基于单片机与MXA2500GL传感器的振动信号分布式检测方法

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                    　　摘要：介绍了C8051F020及MXA2500GL的性能特点，并给出了振动信号分布式检测的架构及实现。该检测方法以PC作为上位机，通过RS-485串行通讯，实现上位机与振动信号分布式检测系统的控制核心—C8051F020单片机之间的数据传输，并可以将检测结果在上位机上显示输出。?

　　关键词：C8051F020单片机；MXA2500GL传感器；振动；分布式检测?

????????引言?

　　由于加速度传感器及电荷放大器的连接线缆的距离限制，采用集中的数据采集和处理系统在空间距离较远的场合很难实现，其可靠性和抗干扰问题很难解决。常采用分布式检测方法:即设置多个数据采集站点，每个站点采用一套单独的数据采集和处理系统，通过网络通信将各站点相互连结起来，然后由一台系统机进行集中数据处理，提取相关特征信息。?

　　C8051F020单片机性能特点?

　　CYGNAL的C8051F020是集成模拟、数字信号的混合信号系统级SOC(System On Chip)单片机，与目前常用的51系列单片机指令集完全兼容。采用100脚TQFP封装，体积小，运算速度快。它采用CYGNAL公司的专利CIP-5l微处理器内核。CIP-5l在提升805l速度上采取了新的途径，即设法在保持CISC结构及指令系统不变的情况下，对指令运行实行流水作业。在这种模式中，废除了机器周期的概念，指令以时钟周期为运行单位。平均每个时钟可以执行完l条单周期指令，从而大大提高了指令运行速度。

　　与805l相比，C8051F020在相同时钟下单周期指令运行速度为原来的12倍，整个指令集平均运行速度为原来805l的9.5倍，使CYGNAL单片机系列进入了8位高速单片机行列。同时，C805lF020单片机延续了C805lF系列特有的优先权数字交叉开关配置技术。这项技术的核心就是以硬件方式为内部的数字资源配置端口I/O引脚。与标准复用数字I/O不同，这种结构可支持更多的功能组合。PCA、比较器、定时器等按优先级别分配到所选择端口上。使用者也可以只为所用到的数字资源分配I/O引脚。任何未配置使用的端口I/O被组合在一起，作为GPIO。?

　　MXA2500GL加速度传感器的性能特点?

　　MXA2500GL是MEMSIC公司专利技术生产的双轴式绝对模拟输出加速度传感器。它根据热对流原理在两个轴线都可以进行动态加速度(例如振动)和静态加速度(例如重力加速度)的测量，因此广泛应用于汽车稳定性控制、安全性控制、接近角控制、血压监视器、电子罗盘倾斜校正、数码相机、电梯等领域。与普通压电式加速度传感器不同的是，MXA2500GL实际是按照标准CMOS工艺制造的单片集成电路，它的输出是0.1～4.9V(5V电源的情况)的电压信号，无需电荷放大器就可以直接与A/D卡相连，因此会使整个测试系统不仅结构紧凑，而且抗干扰性非常强。

　　基本工作原理是：在硅片中心的空腔中悬挂一个气体热源，同时在热源的4个对角(即2个轴线方向)处，均匀放置铝/多晶硅温差电堆(热电偶)。当加速度为零时，热源的温度梯度是对称的，所以4个温差电堆的温度相同，因此这2个轴线方向输出相同的电压。而任何方向的加速度都会扰乱这种平衡的温度形式，使热源的温度梯度不对称。根据热传导的自由对流原理，4个温差电堆的温度及其输出信号—电压都是不同的。但是这些电压信号与加速度是成比例变化的。这样通过测量电压就可以确定加速度的值。在传感器上有两个相同加速度信号通道，一个测量X方向，另一个测量Y方向。图1给出了它的基本结构。



图2　分布式检测系统的硬件架构?

????????多机通信协议?

　　C8051F020单片机具有适于多机通信的特殊功能，即方式2(3)。在这2个方式里，接收的第9位进入RB8，然后为停止位。串行口可程控为:当接收到停止位，只有当RB8=1时才产生串行口中断。这个特性可由置位SCON中的SM2控制。多机通信中使用这种特性的方法是:当主机要发送一个数据块给几个从机之一时，它先发送一个目标从机的地址字节，地址字节第9位为1而数据字节第9位为0。当SM2=1时，数据字节不会中断任何从机，然而，地址字节会中断所有从机，这样每一个从机可检查接收到的地址，看是否为寻址自己。被寻址的从机将SM2位清0，准备接收传送过来的数据字节，没被寻址的从机保持SM2为置位状态，继续处理其它工作。C8051F020单片机方式3下的信息桢格式见图3。


　
图4　通信线路控制寄存器LCR?

　　通过将参数字节写入到线路控制寄存器，可以将UART编程为这样的串行通信数据格式:1位起始位，8位数据位，1位奇偶校验位，1位停止位，1帧共11位。既然能够在PC机上实现1帧11位的数据格式，并且改变线路控制寄存器的D5、D4、D3位的值能将奇偶位设定为“恒1”或“恒0”，则若在发送地址帧时将奇偶位设定为“恒1”，在发送数据位时将奇偶位设定为“恒0”，便可以在PC机上模拟51系列单片机的多机通信持点，从而直接利用这种特点实现它们之间的主从分布式多机通信。
　　
　　主机和从机遵循主从原则，主机用呼叫方式选择从机，数据在主机和从机之间双向传递，各从机之间的相互通信需通过主机作为中介。主从机之间还应传送一些供它们识别的命令和状态字，如以00H表示主机发送从机接收命令，以01H表示从机发送主机接收命令等。?

????????PC主机通信程序的实现方法?

　　对PC机UART的编程是主机通信程序的核心。一般可以通过两种方式实现对UART的操作。一种是直接访问底层地址实现对LCR、LSR、波特率因子寄存器的操作，这种方法只适用于Windows9X.在WindowsNT环境下系统禁止用户程序直接访问硬件和物理地址，因此该方法不可取。具体过程是通过调用标准通信函数inp()、outp()实现的。另一种方式是通过通信控件或WindowsAPI函数间接对LCR、LSR、波特率因子寄存器进行相关操作。因此本系统也使用MSComm控件，而WindowsAPI函数更适合在多现程领域应用。?

????????结束语?

　　实践证明基于C8051F020单片机与MXA2500GL传感器的振动信号分布式检测系统性能可靠，大大的节约了成本，因此该系统在汽车整车及零部件的测试与诊断过程极具推广价值。?