ARM7加速度数据采集系统设计

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                    ???? 引言
　　加速度传感器一直是加速度测试中的重要元件。随着微加速度计的应用越来越广泛，对于微加速度计的数据信号采集和存储变得极为重要。传统的数据采集方法多数是采用单片机完成的，编程简单、控制灵活，但控制周期长、速度慢，特别是对高速转换的数据来说，单片机的速度极大地限制了数据传输速度。
　　目前，嵌入式系统的应用已经进入到一个高低并行发展的阶段。ARM处理器凭借体积小、功耗低、集成度高、硬件调试方便和操作系统可移植等优点，获得广泛的应用。本文采用基于ARM7TDMI-S核的32位微处理器AT91SAM7X256为控制核心，利用其内部自带的A／D转换器对采集到的加速度值进行转换。
　　本文应用Model 1221单轴MEMS加速度计，输出信号经简单处理后直接外接到ARM7处理器上，只需对处理器的相应软件进行设置，省去了A／D转换电路，大大简化了电路复杂程度，并提高了数据处理的速度和精度。该加速度数据采集系统特别适用于对加速度和倾斜角的测量。它既可以测量动态加速度(如典型振动和冲击)，又可以测量静态加速度(如重力加速度和惯性)；既可以测量正加速度，又可以测量负加速度，因而可以作为斜率传感器使用。
　　1 总体设计方案
　　加速度数据采集系统的总体结构如图1所示。系统主要由单轴加速度计、运放电路、ARM处理器(AT91SAM7X256)三部分组成。单轴加速度计经过电路配置被施加一定加速度后，输出相应大小的电压模拟信号，经运算放大电路处理后，直接送至ARM处理器的A／D处理端口。在处理器接收数据之前，首先要通过软件方式对处理器的A／D功能进行合理设置；处理后的数据经ARM处理器的存储寄存器缓存后，由ARM处理器采取中断的方式接收采集，并对采集到的数据作进一步处理；利用软件分析数据的大小，并将其转换成相应的信号，通过串口通信输出到PC机上实时显示。电源装置采用开关电源为传感器、ARM处理器以及其他外围电路提供所需的各种工作电压。



图2 加速度数据采集电路
　　AON和AOP引脚的电压输出值成比例对应于加速度值，如图3所示。在加速度为0的情况下，AON和AOP输出值都是2．5 V。为了取得噪音较低、效果较好的信号输出，本文采用差动方式将AON和AOP接到运放电路的输入端，适当设置电阻电容值，得出符合要求的输出信号。AON与AOP求差后，范围在0～4 V之间。考虑到输出值应与ARM7处理器的A／D端口输入范围匹配，因此设置R4／R3=R6／R5=3／4，从而得到一个0～3 V的输出值范围。




　　本检测装置工作在恶劣环境下，易受到各种干扰源的干扰。另外，检测装置本身也会产生电磁噪音，将严重影响信号的分析和读取。可以采用电源去耦、低通滤波等硬件方式来滤除干扰，但不容易达到理想效果，因此必须依靠软件抗干扰技术。软件抗干扰技术不仅设计灵活，而且节约硬件资源。常用的软件抗干扰技术有软件陷阱技术、软件滤波技术等。在程序的具体编写过程中，可以利用这些技术达到抗干扰的目的。
　　由ARM系统采集到的数据可通过串口线发送到上位机进行实时显示，也可以通过模拟IDE通信协议存储到IDE硬盘中。AT91SAM7X256通过串口与上位机进行通信，主要是应用AT91SAM7X256中的通用异步接收／发送装置UART0；而使用AT91SAM7X256的通用可编程I／O口，可以模拟产生IDE硬盘的读写时序，完成对存储设备的读写操作，从而实现加速度数据的显示和存储。上位机实时显示加速度的检测数值，如图5所示。




　　结语
　　本文介绍一种MEMS加速度计的设计与应用，结合当前应用广泛的ARM7处理器芯片，设计出一套方面灵活、应用性强的数据采集方案。实验证明，该系统可准确地采集Model 1221单轴MEMS加速度计的加速度信号，可以对采集到的信号进行灵活的处理，既可以在上位机实时显示，又可以存储在IDE接口硬盘中，达到了数据显示和存储的目的。