王长海毕业设计方案.doc

目录0 前言21 绪论41.1 设计背景41.1.1 国内外汽车检测设备发展概况51.1.2 汽车四轮定位检测技术发展概况61.1.3 汽车车轮定位参数对汽车性能的影响71.2 设计目的72 硬件系统设计92.1 倾角仪总体设计92.2 单片机单元设计102.1.1 单片机选型。102.1.2 LPC2132芯片引脚122.1.3 LPC2132 结构框图132.1.4 单片机电源模块设计142.1.5 系统复位电路模块152.1.6 数据标准转换电路162.1.7 JTAG接口电路162.1.8 系统时钟电路172.3 10位A/D转换器182.3.1 10位A/D转换器特性182.3.2 A/D寄存器描述202.3.3 基本操作212.4 传感器单元设计212.4.1 加速度传感器选型212.4.2.MMA7260结构及原理242.4.3 MMA7260量程选择272.4.4 MMA7260 引脚定义272.4.5.MMA7260 与单片机LPC2132电气连接图282.5 显示单元设计292.5.1 液晶显示选型。292.5.2 1602外形尺寸/显示内容322.5.3 1602电参数322.5.4 1602接口说明322.5.5 1602液晶与LPC2132使用连线图332.6 键盘单元设计342.6.1键盘选型342.6.2定时器键盘扫描方式原理372.6.3按键判断表393软件系统设计403.1 软件系统总体设计403.2 开发调试环境413.3 GPIO设置433.4数据采集模块设计453.4.1 采集流程图453.4.2 程序设计473.5 液晶显示模块程序设计：503.5.1 1602读写时序503.5.2 1602指令表513.5.3 程序设计523.6小结554 实验装置机械系统设计564.1方案设计574.2结构方案设计605 试验结果与分析625.1 试验结果625.2 实验系统误差分析625.2.1实验支架误差分析625.2.2倾角仪误差分析635.2.3 提高单片机可靠性的措施646技术经济分析666.1 技术经济定义666.2技术经济评价667 使用说明697.1 结构简介697.2 使用说明697.3 注意事项698 结论708.1本课题主要工作：708.2课题还需要进一步做的工作：70致谢72参考文献73附录A74附录B890 前言 本文介绍了倾角传感器的实验装置设计，重点介绍倾角仪设计，使用方面的问题及在汽车四轮定位方面的应用。倾角仪广泛应用在需要精确测量水平，垂直等倾角的场合。传感器位于信息系统的最前端，其性能的好坏，输出信息的可靠性对整个系统至关重要。当它和微电子技术与微处理技术结合后，出现了智能化的倾角仪。智能化倾角仪是把微处理器的处理和控制功能引入到传统意义上的传感器中，具有以下优点:(1)具有自校零、自标定、自校正功能:(2)具有自动补偿功能;(3)能够自动采集数据，并对数据进行预处理;4)能够自动进行校验，自选量程，自寻故障;(5)具有数据存储、记忆与信息处理功能:(6)具有双向通信能力，标准化的数字输出或符号输出功能。本倾角仪是基于单片机技术的倾角仪，硬件部分主要以LPC2132微处理器为处理芯片，MMA7260Q加速度传感器提供模拟信号输入，并由单片机控制1602液晶显示模块输出显示测量结果，通过逻辑电路的设计，接口电路的连接来达到要求。并对输出结果进行分析，算出仪器的精度和误差。机械部分即实验支架则完成模拟倾斜角度。软件部分则以Rearview MDK为编程和调试软件，主要用C语言编程，汇编语言加以辅助。程序则包含了硬件的初始化程序及控制输入、输出信号的程序。下面是各章的内容概括：第一章，绪论，介绍了本实验装置的设计背景及目的第二章，从这一章便开始了具体的设计工作，本章内容为硬件部分设计，包括单片机单元设计，传感器单元设计，显示单元设计和键盘设计。第三章，本章为软件系统设计。由于本设计是基于单片机的设计，所以软件部分是不可或缺的，而且是关键部分。没有软件的硬件是没有任何用处的。第四章，倾角仪的设计已经完成，由于本设计为实验装置设计，所以机械系统部分也是不能少的，也就是本设计中的实验支架。 第五章，试验结果与分析，一个设计性能的好坏及影响因素以及如何改善系统，是每个设计者必须重点考虑的。第六章，设计完成后，如何评价设计的好坏，这时便需要对它进行经济技术分析，只有经济技术性好的设计才值得推广。第七章，使用说明。第八章，结论。针对目前国内使用的测斜仪器大都从国外进口，价格偏高，因此我们结合实际生产中的科研课题，开展大量的理论研究，设计一种基于ARM7TDMI-2132单片机技术的定向装置。它是一种三自由度定位装置，由加速度传感器MMA7260、1602液晶显示和LPC2132单片机组成，采用内置单片机做数据处理，并对采集到的数据进行修正来减小甚至消除多种误差的影响。该定向装置充分利用了单片机在微机控制中的优势与作用由于采用全固态传感器，该装置具有精度高、性能稳定、体积小、价格低廉、功耗低等特点。因此该传感仪有很大的市场，该实验装置的设计便有了很大的价值。1 绪论1.1 设计背景随着汽车工业的不断发展，汽车成为了人们工作与生活中必不可少的交通工具。它为人类造福的同时，也带来诸如交通安全、环境污染等问题。造成汽车运行性能不佳的原因是多方面的。首先，汽车本身是一个复杂的光机电一体化系统，随着行驶里程的增加、使用时间的延续，其技术状况必然发生改变，出现动力性下降、经济性变差、安全性降低等问题，严重影响汽车经济效益和运输效率的发挥，甚至威胁到生命安全。因此要借助各种手段保持汽车良好的技术状态，其中定期对车辆进行性能检测就是使运行技术状态受控的一种措施。其次，如果汽车性能检测设备的量值不准，自身的技术指标不合格，也就谈不上去开展汽车的安全性能检测。遗憾的是国内这种现象普遍存在，由它检测汽车存在着一定的不安全因素和事故隐患，由此而引发的事故也必然增多。1.1.1 国内外汽车检测设备发展概况汽车在运行过程中，其技术状况将随着行驶里程的增加而不断发生变化，使用性能也将逐渐下降。汽车检测技术就是以研究汽车技术状况变化规律为基础，合理制定检测规范、检测参数和检测标准，充分利用现代化检测手段，在汽车不解体的条件下迅速准确地反映汽车各机构、系统、零部件的技术状况和使用性能，查找故障或隐患所在，采取相应的预防保修措施，以确保车辆在良好的技术状况下运行，从而延长汽车的使用寿命，提高运输能力，降低生产成本，节约能源，减少对环境的污染，保证车辆安全行驶。汽车检测技术是从无到有发展起来的，早在50年代一些工业发达国家就形成以故障诊断和性能调试为主的单项检测技术并生产一些单项检测设备。60年代初期进入我国的汽车检测试验设备有美国的发动机分析仪、英国的发动机点火系故障诊断仪和汽车道路试验速度分析仪等，这些都是国外早期发展的汽车检测设备。60年代后期，国外汽车检测诊断技术发展很快，并且大量应用电子、光学、物理、化学与机械相结合的光机电、理化机电一体化检测技术。例如：非接触式车速仪、前照灯检测仪、车轮定位仪、尾气分析仪等。进入70年代以来，随着计算机技术的发展，出现了汽车检测诊断数据采集处理自动化、检测结果直接打印等功能的汽车性能检测仪器和设备。在此基础上，为了加强汽车管理，各工业发达国家相继建立汽车检测站和检测线，使汽车检测制度化。工业发达国家的汽车检测有一整套标准。以标准中规定的数据为准则，判断受检汽车技术状况是否良好，检查结果有量化的指标，以避免主观上的误差。除对汽车检测结果有严格完整的标准外，对检测设备也有标准规定，如检测性能、具体结构、检测精度等都有相应标准。对检测设备的使用周期、技术更新等也有具体要求。由于检测技术、设备的标准化，不仅提高了检测效率，也有效保证了检测质量。我国从60年代开始研究汽车检测技术，为满足汽车维修的需要，交通部主持进行了气缸漏气量检测仪、点火正时灯等检测仪器的研究开发。70年代，我国大力发展了汽车检测技术，其中汽车不解体检测技术及设备被列为国家科委的开发应用项目。由交通部主持研制开发了反力式汽车制动试验台，惯性式汽车制动试验台，发动机综合检测仪，汽车性能综合检验台。进入80年代以来，我国的汽车诊断和检测技术得到了很大的发展。交通部主持研制开发了汽车制动试验台、侧滑试验台、轴重仪、速度试验台、灯光检测仪、发动机综合分析仪、底盘测功机等。国家在“六五”期间重点推广了汽车检测与诊断技术。与此同时，国家开始有计划地在全国筹建汽车检测站，到目前为止，全国已建成数千条汽车检测线。目前，全国生产汽车检测设备的厂家已达60多个，除交通部门外，机械、城建、高等院校等部门也进入了汽车检测设备的研制、开发、生产、销售领域。我国已能自己生产全套汽车检测设备，如技术复杂的汽车底盘测功机、发动机综合分析仪、四轮定位仪、悬架检测仪、尾气分析仪、前照灯检测仪等等。11.1.2 汽车四轮定位检测技术发展概况为保证汽车的操纵稳定性，汽车的车轮、转向节和车轴三者之间的安装具有一定的相对位置，这种具有一定相对位置的安装称为前轮定位。前轮定位包括主销后倾、主销内倾、前轮外倾和前轮前束四个内容。对两个后轮来说也同样存在与后轴之间安装的相对位置，称为后轮定位。后轮定位包括后轮外倾和后轮前束。前轮定位和后轮定位总称四轮定位。车辆在出厂时，定位角度都是根据设计要求预先设定好的。这些定位用来共同保证车辆驾驶的舒适性和安全性。但是，车辆在行驶一段时间后，这些定位角度会由于交通事故、道路坑洼不平造成的剧烈颠簸、底盘零件磨损更换底盘零件、更换轮胎等原因而产生变化。一旦定位角度产生变化，就可能导致诸如轮胎异常磨损、车辆跑偏、安全性下降、油耗增加、零件磨损加快方向盘发沉等故障。因此，进行四轮定位参数检验，使其处于合理范围内，对提高汽车的安全性及经济性有重要意义。国外针对车轮定位检测技术的研究较早，50年代就研制了相应的检测诊断设备，如美国、法国、德国、荷兰、日本以及意大利等，发展至今其自动化程度、精度都有了很大的提高。我国在这方面的研究起步较晚，从60年代开始引进台架式四轮定位仪，80年代初，由武汉汽车研究所研制成功并投产了GCD-型光束水准式前轮定位仪，但其自动化程度低，测量过程复杂，精度、效率较低，仪器功能不健全只能测量传统的四个参数：前束、外倾、主销内倾及主销后倾。到90年代末国内厂家开始大量生产四轮定位仪，如营口玄豹的SDH3000，营口大力的DL-4800，烟台海德的HC4800，北京车安的AS-888等，但都处于探索阶段，推出的产品大都不太成熟。至今能普及使用的、精度较高的国产自动化设备比较少，许多厂家是通过购买国外的传感器及软件的方式在国内进行组装生产，没有形成自己的知识产权，导致产品质量参差不齐。造成这种局面的原因首先是在汽车检测领域的科研人员对先进的电子、激光、红外以及计算机技术了解较少，而这方面的科研人员又对汽车检测理论认识不够。当前担当车轮定位检测的仪器大部分为“四轮定位仪”，检测时四轮定位仪先测量出汽车现时的四轮定位参数，然后由计算机自动与相应车型的存储值对比，对汽车四轮定位算出偏差值，维修人员按照定位仪的提示进行修正就可以恢复原状了。现代高档四轮定位仪由软件系统和硬件系统两部分组成：软件系统主要包括：客户信息管理数据库；国内外各类汽车生产厂、年代、及型号的原始定位参数；车辆预检查及其定位故障诊断；标定调校程序等，程序运算、执行、数据存储和输出通过高档计算机、CD-ROM及打印设备完成。硬件系统除了计算机及外设，主要还包括:车轮倾角检测用的传感器和配套安装夹具，调整标定设备、加速度传感器、遥控操作器等。21.1.3 汽车车轮定位参数对汽车性能的影响车轮定位角度是存在于悬架系统和各活动机件间的相对角度，保持正确的车轮定位角度可确保车辆直线行驶，改善车辆的转向性能，确保转向系统自动回正，避免轴承因受力不当而受损失去精度，还可以保证轮胎与地面紧密接合，减少轮胎磨损、悬架系统磨损以及降低油耗等。汽车悬架系统主要定位角度包括：车轮外倾、车轮前束、主销后倾、主销内倾、推力角等。31.2 设计目的 自从改革开放以来，我国的经济取得了巨大的腾飞，我国人民的生活质量逐渐提高，汽车的数量也呈现了指数式的增长，因此，对于汽车的检修，测量设备成为不可或缺的需求。然而，目前，我国的四轮定位设备，高精度的主要是国外进口，国内生产的，无论是从稳定性还是从精度上，跟国外的差距是显而易见的。因此，提高我国四轮定位仪的质量现在已经是刻不容缓。中国要走向世界，让世界不再说中国只是一个制造大国，而不是一个制造强国，我们必须奋起直追，努力发展我国的自主产权。本设计是基于单片机的倾角传感器的实验装置设计，可以看作是一个不完整的四轮定位仪，如果通过通讯设备把测量结果送入上位机，通过上位机对测量角度进行分析，便可以看作一个简单的四轮定位仪了。本设计力求把电子技术与汽车的检测理论和机械理论知识结合起来，完成精确的角度测量，模拟测量汽车四轮定位所需测量的各个角度，给汽车的四轮定位角度准确做出判断。本实验装置设计，虽然只是在实验室完成测量，但却有其非常大的实用性。本实验装置主要有两部分组成：倾角仪和实验支架。倾角仪测量角度，实验支架模拟四轮定位的各种角度。实验装置非常简单，易于制造和生产，易于国产化。2 硬件系统设计从本章开始将进行实验装置的硬件系统设计，也就是倾角仪的硬件部分设计。嵌入式系统 (Embedded System)是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及一些特定的应用程序组成，用于实现对其它设备的控制、监视或管理功能。本实验装置设计就是一个典型的嵌入式系统设计，主要包括四个部分：单片机单元设计；传感器单元设计；液晶显示单元设计；键盘单元设计。本章是硬件系统设计，每个单元将分别对所用元件进行选型，详细介绍所用元件的详细资料，使用方法以及与单片机的连线图的设计。通过本章的设计，倾角仪的硬件设计将全部完成。实验支架的设计将在机械系统设计部分完成。2.1 倾角仪总体设计总体设计是系统设计内部设计的主要任务之一，也是进行系统技术设计的依据。总体设计对机构的性能、尺寸、外形、质量及生产成本具有重大影响。因此总体设计时必须在保证实现已定方案的基础上，尽可能考虑与人-机-环境、加工装配、运行管理等外部系统的联系，使实验系统与外部系统相协调和适应，以求设计更臻完善。总体设计考虑的基本问题：产品的技术性能、经济性能和美学性能。技术性能包括生产率、精度、强度和刚度、可靠性、使用寿命、操作安全性、环境因素等；经济性能包括：效率、使用经济性、成本、制作维修简便程度、外形尺寸和重量等；美学性能包括：造型、色泽等。本实验装置主要分为两个部分，一部分是倾角仪的设计，是本实验装置的主要部分，倾角仪的性能好坏直接影响测量结果以及本实验装置的实用性。另一部分是实验支架，主要是为倾角仪的使用提供测量环境，模拟四轮定位的各种角度，本部分的设计关键是保证设计的合理以及加工精度。将在机械系统设计中进行论述。倾角仪相当于四轮定位仪的下位机，能够测量角度并显示出来。此倾角仪不包含四轮定位仪上位机中的数据库，只是把测量结果显示出来。另外还有一个报警设置，当出现异常情况时，发出警报，停止测量。本实验装置设置一蜂鸣器，当出现异常情况时，发出声音，以示警告。倾角仪硬件总体框图如下：图2-1 总体框图Fig2-1 overall diagram倾角仪的设计是本实验装置的关键部分。主要有四部分组成：单片机，加速度传感器，液晶显示，键盘。只要把这四个部分设计连接好，就可以完成倾角的测量，实现本实验装置的要求和目的。首先应该对这四个部分进行选型。每个部分在市场上都有许多种产品，选择哪个公司的产品，选择这个公司的哪种产品，对于一个设计来说，都必须有你选择的理由，因为最适合你的设计的才是最好的。下面就这四个部分的型号一一进行选择。2.2 单片机单元设计 2.1.1 单片机选型。本试验装置是基于单片机设计的，单片机是整个倾角仪的大脑中枢，数据的采集和输出都是由它控制。嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器，目前据不完全统计，全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1000多种，流行体系结构有30几个系列。但与全球PC市场不同的是没有一种微处理器和微处理器公司可以主导嵌入式系统，仅以32位的CPU而言，就有100种以上嵌入式微处理器。由于嵌入式系统设计的差异性极大，因此选择是多样化的。本实验装置拟采用ARM系列的LPC2132单片机。1）ARM（Advanced RISC Machines）是微处理器行业的一家知名企业，设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件。技术具有性能高、成本低和能耗省的特点。ARM将其技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和OEM厂商，每个厂商得到的都是一套独一无二的ARM相关技术及服务。利用这种合伙关系，ARM很快成为许多全球性RISC标准的缔造者。目前，总共有30家半导体公司与ARM签订了硬件技术使用许可协议，其中包括Intel、IBM、LG半导体、NEC、SONY、菲利浦和国民半导体这样的大公司。至于软件系统的合伙人，则包括微软、升阳和MRI等一系列知名公司。5ARM架构是面向低预算市场设计的第一款RISC微处理器。2）ARM微处理器的特点 采用RISC架构的ARM微处理器一般具有如下特点： a、体积小、低功耗、低成本、高性能； b、支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好的兼容8位/16位器件； c、大量使用寄存器，指令执行速度更快； d、大多数数据操作都在寄存器中完成； e、寻址方式灵活简单，执行效率高； f、指令长度固定；3）LPC2132 主要特征16/32 位ARM7TDMI-S 核，超小LQFP64 封装。8/16/32kB 的片内静态RAM 和32/64/128/256/512kB 的片内Flash 程序存储器。128 位宽度接口/加速器可实现高达60 MHz 工作频率。通过片内boot 装载程序实现在系统编程/在应用编程（ISP/IAP）。单个Flash 扇区或整片擦除时间为400ms。256 字节行编程时间为1ms。Embedded ICE RT 和嵌入式跟踪接口通过片内Real Monitor 软件对代码进行实时调试和高速跟踪。1个（LPC2131/32）或2个（LPC2134/36/38）8 路10 位的A/D 转换器，共提供16 路模拟输入，每个通道的转换时间低至2.44us。1个10 位的D/A 转换器，可产生不同的模拟输出。（LPC2132/34/36/38）2个32 位定时器/外部事件计数器（带4 路捕获和4 路比较通道）、PWM 单元（6 路输出）和看门狗。低功耗实时时钟具有独立的电源和特定的32kHz 时钟输入。多个串行接口，包括2个16C550 工业标准UART、2个高速I2C 总线（400 kbit/s）、SPI 和具有缓冲作用和数据长度可变功能的SSP。向量中断控制器。可配置优先级和向量地址。小型的LQFP64 封装上包含多达47个通用I/O 口（可承受5V 电压）。多达9个边沿或电平触发的外部中断管脚。通过片内PLL（100us 的设置时间）可实现最大为60MHz 的 CPU 操作频率。片内集成振荡器与外部晶体的操作频率范围为130 MHz，与外部振荡器的操作频率范围高达50MHz。低功耗模式：空闲和掉电。单电源，具有上电复位（POR）和掉电检测（BOD）电路。CPU 操作电压范围：3.0V3.6 V (3.3 V 10)，I/O 口可承受5V 的电压。综上所述，LPC21312具有众多优点，低功耗，兼容性好，这都是本实验装置所需要的。另外，指令集丰富、大量使用寄存器，为倾角仪的升级提供了方便。选择ARM系列的LPC2132是本实验装置的最佳选择。单片机设计单元主要构成部分有单片机LPC2132最小系统电路，数据标准转换电路，电源电路，系统手动复位监控电路，系统时钟电路，JTAG接口电路。单片机的设计主要是单片机引脚的选择以及寄存器的设置，所以设计之前必须对所使用的单片机性能有透彻的理解，对单片机引脚描述以及寄存器的使用有准确的认识，以便能够正确的，合理的利用单片机的资源。2.1.2 LPC2132芯片引脚单片机的主要任务就是从计算机串口下载算法及数据，在单片机内进行处理后，手动开关转为运行模式后，就可以检测各引脚状态，单片机已经将64个引脚引出，方便调试。P0、P1口都是一个32位双向I/O口，每位的方向可单独控制。P0口共有31个引脚，但P0.31仅为输出口，P0.24未用。除用作A/D输入的引脚外，所有P0引脚最大可承受5V的电压。如图2-2所示。图2-2 LPC2132引脚Fig2-2 pin of LPC21322.1.3 LPC2132 结构框图 LPC2132方框图如图2-3，LPC2132包含一个支持仿真的ARM7TDMI-S CPU、与片内存储器控制器接口的ARM7局部总线、与中断控制器接口的AMBA高性能总线AHB（Advanced High-performance Bus）和连接片内外设功能的VLSI外设总线VPB(VLSI Peripheral Bus)。AHB与VPB通过桥相连。LPC2132的外设功能都连接到VPB总线。片内外设与器件引脚的连接由引脚连接模块控制，以符合外设功能与引脚在特定应用中的需求。图2-3微控制器LPC2132结构框图Fig2-3 LPC2132 microcontroller structure diagram2.1.4 单片机电源模块设计微控制器内核和I/O使用统一电源电压，只需工作电压为3V。本系统实验装置采用5V供给单片机。由USB接口输入5V直流电源，经转换电路转换为3.3V。系统电路图如图2-4 所示，SPX1117M3-3.3的特点是输出电流大，输出电压精度高，稳定性好。SPX1117系列LDO芯片输出电流可达800mA，输出电压的精度在1以内，还具有电流限制和热保护功能。10图2-4电源Fig 2-4 Power Development Board2.1.5 系统复位电路模块由于ARM芯片的高速、低功耗和低工作电压导致其噪声容限低，对电源的纹波、瞬态相应性能、时钟源的稳定性和电源监控可靠性等诸多方面也提出更高的要求。本次的设计开发平台的复位电路使用了带I2C存储器的电源监控芯片CAT1025，提高了系统的可靠性，电路图如图2-5所示。图2-5 系统复位电路Fig.2-5 System reset circuit在图2-5中，信号nRST连接到LPC2132芯片的复位脚。当复位键RST按下时，CAT1025的引脚立即输出复位信号，使LPC2132芯片复位。2.1.6 数据标准转换电路由于系统电源是3.3V，所以应该用MAX3221E（3V至5.5V单通道RS-232线驱动器/接收器）进行RS-232电平转换，转换电路如图2-6所示。MAX3221包含一个线驱动器一个线接收器和一个带有15kV ESD保护的双电荷汞，该器件可满足TIA/EIA-232-F要求并在一个异步通信控制器和串行端口连接器之间提供接口电荷汞和四个小型外接电容器可在单路3V至5.5V电源电压下工作这些器件在数据信号率达到250 k bit/s且最大的30V/ s驱动输出回转率时工作。图2-6 RS-232数据标准转换电路接口Fig.2-6 RS-232 data interface standards converter circuit 2.1.7 JTAG接口电路采用ARM提出的标准20脚JTAG仿真调试接口，JTAG信号的定义与LPC2132的连接如图2-7所示。图中，JTAG接口上的信号nRST 连接到LPC2132芯片的引脚，以达到控制LPC2132内部JTAG接口电路复位的目的。根据LPC2132的应用手册说明，在RTCK引脚接一个4.7K的下拉电阻，使系统复位后LPC2132内部的JTAG接口使能，这样就可以直接进行仿真调试了。图2-7 JTAG仿真调试接口Fig.2-7 JTAG Debugging Interface Simulation2.1.8 系统时钟电路LPC2000系列ARM7微控制器可使用外部晶振或外部时钟源，内部PLL电路可调整系统时钟，使系统运行速度更快（CPU最大操作时钟为60MHz）。若不使用片内PLL功能及ISP下载功能，则外部晶振频率为130 MHz，外部时钟频率为150 MHz。若使用了片内PLL功能或ISP下载功能，则外部晶振频率为1025 MHz，外部时钟频率为1025MHz。实验开发平台使用了外部11.0592 MHz晶振，如图2-8所示。用11.0592 MHz晶振的原因是使串口波特率更精确，同时支持LPC2312为控制器芯片内部PLL功能和ISP下载功能。图2-8 系统时钟电路Fig.2-8 System clock circuit以上介绍了主控芯片 LPC2132 的芯片属性和主要功能模块，给出应用这一芯片对本系统的积极作用。最后还要介绍一个非常重要的部分，那就是A/D转换。LPC2132本身就包含1 个模-数转换器。A/D转换器ADC的基本时钟由VPB时钟提供。每个转换器包含一个可编程分频器，可将时钟调整至逐次逼近转换所需的4.5MHz（最大），完全满足精度要求的转换需要11个转换时钟。基于A/D转换部分的重要性，将拿出一整节的篇幅去介绍。下面详细介绍一下A/D转换部分，它是本实验装置实验精度能够得以保证的关键。15172.3 10位A/D转换器A/D转换器，或简称ADC，通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小。而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。模数转换器最重要的参数是转换的精度，通常用输出的数字信号的位数的多少表示。转换器能够准确输出的数字信号的位数越多，表示转换器能够分辨输入信号的能力越强，转换器的性能也就越好。它们是简单的带8 路输入的10位逐次逼近模数转换器。启动A/D转换的方式非常灵活，既可以单路软件启动，也可以设置为BURST模式对某几路信号逐个循环采样。与其他LPC2000系列单片机相比，LPC2132增加了独立的基准电压源引脚，这对提高转换精度很有利。2.3.1 10位A/D转换器特性1）A/D转换器特性l 1个10位逐次逼近式模数转换器l 测量范围是03.3Vl 8个引脚复用为输入脚l 10位转换时间小于2.44l 一个或多个输入的Burst转换模式l 可选择由输入跳变或定时器匹配信号触发转换l 掉电模式2）引脚描述若需要使用A/D转换功能，需要进行正确的引脚连接设置。为了降低噪声和出错几率，模拟电源和数字电源应该隔离。如下图所示的电路中，模拟电源+3.3和数字电源+3.3之间以及模拟地和数字地之间，均用10 uF 的电感进行隔离。表2-1 A/D引脚描述Tab 2-1 A/D pin description 引脚名称类型引脚描述Ain7:0AD0.0/P0.27AD0.1/P0.28AD0.2/P0.29AD0.3/P0.30AD0.4/P0.25AD0.5/P0.26AD0.6/P0.4AD0.7/P0.5输入模拟输入。A/D转换器单元可测量输入单元的电压Vref参考电压该引脚连接到A/D转换器的Vref信号VDDA,VSSA电源模拟电源和地。分别与标称值为VDD和VSS的电压相同，为了降低噪音和出错几率，两者应当隔离。 图2-9 模拟地与数字地隔离原理图Fig2-9 the isolation principle of analog ground and digital ground2.3.2 A/D寄存器描述A/D转换器的基址是0xE0034000.A/D转换器包含两个寄存器，如表所列，寄存器功能框图如图所示。表2-2 A/D寄存器Tab.2-2 A/D registers名称描述访问复位值AD0地址&名称ADCRA/D控制寄存器器。A/D转换开始前，必须写入ADCR寄存器来选择工作模式读/写0x000000010xE0034000AD0CRADDRA/D数据寄存器器。该寄存器包含ADC的DONE位（当DONE位为1时）和10位的转换结果读/写NA0xE0034004AD0DR A/D控制寄存器ADCR预分频计数器A/D转换控制电路A/D转换结果ADDR15：6转换结束标志位ADDR的bit31AIN0AIN7 图2-10 A/D模块的寄存器功能框图Fig2-10 the register function of A/D module2.3.3 基本操作1）硬件触发转换 如果ADCR的BURST位为0且START字段的值包含010111之内，当所选引脚（P0.16或P0.20）或定时器匹配信号(MAT0.1/MAT0.3/MAT1.0/MAT1.1)发生跳变时，A/D转换器启动一次转换。也可选择在四个匹配信号中任选一个的指定边沿转换，或者在2个捕获、匹配引脚中任何一个的指定边沿转换。将所选端口的引脚状态或所选的匹配信号与ADCR位27相“异或”，所得的结果用作边沿检测逻辑。2）时钟产生时钟分频器在A/D转换器空闲时保持复位状态，在ADCR的START字段被写入01（立即启动转换）或所选信号上时，可立即启动采样时钟。这个特性可以节省功率，尤其适用于A/D转换器很少使用的场合，3）中断当DONE位为1时，AD转换模块向向量中断控制器（VIC）发出中断请求。如果VIC中VICIntEnable的Bit8（A/D转换中断使能位）使能，则会产生中断。读取ADDR将清零DONE位。4)精度和数字接收器当A/D转换器用测量Ain脚的电压时，可以不理会引脚在引脚选择寄存器中的设置，但通过禁止引脚的数字接收器来选择Ain功能可以提高转换精度。当引脚用作A/D转换器输入时，不论引脚选择何种功能，都仍可用作A/D输入，A/D输入可随时被读取，引脚的电压变化都从A/D 的读取值中反应出来。但是，只能选择模拟输入功能，才能读出有效的模拟值。也只有在这种情况下，引脚和A/D之间的接口电路才有效。在其他情况下，执行数字功能所必须的数字逻辑部分将有效，从而影响A/D转换器的正确操作。162.4 传感器单元设计2.4.1 加速度传感器选型传感器是信息系统的第一道门坎,担负着采集(摄取)信息的任务。它像人的眼睛，又像冲锋打仗的战士，它决定了整机的硬指标及最后的胜利的结果。目前，世界上的传感器技术发展飞快。随着微电子技术、光电子技术的迅速发展和工艺成熟,促进了微传感器、智能传感器、MEMS 器件等新一代先进传感器的发展。 本倾角仪拟选取的FreescaleMMA7260加速度传感器就是目前市场上的佼佼者。倾角传感器经常用于系统的水平测量，从工作原理上可分为“固体摆”式、“液体摆”式、“气体摆”三种倾角传感器。 就基于固体摆、液体摆及气体摆原理研制的倾角传感器而言，它们各有所长。在重力场中，固体摆的敏感质量是摆锤质量，液体摆的敏感质量是电解液，而气体摆的敏感质量是气体。气体是密封腔体内的唯一运动体，它的质量较小，在大冲击或高过载时产生的惯性力也很小，所以具有较强的抗振动或冲击能力。但气体运动控制较为复杂，影响其运动的因素较多，其精度无法达到军用武器系统的要求。 固体摆倾角传感器有明确的摆长和摆心，其机理基本上与加速度传感器相同。在实用中产品类型较多如电磁摆式，其产品测量范围、精度及抗过载能力较高，在武器系统中应用也较为广泛。液体摆倾角传感器介于两者之间，但系统稳定，在高精度系统中，应用较为广泛，且国内外产品多为此类。现有的重力加速度传感器有多种工作方式，如压阻式、力平衡式、电容式、压电式、热流式、谐振式、隧道式等。压阻式和压电式加速度传感器的结构、制作简单但温漂较大，灵敏度较差;力平衡式加速度传感器的灵敏度较高，但结构复杂:热流式加速度传感器利用热对流原理，由于没有可动部件因而器件可靠性较高，但灵敏度一般，温漂较大;谐振式加速度传感器利用测频原理直接输出数字信号，其灵敏度较高，但配套电路设计复杂，对器件封装有特殊的要求;隧道式加速度传感器利用粒子的隧穿效应，可以达到很高的测量灵敏度，但制作复杂，有特殊的表面光洁要求，温漂也较大。6飞思卡尔半导体率先推出业界第一款三轴向高灵敏度加速度传感器MMA7260Q。MMA7260Q能在XYZ三个轴向上以极高的灵敏度读取低重力水平的坠落、倾斜、移动、放置、震动和摇摆，它是同类产品中的第一个单芯片三轴向加速器。 便携式电子产品功能的增加推动了对数据驱动器存储的需求，设计员正在寻找占用较小板卡空间的改进保护系统。MMA7260Q能在XYZ三个轴向上以极高的灵敏度读取低重力水平的坠落、倾斜、移动、放置、震动和摇摆，它是同类产品中的第一个单芯片三轴向加速度传感器。 1）MEMS传感器是面向加速和压力传感器市场的支持技术。飞思卡尔将非常小的电子和机械组件包含在一个封装中，做成了MEMS传感器。封装还整合了集成电路(IC)。当MEMS感应、处理或控制周围环境时，它使系统的一部分能够进行信息处理。传感器适用于需要测量因倾斜、移动、定位、震动或摆动而产生的各种力，或者测量压力、高度、重量和水位的最终产品以及嵌入式系统。 MMA7260Q是一款单芯片设备，具有三轴向检测功能，使便携式设备能够智能地响应位置、方位和移动的变化。它的封装尺寸很小，只需较小的板卡空间，另外还提供快速启动和休眠模式。这些特性使MMA7260Q成为采用电池供电电子产品的理想之选，包括PDA、手机、3D游戏和数码相机等。2)全方位感知 由于MMA7260Q传感器能在三个轴向上灵敏地准确测量到低重力水平的坠落、倾斜、移动、放置、震动和摇摆，各个行业的设计工程师都能得以致用。3)实现最佳效果的开发工具 MMA7260Q的设计开发工具可为不同设计提供所需的各种组件。除了使用MMA7269Q传感器的加速器解决方案外，参照设计工具包还包括1个MCU、1个SCI接口、1个按钮、piezohotn和1个带有应用代码的串口连接及软件。 KIT3109MMA7260Q是一个针对MMA7269Q的完整硬件环境评估套件，它提供一个稳定的平台来帮助您开发和测试全新的MA7260Q三轴向传感器，可以使产品加快上市速度。4)MMA7260Q的特性 XYZ：在一个设备中提供三轴向检测灵敏度。 可选灵敏度：15 g、2 g、4 g和6 g。 低功耗：500 A。 休眠模式：3 A，是电池供电的手持电子产品的理想之选。 低压运行：2236 V。 快速启动：1ms。 低噪音：达到更高的分辨率、更高的精确度。 封装：16引脚6 mm6 mm145 mm方体扁平封装(QFN)。5)MMA7260Q的优点 为多功能应用提供灵活的可选量程：包括15 g、2 g、4 g和6 g。 功耗低，可延电池使用寿命。 开机响应时间短。 最适合电池供电手持设备的休眠模式。 组件数量少，节约成本和空间。 噪音低、灵敏度高。 自适应功能。 频率及解析度高，提供精确的坠落、倾斜、移动、放置、震动和摇摆感应灵敏度。7综上所述，本设计采用电容式加速度传感器MMA7260，这是因为它具有多种优点，如高灵敏度、低温漂、低功耗、体积小、重量轻、振动频率和加速度的测量范围大等。传感器单元设计主要是传感器与单片机的线路连接问题。由上所述大家对MMA7260只是有了大体上的认识。下节则是详细介绍MMA7260的具体结构，原理，及使用方法。在设计之前，先来了解一下我所选用的MMA7260加速度传感器的详细资料.2.4.2.MMA7260结构及原理 本设计选用MMA7260加速度传感器，具体结构及原理如下： 图2-11 MMA7260外观图Fig2-11 outside view of MMA7260MMA7260的功能如图2-12所示.X、Y、Z三个相互垂直方向上的加速度由G-Cell传感器感知，经过容器变换器、增益放大、滤波器和温度补偿后以电压信号输出。因此输入信号无需经过其他滤波，放大元件进行处理，可直接与单片机相连，简化了设计电路。电路简单明了，给设计带来了很大的方便。这也是它如此受欢迎的原因，当然也是我选择它的原因之一。图2-12 MMA7260功能框图Fig 2-12 function chart of MMA7260G-Cell传感单元是由半导体材料经微机械加工艺生产的微机械结构，整个物理模型由一对挠性轴、其支撑的极板及中间极板上的检测质量块组成。G-Cell的极板构成了两个背对背的平板电容，如图2-13所示。图2-13水平传感器的简易物理模型Fig2-13 physical module of horizontal sensor当系统被给定一加速度时，检测质量块所附属的中间极板就会偏离无加速度时的位置，这样它到一边固定极板就会偏离无加速度时的位置，这样它到一边固定极板的距离就会增加，同时到另一固定极板的距离就会减小。因此电容值也随着极板间距离的改变而改变，这就是对加速度的度量。电容值经过容压变换器转换为电压值，经过增益放大器、滤波器和温度补偿以电压的形式作为输出信号。再简单不过的一句话就是：MMA7260 将加速度物理量转换为电容量变化，最终作为电信号输出。2.4.3 MMA7260量程选择MMA7260 量程选择如下表所示，只需将电阻增加1k ，电容增加0.1 F， 即可将开关电容滤波电路的时钟噪声降至最低。MMA7260Q的g选择可参照下表，通常g的范围由MCU的I/O驱动控制，在应用时如何确保获得最佳的灵敏度状态，则可以设定如果当MCU在读取感测器的时候，出现满格的状况并持续一段时间，则MCU必须设定更大的g值范围来确定是否输出还会饱和。在不同的应用时，也可以透过设定不同的g值范围来获得最佳的灵敏度状态。表2-3 MMA7260 量程选择Tab 2-3 MMA7260 range selectiong-select2g-select1g-rangesensitivity001.5g800mv/g012g600mv/g104g300mv/g116g200mv/g2.4.4 MMA7260 引脚定义 MMA7260加速度传感器共有十六个引脚。本设计只用其中的八个。其余闲置。表2-4 MMA7260 引脚定义Tab.2-4 MMA7260 pins definition引脚号引脚名说明1g-select1选择g值2g-select2选择g值3VDD电源4VSS地5-7N/C留用8-11N/C留用12SLEEP MODE使能或休眠13ZoutZ方向电压输出14YoutY方向电压输出15XoutX方向电压输出16N/C留用图2-14 MMA7260 输出RC 值Fig.2-14 the output RCvalue of MMA72602.4.5.MMA7260 与单片机LPC2132电气连接图本图为加速度传感器MMA7260与LPC2132的连接图，由于单片机引脚有64个引脚，比较复杂，所以下图只是画了部分引脚，但这些都是本单元所需要的引脚，大部分没有用到的引脚并没有画出。加速度传感器与单片机可共用一个电源，用GPIO 的P0.25和P0.26控制MMA7260量程的选择，只需对其赋0或1就可对其进行四种量程的选择。P0.28/P0.29/P0.30是LPC2132八路A/D输入引脚中的三个。当然你可以从这八路输入引脚中任意选择三个使用。飞思卡尔开发的基于微机电系统(MEMS)的三轴向低重力加速计MMA7260Q，专门面向便携式消者电子产品。MMA7260Q的可选灵敏度允许在15 g、2 g、4 g和6 g的不同范围内进行设计。它的3A睡眠模式、500A低运行电流、10 ms的快速启动响应时间以及6 minx6 mm145 mm的QFN小巧包装等其他特性，使围绕MMA7260Q的设计活动轻松方便、经济高效。到此为止，传感器单元硬件设计完毕。MMA7260的众多优点在设计过程中充分体现了出来，引脚少，电路连接非常简单，这样就提高了可