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(yīng)，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(shè)計用40G加速計（Motorola P/N:MMA2200W)產(chǎn)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(yīng)d.c.力。而像壓電技術(shù)不可能做到，因為它不具有任何d.c.響應(yīng)。如圖1所示，加速計應(yīng)該安裝在并行于地平面靈敏軸上。當(dāng)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(guān)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(shè)計分辨率為0.5g，因為受8位A/D變換器所產(chǎn)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(zhǔn)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(shè)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(yīng)于1.5kHz取樣頻率。通常的加速計取樣時間為500μs量級。

本設(shè)計中，測量車輛加速度并與7g預(yù)置閥值進行比較以確定所需的LED是否導(dǎo)通或關(guān)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(yán)重性和需要采用氣包和/或安全帶。算法隨設(shè)計變化，通常在調(diào)用包開傘之前設(shè)置到高于可靠的能量閥值。例如，某設(shè)計利用下面的方程在時間周期內(nèi)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(nèi)部運放和濕度補償調(diào)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(yīng)增加一個由RC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的濾波器。雜散電容可改變內(nèi)部的位置，可導(dǎo)致加速計輸出放大器處于振蕩或不穩(wěn)定狀態(tài)。本設(shè)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(zhǔn)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(zhǔn)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(zhì)，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(qū)動。LCD數(shù)據(jù)和背板（BP）引腳必須用交變信號驅(qū)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(dāng)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(fù)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(biāo)期間加速計應(yīng)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(fù)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(yīng)更新。

當(dāng)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(xì)軟件在此就不詳述了。