基于CC2530無線MEMS加速度傳感器設(shè)計與驗證

李志瑞+程萬里+杜章永

摘 要：針對傳統(tǒng)加速度傳感器有線、笨重的缺點，基于CC2530和MEMS（微機電技術(shù)）設(shè)計了無線MEMS加速度傳感器。首先，采用集射頻與控制器于一體的CC2530無線射頻芯片為核心，外加CC2591射頻功放芯片構(gòu)成無線發(fā)射/接收節(jié)點；其次，采用MEMS的三軸加速度傳感器KXTF9，通過I2C接口與CC2530進行通信；再次，在IAR集成開發(fā)環(huán)境下進行無線ZigBee協(xié)議棧構(gòu)建；最后，對所設(shè)計的無線MEMS加速度傳感器進行功能驗證。試驗證明：該無線加速度傳感器可實現(xiàn)遠程加速度信號采集，且具有安全可靠的無線通信功能。

關(guān)鍵詞：無線；加速度傳感器；CC2530；MEMS；ZigBee協(xié)議棧

中圖分類號：TN92.5 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）06-000-03

0 引 言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種隨無線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)的發(fā)展而建立起來的新興計算機科學(xué)技術(shù)。主要是針對短距離、低功耗、低速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有自組織、自維護特征，節(jié)點的安裝和維護非常簡便，可以在不增加單個節(jié)點成本的同時進行大規(guī)模布設(shè)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在節(jié)能、環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)控制等領(lǐng)域擁有非常巨大的潛力[1，2]。

ZigBee 技術(shù)是基于IEEE802.15.4 無線標準研發(fā)的一種新興的短距離、低速率、低功耗無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)一般由無線傳感采集節(jié)點、路由節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點組成，其中無線傳感采集節(jié)點的數(shù)據(jù)采集單元和無線RF模塊是硬件設(shè)計中的重點[3]。

加速度信號是工程測振中的主要信號，通過一次兩次積分可以非常方便地轉(zhuǎn)換成速度、位移等量。加速度傳感器廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制、航空航天、土木工程結(jié)構(gòu)檢測等[4]。

無線MEMS加速度傳感器具有體積微小、廉價、電池供電、無線通信和自組織等特性。是MEMS加速度傳感器與無線通信技術(shù)完美結(jié)合起來的創(chuàng)新，它能夠現(xiàn)場采集環(huán)境中的加速度信號，并通過無線的方式把采集到的加速度信號傳送到接收節(jié)點，從而實現(xiàn)對現(xiàn)場環(huán)境中加速度信號的精確測量，具有廣泛的應(yīng)用前景[5]。

1 無線MEMS加速度傳感器的總體結(jié)構(gòu)

采用模塊化設(shè)計思想進行設(shè)計[6]，由3軸MEMS加速度傳感器KXTF9、CC2530無線收發(fā)芯片、CC2591射頻功放芯片、電源模塊等部分組成。無線MEMS加速度傳感器的模塊圖如圖1所示。

圖1 無線MEMS加速度傳感器的模塊圖

3軸MEMS加速度傳感器KXTF9用于采集X、Y、Z方向的加速度信號；CC2530無線收發(fā)芯片內(nèi)部集成了增強型8051內(nèi)核對數(shù)據(jù)進行處理，并進行數(shù)據(jù)的無線收發(fā)；CC2591射頻功放芯片用于增強放大功率，提高傳輸距離；電源模塊給各單元模塊提供電源，保證正常工作。

2 無線MEMS加速度傳感器的設(shè)計構(gòu)成

2.1 硬件設(shè)計

KXTF9 是一款高性能、低功耗、3 軸數(shù)字I2C加速傳感器，具有集成方向、單叩擊/雙叩擊、運動監(jiān)測和檢測算法。KXTF9采集X、Y、Z方向上的加速度，內(nèi)部集成電荷功放、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波等，通過I2C總線將數(shù)據(jù)傳送給處理單元[7]。KXTF9的硬件電路連接圖如圖2所示。

圖2 KXTF9的硬件電路連接圖

CC2530是TI公司在2.4 GHz頻段推出的第二代支持IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議的片上系統(tǒng)芯片，其內(nèi)部集成了高性能射頻RF收發(fā)器、工業(yè)標準增強型8051MCU內(nèi)核等，廣泛應(yīng)用在無線通信領(lǐng)域[8]。

CC2591是高性價比和高性能的2.4 GHz RF前端，集成了開關(guān)、匹配網(wǎng)絡(luò)和平衡/不平衡電路、電感、功率放大器 （PA）以及低噪音放大器（LNA）等，與TI公司的CC2530配合使用，實現(xiàn)對低噪聲放大器和功率放大器外部數(shù)字開關(guān)信號控制[9]。CC2591的電路組成結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 CC2591電路組成結(jié)構(gòu)框圖

電源電路采用2節(jié)干電池進行供電，通過穩(wěn)壓芯片得到各芯片所需電壓。綜合各模塊電路，所設(shè)計的硬件電路如圖4所示，由CC2530和CC2591共同構(gòu)成，天線采用巴倫天線的模式進行設(shè)計構(gòu)成。

2.2 軟件設(shè)計

在硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，進行了軟件系統(tǒng)的設(shè)計。本系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要由無線MEMS加速度傳感器節(jié)點的嵌入式程序和PC機的上位機程序組成。

節(jié)點的嵌入式程序是在TI公司802.15.4MAC協(xié)議的基礎(chǔ)上設(shè)計的，可以實現(xiàn)建立網(wǎng)絡(luò)、加入網(wǎng)絡(luò)、加速度采集、數(shù)據(jù)無線傳輸、串口發(fā)送等功能。

傳感器節(jié)點上電后，系統(tǒng)進行初始化。節(jié)點接通電源開始工作后，首先監(jiān)聽信道，廣播查詢網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的請求。根據(jù)協(xié)調(diào)器的請求進行數(shù)據(jù)采集，把采集到的數(shù)據(jù)打包發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點，完成加速度數(shù)據(jù)的采集。

嵌入式程序在IAR集成編程環(huán)境下完成，IAR軟件是一種非常有效的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具，可以很方便地對802.15.4MAC協(xié)議棧進行設(shè)計[10]。程序編程界面如圖5所示。

圖5 IAR集成編程界面圖

上位機軟件采用Labview進行設(shè)計，利用計算機的串口與協(xié)調(diào)器節(jié)點相連，協(xié)調(diào)器節(jié)點可以把采集到的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到計算機中。進行實時顯示、幅頻轉(zhuǎn)換，也可以把數(shù)據(jù)存儲起來進行后續(xù)的數(shù)據(jù)分析處理。上位機Labview程序主要由VISA串口配置模塊、加速度數(shù)據(jù)處理模塊、圖形顯示模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊組成[11]。

3 試驗及結(jié)果分析

無線MEMS加速度傳感器節(jié)點設(shè)計完成后，需進行系統(tǒng)集成聯(lián)調(diào)測試其性能，看是否符合各方面的設(shè)計指標要求。

首先進行系統(tǒng)組網(wǎng)實驗，采用星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，由一個協(xié)調(diào)器節(jié)點與計算機相連作為中心節(jié)點，2個協(xié)調(diào)器節(jié)點采集加速度數(shù)據(jù)作為星型節(jié)點[12]。工作流程如下：上電后無線MEMS加速度傳感器首先進行初始化，進入無線采集加速度數(shù)據(jù)狀態(tài)；中心節(jié)點完成參數(shù)設(shè)定，發(fā)送采集數(shù)據(jù)命令；無線MEMS加速度傳感器采集加速度數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)打包，通過無線發(fā)送給中心節(jié)點，完成加速度數(shù)據(jù)的采集任務(wù)。

為驗證所設(shè)計的無線MEMS加速度傳感器能很好地采集加速度數(shù)據(jù)，并進行可靠傳輸，在標準水平振動臺shake table Ⅲ上進行水平加速度采集實驗。無線MEMS加速度傳感器水平方向布置在振動臺的中心位置處，與中心節(jié)點進行無線通信，采集水平方向的加速度信號。實驗系統(tǒng)組成如圖6所示。

圖6 加速度測試實驗系統(tǒng)組成框圖

用振動控制儀分別產(chǎn)生振動頻率為0.1 Hz、0.5 Hz，振幅為0.03 m的水平振動來模擬加速度信號，利用無線MEMS加速度傳感器采集加速度信號，對采集到的加速度數(shù)據(jù)進行Matlab處理，分析其時域與頻域特性，可以驗證無線MEMS加速度傳感器的數(shù)據(jù)準確性和可靠性。所得的時域與頻域波形圖如圖7所示。

（a） 0.1 Hz時域分析

（b） 0.1 Hz頻域分析

（c） 0.5 Hz時域分析

（d） 0.5 Hz頻域分析

圖7 時域與頻域波形圖

通過對0.1 Hz、0.5 Hz的時域與頻域比較可以看出無線MEMS加速度傳感器具有很高的可靠性，能夠很好地采集加速度振動信號，具有很高的靈敏度。

4 結(jié) 語

本文基于CC2530和三軸MEMS加速度傳感器KXTF9設(shè)計了一款無線、方便、快捷、高效的無線MEMS加速度傳感器，對其硬件與軟件設(shè)計進行介紹，并進行系統(tǒng)組網(wǎng)測試與加速度采集驗證。通過研究，結(jié)果表明：所設(shè)計的無線MEMS加速度傳感器能可靠的采集加速度數(shù)據(jù)并進行無線傳輸，適宜應(yīng)用在對振動等加速度信號采集領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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