加速计测量冲力和摆动

引言

本文描述用加速计、微控制器硬/软件和液晶显示测量物体冲力和摆动的原理。由于加速计具有dc～400Hz的宽频率响应，所以本装置能够测量地球引力的静态加速度和冲力震动或振动。本设计用40G加速计（Motorola P/N:MMA2200W)产生-40G～+40G最小加速度。

摆动测量原理

测量物体摆动或方位，加速计必须能响应d.c.力。而像压电技术不可能做到，因为它不具有任何d.c.响应。如图1所示，加速计应该安装在并行于地平面灵敏轴上。当角度θ从-90°到+90°倾斜时，加速计输出将从-1.0g到+1.0g变化。下列方程式给出其关系式：

    VOUT=Voff+(△V / △G)×1.0G×Sinθ

    式中：VOUT-加速计输出，Voff-零加速计值，△V/△G-灵敏度，1.0G-地球引力，θ-摆动角。

在摆动测量中，测量这种小的变化（即40g满量程中小于1g变化），对很多取样数据求平均以消除高频分量，因为摆动信息基本上是由低频分量组成（量级为几赫兹或更低）。另外，需要一个外部低通滤波器滤掉a.c.分量以便提取dc分量。本设计分辨率为0.5g，因为受8位A/D变换器所产生的19.6mV/步所限。MMA2200W的40mV/g灵敏度大约等于0.5g。然而，冲力测量时信号的处理方法不同于摆测量，因为峰值冲力信息是高频分量。

用方程式测量摆动角，首先必须解正弦函数。在C语言编程中，在库中可用asin()函数，然后，在汇编语言中，可用下列议程给出的查表或三角级数求解：

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

    对于摆动角小于10°，可用下面近似式：

sinθ=θ

式中θ单位是弧度

冲力测量原理

在冲力期间，加速计将测量物体从dc到400Hz所承受的减速度。通常，峰值冲力脉冲为几毫秒量级。

为了检测信号峰值，根据Nyquist取样准则，取样率至少是2倍信号频率。如信号频率为300Hz，则取样率至少是600Hz。在本设计中，对32个取样求平均以消除加速计的随机噪声。获得32个取样和求平均所需时间大约为650μs，此相应于1.5kHz取样频率。通常的加速计取样时间为500μs量级。

本设计中，测量车辆加速度并与7g预置阀值进行比较以确定所需的LED是否导通或关断。同时，峰值加速度上LED上显示3秒。

一旦超过阀值，大多数气包系统立刻执行紧急鉴别。然后软件程序监控加速计以确定紧争情况的严重性和需要采用气包和/或安全带。算法随设计变化，通常在调用包开伞之前设置到高于可靠的能量阀值。例如，某设计利用下面的方程在时间周期内积分加速度成速度信号或驾驶员冲击：

    同时也可以用其他很多参量（如车辆能量改变），因为对一种类型紧急情况是良好的，而另一种参量对另一类型紧急情况也是良好的。

硬件描述

由于MMA2200W是完全由其内部运放和湿度补偿调理，所以加速计输出可直接与A/D变换器接口，假若加速计输出和A/D变换之间的连接是一长线或电缆，则应增加一个由RC网络构成的滤波器。杂散电容可改变内部的位置，可导致加速计输出放大器处于振荡或不稳定状态。本设计选择截止频率为15.9kHz，这也做为A/D变换器抗混淆滤波器的截止频率。3dB频率可由下式近似地给出：

    f-3dB=1 / 2πRC

    从电路图2可见，MMA2200W加速计连接到微控机器PORT D位5，而放大器输出连接到PORT D位6.此端口是片上8位A/D变换器的一个输入。通常，加速计提供到微处理器的信号输出大约0.3Vdc（在-5.5g加速度）～4.7Vdc（d +5.5g加速度）。A/D变换器和加速计采用相同基准电压，使附加元件最少，但牺牲了分辨率。分辨率由下式确定：

count=Vout / 5 ×255

0g时count=[2.5/5]×255∝ 128

+25g时count=[3.5/5]×255∝ 197

-25g时count=[1.5/5]×255 77

所以分辨率为0.5g/count。

加速计输出与所加电压成比例。加速计和基准电压连接到公共电源，使系统变为比率系统。根据比率系统的性质，加到系统的电源电压变化将不影响系统精度。

液晶显示（LCD）直接由微控制器的I/O端口A、B和C驱动。LCD数据和背板（BP）引脚必须用交变信号驱动。此功能由软件程序提供，数据和背板交换速率为30Hz。除LCD外，一个LED连接到微控制器的脉冲长度变换器（PLM）上。当检测冲力大于或等于7g时，LED将亮三秒钟。

系统微控制器部分需要一定支持硬件。图中MC34064P-65提供过压感测功能，用于系统上电时复位微处理器。4MHz晶振为微控制器提供时钟、为时基功能（如脉冲率计算）提供稳定时基。

软件描述

系统上电后，LCD显示CAL 4秒左右，在此时间，取样和求平均加速计输出以获得零补偿电压或加速度。此数值将存储在RAM中，用下式计算冲力：

冲力=[count-countoffset]×分辨率

注意，在零定标期间加速计应保持稳定。

在软件程序中，每650μs计算加速计输出一次。在冲南昌期间，测量峰值加速度并在复位到零之前LCD上显示3秒钟，此期间，若测量到较高的冲力，则LCD显示值将做相应更新。

当检测到低g值（即1.0g）时，将不显示此值。继而进行更多取样进一步求平均以消除随机噪声和高频分量。由于摆动是低g和低频信号，所以采用多取样数以防止不稳定显示。另外，显示值不像冲力那样保持3秒钟。详细软件在此就不详述了。