溫濕振翻轉一體化的MEMS測試系統

鄒 坤 ，石云波 ，焦佳偉 ，賀 婷 ，陳艷香

（1.蘇州中盛納米科技有限公司，蘇州 215123；2.中北大學 儀器與電子學院，太原 030051；3.電子測試技術國防重點實驗室，太原 030051）

MEMS傳感器已被廣泛應用于航空航天、生物醫學、工業和農業等領域，之前的傳感器測試只能依靠振動臺、離心機、分度頭、溫濕度綜合試驗箱等多臺設備進行串行的測試。以單件、手動為主，測試時間長、效率低，嚴重阻礙了MEMS加速度傳感器產業化的進程[1-2]。為了滿足MEMS傳感器的嚴格要求，文中提出了一種溫濕振翻轉一體化的加速度傳感器測試系統，采用串口、網口方式與振動臺、溫濕度箱、翻轉臺同時進行調用，利用上位機軟件進行接收、分析和控制，從而完成了批量化的傳感器測試，也為MEMS測試提供了一種思路。

1 系統總體結構設計

利用溫濕度自動可控技術、器件定位技術、多路數據采集與處理技術、傳感器多參數標定技術，實現傳感器的自動批量標定測試。測試系統總體框圖如圖1所示。

圖1 測試系統總體框圖Fig.1 Overall block diagram of test system

MEMS傳感器所測的物理量基本上有2種形式：一種是靜態的形式，一種是動態的形式。在溫濕度可變條件下，對傳感器參數進行測量屬于靜態的測試形式?？刂茰囟葷穸茸兓那闆r下進行翻轉實驗，測得輸入輸出特性也是靜態測試。動態測試是根據不同頻率不同g值下的振動實驗來實現的。通過本系統既能測出其靜態特性，也能很好地測出動態特性。

本系統主要由傳感器加載平臺配合傳感器自動裝卡技術、振動平臺、翻轉平臺、溫濕度箱組成；控制模塊與數據采集系統之間使用數據網柵接口，實現批量化數據的標定和處理。系統軟件控制設計原理示意圖如圖2所示。

圖2 系統控制軟件的設計原理Fig.2 System control software design principle diagram

2 溫濕度實驗箱及振動臺的一體化控制

將MEMS加速度傳感器安裝于翻轉試驗臺上，將翻轉試驗臺放置于振動試驗臺上，將翻轉試驗臺和振動試驗臺一起放置于溫濕度試驗箱內，將MEMS加速度傳感器的輸出端與數據采集模塊的輸入端連接，將數據采集模塊的輸出端與PC機的輸入端連接，將PC機的輸出端分別與溫濕度試驗箱的輸入端、振動試驗臺的輸入端、翻轉試驗臺的輸入端連接。

PC機對溫濕度試驗箱的參數進行設置，并啟動溫濕度試驗箱，溫濕度試驗箱內的溫度和濕度由此按照時序函數進行變化。

PC機對振動試驗臺的參數進行設置，并啟動振動試驗臺，振動試驗臺由此在溫度和濕度均變化的環境下驅動MEMS加速度傳感器進行振動試驗；在振動試驗過程中，數據采集模塊實時獲取MEMS加速度傳感器的輸出數據，并將MEMS加速度傳感器的輸出數據實時發送至PC機，PC機根據MEMS加速度傳感器的輸出數據實時標定MEMS加速度傳感器在不同溫濕度環境下的參數。

3 翻轉實驗平臺的硬件設計及控制

本翻轉實驗平臺，采用DSP作為主控芯片，利用步進電機實現磨具的夾緊、上升、翻轉。此子系統采用的是半閉環的控制方式，DSP采用串口的方式與主機通信，利用PWM控制步進電機運轉[3]。DSP芯片集成了通用電石氣和脈寬調制輸出通道，并提供使用定時器周期寄存器和比較寄存器的比較值來實現產生PWM波的方法。周期值用于產生PWM波的頻率，比較值用于產生PWM波的脈寬，而根據步進電機的需求采用的是50%的占空比。

步進電機的位置控制是它的一大優點，它可以不用借助傾角傳感器就能簡單地控制角度的足夠精確，基于實驗的嚴謹仍然使用傾角傳感器對翻轉臺的角度進行顯示。步進電機位置控制的一般做法為步進電機每走1步，步數減1[4]。其位置控制的子程序流程如圖3所示。

圖3 步進電機控制子程序Fig.3 Stepper motor control subroutine flow chart

在標定傳感器的實驗中，數據包的傳輸速度非?？?。串行口作為一種速度快、安全性極高、操作便攜的通訊手段，具備很強的實用性，通過微控制器對串口進行操作，對DSP的控制，完成了翻轉臺控制系統。PC機首先設定好溫濕度條件后對翻轉實驗平臺通過串口進行控制，并且硬件上添加了傾角傳感器，上位機可以實時顯示出翻轉角度，然后對加速度計進行地球重力場8位置法翻滾實驗，從而完成了MEMS傳感器的靜態測試。

4 數據采集模塊的設計

FPGA芯片在該系統中主要完成對采集到的信號進行數據接收處理，控制AD模數轉換芯片把模擬信號轉化成數字信號，并且按照特定的幀格式通過網線與主機進行數據交換。

數據采集系統同時進行20路加速度傳感器信號的采集，每路信號采用5 V供電，首先進入低通濾波器，除去雜質干擾，進入模擬開關ADG706，把傳出的信號進行A/D模數轉換，該模數轉換器采用的是AD7667由FPGA進行控制，然后通過以太網口芯片上傳至計算機。其數據采集子系統硬件結構如圖 4所示[5]。

圖4 傳感器數據采集子系統的數據傳輸Fig.4 Sensor data acquisition subsystem hardware diagram

在數據采集軟件以及溫濕度箱軟件設計中，采用以太網進行通信，為了減少通信的誤碼率提高通信的成功率與準確率，采用 TCP/IP通信協議進行以太網數據通信。根據所要完成的需要，將基于網絡通信的系統分為網絡接口模塊和兩路信號控制模塊2個部分，如圖5所示。

圖5 以太網通信系統框圖Fig.5 Ethernet communication system block diagram

以太網通信采用的是全雙工的模式，收發可以達到10 Mb/s的傳輸速率，為了保證數據傳輸的準確率，采用了如表1所示的數據幀協議模式。

表1 通信協議格式Tab.1 Communication protocol format

在協議層次上，通信節點采用的是XP系統，為在PC機上進行操作提供了可靠性、實時性和安全性，該系統提供了2種套接字Socket，流套接字和數據報套接字，數據報套接字和UDP協議對應，它支持雙向的數據流，但并不能保證可靠、無差錯的傳輸。通信流程如圖6所示。

圖6 通信流程Fig.6 Flow chart of the communication

5 試驗結果分析方法

加速度計在地球重力場的測試中，可以采用如下形式的靜態模型方程：

式中：Ai為加速度計的輸出；k0為偏值；k1為標度因數；ai為加速度。

在重力場實驗中，加速度計采用水平擺放狀態，按照等分的 8 個位置， 分別采取 0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°和 315°， 測出每個位置的輸出值代入有關方程式中進行數據處理，得到系數的值[8]。其計算結果如下：

5.1 靜態翻轉實驗結果

采用量程10 g的加速度傳感器，本實驗環境在常溫常濕度下，分別在8個位置的讀取數據如表2所示。

表2 翻轉實驗數據Tab.2 Data of flip experiment

根據以上公式的K1計算出加速度計在常溫常濕度翻轉情況下的靈敏度是164 mV/g。

5.2 動態振動正弦掃頻實驗結果

同一傳感器在正弦掃頻振動試驗下，通過3次測試，在溫度25℃、濕度10%情況下的輸出值測試結果如表3所示。

表3 振動實驗數據Tab.3 Data of vibration experiment

利用最小二乘法求得其標度因數也是164 mV/g。

根據傳感器所測得的靜態、動態標定因數，由于輸入量形式不同，得到的是同一個靈敏度，對于一個高精度傳感器，具有統一的靜態特性和動態特性，雖然它的靜態特性和動態特性表現出不同的特點，但測量結果不盡相同。由此說明被測傳感器的靈敏度就是164 mV/g。體現在上位機軟件中如圖7所示。

圖7 實驗結果Fig.7 Experimental result

6 結語

本系統解決了MEMS傳感器標定過程中，溫濕度、翻轉、振動分工合作的問題。由于FPGA具有時鐘頻率高、內部延遲小、編程靈活的特點，能更好地完成20路數據采集存儲的任務，由FPGA控制模數轉化、數據編碼，大大提高了系統的性能。在翻轉平臺中，DSP具有很高的運算功能，它可以輸出6個步進電機所需要的相序信號、PWM波、8位的細分值數字量、DA芯片的片選信號，能很好地控制翻轉臺的運行?；贛FC的上位機控制程序能很好地對溫濕度、振動臺、翻轉臺子程序進行控制調用，同時再對接收到的傳感器參數進行標度因數計算，大大提高運算速度，使整個傳感器測試系統統一協調運行。

[1]李杰，劉俊，張文棟.微型慣性測量裝置[J].儀器儀表學報，2006，27（6）：177-178.

[2]李杰，洪惠惠，張文棟.MEMS微慣性測量組合標定技術研究[J].傳感技術學報，2008，21（7）：18-19.

[3]張寶發，趙輝，岳友軍.基于DSP的步進電機控制系統設計[J].儀表技術與傳感器，2010（8）：3-4.

[4]王帥夫，劉景林，楊士河，等.基于DSP的步進電機多軸控制系統研究[J].計算機測量與控制，2011，19（1）：19-20.

[5]程惠，任勇峰，王強，等.基于FPGA的多通道數據采集電路的設計及實現[J].電測與儀表，2013，50（1）：125-126.

[6]孫文.多通道數據采集系統的設計與實現[D].長沙：湖南大學，2013.

[7]王彥碩.以太網和USB_GPIB接口在儀器數據采集中的應用[D].長沙：湖南大學，2006.

[8]劉俊，石云波，李杰.微慣性技術[M].北京：電子工業出版社，2005.