一種基于MMA8451的振動檢測儀的設計與實現

　　摘要 MMA8451是一款低電壓供電，電容式微機械全數字式的傳感器，可測量三軸方向的加速度。基于這款高性能的傳感器，設計出主從式振動檢測儀器。文中介紹了整個電路的設計思路與組成結構，給出了作為前端傳感器在虛擬儀器中的應用，并且給出了測試結果。使用主從式對虛擬儀器進行設計，實現了預定目標并且擺脫了虛擬儀器開發對LabView的依賴。

　　關鍵詞 振動檢測;三軸加速度傳感器;虛擬儀器

　　自從美國國家儀器公司(NI)提出基于計算機技術的虛擬儀器概念以來，電子儀器得到了較大的發展。現在的虛擬儀器大多使用基于NI公司的LabView專用的PCI總線的數據采集卡，但是受PC機箱和總線限制，電源功率不足，機箱內部的噪聲電平較高，機箱內無屏蔽等諸多缺點，限制了虛擬儀器的推廣與使用。文中使用主從式虛擬儀器用以代替傳統的PCI總線的數據采集卡，主從式虛擬儀器由主機和從機兩部分組成，從機即為該振動檢測電路，完成數據的處理和數據的顯示。

　　1 從機硬件結構

　　設計基于主從式虛擬儀器的設計思想，使用單片機作為從機的控制系統，由于STC89C52RC性價比高并且應用技術成熟等特點，故采用其作為從機的控制芯片。單片機用于接收傳感器信號并進行數據處理，通過串行口發送到主機進行數據分析和顯示。這種設計的優點是既可以與筆記本計算機相連，方便野外作業，又可與臺式PC機相連，實現臺式和便攜式兩用，使用方便。基本設計思想框圖如圖1所示。

　　1.1 傳感器及其外圍電路設計

　　MMA8451數字式三軸加速度傳感器是飛思卡爾公司新推出的一款低電壓供電，電容式微機械傳感器，其最高精度可達14位。傳感器采用QFN封裝，靈活的可編程選項，擁有兩個可配置的中斷端口。其模式可選，在嵌入式系統中可大幅地節省電量，傳感器內部自帶低通濾波器功能，在作振動檢測時可以快速作出反應。在嵌入式系統應用中，靜止狀態時可以保持功耗狀態，并且器件可以由中斷信號喚醒。

　　作為一款數字式輸出的傳感器，相比于傳統的輸出模擬信號的傳感器而言，無需添加A/D轉換器，并且傳感器的集成電路自帶高通濾波器，大幅簡化了外圍電路的設計，其典型電路如圖2所示。

　　I2C協議：由于MMA8451默認使用I2C協議，所以，在此將對I2C的工作方式進行解釋。I2C總線使用3根信號線進行通信，分別是SCL、SDA和SA0，外部上拉電阻需要將SDA和SCL接到VDD的IO上，當總線空閑時，這兩根線表現為高電平狀態。MMA8451的I2C接口可工作在快速模式400 kHz或普通模式100 kHz。

　　總線傳輸開始由START信號觸發，START信號定義為，當數據線從高電平跳變到低電平，而時鐘線SCL仍然保持高電平。由主機發送START信號后，I2C總線被認為從空閑狀態進入忙狀態。緊接著START信號后主機發送的字節，前7位用于指示從機地址，第8位用于指示數據方向是讀出還是寫入。地址發送完畢后，總線上的所有從機將自己的地址和總線上接收到的地址進行比較，地址匹配的設備即為主機選中設備。第9個脈沖為應答響應，發送設備必須在這個ACK周期內釋放數據線，而接收設備則需要在ACK周期的時鐘高電平期間將數據線拉低。

　　SCL線是高電平時，SDA線由低電平向高電平切換，這個情況表示停止條件。停止條件將終止發送器的發送。

　　1.2 單片機STC89C52RC

　　從機的核心部件采用宏晶科技推出的新一代高速、低功耗、超強抗干擾的單片機STC89C52RC，指令代碼完全兼容傳統8051單片機，其性能與可靠性完全滿足本次設計的需求。工作時的基本參數為：工作頻率范圍，0～40 MHz，相當于普通8051的0～80 MHz，實際工作頻率可達48 MHz;用戶應用程序空間為8 kByte;12時鐘/機器周期和6時鐘/機器周期可以任意選擇;片上集成512 Byte RAM;ISP/IAP，無需專用編程器，無需專用仿真器，可通過串口直接下載用戶程序，具有EEPROM功能;具有看門狗功能;共3個16位定時器/計數器。

　　1.3 5 V轉3.3 V電源電路

　　由于現今晶體管尺寸在持續減小，電路集成度越來越高，晶體尺寸也隨之減小。導致晶體管擊穿電壓也變更低，但當擊穿電壓低于電源電壓時，則要求減小電源電壓。對于MMA8451電路而言，就是用3.3 V電源。

　　由于單片機的速度和復雜性，使之達到了足以要求降低電源電壓的程度，并正在向5 V電源電壓以下轉換。但絕大多數接口電路仍然是為5 V電源而設計的。為使MMA8451電路正常工作，需要將5 V電源轉換為3.3 V。另外，這個任務不僅包括邏輯電平轉換，同時還包括為3.3 V系統供電、電壓電流穩定問題、轉換模擬信號使之避開從5～3.3 V的障礙。

　　設計采用LM1117電路，LM1117是一個低壓差三端可調穩壓集成電路。其壓差在1.2 V輸出，電流為800 mA時為1.2 V。LM1117有可調電壓的版本，通過兩個外部電阻可實現1.25～13.8 V輸出電壓范圍。另外還有5個固定電壓輸出的型號。

　　LM1117的典型應用如圖3所示，在電路中，輸出端需要一個至少10μF的鉭電容來改善瞬態響應和穩定性。

　　1.4 通信電平轉換電路的選擇

　　由于MMA8451的輸出數據速率為1.56～800 Hz，所以在這種速率的傳輸模式下，使用這種接口簡單、使用方便、價格低廉的串口通信方式，成為一種合理的選擇，由于單片機STC89C52RC采用TTL電平，但PC機的串行口使用RS-232的電平，所以單片機與電腦不能直接連接，首先必須進行RS-232電平與TTL電平的轉換。所以在本設計中使用MAX232作為通信電平轉換芯片。

　　2 振動檢測電路的軟件設計