加速計測量沖力和擺動

引言

本文描述用加速計、微控制器硬/軟件和液晶顯示測量物體沖力和擺動的原理。由于加速計具有dc～400Hz的寬頻率響應，所以本裝置能夠測量地球引力的靜態(tài)加速度和沖力震動或振動。本設計用40G加速計（Motorola P/N:MMA2200W)產生-40G～+40G最小加速度。

擺動測量原理

測量物體擺動或方位，加速計必須能響應d.c.力。而像壓電技術不可能做到，因為它不具有任何d.c.響應。如圖1所示，加速計應該安裝在并行于地平面靈敏軸上。當角度θ從-90°到+90°傾斜時，加速計輸出將從-1.0g到+1.0g變化。下列方程式給出其關系式：

VOUT=Voff+(△V / △G)×1.0G×Sinθ

式中：VOUT-加速計輸出，Voff-零加速計值，△V/△G-靈敏度，1.0G-地球引力，θ-擺動角。

在擺動測量中，測量這種小的變化（即40g滿量程中小于1g變化），對很多取樣數(shù)據(jù)求平均以消除高頻分量，因為擺動信息基本上是由低頻分量組成（量級為幾赫茲或更低）。另外，需要一個外部低通濾波器濾掉a.c.分量以便提取dc分量。本設計分辨率為0.5g，因為受8位A/D變換器所產生的19.6mV/步所限。MMA2200W的40mV/g靈敏度大約等于0.5g。然而，沖力測量時信號的處理方法不同于擺測量，因為峰值沖力信息是高頻分量。

用方程式測量擺動角，首先必須解正弦函數(shù)。在C語言編程中，在庫中可用asin()函數(shù)，然后，在匯編語言中，可用下列議程給出的查表或三角級數(shù)求解：

θ=Sin -1X=X+(X3 / 6)+(1×3X5 / 2×45)+(1×3×5X7 / 2×4×6)+……

對于擺動角小于10°，可用下面近似式：

sinθ=θ

式中θ單位是弧度

沖力測量原理

在沖力期間，加速計將測量物體從dc到400Hz所承受的減速度。通常，峰值沖力脈沖為幾毫秒量級。

為了檢測信號峰值，根據(jù)Nyquist取樣準則，取樣率至少是2倍信號頻率。如信號頻率為300Hz，則取樣率至少是600Hz。在本設計中，對32個取樣求平均以消除加速計的隨機噪聲。獲得32個取樣和求平均所需時間大約為650μs，此相應于1.5kHz取樣頻率。通常的加速計取樣時間為500μs量級。

本設計中，測量車輛加速度并與7g預置閥值進行比較以確定所需的LED是否導通或關斷。同時，峰值加速度上LED上顯示3秒。

一旦超過閥值，大多數(shù)氣包系統(tǒng)立刻執(zhí)行緊急鑒別。然后軟件程序監(jiān)控加速計以確定緊爭情況的嚴重性和需要采用氣包和/或安全帶。算法隨設計變化，通常在調用包開傘之前設置到高于可靠的能量閥值。例如，某設計利用下面的方程在時間周期內積分加速度成速度信號或駕駛員沖擊：

同時也可以用其他很多參量（如車輛能量改變），因為對一種類型緊急情況是良好的，而另一種參量對另一類型緊急情況也是良好的。

硬件描述

由于MMA2200W是完全由其內部運放和濕度補償調理，所以加速計輸出可直接與A/D變換器接口，假若加速計輸出和A/D變換之間的連接是一長線或電纜，則應增加一個由RC網(wǎng)絡構成的濾波器。雜散電容可改變內部的位置，可導致加速計輸出放大器處于振蕩或不穩(wěn)定狀態(tài)。本設計選擇截止頻率為15.9kHz，這也做為A/D變換器抗混淆濾波器的截止頻率。3dB頻率可由下式近似地給出：

f-3dB=1 / 2πRC

從電路圖2可見，MMA2200W加速計連接到微控機器PORT D位5，而放大器輸出連接到PORT D位6.此端口是片上8位A/D變換器的一個輸入。通常，加速計提供到微處理器的信號輸出大約0.3Vdc（在-5.5g加速度）～4.7Vdc（d +5.5g加速度）。A/D變換器和加速計采用相同基準電壓，使附加元件最少，但犧牲了分辨率。分辨率由下式確定：

count=Vout / 5 ×255

0g時count=[2.5/5]×255∝ 128

+25g時count=[3.5/5]×255∝ 197

-25g時count=[1.5/5]×255 77

所以分辨率為0.5g/count。

加速計輸出與所加電壓成比例。加速計和基準電壓連接到公共電源，使系統(tǒng)變?yōu)楸嚷氏到y(tǒng)。根據(jù)比率系統(tǒng)的性質，加到系統(tǒng)的電源電壓變化將不影響系統(tǒng)精度。

液晶顯示（LCD）直接由微控制器的I/O端口A、B和C驅動。LCD數(shù)據(jù)和背板（BP）引腳必須用交變信號驅動。此功能由軟件程序提供，數(shù)據(jù)和背板交換速率為30Hz。除LCD外，一個LED連接到微控制器的脈沖長度變換器（PLM）上。當檢測沖力大于或等于7g時，LED將亮三秒鐘。

系統(tǒng)微控制器部分需要一定支持硬件。圖中MC34064P-65提供過壓感測功能，用于系統(tǒng)上電時復位微處理器。4MHz晶振為微控制器提供時鐘、為時基功能（如脈沖率計算）提供穩(wěn)定時基。

軟件描述

系統(tǒng)上電后，LCD顯示CAL 4秒左右，在此時間，取樣和求平均加速計輸出以獲得零補償電壓或加速度。此數(shù)值將存儲在RAM中，用下式計算沖力：

沖力=[count-countoffset]×分辨率

注意，在零定標期間加速計應保持穩(wěn)定。

在軟件程序中，每650μs計算加速計輸出一次。在沖南昌期間，測量峰值加速度并在復位到零之前LCD上顯示3秒鐘，此期間，若測量到較高的沖力，則LCD顯示值將做相應更新。

當檢測到低g值（即1.0g）時，將不顯示此值。繼而進行更多取樣進一步求平均以消除隨機噪聲和高頻分量。由于擺動是低g和低頻信號，所以采用多取樣數(shù)以防止不穩(wěn)定顯示。另外，顯示值不像沖力那樣保持3秒鐘。詳細軟件在此就不詳述了。