加速度傳感器快速檢測裝置的開發(fā)

薛喜紅，宋建鋒，梁曉敏

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車與交通學(xué)院，天津 300222）

汽車安全性能是衡量汽車品質(zhì)的重要指標(biāo)，實車碰撞試驗是綜合評價汽車安全性能最有效的方法。在試驗過程中，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（大量的加速度傳感器、數(shù)臺高速攝像機以及假人系統(tǒng)）采集數(shù)據(jù)最終得出碰撞曲線和數(shù)據(jù)，用于評價車輛被動安全性[1]。由于該試驗是破壞性試驗，試驗后許多加速度傳感器可能發(fā)生損壞，為保證試驗數(shù)據(jù)可靠，在試驗前須對反復(fù)使用的傳感器進行篩選，并對測試設(shè)備進行標(biāo)定。目前，加速度傳感器的篩選檢測主要依靠手工測量，費工、費力、效率低下，研發(fā)一款可快速判斷加速度傳感器有效性的裝置對提高工作效率具有重要意義[2]。目前汽車碰撞用加速度傳感器的檢測校準(zhǔn)方法主要有以下幾種：激振臺掃頻法、單次沖擊峰值比對法、多點沖擊比對法等[3]。上述方法均需要外部儀器設(shè)備輔助校準(zhǔn)，成本較高，并且需要在動態(tài)情況下進行，而很少有儀器可以驗證傳感器的有效性。本文針對目前檢測方法的不足，開發(fā)了無需大型儀器輔助即可靜態(tài)檢測加速度傳感器有效性的裝置。

1 特性參數(shù)選取與測量方案

1.1 加速度傳感器分析

常見的加速度傳感器包括：電容式、電感式、壓阻式、壓電式、應(yīng)變式等。其中壓阻式加速度傳感器體積小、功耗低，適于微型化；線性度好、適于動態(tài)測量；無活動部件，適用于振動、沖擊、強干擾等環(huán)境。因此，該傳感器廣泛應(yīng)用于汽車碰撞試驗、設(shè)備振動監(jiān)測等領(lǐng)域[4]。常用的汽車碰撞試驗加速度傳感器有美泰MPA1064、Endevco-7264c-model、TE-model-64 等型號。

1.2 壓阻式傳感器的構(gòu)造與工作原理

壓阻效應(yīng)是指當(dāng)應(yīng)力作用在半導(dǎo)體上，導(dǎo)致其內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而電阻率變化相應(yīng)阻值也隨之變化的現(xiàn)象[5]。壓阻式傳感器主要由彈性梁、質(zhì)量塊、固定框組成。當(dāng)加速度作用于懸臂梁自由端的質(zhì)量塊上時，電阻變化與加速度變化成正比，使電橋失去平衡，測量輸出電壓的變化量即可知測量的加速度值[6]，但由于電阻的變化很小，使得電阻計很難直接測量，惠斯通電橋電路可將變化的電阻值表示為電壓或電流值，再進入放大電路進行測量。

1.3 靜態(tài)特性參數(shù)的選取

動態(tài)特性和靜態(tài)特性是傳感器的基本特性。其中，動態(tài)特性指傳感器工作時輸入變化所表現(xiàn)的輸出性質(zhì)，如頻域特性性能指標(biāo)和時域單位階躍響應(yīng)特性。靜態(tài)特性為傳感器自身具有的性質(zhì)，分為靜態(tài)帶電與靜態(tài)不帶電特性。靜態(tài)帶電特性是指傳感器上電后輸入為恒定信號，反映系統(tǒng)的輸出與輸入的關(guān)系，主要有線性度、靈敏度、遲滯性、重復(fù)性、漂移、靜態(tài)電壓等[7]。靜態(tài)不帶電特性主要有外輪廓、電阻等。

由于所研究的加速度傳感器用于汽車碰撞試驗，其接收信號多為高g 值的沖擊信號，持續(xù)時間短，強度大，但在無沖擊的情況下傳感器不會產(chǎn)生信號輸出，故優(yōu)先考慮靜態(tài)參數(shù)。分析其內(nèi)部工作電路為惠斯通全橋電路，靜態(tài)帶電時，兩橋臂之間的電壓值固定，具有穩(wěn)定的線性特性，且在傳感器正常工作和失靈時數(shù)值不同，故選用橋臂之間的靜態(tài)電壓為測試參數(shù)。又由于該電路有對臂電阻值發(fā)生相同變化時其端電壓值可能不變的特性，這時僅檢測靜態(tài)電壓并不能準(zhǔn)確地判斷傳感器的好壞。因此，增加測量所有橋臂電阻值可確保測量的可靠性[8]。僅檢測靜態(tài)電壓和電阻，便可準(zhǔn)確判定傳感器的有效性，從而不選取靈敏度、線性度、遲滯性等性能參數(shù)作為本次檢測的判定依據(jù)。

1.4 測量方案

1.4.1 靜態(tài)電壓值的測量

當(dāng)加速度傳感器處于靜態(tài)帶電狀態(tài)時，其對應(yīng)的4 個橋臂上的壓敏電阻相當(dāng)于4 個阻值相等的定值電阻，其B、D 兩點間的電壓值UBD可測并為定值，當(dāng)其中某一個或幾個電阻損壞或阻值不同于正常值時，UBD將會變化。基于此，先求得并設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)靜態(tài)電壓值范圍UBD，再使用單片機內(nèi)部的ADC 電壓采集模塊采集實際靜態(tài)電壓U’BD，將二者進行比較，若實際電壓值U’BD在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，則判定傳感器有效，反之無效[9]。靜態(tài)電壓測量示意圖如圖1所示。

圖1 靜態(tài)電壓測量示意圖

1.4.2 靜態(tài)電阻值的測量

當(dāng)加速度傳感器處于靜態(tài)狀態(tài)時，橋臂上每個電阻及每結(jié)間電阻值都為定值。基于此，方案設(shè)計為：先測量并設(shè)定結(jié)間電阻DC、DB、DA 電阻值與R1、R2、R3、R4 的標(biāo)準(zhǔn)值，再分別測量結(jié)間電阻與各電阻的實際值并與標(biāo)準(zhǔn)值進行比較，若實際值均符合標(biāo)準(zhǔn)值范圍則判定該傳感器有效，反之失效。本設(shè)計采用對比法，將被測電阻串聯(lián)一個已知阻值的精密電阻，根據(jù)分壓原理可得到被測的電阻值[10]。靜態(tài)電阻測量示意圖如圖2所示。

圖2 靜態(tài)電阻測量示意圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

汽車碰撞用加速度傳感器的測量量程通常是500 g～2 000 g，輸出電阻為2 500 Ω，本設(shè)計方案采用對比電阻分壓法來采集加速度傳感器的電阻值。硬件系統(tǒng)的邏輯為A/D 轉(zhuǎn)換接口與傳感器信號接口復(fù)用，將電壓值轉(zhuǎn)化為數(shù)字量后通過處理器運算判斷是否失效，并將所得的結(jié)果顯示在顯示屏上，輔以蜂鳴器進行報警。通過按鍵切換檢測方式，當(dāng)靜態(tài)電阻檢測時4 路A/D 采集通道可以一次性檢測整個內(nèi)部橋路的結(jié)間狀態(tài)，從而實現(xiàn)對傳感器的快速檢測。經(jīng)調(diào)研選用飛思卡爾MK60-VG 系列MK60N512VMD100 型號單片機為控制核心，該單片機基于CortexM4 內(nèi)核，片內(nèi)含有128 kB 的ROM，4 kB 的RAM，2 路12 位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，功耗低、可靠性高、擴展靈活，可滿足系統(tǒng)對測試的需求[11]。硬件系統(tǒng)主要包括AMS1117-3.3V低壓降線性穩(wěn)壓器、OLED 顯示屏、外部電路接口、按鍵切換、蜂鳴器報警等，硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 低壓降線性穩(wěn)壓器及濾波電路

本次設(shè)計中選用的單片機，蜂鳴器以及顯示屏所需電壓均為3.3 V，而電源模塊供電電壓為5 V，因此選取AMS1117-3.3V 低壓降線性穩(wěn)壓器來轉(zhuǎn)換電壓[12]。穩(wěn)壓器及濾波電路如圖4所示。

圖4 穩(wěn)壓器及濾波電路

2.3 電阻信號采集模塊

控制電路中將傳感器與P2 相連，通過單片機控制繼電器和三極管使電路導(dǎo)通進行測量。電壓檢測時需測量34，35，36 三路電阻值，單片機通過AD1，AD2，AD3 來采集電壓值。電阻檢測時需測量45，46，64 間的電阻值[13]。在測量過程中防止雜波對測量信號的干擾，需要加電阻電容來進行濾波，控制繼電器電路如圖5所示。

2.4 按鍵控制模塊

在進行靜態(tài)電阻測量時，按鍵可切換測量方式。設(shè)按鍵未工作時為高電平，單片機接受信號后對應(yīng)程序控制系統(tǒng)進行結(jié)間電阻值測量。當(dāng)按下按鍵時輸入信號為低電平，控制系統(tǒng)進行每個橋臂上的電阻值測量。R2 電阻起到使按鍵控制所產(chǎn)生波形穩(wěn)定輸入。按鍵控制電路如圖6所示。

圖5 控制繼電器電路

圖6 按鍵控制電路

2.5 顯示模塊設(shè)計

顯示模塊設(shè)計主要顯示所測靜態(tài)電壓的數(shù)值及顯示傳感器的使用狀態(tài)。通過片選信號外加同步時鐘控制數(shù)據(jù)進行按位傳送。驅(qū)動芯片型號為SSD1306，與CPU 采用串行通信方式。顯示模塊設(shè)計電路如圖7所示。

圖7 顯示模塊設(shè)計電路

2.6 蜂鳴器控制電路

所測傳感器損壞時，屏幕顯示與蜂鳴器共同作用，使測量人員主動與被動相結(jié)合獲取檢測結(jié)果。蜂鳴器為3.3 V 電壓供電，其中PNP 三極管起到開關(guān)與放大的作用，當(dāng)單片機輸出為低電平時三極管導(dǎo)通，報警開始[14]。輸出為高時截止，報警關(guān)閉。蜂鳴器報警電路如圖8所示。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 控制器軟件設(shè)計

IAR EWARM Workbench 集成開發(fā)環(huán)境支持絕大部分的微處理器軟件系統(tǒng)的功能分析，其內(nèi)部提供了多個編譯器，調(diào)試界面簡單方便，是測量儀器開發(fā)的優(yōu)選軟件。本系統(tǒng)軟件設(shè)置采用C 語言編寫MK60N512VMD100 單片機程序，運用模塊化設(shè)計，整個程序主要包括主函數(shù)、時鐘函數(shù)、A/D 轉(zhuǎn)換函數(shù)、按鍵選擇函數(shù)以及顯示函數(shù)等。

圖8 蜂鳴器報警電路

主函數(shù)的設(shè)計中，主要完成系統(tǒng)的初始化，數(shù)據(jù)的處理，數(shù)據(jù)存儲以及顯示控制。其中，初始化包括主控芯片的I/O、A/D 模塊以及顯示屏等。首先設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)間電阻值、電壓值的正常范圍以及變量，然后采用IF 語句來判斷按鍵狀態(tài)以選擇電壓/電阻檢測方式。單片機控制不同的繼電器和三極管實現(xiàn)采集電阻值，然后將ADC 采集的數(shù)據(jù)經(jīng)濾波處理后賦值給變量并存儲，將各變量與標(biāo)準(zhǔn)值進行對比判斷，再將測量值顯示在OLED 屏幕上，若超出范圍，蜂鳴器報警并顯示漢字警告“器件不合格”；反之，則顯示被測件良好[15]。程序流程如圖9所示。

3.2 采樣設(shè)計

初始化后啟動A/D 模塊，快速清零，選用12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換，每次只轉(zhuǎn)換1 個通道，A/D 模塊時鐘頻率為8 MHz，啟用AD0-AD15，共16 個AD 通道，可同時檢測3 組電阻值，主處理器MK60 接收按鍵指令，第1 次檢測到按鍵的值后延遲300 ms，再次讀取按鍵狀態(tài)，若2 次均為按下，即采取電阻檢測；反之，則采取電壓檢測。如電壓檢測時，檢測3、4 電阻值，定義接觸器K1閉合，單片機63 腳輸出高電平，使三極管Q1 導(dǎo)通，則通過AD0 開始采集34 間的電壓，經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換成電阻值，與標(biāo)準(zhǔn)值500～5 000 Ω 進行比較，觀察其是否超出閾值，如未超出閾值，接通串口，輸出信號，將結(jié)果顯示在顯示屏上。其余電阻測量原理相同，僅需調(diào)整控制參數(shù)，在此不做贅述。

3.3 顯示設(shè)計

12864 顯示屏通過串口與單片機通訊，最多可以控制4 行16 字的中文顯示，顯示中文字型時，將2 字節(jié)的編碼寫入RAM 中，先寫高8 位，后寫低8 位。接通測試設(shè)備時，顯示“準(zhǔn)備開始測試”“請您連接電阻”。采集計算后，顯示對應(yīng)的3 組電阻值，若計算結(jié)果為0，顯示“電阻值為無窮大，檢查短路虛接”；結(jié)果不為0，顯示實際測量數(shù)值；若大于報警閾值5 000 Ω，則蜂鳴器響，最后一行顯示對應(yīng)的電阻超出范圍，若未大于報警閾值，顯示為空[16]。每次測量后蜂鳴器置零不響，清顯示屏。

圖9 程序流程

3.4 濾波設(shè)計

為了剔除干擾值與錯誤值，采用遞推平均法對數(shù)據(jù)進行濾波。連續(xù)8 個采樣值作為1 個組，組的長度固定為8，每次采樣到1 個新數(shù)據(jù)放入組尾,并刪除之前的組首的數(shù)據(jù)，對組中的8 個數(shù)據(jù)進行算術(shù)平均運算,便可獲得采集結(jié)果。濾波流程如圖10所示。

圖10 濾波流程

3.5 實物測試與分析

按照硬件和軟件設(shè)計做出實物，測量美泰MPA加速度傳感器。在室溫25 ℃的環(huán)境下，首先用萬用表測量，然后外接5 V 供電電源使用該檢測裝置進行檢測，結(jié)果顯示本設(shè)計能準(zhǔn)確測量并顯示電阻值，精確度高達99.4%。實物可判斷是否超出范圍并報警，具有很好的現(xiàn)實使用價值，實物與實測結(jié)果如圖11所示。

圖11 實物與實測結(jié)果

4 結(jié) 語

本設(shè)計基于飛思卡爾MK60 單片機，根據(jù)傳感器的靜態(tài)參數(shù)特性，檢測靜態(tài)電壓及電阻值，將測量值通過A/D 轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并與標(biāo)準(zhǔn)值進行比較從而判定器件的好壞，最后通過報警聲與文字顯示結(jié)果。其與手工測量相比更為便捷準(zhǔn)確，在汽車碰撞試驗中具有重要作用。目前，經(jīng)過調(diào)試與實測證明可精確地進行加速度傳感器有效性的檢測，并且具有良好的穩(wěn)定性，可以實現(xiàn)精確采集、準(zhǔn)確顯示、及時報警等功能，提高了檢測效率，符合設(shè)計要求。