MEMS加速度傳感器標定測試采集系統的設計

于春華 ，石云波 ，趙 赟 ，李 祥

（1.中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原 030051；2.蘇州中盛納米科技有限公司，蘇州 215123）

MEMS加速度傳感器由于其成本低、體積小、功耗低等優點被廣泛應用到多種振動檢測系統與慣性導航系統中。作為對現實環境中各種信息進行采集、傳輸、轉換和處理的關鍵器件，為系統提供能夠識別并進行處理的最原始數據。加速度傳感器的靜動態特性直接影響其使用性能。傳統的MEMS加速度傳感器標定測試系統操作復雜，所需儀器繁多，且功能單一，不但效率低，而且標定的精確度也不高，后續的數據處理也較為繁瑣，直接影響了傳感器的廣泛應用。因此如何進行批量測試標定成為首要解決的問題。

針對這種需求，本文設計了一套采用計算機控制的批量測試自動標定采集系統。利用網線連接數據采集卡與計算機，能同時采集與處理20個加速度傳感器的數據，并具有自動校驗以及實時顯示波形的功能[1]。與傳統的標定系統相比，批量測試標定系統具有操作簡單，處理能力強，使用靈活，效率高等優勢。利用C++強大的人機互動以及簡潔的語言來編寫標定采集系統的控制程序。

1 標定系統的組成

加速度傳感器標定測試采集系統的組成如圖1所示，系統主要由2部分組成：傳感器測試節點和傳感器輸出信號采集與分析端。

傳感器測試節點構成了測試系統的下位機模塊，輸出信號采集與分析端作為系統的上位機模塊[2]。其中傳感器測試節點包括電源模塊、外接傳感器接口模塊、數據中轉模塊、以太網收發模塊。傳感器輸出信號采集與分析端包括以太網收發模塊和網線通信模塊。

圖1 加速度傳感器標定測試系統組成框圖Fig.1 Block diagram of the accelerationsensor calibration test system

2 硬件系統組成

2.1 系統組成及工作原理

依據課題需求，標定測試采集系統需要同時并行采集20路傳感器的信號，其原理框圖如圖2所示。

圖2 加速度傳感器標定測試系統硬件組成原理框圖Fig.2 Block diagram of acceleration sensor calibration test system of hardware components

每路信號進入跟隨運放前先進行低通濾波，然后進入模擬開關，之后再分壓跟隨后進入A/D轉換器，由FPGA控制模擬開關進行通道切換并控制A/D轉換器進行數據的轉換，最后將轉換后的數據通過以太網接口芯片W5300上傳至計算機。通過ACDC產生系統所需的5 V直流電源，再由線性電源產生FPGA所需的電源。

2.2 以太網接口設計模塊

以太網接口模塊芯片選取W5300，采用UDP通訊協議，特別適用于大流量的數據傳輸[3]。CR4、C161、C162構成并行諧振晶體，提供給內部振蕩器25 MHz的時鐘信號，用于W5300內核的工作時鐘。RXIP（IN）、TXOP（ON）的介質接口 RJ45 的網口連接，形成以太網傳輸接收數據的模塊。電阻R31、R32、R247、R248以及電容 C29、C153能夠阻抗匹配。 2 個獨立分開的PRO作為PHY與RJ45之間的隔離變壓器，能夠進行波形的修復、增強信號，使得計算機可以與實驗設備之間的傳輸距離更遠，芯片與外部隔離，使得其抗干擾能力增強。電壓穩壓器為所有的3.3 V、1.8 V電壓的引腳和內部電源供電。電路圖如圖3所示。

圖3 以太網接口設計模塊電路Fig.3 Ethernet interface module diagram

2.3 外接傳感器接口模塊

在采集卡電路中設計20個接口電路完成對20個傳感器的數據采集。

其中運放采用AD8608，該運放單電源供電簡單、可靠性高，可以實現軌到軌的跟隨；它的傳輸速度滿足輸入信號要求，可以與后續的模擬開關速度及阻抗匹配；容性負載驅動能力強，避免出現信號振蕩[4]。輸入信號端的輸入電平為0～5 V，上電工作時輸入阻抗Rin≥2 MΩ。輸入端阻值為3 MΩ的電阻保證了輸入信號開路。

2.4 電源模塊

電源模塊具有2種形式的輸出電壓：一種是單輸入單輸出的2.5 V電源，一種是單輸入雙輸出的3.3 V、1.2 V電源。單輸入單輸出的模塊采用低壓差的線性穩壓芯片AMS1117將輸入的外接5 V直流電壓穩定為2.5 V。為了增強電路的穩定性[5]，設計中增加了濾波電容。單輸入雙輸出的模塊利用的TPS70345電壓調節器外接5 V直流電壓，提供給電路非常低的壓差電壓和輸出電源的順序控制，輸入信號在SEQ終端處控制上電順序，用來輸出3.3 V、1.2 V電壓。

3 系統軟件設計

上位機軟件采用Visual Studio+QT的開發平臺，運用C++語言編譯程序，依據UDP/IP網絡通訊協議，通過網線與采集卡進行通信。如圖4所示為上位機軟件的人機界面。可以實現多通道連續采集、參數設置、數據存儲、實時顯示波形以及同時反映20個傳感器電壓信號的功能。

圖4 上位機軟件人機界面Fig.4 Upper computer software interface

在保證計算機的IP地址與采集卡的IP地址一致后，對上位機自身配置模塊的IP地址、端口號進行設置，確認監聽成功，設定不同實驗條件的標定系數。

點擊接收，系統將按照指定的參數采集數據，上位機能同時校驗數據的完整度以及實時地顯示波形，在接收數據的過程中，可以改變顯示波形的通道，實現并行檢測的功能。

采集結束后，將校驗正確的數據保存到指定的文件中。軟件還具有對已經存儲數據的事后畫圖功能。上位機軟件流程圖如圖5所示。

圖5 上位機軟件流程圖Fig.5 Upper computer software flowchart

4 實驗測試結果

系統在頻率1 kHz，10 g加速度的定頻正弦振動實驗中[6]，采集到的其中一個傳感器的實時信號如圖6所示。可以看出波形的繪制較為完善，采樣數據精度達到0.5 V，與示波器輸出波形無異，但與傳統標定設備相比效率提高了10倍。

圖6 系統實際采集的信號Fig.6 Actual acquisition of the signal

5 結語

該標定測試系統利用以太網的采集方式取代以往的USB通信采集模式，并且能夠同時并行標定20個傳感器，極大地提高了采集效率和數據量，解決了傳統模式下數據擁堵導致的丟失問題，硬件模塊采用W5300作為網絡通信采集系統的控制中心，充分利用芯片內部本身的功能，從而簡化了外部電路；軟件上采用C++編程語言，提高了系統的軟件可視化效果，能夠很好地實現人機交互，方便用戶操作，具有很高的實際應用價值。

[1] 邵憲輝.多路加速度傳感器測試系統設計[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2010.

[2] 徐宜，趙玉龍，唐秀萍.加速度傳感器靜態標定數據無線采集系統的設計[J].儀表技術與傳感器，2011（2）：38-44.

[3] 曹書華.基于千兆以太網的雷達數據高速采集與傳輸技術[D].南京：南京信息工程大學，2008.

[4] 張哲.嵌入式平臺數據采集傳輸技術研究與實現[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2011.

[5] 李廣才，徐曉燕.加速度傳感器動態特性虛擬標定系統設計[J].傳感器與微系統，2006，25（11）：44-48.

[6] 陳傳俊，陳志高.基于振動臺的加速度傳感器靈敏度的標定[J].大地測量與地球力學，2013，33（z1）：168-171. ■