加速度傳感器批量標定測試系統(tǒng)的設(shè)計

焦佳偉 ，石云波 ，鄒 坤 ，智 丹

（1.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點實驗室，太原 030051；2.蘇州中盛納米科技有限公司，蘇州 215123）

加速度傳感器作為傳感器的一個重要分支，以其體積小、重量輕、成本低、可靠性好、功耗低、測量范圍大等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于汽車電子、航空航天、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。隨著這些行業(yè)的發(fā)展，加速度傳感器的需求越來越大，對其精度的要求也越來越高[1]。而加速度傳感器在研制后及使用前均需要進行參數(shù)性能的標定測試，而目前加速度傳感器的標定測試主要以單件、手動為主，增加了標定測試時間，降低了生產(chǎn)效率，這種測試方式嚴重阻礙了加速度傳感器的產(chǎn)業(yè)化進程。如果沒有一個高效率、高精度的測試儀器，那么加速度傳感器的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本勢必要受到影響。本文基于此設(shè)計了一套加速度傳感器批量標定測試系統(tǒng)。

1 總體方案

加速度傳感器批量標定測試系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示，系統(tǒng)主要是由6個部分組成：多通道數(shù)據(jù)采集模塊、加速度傳感器批量標定測試平臺、可變環(huán)境控制模塊、裝卡控制模塊、自動裝卡平臺、上位機模塊。其中多通道數(shù)據(jù)采集模塊主要負責加速度傳感器數(shù)據(jù)的采集與傳輸；加速度傳感器批量標定測試平臺主要安裝加速度傳感器和步進電機，完成批量化標定測試，為了提高標定測試效率，測試平臺安裝有20個加速度傳感器；可變環(huán)境控制模塊主要實現(xiàn)溫濕度的控制；裝卡控制模塊主要實現(xiàn)對電機的控制；自動裝卡平臺主要負責加速度傳感器靜態(tài)翻轉(zhuǎn)與動態(tài)振動平臺的自動轉(zhuǎn)換；系統(tǒng)上位機數(shù)據(jù)采集顯示模塊和上位機控制模塊主要實現(xiàn)對加速度傳感器數(shù)據(jù)的采集和分析、電機的控制以及溫濕度的設(shè)置和顯示。整個系統(tǒng)可實現(xiàn)全線聯(lián)動控制和中央監(jiān)控，實現(xiàn)了加速度傳感器的批量標定測試。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 Overall structure of the system

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 多通道數(shù)據(jù)采集模塊

多通道數(shù)據(jù)采集模塊主要由FPGA控制模塊、多路傳感器、電源模塊、多路模擬選擇開關(guān)模塊、信號調(diào)理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、以太網(wǎng)接口模塊以及上位機組成，整體電路框圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集電路框圖Fig.2 Circuit diagram of data acquisition

多路模擬信號進入后，先經(jīng)過一階低通濾波器，去除高頻噪聲，再經(jīng)運算放大器進行跟隨，通過16選1模擬開關(guān)，多路信號分時輸出給ADC采集電路，在ADC采集前，對信號進行分壓和跟隨調(diào)理，之后進入A/D轉(zhuǎn)換器，由FPGA控制模擬開關(guān)進行通道切換并控制A/D轉(zhuǎn)換器進行數(shù)據(jù)的采樣、量化和編碼[2]，最后將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)接口芯片上傳至上位機，上位機實現(xiàn)各種圖形界面操作和信號處理。

通過AC-DC產(chǎn)生系統(tǒng)所需的5 V直流電源，再由線性電源產(chǎn)生電路所需的1.8 V、2.5 V和3.3 V電壓。

其中A/D轉(zhuǎn)換器模塊采用AD7667芯片，AD7667是16位單通道A/D轉(zhuǎn)換器，信號調(diào)理模塊輸出的信號進入A/D轉(zhuǎn)換器模塊，A/D轉(zhuǎn)換器模塊原理圖如圖3所示。

圖3 A/D轉(zhuǎn)換電路Fig.3 A/D converter circuit

模擬信號 V1（0～5 V）經(jīng)電阻 R10、R11進行分壓，將0～5 V的信號調(diào)理到AD7667的輸入范圍值V2（0～2.5 V），V2經(jīng)過AD8031跟隨后，增加了驅(qū)動能力。R12、C16構(gòu)成一階濾波電路，能夠保證運放穩(wěn)定驅(qū)動A/D轉(zhuǎn)換器的容性輸入負載，并限制了運放的噪聲帶寬，減少噪聲干擾。最后輸出的信號輸入至A/D轉(zhuǎn)換器芯片AD7667。在FPGA的控制邏輯下，采用異步快速采集模式對信號進行采集，為了節(jié)約使用FPGA的I/O引腳，降低成本，將A/D轉(zhuǎn)換完成的16位高精度數(shù)據(jù)的高8位和低8位分時從AD7667 的［D7：D0］輸出[3-4]。

2.2 加速度傳感器批量標定測試平臺控制模塊

加速度傳感器批量標定測試平臺控制模塊包括DSP控制器、水平電機的控制模塊、豎直電機的控制模塊、翻轉(zhuǎn)電機的控制模塊、傾角傳感器和溫濕度傳感器模塊、加熱器和加濕器控制模塊以及上位機，整體框圖如圖4所示。

該控制系統(tǒng)以TMS320F28335為核心處理器，充分利用了芯片的高速度、浮點計算等特性及豐富的外設(shè)資源，在片外存儲空間擴展了雙端口RAM可以與不同的總線機制的上位機通訊，進行高速數(shù)據(jù)傳輸，非常適用于實時信號處理及運動控制[5]。

圖4 測試平臺控制系統(tǒng)框圖Fig.4 System diagram of test platform control

批量標定測試平臺包含了靜態(tài)高精度翻滾裝置與動態(tài)傳感器標定裝置，可以實現(xiàn)加速度傳感器的靜動態(tài)特性標定。靜態(tài)測試時由步進電機驅(qū)動進行翻滾試驗，動態(tài)測試時翻轉(zhuǎn)平臺由自動卡緊機構(gòu)鎖緊在振動臺面上，由振動臺驅(qū)動進行振動測試。

加速度傳感器的靜態(tài)標定主要采用重力場翻滾試驗[6]，其加載機構(gòu)如圖5所示，在傳感器加載機構(gòu)上安裝有數(shù)字式高精度傾角傳感器，該裝置的水平電機實現(xiàn)對傳感器加載機構(gòu)的卡緊，豎直電機實現(xiàn)傳感器加載機構(gòu)的升降，翻轉(zhuǎn)電機實現(xiàn)傳感器加載機構(gòu)的正反轉(zhuǎn)，傾角儀傳感器提供翻轉(zhuǎn)角度反饋。傳感器標定時，在同一溫度下，可以實現(xiàn)裝卡模塊在重力場的多位置自由翻轉(zhuǎn)。經(jīng)過不同溫度下的翻轉(zhuǎn)測試，可以得到傳感器指標參數(shù)。

圖5 平臺結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Platform structure diagram

在動態(tài)性能測試時，傳感器需要與振動臺面緊密結(jié)合，當翻滾試驗完成后，控制機構(gòu)驅(qū)動翻轉(zhuǎn)平臺向下移動，當翻轉(zhuǎn)平臺與振動臺面接觸后，自動鎖緊裝置啟動，使兩者緊密結(jié)合。

溫濕度系統(tǒng)主要利用高靈敏傳感器對溫濕度實時采集，高靈敏傳感器通過采樣處理電路傳送至DSP，經(jīng)DSP處理后，即取得溫濕度測量值，測量值和溫濕度設(shè)定值比較后獲得偏差信號，這種信號經(jīng)處理后傳送至DSP，DSP得到控制信號，此控制信號即為驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)（本系統(tǒng)為電加熱器、加濕器）的電信號，最終由DSP控制其完成溫度或者濕度的設(shè)定。

3 上位機軟件

上位機軟件使用 C++語言開發(fā)，開發(fā)平臺為Visual Studio 2010，這個版本的 Visual Studio提供了對 C++最新標準的支持，并增加了C++代碼的實時語法錯誤檢查，極大地提高了工作效率。

此系統(tǒng)軟件包括2部分，分別為系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)采集處理。系統(tǒng)控制主要下發(fā)控制指令，實現(xiàn)對測試平臺的控制和實時狀態(tài)顯示，如圖6所示。數(shù)據(jù)采集處理部分主要完成加速度傳感器數(shù)據(jù)的收集存盤、數(shù)據(jù)的分析處理、以及相關(guān)參數(shù)的顯示和設(shè)置。

圖6 控制界面Fig.6 Control interface

4 系統(tǒng)試驗與結(jié)果

4.1 多通道數(shù)據(jù)采集模塊試驗

試驗中用信號發(fā)生器產(chǎn)生波形作為輸入信號，輸入0～1 V、頻率為1 kHz的正弦信號，采集到的數(shù)據(jù)通過上位機軟件進行分析，正弦信號波形如圖7所示，橫坐標表示采集時間，縱坐標表示采集的電壓，縱坐標電壓數(shù)據(jù)與采集數(shù)據(jù)對應(yīng)關(guān)系為

式中，Δy表示2個字節(jié)的16進制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成10進制的數(shù)值。測得信號的最大紋波為1.0 mV，系統(tǒng)的采集精度達到了1‰，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，能夠滿足批量標定測試系統(tǒng)的功能要求。

圖7 數(shù)據(jù)采集波形圖Fig.7 Data acquisition waveform

4.2 加速度傳感器批量標定測試平臺試驗

批量標定測試平臺主要按照以下5步進行試驗，測試流程如圖8所示。

圖8 測試流程Fig.8 Flow chart of test process

（1）安裝傳感器加載平臺，確定各部件回到初始位置，設(shè)置調(diào)整溫濕度值。

（2）上位機下發(fā)自動運行指令，由步進電機驅(qū)動水平絲杠旋轉(zhuǎn)，將傳感器加載機構(gòu)夾緊；自動啟動豎直電機運轉(zhuǎn)，帶動傳感器加載機構(gòu)向上運動到一定高度。

（3）進行翻轉(zhuǎn)實驗，自動啟動翻轉(zhuǎn)電機，進行不同位置法的翻滾實驗，待翻轉(zhuǎn)電機穩(wěn)定后停止在指定位置，便可采集數(shù)據(jù)并存盤，完成后便可自動運行到下一個位置，采集數(shù)據(jù)并存盤。

（4）翻滾試驗完成后，控制機構(gòu)驅(qū)動翻轉(zhuǎn)平臺向下移動，當翻轉(zhuǎn)平臺與振動臺面接觸后，自動鎖緊裝置啟動，使兩者緊密結(jié)合，待卡緊后便可進行振動實驗。

（5）翻滾試驗、振動實驗完成后，對存盤的數(shù)據(jù)進行分析和處理。

經(jīng)過試驗驗證，該系統(tǒng)運行平穩(wěn)、可靠，能滿足加速度傳感器批量標定測試方面的要求。

5 結(jié)語

該系統(tǒng)設(shè)計了可視化操控的人機交互操作界面，平臺運行平穩(wěn)、可靠，實現(xiàn)傳感器的各參數(shù)性能標定測試與數(shù)據(jù)分析，解決了傳統(tǒng)模式下單件手動標定測試問題，降低測試成本，提高生產(chǎn)效率，具有很高的實用推廣價值。

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[4]李圣昆.高速數(shù)據(jù)采集記錄裝置研究[D].太原：中北大學(xué)，2006.

[5]顏肖平，聶宜云，孟凡軍.基于TMS320F28335的運動控制器設(shè)計[J].航空精密制造技術(shù)，2013，49（3）：58-62.

[6]劉俊，石云波，李杰.微慣性技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005：193-194.