基于加速度传感器的低功耗冲击记录仪的实现

文章摘要：热感式加速度传感器体积小，低功耗，工作电流应在2mA以下，主芯片接口具备标准的数字接口模式。可以提供两个方向的加速度值，采用两片即可实现三维加速度值测量。经过全面比较，本项目确定采用热感式加速度传感器，作为设计基础。低功耗芯片的选择机械式冲击记录仪特有的优势在于不发生冲击时就不工作，每振动一次， 才工作一次。而便携式冲击记录仪使用电池供电，不管是否发生冲击，都在时刻工作，因此电子元件的功耗就成为影响电子冲击记录仪的工作时间的主要问题。单片机作为电路的核心部分，对整机性能有重要的影响。经过比较研究，美国TI公司MSP430，一种采用了最新低功耗技术新型的单片机，被认为适合冲击记录仪的工作使用。M

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　　热感式加速度传感器体积小，低功耗，工作电流应在2mA以下，主芯片接口具备标准的数字接口模式。可以提供两个方向的加速度值，采用两片即可实现三维加速度值测量。经过全面比较，本项目确定采用热感式加速度传感器，作为设计基础。

　　低功耗芯片的选择

　　机械式冲击记录仪特有的优势在于不发生冲击时就不工作，每振动一次， 才工作一次。而便携式冲击记录仪使用电池供电，不管是否发生冲击，都在时刻工作，因此电子元件的功耗就成为影响电子冲击记录仪的工作时间的主要问题。

　　单片机作为电路的核心部分，对整机性能有重要的影响。经过比较研究，美国TI公司MSP430，一种采用了最新低功耗技术新型的单片机，被认为适合冲击记录仪的工作使用。MSP430工作在1.8～3.6V电压下，有正常工作模式（AM）和4种低功耗工作模式（LPM1、LPM2、LPM3、LPM4），在电源电压为3V时，各种模式的工作电流分别为 AM：340uA、LPM1：70uA、LPM2：17uA、LPM3：2uA、LPM4：0.1uA。单片机可以方便的在各种工作模式之间切换，特别适合在电池供电、便携式设备中的应用。MSP430也具有非常高的集成度，单片集成了多通道12bit的A/D转换、片内精密比较器、多个具有PWM功能的定时器、斜边A/D转换、片内USART、看门狗定时器、片内数控振荡器（DCO）、大量的I/O端口。MSP430有大容量的片内存储器，有ROM（C型）、OTP（P型）、EPROM（E型）、Flash Memory(F型)4种型号。 

    外围器件与电路有各种存储器全部采用功耗极低的VMOS芯片以实现整机极低功耗的目标。
　　
   主板电路的设计

    ■ 用双CPU设计，可大大减少硬件电路，减少繁琐的译码、逻辑变换，使得系统硬件数量减少，同时软件资源分配及设计均相对独立，易于修改程序；
　　■ 随机液晶显示屏、随机轻触式按键；
　　■ 采样频率高于每秒十万次不间断采样，不会漏过任何一次振动

；
　■ 数据永久性储存功能；即使掉电或断电，记录仪储存的数据也不会丢失；
　■ 记录仪的数据存储及显示的数据按大到小顺序排列功能，数据读取非常方便；
　■ 可连接GPS卫星定位系统、冲击数据和冲击地点位置、时间可同时显示。

　　整机的低功耗控制技术

　　有了主要的低功耗芯片，整机的低功耗控制技术的采用在设计中也是非常重要的环节。功耗的控制在这里要通过软件来实现，

　　尽量采用待机运行方式

　　单片机MSP430 有4种低功耗工作模式，节电效果显著。单片机在不需要工作时进入待机状态或掉电状态，需要工作时再唤醒。在仪器检测到较长时间的静止情况后，系统进入待机状态。开始运动后，传感器有输出，传感器输出信号前端电路变换来唤醒单片机工作。通过这种管理方式，大大地节约了在不需要工作时的功耗。有效地延长了整机一次充电的持续工作时间。

　　有效控制外围器件与电路的功耗

　　对外围器件与电路的功耗采取管理措施，使其在不工作时进入维持状态或停止供电，以降低功耗。在单片机应用系统中，存储器的功耗是比较大的，待机时将存储器状态设置为维持状态使功耗显著下降。

　　选用运算速度快的算法

　　针对本项目要处理的数据等具体问题，合理选用运算速度快、精度高的新算法，能减少CPU运行时间。

　　尽量用定时中断替代软件延时

　　在间断测量的情况下，应采用外部中断或内部定时/计数中断，不要采用软件延时，以减少CPU运行时间。单片机的外部中断源不够用时，可方便地扩充。

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