元 存儲(chǔ)單元 串行接口 MEMS加速度計(jì) I2C 時(shí)鐘單元

20、 計(jì)算機(jī) 電源模塊 圖2.1為基于MEMS加速度計(jì)的記錄儀的總體結(jié)構(gòu)框圖，系統(tǒng)依照功能可以分為加速度傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)模塊、通訊模塊以及電源管理模塊等部分。 圖2.1 記錄儀總體結(jié)構(gòu)框圖 2.2 系統(tǒng)芯片原理介紹 1） 傳感器 加速度傳感器是一種非常重要的檢測(cè)器件。在傳統(tǒng)的檢測(cè)系統(tǒng)中，加速度傳感器功能單一，輸出信號(hào)需要進(jìn)行放大、濾波等處理，因此對(duì)模擬電路設(shè)計(jì)有極高的要求。隨著近年來(lái)大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，加速度傳感器也逐漸向集成化、低功耗的方向發(fā)展[11]。 本系統(tǒng)采用MMA8453Q三軸電容式MEMS加速度傳感器。 其特

21、點(diǎn)[12]如下。 供電電壓范圍：1.95V～3.6V 接口電壓范圍：1.6V～3.6V 可供選擇的動(dòng)態(tài)量程：2g/4g/8g 數(shù)據(jù)輸出率：1.56Hz到800Hz 99μg/√Hz噪聲 10位和8位數(shù)字輸出 最高分辨率：10位有效數(shù)字<0.25分辨率 I2C數(shù)字輸出接口（4.7kΩ上拉至2.25MHz） 2個(gè)可編程中斷引腳，六個(gè)中斷源 內(nèi)置3通道運(yùn)動(dòng)檢測(cè)功能 –自由落體或運(yùn)動(dòng)檢測(cè)：1通道 –脈沖檢測(cè)：1通道 –震動(dòng)檢測(cè)：1通道 內(nèi)置帶有滯回補(bǔ)償?shù)姆较颍v向或橫向）檢測(cè)功能 自動(dòng)喚醒，自動(dòng)睡眠能自動(dòng)切換數(shù)據(jù)輸出率，以實(shí)現(xiàn)低功耗 自檢功能 符合RoHs標(biāo)準(zhǔn) 電流

22、消耗：6μA～165μA 工作溫度范圍：-40℃～+85℃ 其功能有： 8位或10位數(shù)據(jù) 基于應(yīng)用的四個(gè)不同的過(guò)采樣決議和電流消耗之間的妥協(xié)選項(xiàng)要求 額外的低噪音模式，獨(dú)立運(yùn)作的更高分辨率的過(guò)采樣模式 低功耗和自動(dòng)喚醒/睡眠保護(hù)電流消耗 單/雙向沖擊定向信息1通道 運(yùn)動(dòng)檢測(cè)與定向信息或自由落體1通道 瞬態(tài)/震動(dòng)檢測(cè)基于高通濾波器和可設(shè)置閾值的檢測(cè)加速度變化，上述閾值定向信息1通道 縱向/橫向檢測(cè)觸發(fā)點(diǎn)固定在30和60為平滑過(guò)渡的方向 其引腳分布如圖2.2所示。 圖2.2 MMA8453Q引腳圖 其原理框圖如圖2.3所示。 圖2.3 MMA8453Q原理框圖

23、 其功耗情況如表2.1所示。 表2.1 各模式功耗 2）主控器 單片機(jī)作為電路的核心部分，對(duì)整機(jī)性能有重要影響。經(jīng)過(guò)比較，美國(guó)TI公司的MSP430，一種采用了最新低功耗技術(shù)的單片機(jī)，集成了豐富的外圍模塊[15]，包括：看門狗(WDT)、定時(shí)器A(Timer-A)、定時(shí)器B(Timer-B)、比較器、串口0、1(USART0、1)、硬件乘法器、液晶驅(qū)動(dòng)器、8路10／12／14位ADC、端口、基本定時(shí)器(Basic Timer)，適合沖擊記錄儀的工作使用。 此處選用MSP430系列的MSP430F1611，其主要性能參數(shù)如下[13，14]。 它是混合信號(hào)微控制器，它具有低電壓、超低

24、功率、處理能力強(qiáng)大、系統(tǒng)工作穩(wěn)定、片內(nèi)外設(shè)豐富、方便開(kāi)發(fā)等優(yōu)點(diǎn)，并具有高性價(jià)比，采用64引腳四方扁平封裝（QFP），兩個(gè)內(nèi)置的16位定時(shí)器，一個(gè)快速12位A/D轉(zhuǎn)換器，雙12位D/A轉(zhuǎn)換器，一個(gè)或兩個(gè)通用串行同步/異步通信接口（USART），I2C，DMA和48個(gè)I/O引腳。 其特點(diǎn)如下。 低供電電壓范圍：1.8V～3.6V 超低功耗： –活動(dòng)模式：1MHz，2.2V時(shí)為280μA –等待模式：1.6μA –關(guān)閉模式（RAM 保持）：0.1μA 五種省電模式 6μs內(nèi)從等待狀態(tài)喚醒 16位精簡(jiǎn)指令結(jié)構(gòu)，125ns指令時(shí)間周期 三個(gè)內(nèi)部DMA通道 具有內(nèi)部參考電平、采樣保持

25、和自動(dòng)掃描特性的12位A/D轉(zhuǎn)換器 同步的雙12位D/A轉(zhuǎn)換器 帶有三個(gè)捕捉/比較寄存器的16位定時(shí)器A 帶有三個(gè)或七個(gè)捕捉/比較影子寄存器的16位定時(shí)器B 片內(nèi)集成比較器 串行通訊接口（USART1），具有異步UART或者同步SPI接口的功能 串行通訊接口（USART0），具有異步UART或者同步SPI或者I2C接口 具有可編程電平檢測(cè)的供電電壓管理器/監(jiān)視器 欠電壓檢測(cè)器 串行在線編程，無(wú)需外部編程電壓，可編程的安全熔絲代碼保護(hù) Bootstrap Loader 其方框圖如圖2.4所示。 圖2.4 MSP430FX161X方框圖 3）存儲(chǔ)模塊 存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)是

26、從七十年代開(kāi)始的一種新的彈上參數(shù)的測(cè)試方法。它是在對(duì)被測(cè)對(duì)象無(wú)影響或影響在允許范圍的條件下，在被測(cè)體內(nèi)置入微型數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)測(cè)試儀，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)完成信息的快速采集與記憶，事后回收記錄儀，由計(jì)算機(jī)處理和再現(xiàn)測(cè)試信息的一種動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)[15]。 Flash閃存是非易失存儲(chǔ)器，可以對(duì)稱為塊的存儲(chǔ)器單元塊進(jìn)行擦寫和再編程。任何Flash器件的寫入操作只能在空或已擦除的單元內(nèi)進(jìn)行，所以大多數(shù)情況下，在進(jìn)行寫入操作之前必須先執(zhí)行擦除。NAND器件執(zhí)行擦除操作是十分簡(jiǎn)單的，而NOR則要求在進(jìn)行擦除前先要將目標(biāo)塊內(nèi)所有的位都寫為0。 由于擦除NOR器件時(shí)是以64～128KB的塊進(jìn)行的，執(zhí)行一個(gè)寫入/擦除操作的

27、時(shí)間為5s，與此相反，擦除NAND器件是以8～32KB的塊進(jìn)行的，執(zhí)行相同的操作最多只需要4ms。 執(zhí)行擦除時(shí)塊尺寸的不同進(jìn)一步拉大了NOR和NADN之間的性能差距，統(tǒng)計(jì)表明，對(duì)于給定的一套寫入操作(尤其是更新小文件時(shí))，更多的擦除操作必須在基于NOR的單元中進(jìn)行。這樣，當(dāng)選擇存儲(chǔ)解決方案時(shí)，設(shè)計(jì)師必須權(quán)衡以下的各項(xiàng)因素。 NOR的讀速度比NAND稍快一些。 NAND的寫入速度比NOR快很多。 NOR的讀速度比NAND稍快一些。 NAND的4ms擦除速度遠(yuǎn)比NOR的5s快。 大多數(shù)寫入操作需要先進(jìn)行擦除操作。 NAND的擦除單元更小，相應(yīng)的擦除電路更少。 由于記錄儀所用存儲(chǔ)的

28、數(shù)據(jù)量較大，所以要外接存儲(chǔ)器件作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)用，本系統(tǒng)選用K9F1G08，它是128M8位/256M8位快閃記憶體。 其特點(diǎn)[16]如下。 電壓 –1.8V裝置（K9F1G08R0A）：1.65V～1.95V –3.3V裝置（K9F1G08U0A）：2.7V～3.6V 組織 –記憶細(xì)胞陣列：（128M+4096 K）位8位 –數(shù)據(jù)寄存器：（2K+64）位8位 –緩存寄存器：（2K+64）位8位 自動(dòng)編程和擦除 –頁(yè)的程序：（2K+64）字節(jié) –塊擦除：（128K+4 K）字節(jié) 頁(yè)面讀取操作 –頁(yè)的大?。?K-Byte –隨機(jī)閱讀：25μs（最大） –串行存?。?0n

29、s（最?。?3.3V裝置 50ns（最?。?1.8V裝置 快速寫周期時(shí)間 –編程時(shí)間：200μs（典型值） –塊擦除時(shí)間：2ms（典型值） 命令/地址/數(shù)據(jù)多路輸入/輸出端口 硬件數(shù)據(jù)保護(hù) –編程/擦除鎖定在電源轉(zhuǎn)換 可靠的MOS柵技術(shù) –耐力：100K的編程/擦除周期 –數(shù)據(jù)保留：10年 命令寄存器操作 高性能程序的緩存程序操作 智能拷回操作 獨(dú)特的著作權(quán)保護(hù) 其引腳圖如圖2.5所示。 圖2.5 K9F1G08引腳圖 其功能框圖如圖2.6所示。 圖2.6 K9F1G08功能框圖 4） 通訊模塊 此系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)的通信采用串口異步通

30、信，RS232協(xié)議的轉(zhuǎn)換電平。本系統(tǒng)采用MAX3232芯片實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與計(jì)算機(jī)接口的轉(zhuǎn)換。 圖2.7為異步串口的時(shí)序圖。 圖2.7 異步串口的時(shí)序圖 圖2.8是MSP430系列芯片硬件串口框圖。 圖2.8 MSP430系列芯片硬件串口框圖 在該框圖中，串口通訊由三部分組成：通訊速度的控制（數(shù)據(jù)位流的產(chǎn)生）、接收控制部分、發(fā)送控制部分。 波特率生成部分由時(shí)鐘輸入選擇與分頻、波特率發(fā)生器、調(diào)整器、波特率寄存器等組成。串行通信時(shí)，接收與發(fā)送以什么樣的速率將數(shù)據(jù)位收進(jìn)或送出，這個(gè)速率由波特率生成構(gòu)件控制。 圖2.9為其較為詳細(xì)的結(jié)構(gòu)。 圖2.9 MSP430系列芯片硬件串口詳

31、細(xì)框圖 整個(gè)模塊的時(shí)鐘源來(lái)自內(nèi)部的3時(shí)鐘或外部輸入時(shí)鐘，由SSEL1、SSEL0選擇，以決定最終進(jìn)入模塊的時(shí)鐘信號(hào)BRCLK的分頻。時(shí)鐘信號(hào)BRCLK送入一個(gè)15位的分頻器，通過(guò)一系列的硬件控制，最終輸出移出與移進(jìn)，兩移位寄存器使用的移位位時(shí)鐘BITCLK信號(hào)，BITCLK信號(hào)的產(chǎn)生如圖所示，是分頻器的作用。當(dāng)計(jì)數(shù)器減計(jì)數(shù)到“0”時(shí)，輸出觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，送給BITCLK信號(hào)。所以BITCLK信號(hào)周期的一半就是定時(shí)器（分頻計(jì)數(shù)器）的定時(shí)時(shí)間。 接收控制部分與發(fā)送控制部分分別由兩個(gè)移位寄存器構(gòu)成。接收時(shí)，當(dāng)接收到一個(gè)完整的數(shù)據(jù)，產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)（URXIFG0=1），表示接收到完整數(shù)據(jù)，可以將此數(shù)據(jù)取

32、走。而在發(fā)送時(shí)，當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)正在發(fā)送過(guò)程中，UTXIFG0=1，此時(shí)，不能再發(fā)送數(shù)據(jù)，必須等當(dāng)前數(shù)據(jù)發(fā)送完畢（UTXIFG0=0）時(shí)，方可繼續(xù)發(fā)送。 串口接收一般采用中斷方式，而發(fā)送數(shù)據(jù)則多采用主動(dòng)方式。 MAX3232采用專有低壓差發(fā)送器輸出級(jí)[17]，利用雙電荷泵在3.0V至5.5V電源供電時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)真正的RS-232性能，器件僅需四個(gè)0.1μF的外部小尺寸電荷泵電容。MAX3232確保在120kbps數(shù)據(jù)速率，同時(shí)保持RS-232輸出電平。MAX3232具有二路接收器和二路驅(qū)動(dòng)器，提供1μA關(guān)斷模式，有效降低功效并延遲便攜式產(chǎn)品的電池使用壽命。關(guān)斷模式下，接收器保持有效狀態(tài)，對(duì)外部設(shè)備

33、進(jìn)行監(jiān)測(cè)，僅消耗1μA電源電流，MAX3232的引腳、封裝和功能分別與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MAX242和MAX232兼容。即使工作在高數(shù)據(jù)速率下，MAX3232仍然能保持RS-232標(biāo)準(zhǔn)要求的正負(fù)5.0V最小發(fā)送器輸出電壓。 只要輸入電壓在3.0V至5.5V范圍以內(nèi)，即可提供+5.5V（倍壓電荷泵）和-5.5V（反相電荷泵）輸出電壓，電荷泵工作在非連續(xù)模式，一旦輸出電壓低于5.5V，將開(kāi)啟電荷泵；輸出電壓超過(guò)5.5V，即可關(guān)閉電荷泵，每個(gè)電荷泵需要一個(gè)飛容器和一個(gè)儲(chǔ)能電容，產(chǎn)生V+和V-的電壓。 MAX3232在最差工作條件下能夠保證120kbps的數(shù)據(jù)速率。通常情況下，能夠工作于235kbps數(shù)據(jù)

34、速率，發(fā)送器可并聯(lián)驅(qū)動(dòng)多個(gè)接收器和鼠標(biāo)。 其引腳圖如圖2.10所示。 圖2.10 MAX3232引腳圖 5)電源管理模塊 此系統(tǒng)選用LP2985對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行電源管理。LP2985具有的功能，使得穩(wěn)壓器為各種便攜式應(yīng)用的理想選擇。 其特點(diǎn)[18]如下。 輸出量： - 1％（一級(jí)） - 1.5％（標(biāo)準(zhǔn)級(jí)） 電壓范圍寬：最大能到16V。 過(guò)流和熱保護(hù)。 低壓差：一個(gè)PNP合格元件允許負(fù)載電流為150mA時(shí)的典型壓差為280mV，1 mA時(shí)為7mV。 低靜態(tài)電流：允許使用縱向PNP過(guò)程，大大低于那些與傳統(tǒng)的橫向PNP穩(wěn)壓器低靜態(tài)電流。 關(guān)閉：關(guān)閉功能是可用的，當(dāng)ON/

35、引腳被拉低允許穩(wěn)壓器僅消耗0.01μA。 低ESR電容：穩(wěn)壓器是穩(wěn)定的低ESR電容，允許使用小，價(jià)格低廉，陶瓷電容器，在成本敏感的應(yīng)用。 低噪聲：一個(gè)旁路引腳使用10nF的旁路電容允許低噪音操作，有30μV（RMS）的典型輸出噪聲。 小包裝：對(duì)于大多數(shù)的空間約束的需求，該穩(wěn)壓器在SOT-23封裝，以及的NanoStar晶圓芯片級(jí)封裝，提供了一個(gè)更小的熱尺寸和更好電氣特性。 NanoStar封裝技術(shù)采用包死，是IC封裝概念的重大突破。 其引腳封裝如圖2.11所示。 圖2.11 LP2985引腳封裝圖 其功能方框圖如圖2.12所示。 圖2.12 LP2958功能方框圖 其推

36、薦工作條件如表2.2。 表2.2 LP2985推薦工作條件表 MIN MAX UINT VIN 電源電壓 16 V VON/ VON/電壓 0 VIN V IOUT 輸出電流 150 mA TJ 虛擬交界處的溫度 -40 125 ℃

37、 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 通過(guò)硬件電路設(shè)計(jì)完成對(duì)MEMS加速度計(jì)對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行相關(guān)的采集與存儲(chǔ)。依據(jù)這樣的思想，本章對(duì)各個(gè)部分的電路進(jìn)行了詳細(xì)的分析和設(shè)計(jì)。 3.1 硬件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 硬件電路模塊是記錄儀的核心部件，如圖3.1所示由高頻晶振、單片機(jī)、電源管理模塊及異步串行通信接口電路組成。整個(gè)系統(tǒng)在控制器(單片機(jī))的作用下完成采集和存儲(chǔ)功能。當(dāng)系統(tǒng)采樣完畢，等待數(shù)據(jù)的讀出，通過(guò)計(jì)算機(jī)和異步串行通信接口，可以很方便的讀出數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理和顯示。 單片機(jī) 被測(cè)信號(hào) 傳感器 電 源 管 理 高頻晶振 復(fù)位電路 電池 RS232接口 計(jì)算機(jī) 圖3.

38、1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖 系統(tǒng)的工作原理為：加速度記錄儀上電后進(jìn)入采樣存儲(chǔ)狀態(tài)，通過(guò)I2C串口將采集的加速度信息存儲(chǔ)至FLASH中。當(dāng)存儲(chǔ)滿后，進(jìn)入待讀數(shù)狀態(tài)。計(jì)算機(jī)可以通過(guò)RS232串口完成對(duì)記錄儀的讀數(shù)，并在上位機(jī)上完成數(shù)據(jù)的后續(xù)處理與分析。圖3.2為加速度記錄儀的狀態(tài)流程圖。 讀數(shù) 計(jì)滿 待讀數(shù)狀態(tài) 采 集 存 儲(chǔ) 態(tài) 接通電源 低功耗 態(tài) 圖3.2 系統(tǒng)原理圖 3.2 加速度信號(hào)的采集 本設(shè)計(jì)選用了Freescale高集成度三軸加速度傳感器MMA8453Q。 它是一款具有14位分辨率的智能低功耗、三軸、電容式微機(jī)械加速度傳感器，具有豐富的嵌入式功能

39、，帶有靈活的用戶可編程選項(xiàng)，可以配置多達(dá)兩個(gè)中斷引腳。嵌入式中斷功能可以節(jié)省整體功耗，解除主處理器不斷輪詢數(shù)據(jù)的負(fù)擔(dān)。同時(shí)具備訪問(wèn)低通濾波數(shù)據(jù)和高通濾波數(shù)據(jù)的功能，可以將所需數(shù)據(jù)分析降至最低程度，從而實(shí)現(xiàn)晃動(dòng)監(jiān)測(cè)和快速的響應(yīng)。該器件可被配置成利用任意組合可配置嵌入式的功能生成慣性喚醒中斷信號(hào)，這就使MMA8453Q在監(jiān)控事件時(shí)，在靜止?fàn)顟B(tài)保持低功耗模式[19]。綜上所述，它完全適應(yīng)于便攜式節(jié)能產(chǎn)品的檢測(cè)。 加速度信號(hào)采集電路如圖3.3所示。 圖3.3 信號(hào)采集電路 其中R1、R2為上拉電阻，其值是查芯片資料所得。C6、C7、C8起到濾波的作用，其值是查芯片資料所得。 3.2.1

40、I2C總線介紹 單片機(jī)與加速度計(jì)之間的通信是通過(guò)I2C方式。 I2C總線工作原理如下。 I2C總線是由數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘SCL構(gòu)成的串行總線，可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。I2C總線上傳送的數(shù)據(jù)信號(hào)是廣義的，既包括地址信號(hào)，又包括真正的數(shù)據(jù)信號(hào)。在CPU與被控IC之間、IC與IC之間進(jìn)行雙向傳送，最高傳送速率100kbps。各種被控制電路均并聯(lián)在這條總線上，但就像電話機(jī)一樣只有撥通各自的號(hào)碼才能工作，所以每個(gè)電路和模塊都有唯一的地址，在信息的傳輸過(guò)程中，I2C總線上并接的每一模塊電路既是主控器（或被控器），又是發(fā)送器（或接收器），這取決于它所要完成的功能。CPU發(fā)出的控制信號(hào)分為地址

41、碼和控制量?jī)刹糠郑刂反a用來(lái)選址，即接通需要控制的電路，確定控制的種類；控制量決定該調(diào)整的類別（如對(duì)比度、亮度等）及需要調(diào)整的量。這樣，各控制電路雖然掛在同一條總線上，卻彼此獨(dú)立，互不相關(guān)。 　　I2C總線在傳送數(shù)據(jù)過(guò)程中共有三種類型信號(hào)，它們分別是：開(kāi)始信號(hào)、結(jié)束信號(hào)和應(yīng)答信號(hào)。 　　開(kāi)始信號(hào)：SCL為高電平時(shí)，SDA由高電平向低電平跳變，開(kāi)始傳送數(shù)據(jù)。 　　結(jié)束信號(hào)：SCL為高電平時(shí)，SDA由低電平向高電平跳變，結(jié)束傳送數(shù)據(jù)。 應(yīng)答信號(hào)：接收數(shù)據(jù)的IC在接收到8bit數(shù)據(jù)后，向發(fā)送數(shù)據(jù)的IC發(fā)出特定的低電平脈沖，表示已收到數(shù)據(jù)。CPU向受控單元發(fā)出一個(gè)信號(hào)后，等待受控單元發(fā)

42、出一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，CPU接收到應(yīng)答信號(hào)后，根據(jù)實(shí)際情況作出是否繼續(xù)傳遞信號(hào)的判斷。若未收到應(yīng)答信號(hào)，由判斷為受控單元出現(xiàn)故障。這些信號(hào)中，起始信號(hào)是必需的，結(jié)束信號(hào)和應(yīng)答信號(hào)，都可以不要。 MMA8453Q的I2C時(shí)序圖如圖3.4所示。 圖3.4 MMA8453Q I2C時(shí)序圖 3.3 電源管理模塊 隨著芯片集成化、模塊化的發(fā)展，電源控制技術(shù)也得到足夠的重視。對(duì)于系統(tǒng)各部分單獨(dú)供電的管理，為系統(tǒng)低功耗的實(shí)現(xiàn)提供了保障。當(dāng)采用電源分支管理時(shí)，可以消除無(wú)效損耗，達(dá)到節(jié)省功耗的目的。 設(shè)計(jì)時(shí)選用電源管理減少了不必要的電流消耗。其具體實(shí)現(xiàn)方法為：將外部高頻晶振以及單片機(jī)組采用獨(dú)立供電的方

43、式，對(duì)于各個(gè)模塊在不同狀態(tài)下是否需要工作的狀況，選用通過(guò)單片機(jī)控制各獨(dú)立電源的打開(kāi)與關(guān)閉，為其提供電源或者切除電源，從而達(dá)到省電的目的。例如：外圍高頻晶振在剛接通電源時(shí)不需要工作，通過(guò)電源管理就可以關(guān)閉其供電電源VCC，當(dāng)采集存儲(chǔ)時(shí)打開(kāi)，從而避免不必要的電量損耗。 由于系統(tǒng)追求小體積、低功耗，因此對(duì)于所用芯片的封裝和功耗都有著嚴(yán)格的要求，在滿足功能的前提條件下，電源管理芯片的小體積可以減少其在電路板中的占有空間，因此本系統(tǒng)選用了LP2985。如圖3.5所示為其基本應(yīng)用圖。 圖3.5 LP2985基本應(yīng)用電路 LP2985在系統(tǒng)中的連接如下圖3.6所示，采用7.4V電池給LP2985供

44、電，使能端ON/ 控制輸出VOUT，當(dāng)S1閉合時(shí)，LP2985處于工作狀態(tài)，一直輸出電壓VCC，VCC是單片機(jī)組及外部高頻晶振的電源。旁路電容C12起到降低噪聲的作用。C13起到濾波作用，提高其穩(wěn)定性。 圖3.6 LP2985連接圖 3.4 復(fù)位電路 上電復(fù)位電路如圖3.7所示，此處是低電平復(fù)位，在復(fù)位輸入引腳上接一電阻至VCC端，下接一個(gè)電容到地即可。上電復(fù)位的工作過(guò)程是：在上電時(shí)，復(fù)位電路給端一個(gè)短暫的低電平信號(hào)，此低電平信號(hào)隨著VCC對(duì)電容的充電過(guò)程而逐漸上升。系統(tǒng)上電后電容兩端的電壓為0V，單片機(jī)復(fù)位。C不斷充電，隨著時(shí)間增加C兩端的電壓也變大，到達(dá)高電平后單片機(jī)復(fù)位完成，

45、執(zhí)行用戶程序 。此處R4為100k，C11為0.1μF，能滿足要求。 圖3.7復(fù)位電路 3.5 外圍晶振選擇 時(shí)鐘作為電路的“心臟”，是系統(tǒng)重要的組成部分。此系統(tǒng)在采集信號(hào)時(shí)采用外部8MHz晶振給系統(tǒng)提供工作時(shí)鐘，為此電路外圍晶振選用了Epson公司的芯片SG350SCF-8M[20]。 選用的時(shí)鐘芯片性能要穩(wěn)定，并且電流消耗盡可能的小，而電流的消耗一般與供電的范圍有關(guān)，SG350SCF-8M的供電范圍為2.7V～3.6V，可以適用于上面選擇的電源管理輸出的3.3V，并且溫度范圍廣。其有一個(gè)使能端ST，只有ST有效時(shí)，晶振才會(huì)輸出8M的時(shí)鐘。本設(shè)計(jì)中，ST端與VCC端直接相連，當(dāng)

46、系統(tǒng)上電時(shí)， ST端為高電平，OUT端就會(huì)輸出8M的時(shí)鐘供給系統(tǒng)電路。如圖3.8所示，為其連接電路。 圖3.8 SG350SCF-8M連接圖 3.6 存儲(chǔ)模塊 圖3.9存儲(chǔ)模塊 由于K9FIG08的命令，地址，數(shù)據(jù)共用8條IO線，只通過(guò)ALE和CLE兩根控制線來(lái)指示當(dāng)前IO線上的操作類型，因此，MSP430F1611與K9FlG08的接口連接比較簡(jiǎn)單。設(shè)計(jì)中A7連接Flash的命令鎖存使能端（CLE），P1.1連接Flash的地址鎖存使能端（ALE），A6與Flash的片選（）相連，它在整個(gè)Flash訪問(wèn)期間必須有效，A4與Flash的R/端相連，通過(guò)讀取該信號(hào)的狀態(tài)，判斷F

47、lash是處于擦除，編程或隨機(jī)讀操作的忙狀態(tài)。Flash還帶有一個(gè)寫保護(hù)（）端，用來(lái)防止Flash被意外的編程和擦除。 3.7 異步串行通信模塊的設(shè)計(jì) 3.7.1 異步串行通信介紹 電子工業(yè)協(xié)會(huì)(EIA，Electronic Industry Association)推薦的RS-232標(biāo)準(zhǔn)，是一種常用的串行數(shù)據(jù)傳輸總線標(biāo)準(zhǔn)。UART(通用異步收發(fā)器/串口/RS-232)，早期它被應(yīng)用于計(jì)算機(jī)與終端通過(guò)電話線和MODEM進(jìn)行遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸，隨著計(jì)算機(jī)和微控制器的發(fā)展，近距離也采用該通信方式。目前UART是PC機(jī)與電子通信中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口，RS-232被定義為一種在低速率串行

48、通信中增加通信距離的單端標(biāo)準(zhǔn)。 串行通信是指將構(gòu)成字符的每個(gè)二進(jìn)制數(shù)據(jù)位，依據(jù)一定的順序逐位進(jìn)行傳送的通信方法。在串行通信中，有兩種基本的通信方式：異步通信和同步通信。 異步通信數(shù)據(jù)幀的第一位是開(kāi)始位，在通信線上沒(méi)有數(shù)據(jù)傳送時(shí)處于邏輯“1”狀態(tài)。當(dāng)發(fā)送設(shè)備要發(fā)送一個(gè)字符數(shù)據(jù)時(shí)，首先發(fā)出一個(gè)邏輯“0”信號(hào)，這個(gè)邏輯低電平就是起始位。起始位通過(guò)通信線傳向接收設(shè)備，當(dāng)接收設(shè)備檢測(cè)到這個(gè)邏輯低電平后，就開(kāi)始準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)位信號(hào)。因此，起始位所起的作用就是表示字符傳送開(kāi)始。 當(dāng)接收設(shè)備收到起始位后，緊接著就會(huì)收到數(shù)據(jù)位。數(shù)據(jù)位的個(gè)數(shù)可以是5，6，7或8位的數(shù)據(jù)。在字符數(shù)據(jù)傳送過(guò)程中，數(shù)據(jù)位從最低位開(kāi)

49、始傳輸。數(shù)據(jù)發(fā)送完之后，可以發(fā)送奇偶校驗(yàn)位。奇偶校驗(yàn)位用于有限差錯(cuò)檢測(cè)，通信雙方在通信時(shí)需約定一致的奇偶校驗(yàn)方式。就數(shù)據(jù)傳送而言，奇偶校驗(yàn)位是冗余位，但它表示數(shù)據(jù)的一種性質(zhì)，這種性質(zhì)用于檢錯(cuò)，雖有限但很容易實(shí)現(xiàn)。在奇偶位或數(shù)據(jù)位之后發(fā)送的是停止位，可以是1位、1.5位或2位。停止位是一個(gè)字符數(shù)據(jù)的結(jié)束標(biāo)志。 3.7.2 通信接口電路 本系統(tǒng)通信接口電路圖如圖3.9所示。 圖3.9 異步串行通信接口 其中在管腳C1+、C1-、C2+、C2-、V+和V-處分別放置0.1μF 的電容實(shí)現(xiàn)充電作用，以滿足相應(yīng)的充電泵的要求。管腳T1OUT、T1lN、R1OUT和R1lN分別是RS232轉(zhuǎn)

50、換的輸入與輸出腳，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的TTL電平與上位機(jī)的接口電平的轉(zhuǎn)換。為減小輸入端受到的干擾，還需在芯片的電源輸入管腳處加一個(gè)0.1μF的電容來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波。 如圖3.10為RS232協(xié)議的9芯接口。 圖3.10 RS232協(xié)議的9芯接口 9芯接口定義如表3.1所示。 表3.1 9芯接口定義表 引腳 縮寫符 ITU-T DCE方向 說(shuō)明 1 DCO 109 輸出 接收線信號(hào)檢測(cè) 2 RXD 104 輸出 接收數(shù)據(jù) 3 TXD 103 輸入 發(fā)送數(shù)據(jù) 4 DTR 108 輸入 數(shù)據(jù)終端就緒 5 GND 102 信號(hào)線 6

51、DSR 107 輸出 數(shù)據(jù)裝置就緒 7 RTS 105 輸入 請(qǐng)求發(fā)送 8 CTS 106 輸出 清除請(qǐng)求 9 RI 125 輸出 振鈴提示 3.8 電路圖 加速度記錄儀的原理圖與PCB圖如附錄A、附錄B。 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試問(wèn)題分析 4.1 應(yīng)用開(kāi)發(fā)軟件概述 IAR Embedded Workbench for MSP430支持MSP430、MSP430X系列，能產(chǎn)生非常緊湊、高效的代碼。標(biāo)準(zhǔn)版包含各種硬件調(diào)試系統(tǒng)、RTOS的插件。IAR嵌入式工作平臺(tái)Embedded Workbench為開(kāi)發(fā)不同的MSP430目

52、標(biāo)處理器項(xiàng)目提供了強(qiáng)有力的開(kāi)發(fā)環(huán)境，并為每一種目標(biāo)處理器提供工具選擇。因此Workbench為開(kāi)發(fā)和管理MSP430嵌入式應(yīng)用程序提供了極大便利。 IAR Embedded Workbench工具的關(guān)鍵組成[21]：帶項(xiàng)目管理器和編輯器的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境；高度優(yōu)化的MSP430 C/C++編譯器；集成所有MSP430芯片包括MSP430X的配置文件；帶完整源代碼的Run-time庫(kù)；MSP430匯編器；鏈接器和庫(kù)工具；帶MSP430模擬器和RTOS內(nèi)核識(shí)別調(diào)試插件的C-SPY調(diào)試器；MSP430代碼例程；用戶參考手冊(cè)，印刷版以及PDF電子版；用戶參考手冊(cè)，印刷版以及PDF電子版；在線幫助。 本

53、系統(tǒng)在開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)選用了IAR Embedded Workbench for MSP430 V4.10E版本，其內(nèi)部包含了MSP430系列的所有產(chǎn)品型號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)JTAG與USB的在線仿真。 4.2 軟件設(shè)計(jì) 基于MEMS加速度計(jì)的記錄儀以TI公司低功耗、高性能MSP430微處理器為核心部分，實(shí)現(xiàn)對(duì)加速度的采集、存儲(chǔ)，以及將所測(cè)數(shù)據(jù)提交給計(jì)算機(jī)的。其工作的過(guò)程是通過(guò)單片機(jī)內(nèi)的程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的，主要有以下幾部分： 1)實(shí)現(xiàn)定時(shí) 此部分程序的功能：根據(jù)系統(tǒng)功能要求的不同，在不同的程序段作不同的定時(shí)。 2)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集 此部分程序的功能：控制MEMS加速度計(jì)MMA8453Q，實(shí)現(xiàn)對(duì)加速度信

54、號(hào)的采集。 3)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ) 此部分程序的功能：將采集到的數(shù)據(jù)存入外接的存儲(chǔ)器，以備后期的處理和分析。 4)異步串行通訊中單片機(jī)部分(下位機(jī))的實(shí)現(xiàn) 此部分程序的功能：?jiǎn)纹瑱C(jī)通過(guò)異步串行通訊電路實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)之間的通信，并完成上位機(jī)發(fā)送的發(fā)送數(shù)據(jù)或者電路編程的命令。 4.3 單片機(jī)的程序設(shè)計(jì) 1. 系統(tǒng)主流程圖 開(kāi)始 關(guān)閉看門狗 系統(tǒng)初始化 向存儲(chǔ)器寫入數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)寫入完畢 進(jìn)入低功耗模式 Y N 讀取采集的數(shù)據(jù) 圖4.1 系統(tǒng)主流程圖 2. 數(shù)據(jù)采集 1) 數(shù)據(jù)采集流程圖如圖4.2所示。 開(kāi)始 配置加速度計(jì) 加速度計(jì)清零 開(kāi)啟加速度計(jì)

55、，開(kāi)始采集數(shù)據(jù) 讀取加速度計(jì)中的值 將數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器 圖4.2 數(shù)據(jù)采集流程圖 2） 數(shù)據(jù)采集的部分程序。 --------------通過(guò)I2C對(duì)加速度計(jì)進(jìn)行配置--------------- STPW1 BIT.B #UCTXSTP，&UCB0CTL1 ；判斷UCTXSTP是否為0，是的則開(kāi)始通信，否則等待清零 JC STPW1 BIS.B #UCTR+UCTXSTT，&UCB0CTL1 ；開(kāi)始寫 MOV.B #0EH，&UCB0TXBUF ；往加速度計(jì)寄存器0EH寫入00H SH11 BIT.B #UCB

56、0TXIFG，&IFG2 ；等待發(fā)送完畢 JNC SH11 MOV.B #00H，&UCB0TXBUF ；設(shè)定量程為2g SH12 BIT.B #UCB0TXIFG，&IFG2 ；等待發(fā)送完畢 JNC SH12 BIS.B #UCTXSTP，&UCB0CTL1 ；寫結(jié)束 BIC.B #UCB0TXIFG，&IFG2 ；清除UCB0TXIFG中斷 NOP NOP STPW3 BIT.B #UCTX

57、STP，&UCB0CTL1 ；判斷UCTXSTP是否為0，是的則開(kāi)始通信，否則等待清零 JC STPW3 BIS.B #UCTR+UCTXSTT，&UCB0CTL1 ；開(kāi)始寫 MOV.B #1DH，&UCB0TXBUF ；往加速度計(jì)寄存器1DH寫入10H SH31 BIT.B #UCB0TXIFG，&IFG2 ；等待發(fā)送完畢 JNC SH31 MOV.B #10H，&UCB0TXBUF ；事件標(biāo)志鎖存使能 SH32 BIT.B #UCB0TXIFG，&IFG2

58、 ；等待發(fā)送完畢 JNC SH32 BIS.B #UCTXSTP，&UCB0CTL1 ；寫結(jié)束 BIC.B #UCB0TXIFG，&IFG2 ；清除UCB0TXIFG中斷 NOP NOP STPW5 BIT.B #UCTXSTP，&UCB0CTL1 ；判斷UCTXSTP是否為0，是的則開(kāi)始通信，否則等待清零 JC STPW5 BIS.B #UCTR+UCTXSTT，&UCB0CTL1 ；開(kāi)始寫 MOV.B #14

59、H，&UCB0TXBUF ；往加速度計(jì)寄存器14H寫入84H SH51 BIT.B #UCB0TXIFG，&IFG2 ；等待發(fā)送完畢 JNC SH51 MOV.B #84H，&UCB0TXBUF ；Hysteresis14 SH52 BIT.B #UCB0TXIFG，&IFG2 ；等待發(fā)送完畢 JNC SH52 BIS.B #UCTXSTP，&UCB0CTL1 ；寫結(jié)束 BIC.B #UCB0TXIFG，&IFG2 ；清除UCB0TXIFG中斷 N

60、OP NOP STPW6 BIT.B #UCTXSTP，&UCB0CTL1 ；判斷UCTXSTP是否為0，是的則開(kāi)始通信，否則等待清零 JC STPW6 BIS.B #UCTR+UCTXSTT，&UCB0CTL1 ；開(kāi)始寫 MOV.B #2BH，&UCB0TXBUF ；往加速度計(jì)寄存器2BH寫入03H SH61 BIT.B #UCB0TXIFG，&IFG2 ；等待發(fā)送完畢 JNC SH61 MOV.B #03H，&UCB0TXBUF ；設(shè)置低功耗模式 SH62

61、 BIT.B #UCB0TXIFG，&IFG2 ；等待發(fā)送完畢 JNC SH62 BIS.B #UCTXSTP，&UCB0CTL1 ；寫結(jié)束 BIC.B #UCB0TXIFG，&IFG2 ；清除UCB0TXIFG中斷 NOP NOP STPW8 BIT.B #UCTXSTP，&UCB0CTL1 ；判斷UCTXSTP是否為0，是的則開(kāi)始通信，否則等待清零 JC STPW8 BIS.B #UCTR+UCTXSTT，&UCB0CTL1 ；開(kāi)始寫 MOV.

62、B #12H，&UCB0TXBUF ；往加速度計(jì)寄存器12H寫入5EH SH81 BIT.B #UCB0TXIFG，&IFG2 ；等待發(fā)送完畢 JNC SH81 MOV.B #5EH，&UCB0TXBUF ；延時(shí)15S SH82 BIT.B #UCB0TXIFG，&IFG2 ；等待發(fā)送完畢 JNC SH82 BIS.B #UCTXSTP，&UCB0CTL1 ；寫結(jié)束 BIC.B #UCB0TXIFG，&IFG2 ；清除UCB0TXIFG中斷 NOP

63、 NOP STPW9 BIT.B #UCTXSTP，&UCB0CTL1 ；判斷UCTXSTP是否為0，是的則開(kāi)始通信，否則等待清零 JC STPW9 BIS.B #UCTR+UCTXSTT，&UCB0CTL1 ；開(kāi)始寫 MOV.B #2AH，&UCB0TXBUF ；往加速度計(jì)寄存器2AH寫入F0H SH91 BIT.B #UCB0TXIFG，&IFG2 ；等待發(fā)送完畢 JNC SH91 MOV.B #F0H，&UCB0TXBUF ；數(shù)據(jù)寄存器的設(shè)置 SH92 BIT.B #

64、UCB0TXIFG，&IFG2 ；等待發(fā)送完畢 JNC SH92 BIS.B #UCTXSTP，&UCB0CTL1 ；寫結(jié)束 BIC.B #UCB0TXIFG，&IFG2 ；清除UCB0TXIFG中斷 NOP NOP 3. 數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 1）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)流程圖如圖4.3所示。 開(kāi)始 寫入80h 寫地址 寫數(shù)據(jù) 寫入10h 讀寄存器狀態(tài) R/=1? NO Yes 程序結(jié)束 圖4.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)流程圖 2) 存儲(chǔ)器擦除流程圖如圖4.4所示。 開(kāi)始 寫入60h 寫入塊地址 寫入D0h 讀寄

65、存器狀態(tài) R/=1? NO Yes 擦除結(jié)束 圖4.4 擦除流程圖 3) 讀取存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)流程圖如圖4.5所示。 開(kāi)始 寫00h 寫入地址 寫入30h 讀數(shù)據(jù) 確定ECC NO Yes 一頁(yè)讀完 回收錯(cuò)誤 圖4.5 讀數(shù)流程圖 4）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分程序。 #define WPn_C (P1OUT&=~BIT1) //Flash寫保護(hù) 低有效 #define WPn_S (P1OUT|= BIT1) #define WEn_M_C (P1OUT&=~BIT2) #define WEN_M_S (P1OUT|= BIT2) #d

66、efine ALE_M_C (P1OUT&=~BIT3) //Flash地址命令 使能 #define ALE_M_S (P1OUT|= BIT3) #define CLE_M_C (P6OUT&=~BIT4) //Flash命令 使能 #define CLE_M_S (P6OUT|= BIT4) #define CE_M_C (P6OUT&=~BIT5) #define CE_M_S (P6OUT|= BIT5) #define REn_M_C (P6OUT&=~BIT6) #define REn_M_S (P6OUT|= BIT6) #define R/B_M_C (P6OUT&=~BIT7) #define R/B_M_S (P6OUT|= BIT7) void ERE_TF(void) //擦除整個(gè)存儲(chǔ)器 ERASE Total Fla