基于nRF905的無線加速度測量系統(tǒng)設(shè)計

摘要：為了克服有線加速度傳感系統(tǒng)中由導(dǎo)線所導(dǎo)致的數(shù)據(jù)傳輸弊端，以射頻數(shù)字傳輸方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)導(dǎo)線傳輸方式。給出了無線加速度測量系統(tǒng)設(shè)計方案，設(shè)計了系統(tǒng)電路并進(jìn)行調(diào)試。加速度信號采集及射頻收發(fā)試驗表明，在400 m范圍內(nèi)，測量數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確。在近距運動物體加速度測量的復(fù)雜環(huán)境中，該系統(tǒng)能夠克服因采用傳輸導(dǎo)線所帶來的一些缺點。
關(guān)鍵詞：nRF905；加速度測量；LIS331DL；無線傳輸

0 引言
微電子與微機(jī)械(MEMS)技術(shù)的發(fā)展，使現(xiàn)代傳感器設(shè)計向微型化、智能化、集成化、微低功耗方向發(fā)展。MEMS技術(shù)突破了傳統(tǒng)傳感器設(shè)計受質(zhì)量、體積、功耗等技術(shù)瓶頸的束縛，在各測量領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。而隨著無線技術(shù)的發(fā)展，傳感器技術(shù)與無線技術(shù)結(jié)合得越來越緊密，利用無線技術(shù)開發(fā)信號采集無線傳輸模塊可以克服有線傳輸?shù)谋锥恕?br /> 本文結(jié)合三軸線性MEMS慣性傳感器LIS331DL和單片無線收發(fā)器nRF905構(gòu)建加速度測量無線傳輸系統(tǒng)，避免因采用傳輸導(dǎo)線所帶來的不利影響和使用上的不方便。該系統(tǒng)的特點是集電源、加速度傳感器、微控器、射頻收發(fā)器于一體，體積小、功耗低，能夠?qū)崿F(xiàn)對運動物體三維方向上加速度的測量。所設(shè)計的系統(tǒng)裝置可以非常方便地固定于運動物體上，尤其適合近距復(fù)雜環(huán)境中對運動物體加速度的測量。

1 系統(tǒng)組成和工作原理
系統(tǒng)總體構(gòu)成如圖1所示。系統(tǒng)分為主、從機(jī)兩部分。從機(jī)負(fù)責(zé)測量運動物體的加速度并通過射頻傳輸方式發(fā)射測量數(shù)據(jù)；主機(jī)負(fù)責(zé)接收從機(jī)發(fā)射的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行實時顯示，并將數(shù)據(jù)結(jié)果通過RS 232串口保存到PC機(jī)中以供分析。

系統(tǒng)采用電池供電，在非工作模式下處于待機(jī)模式，通過控制按鍵實現(xiàn)工作模式和待機(jī)模式的切換以進(jìn)一步節(jié)省功耗，保證電池長時間工作。

2 硬件設(shè)計
硬件設(shè)計主要包括傳感器與微控器外圍連接電路設(shè)計、射頻收發(fā)器與微控器外圍連接電路設(shè)計等。
2．1 微控制器
經(jīng)對比選用高速C8051F310單片機(jī)作為系統(tǒng)的微控器。C8051F310是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU芯片，具有片內(nèi)上電復(fù)位、VDD監(jiān)視器、看門狗定時器和時鐘振蕩器的真正獨立工作的片上系統(tǒng)，片內(nèi)外設(shè)豐富。
2．2 LIS331DL傳感器電路設(shè)計
LIS331DL是ST納米運動傳感器家族中具有最小封裝(LGA16封裝，3 mm×3 mm×1 mm)、最低功耗(小于1 mW)的三軸線性加速度傳感器。

邏輯框圖如圖2所示。LIS331DL內(nèi)部有按互相垂直關(guān)系放置的三個敏感質(zhì)量塊。當(dāng)有外界加速度作用時，敏感質(zhì)量塊會偏離其平衡位置一段位移，外界加速度越大位移就越大。由于敏感質(zhì)量塊位于兩個電極組成的電容之間，質(zhì)量塊位移的變化會引起電容電極兩端電荷量的變化，電荷量的變化經(jīng)電容／電壓變換器轉(zhuǎn)化為電壓的變化，A／D轉(zhuǎn)換器將模擬電壓值轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)字值，從I2C／SPI串行接口的三個輸出軸以二進(jìn)制補(bǔ)碼的形式輸出。該芯片能夠測量運動物體在三維空間的線加速度，三個輸出軸上加速度的矢量和即為運動物體的加速度。