基于MEMS加速度计的记录仪

1、清华大学2012届毕业设计说明书基于MEMS加速度计的记录仪摘 要加速度记录仪以Freescale高集成度三轴加速度传感器MMA8453Q为传感器，以TI公司低功耗处理MSP430F1611为控制核心，以Flash存储器K9F1G为存储设备。本系统实现了对三维加速度信号的动态采集，并将加速度信号以文件的形式存储在存储卡中, 便于上位机的读取和进一步分析。本文阐述的内容有以下几个方面:1）分析了加速度的测试环境，介绍了MEMS加速度计的记录仪的功能要求和性能指标，对系统进行总体设计。2）在总体方案的基础上对加速度传感器、控制器、存储器进行选型。3）对系统硬件电路进行设计，包括信号的采集与存储以及

2、异步串行通信接口等几个部分的设计与实现。 4）硬件电路设计与制作好后，需要对其进行编程，以控制主控器对数据的采集和存储的操作。关键词：MEMS加速度计，MSP430微处理器，Flash，异步串行通信Recorder Based on MEMS accelerometer AbstractAcceleration recorder by Freescale Highly integrated of three-axis acceleration sensor MMA8453Q sensor， with low power consumption TI company MSP430F1611 as

3、 the control core, with Flash memory K9F1G for storage devices. This system realizes the 3D acceleration dynamic signal acquisition, and the acceleration signal in the form of files stored in the memory card, easy to read and further analysis of PC.This paper describes the contents of the following

4、aspects:1) Analysis of the acceleration test environment, and describes the functional requirements and performance indicators of the MEMS accelerometer logger, the overall design of the system.2) Acceleration sensors, controllers, memory selection on the basis of the overall program.3) System hardw

5、are circuit design, including the design and implementation of the several parts of the signal acquisition and storage as well as asynchronous serial communication interface.4) Hardware circuit design and production need to be programmed to control the operation of the master data collection and sto

6、rage.Key words: MEMS acceleration sensor, MSP430 microprocessor, Flash, asynchronous serial communication目 录1 绪论11.1 本课题的来源、目的及意义11.2 加速度计及加速度记录仪的国内外发展状况21.2.1 MEMS加速度计的原理及应用21.2.2 加速度记录仪国内外发展状况21.3 本课题完成的工作及研究内容42 基于MEMS加速度计的记录仪的总体设计方案52.1 系统总体结构设计52.2 系统芯片原理介绍53 系统硬件设计与实现173.1 硬件总体结构设计173.2 加速度信号的

7、采集173.2.1 I2C总线介绍183.3 电源管理模块193.4 复位电路203.5 外围晶振选择213.6 存储模块223.7 异步串行通信模块的设计223.7.1 异步串行通信介绍223.7.2 通信接口电路233.8 电路图244 系统软件设计与调试问题分析254.1 应用开发软件概述254.2 软件设计254.3 单片机的程序设计265 总结37附录A 加速度记录仪原理图38附录B 加速度记录仪PCB图39参考文献40致谢41第 II 页 共 页清华大学2012届毕业设计说明书1 绪论1.1 本课题的来源、目的及意义随着工业自动化水平的不断发展，产品质量监测、控制手段已经成为保证产

8、品质量标准不可缺少的环节。许多对装配有较高要求的产品，在运输过程中也同样对受到的冲击有极限要求。受到超过极限的冲击将给产品带来伤害，给人们带来不必要的损失。为了监测运输过程，目前通常的做法是随产品一起安装冲击记录仪1。MEMS技术的迅速发展，特别是MEMS加速度计和单片机技术的迅猛提高，电子智能型冲击记录仪也应运而生。MEMS加速度计是一种十分重要的力学敏感传感器，其研究与开发始于80年代初，是继微压力传感器之后第二个进入市场的微机械传感器。微加速度传感器可通过其加工技术、控制系统类型、敏感机理来分类2。压阻式微加速度传感器是通过可动质量块感应加速度，将输入转换为弹性结构的形变，从而引起制作在

9、弹性结构上的压敏电阻阻值的变化，再通过外界电路将电阻的变化转换为电压或电流的变化3。电容式微机械加速度传感器是通过可动质量块感应加速度，利用平行板电容将质量块的相对位移转换为电容的变化，再通过检测电路将电容的微小变化转换为与其成正比的电压的变化3。热对流式微加速度传感器是利用敏感体内气流的加速运动来检测加速度，通过一定的方法将加速度转换为检测电路的输出电压，不需要检测质量块，有很强的抗冲击能力，结构紧凑，加工方便，精度高（达到0.6mg），对小加速度敏感性很高4。隧道式微加速度传感器利用电子势垒隧道效应，把输入的加速度转换为质量块的相对位移，再通过隧道效应将位移量转换为隧道电流的变化，最后用检

10、测电路测出这个电流变化量而获得相应的加速度的大小3。谐振式加速度传感器是通过检测谐振元件固有频率的变化获得加速度。其独特优点在于：（1）输出的是谐振频率信号，可与数字电路及计算机直接接口，省去A/D转化，处理电路；（2）频率信号有很高的抗干扰能力和稳定性，且在传输过程中不易产生失真误差，功耗低；（3）灵敏度高，精度高，稳定性和可靠性好。所以谐振式加速度传感器已经成为微加速度传感器发展的新趋势5。1.2 加速度计及加速度记录仪的国内外发展状况1.2.1 MEMS加速度计的原理及应用1）MEMS加速度计MEMS(Micro Electro Mechanical System) 是一项有着广泛应用前

11、景的应用基础技术。利用MEMS技术可以使电子设备中元器件实现微型化、低功耗以及便携性等技术要求。MEMS利用表层蚀刻技术,可实现宏观意义上的机械三维结构，使元器件生产小型化成为可能。MEMS器件主要以硅晶体为加工材料，可以类似半导体器件的生产方法，以相对较低成本批量生产。MEMS器件在当今汽车应用电子（如防撞安全气囊感应和发动机各种压力传感器）以及计算机外设（如喷墨打印机的喷墨头、计算机硬盘驱动器磁头）等方面得到广泛应用6。MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）加速度计就是使用MEMS技术制造的加速度计。由于采用了微机电系统技术，使得其尺寸大小缩小，一个M

12、EMS加速度计只有指甲盖的几分之一大小。MEMS加速度计具有体积小、重量轻、能耗低等优点。2）MEMS加速度计的应用通过测量由于重力引起的加速度，可以计算出设备相对于水平面的倾斜角度。通过分析动态加速度，可以分析出设备移动的方式。目前最新IBM Thinkpad 手提电脑里就内置了MEMS加速度计，能够动态的监测出笔记本在使用中的振动，并根据这些振动数据，系统会智能的选择关闭硬盘还是让其继续运行，这样可以最大程度的保护由于振动，比如颠簸的工作环境，或者不小心摔了电脑所造成的硬盘损害，最大程度的保护里面的数据。目前先进的移动硬盘上也使用了这项技术。另外一个用处就是目前的数码相机和摄像机里，用ME

13、MS加速度计来检测拍摄时候手部的振动，并根据这些振动，自动调节相机的聚集。MEMS加速度计还可以用来分析发动机的振动。汽车防撞气囊的启动也可以由MEMS加速度计控制。由此可见，MEMS加速度计可以在生活中发挥重要作用。归纳其应用主要有以下几个方面：振动检测、姿态控制、安防报警、消费应用、动作识别、状态记录等。1.2.2 加速度记录仪国内外发展状况80年代以来，随着电子技术和计算机技术的飞速发展，以CPU为核心的新型控制仪表被越来越广泛地应用于化工、炼油、冶金、制药、造纸、建材等行业，但与之配套的记录仪仍停留在传统的机械式，它有纸、有笔、有墨承、有大量的机械传动，具有日常维护工作量大，运行费用高

14、，可靠性差，应用不够灵活，历史信息再处理再利用难度大等缺点与现代化控制手段相当不协调。进入90年代以后，我国成功研制开发生产出了全智能无纸记录仪，它以微处理器(CPU)为核心，以大容量存储芯片(SRAM)为存储载体，采用液晶屏(LCD)为显示界面，具有实时单通道、棒圈、实时趋势、单通道实时趋势、历史趋势等信息丰富的显示画面，以及时间与通道页面与记录间隔，各通道信息、通信信息等灵活方便的组态功能，同时还配备了同微机通讯的标准通讯接口及中文WINDOWS界面上的上位机管理软件，彻底解决了机械式记录仪在使用中存在的问题7。在无纸记录仪不断地走向市场过程中，根据用户的需求，又增加了许多新的功能：流量累

15、计、流量温压补偿、PID控制、撮普触点任意组态、工程单位显示、通讯地址组态、配电、显示画面组态、峰值保持功能以及报警追忆显示画面和通道数据显示画面。在1992年前后，国外不少公司推出了无纸记录仪，其中较有代表性的有德国哈特曼劳恩公司(HB)的Datavis A 无纸记录仪和英国PannyGiles Teletrend公司的无纸记录仪。Teletrend公司的无纸记录仪，具有l44×144mm标准尺寸，带有与PC完全兼容的3.5英寸磁盘驱动器，便于把表内数据通过磁盘转存或保存，它能存储一天至640天的工作数据(与记录间隔有关)，具有四个通道棒状图、数字显示和中程趋势曲线显示功能，通过软

16、件组态选择记录仪的工作方式。它的最大特点是采用彩色示波管作为显示器，因而具有彩色显示功能8。HB公司Datavis A无纸记录仪，采用72×144mm小型机壳，用分辨率为92×200的单色液晶图形屏作为显示器，允许四个通遭标准信号输入，也具有棒状图显示、数字显示和历史趋势显示三大功能。在德文、英文或法文提示下，完成组态及正常操作，具有标准的通信接口9。智能记录仪作为微处理机技术、超大容量存贮器和图形液晶显示技术相结合的新一代记录仪它具有非常明显的特点：可靠性高，无需日常维护，功能多样性，性能价格比高。智能记录仪具有众多优点，已经引起广大用户极大注意，可以预测，在不久的将来，

17、它将被广大用户所接受10。1.3 本课题完成的工作及研究内容以Freescale高集成度三轴加速度传感器MMA8453Q为传感器，以TI公司低功耗处理MSP430F1611为控制核心，以Flash型存储器K9F1G为大容量存储设备的低功耗加速度信号记录仪的软硬件设计方案，实现了对三维加速度信号的动态采集，并将加速度信号以文件的形式存储在存储卡中, 便于上位机的读取和进一步分析。本文阐述的内容有以下几个方面:1）分析了加速度的测试环境，介绍了MEMS加速度计的记录仪的功能要求和性能指标，对系统进行总体设计。2）在总体方案的基础上对加速度传感器、控制器、存储器进行选型。3）对系统硬件电路进行设计，

18、包括信号的采集与存储以及异步串行通信接口等几个部分的设计与实现。4）硬件电路设计与制作好后，需要对其进行编程，以控制主控器对数据的采集和存储的操作。2 基于MEMS加速度计的记录仪的总体设计方案完整的测试系统是将信息采集、存储以及信息读取等功能完整的结合在一起的有机整体。设计一个完整的系统，首先要有总体的设计思路，要明确被测对象的特点，然后再根据测试对象的具体功能要求，设计系统实现的总体方案，其中包括总体结构设计与测试方案设计。2.1 系统总体结构设计控制单元存储单元 串行接口MEMS加速度计I2C时钟单元计算机电源模块图2.1为基于MEMS加速度计的记录仪的总体结构框图，系统依照功能可以分为

19、加速度传感器、数据采集模块、数据处理与存储模块、通讯模块以及电源管理模块等部分。图2.1 记录仪总体结构框图2.2 系统芯片原理介绍1） 传感器 加速度传感器是一种非常重要的检测器件。在传统的检测系统中，加速度传感器功能单一，输出信号需要进行放大、滤波等处理，因此对模拟电路设计有极高的要求。随着近年来大规模集成电路技术的发展，加速度传感器也逐渐向集成化、低功耗的方向发展11。本系统采用MMA8453Q三轴电容式MEMS加速度传感器。其特点12如下。·供电电压范围：1.95V3.6V·接口电压范围：1.6V3.6V·可供选择的动态量程：±2g/±

20、4g/±8g·数据输出率：1.56Hz到800Hz·99g/Hz噪声·10位和8位数字输出·最高分辨率：10位有效数字<0.25°分辨率·I2C数字输出接口（4.7k上拉至2.25MHz）·2个可编程中断引脚，六个中断源·内置3通道运动检测功能自由落体或运动检测：1通道脉冲检测：1通道震动检测：1通道·内置带有滞回补偿的方向（纵向或横向）检测功能·自动唤醒，自动睡眠能自动切换数据输出率，以实现低功耗·自检功能·符合RoHs标准·电流消耗：6A165A

21、·工作温度范围：-40+85其功能有：·8位或10位数据·基于应用的四个不同的过采样决议和电流消耗之间的妥协选项要求·额外的低噪音模式，独立运作的更高分辨率的过采样模式·低功耗和自动唤醒/睡眠保护电流消耗·单/双向冲击定向信息1通道·运动检测与定向信息或自由落体1通道·瞬态/震动检测基于高通滤波器和可设置阈值的检测加速度变化，上述阈值定向信息1通道·纵向/横向检测触发点固定在30°和60°为平滑过渡的方向其引脚分布如图2.2所示。图2.2 MMA8453Q引脚图其原理框图如图2.3所示

22、。图2.3 MMA8453Q原理框图其功耗情况如表2.1所示。表2.1 各模式功耗2）主控器单片机作为电路的核心部分，对整机性能有重要影响。经过比较，美国TI公司的MSP430，一种采用了最新低功耗技术的单片机，集成了丰富的外围模块15，包括：看门狗(WDT)、定时器A(Timer-A)、定时器B(Timer-B)、比较器、串口0、1(USART0、1)、硬件乘法器、液晶驱动器、8路101214位ADC、端口、基本定时器(Basic Timer)，适合冲击记录仪的工作使用。此处选用MSP430系列的MSP430F1611，其主要性能参数如下13，14。它是混合信号微控制器，它具有低电压、超低功

23、率、处理能力强大、系统工作稳定、片内外设丰富、方便开发等优点，并具有高性价比，采用64引脚四方扁平封装（QFP），两个内置的16位定时器，一个快速12位A/D转换器，双12位D/A转换器，一个或两个通用串行同步/异步通信接口（USART），I2C，DMA和48个I/O引脚。其特点如下。·低供电电压范围：1.8V3.6V·超低功耗： 活动模式：1MHz，2.2V时为280A 等待模式：1.6A 关闭模式（RAM 保持）：0.1A·五种省电模式·6s内从等待状态唤醒·16位精简指令结构，125ns指令时间周期·

24、;三个内部DMA通道·具有内部参考电平、采样保持和自动扫描特性的12位A/D转换器·同步的双12位D/A转换器·带有三个捕捉/比较寄存器的16位定时器A·带有三个或七个捕捉/比较影子寄存器的16位定时器B·片内集成比较器·串行通讯接口（USART1），具有异步UART或者同步SPI接口的功能·串行通讯接口（USART0），具有异步UART或者同步SPI或者I2C接口·具有可编程电平检测的供电电压管理器/监视器·欠电压检测器·串行在线编程，无需外部编程电压，可编程的安全熔丝代码保护·Bo

25、otstrap Loader其方框图如图2.4所示。图2.4 MSP430FX161X方框图3）存储模块存储测试技术是从七十年代开始的一种新的弹上参数的测试方法。它是在对被测对象无影响或影响在允许范围的条件下，在被测体内置入微型数据采集与存储测试仪，现场实时完成信息的快速采集与记忆，事后回收记录仪，由计算机处理和再现测试信息的一种动态测试技术15。Flash闪存是非易失存储器，可以对称为块的存储器单元块进行擦写和再编程。任何Flash器件的写入操作只能在空或已擦除的单元内进行，所以大多数情况下，在进行写入操作之前必须先执行擦除。NAND器件执行擦除操作是十分简单的，而NOR则要求在进行擦除前先

26、要将目标块内所有的位都写为0。由于擦除NOR器件时是以64128KB的块进行的，执行一个写入/擦除操作的时间为5s，与此相反，擦除NAND器件是以832KB的块进行的，执行相同的操作最多只需要4ms。执行擦除时块尺寸的不同进一步拉大了NOR和NADN之间的性能差距，统计表明，对于给定的一套写入操作(尤其是更新小文件时)，更多的擦除操作必须在基于NOR的单元中进行。这样，当选择存储解决方案时，设计师必须权衡以下的各项因素。·NOR的读速度比NAND稍快一些。·NAND的写入速度比NOR快很多。·NOR的读速度比NAND稍快一些。·NAND的4ms擦除速度远

27、比NOR的5s快。·大多数写入操作需要先进行擦除操作。 ·NAND的擦除单元更小，相应的擦除电路更少。由于记录仪所用存储的数据量较大，所以要外接存储器件作为数据存储用，本系统选用K9F1G08，它是128M×8位/256M×8位快闪记忆体。其特点16如下。·电压1.8V装置（K9F1G08R0A）：1.65V1.95V3.3V装置（K9F1G08U0A）：2.7V3.6V·组织记忆细胞阵列：（128M+4096 K）位×8位数据寄存器：（2K+64）位×8位缓存寄存器：（2K+64）位×8位·自

28、动编程和擦除页的程序：（2K+64）字节块擦除：（128K+4 K）字节·页面读取操作页的大小：2K-Byte随机阅读：25s（最大）串行存取：30ns（最小）-3.3V装置50ns（最小）-1.8V装置·快速写周期时间编程时间：200s（典型值）块擦除时间：2ms（典型值）·命令/地址/数据多路输入/输出端口·硬件数据保护编程/擦除锁定在电源转换·可靠的MOS栅技术耐力：100K的编程/擦除周期数据保留：10年·命令寄存器操作·高性能程序的缓存程序操作·智能拷回操作·独特的著作权保护其引脚图如图2.5所

29、示。图2.5 K9F1G08引脚图 其功能框图如图2.6所示。图2.6 K9F1G08功能框图4） 通讯模块 此系统与计算机的通信采用串口异步通信，RS232协议的转换电平。本系统采用MAX3232芯片实现单片机与计算机接口的转换。图2.7为异步串口的时序图。图2.7 异步串口的时序图图2.8是MSP430系列芯片硬件串口框图。图2.8 MSP430系列芯片硬件串口框图在该框图中，串口通讯由三部分组成：通讯速度的控制（数据位流的产生）、接收控制部分、发送控制部分。波特率生成部分由时钟输入选择与分频、波特率发生器、调整器、波特率寄存器等组成。串行通信时，接收与发送以什么样的速率将数据位收进或送出

30、，这个速率由波特率生成构件控制。图2.9为其较为详细的结构。图2.9 MSP430系列芯片硬件串口详细框图整个模块的时钟源来自内部的3时钟或外部输入时钟，由SSEL1、SSEL0选择，以决定最终进入模块的时钟信号BRCLK的分频。时钟信号BRCLK送入一个15位的分频器，通过一系列的硬件控制，最终输出移出与移进，两移位寄存器使用的移位位时钟BITCLK信号，BITCLK信号的产生如图所示，是分频器的作用。当计数器减计数到“0”时，输出触发器翻转，送给BITCLK信号。所以BITCLK信号周期的一半就是定时器（分频计数器）的定时时间。接收控制部分与发送控制部分分别由两个移位寄存器构成。接收时，当

31、接收到一个完整的数据，产生一个信号（URXIFG0=1），表示接收到完整数据，可以将此数据取走。而在发送时，当一个数据正在发送过程中，UTXIFG0=1，此时，不能再发送数据，必须等当前数据发送完毕（UTXIFG0=0）时，方可继续发送。串口接收一般采用中断方式，而发送数据则多采用主动方式。MAX3232采用专有低压差发送器输出级17，利用双电荷泵在3.0V至5.5V电源供电时能够实现真正的RS-232性能，器件仅需四个0.1F的外部小尺寸电荷泵电容。MAX3232确保在120kbps数据速率，同时保持RS-232输出电平。MAX3232具有二路接收器和二路驱动器，提供1A关断模式，有效降低功

32、效并延迟便携式产品的电池使用寿命。关断模式下，接收器保持有效状态，对外部设备进行监测，仅消耗1A电源电流，MAX3232的引脚、封装和功能分别与工业标准MAX242和MAX232兼容。即使工作在高数据速率下，MAX3232仍然能保持RS-232标准要求的正负5.0V最小发送器输出电压。只要输入电压在3.0V至5.5V范围以内，即可提供+5.5V（倍压电荷泵）和-5.5V（反相电荷泵）输出电压，电荷泵工作在非连续模式，一旦输出电压低于5.5V，将开启电荷泵；输出电压超过5.5V，即可关闭电荷泵，每个电荷泵需要一个飞容器和一个储能电容，产生V+和V-的电压。 MAX3232在最差工作条件下能够保证

33、120kbps的数据速率。通常情况下，能够工作于235kbps数据速率，发送器可并联驱动多个接收器和鼠标。其引脚图如图2.10所示。图2.10 MAX3232引脚图5)电源管理模块此系统选用LP2985对系统进行电源管理。LP2985具有的功能，使得稳压器为各种便携式应用的理想选择。其特点18如下。·输出量： - 1（一级） - 1.5（标准级）·电压范围宽：最大能到16V。·过流和热保护。·低压差：一个PNP合格元件允许负载电流为150mA时的典型压差为280mV，1 mA时为7mV。·低静态电流：允许使用纵向PNP过程，大大低于那些与传统的

34、横向PNP稳压器低静态电流。·关闭：关闭功能是可用的，当ON/ 引脚被拉低允许稳压器仅消耗0.01A。·低ESR电容：稳压器是稳定的低ESR电容，允许使用小，价格低廉，陶瓷电容器，在成本敏感的应用。·低噪声：一个旁路引脚使用10nF的旁路电容允许低噪音操作，有30V（RMS）的典型输出噪声。·小包装：对于大多数的空间约束的需求，该稳压器在SOT-23封装，以及的NanoStar晶圆芯片级封装，提供了一个更小的热尺寸和更好电气特性。 NanoStar封装技术采用包死，是IC封装概念的重大突破。其引脚封装如图2.11所示。图2.11 LP2985引脚封装图其

35、功能方框图如图2.12所示。图2.12 LP2958功能方框图其推荐工作条件如表2.2。表2.2 LP2985推荐工作条件表MIN MAX UINTVIN 电源电压 16 VVON/ VON/电压 0 VIN VIOUT 输出电流 150 mATJ 虚拟交界处的温度 -40 125 3 系统硬件设计与实现通过硬件电路设计完成对MEMS加速度计对加速度信号进行相关的采集与存储。依据这样的思想，本章对各个部分的电路进行了详细的分析和设计。3.1 硬件总体结构设计硬件电路模块是记录仪的核心部件，如图3.1所示由高频晶振、单片机、电源管理模块及异步串行通信接口电路组成。整个系统在控制器(单片机)的作用

36、下完成采集和存储功能。当系统采样完毕，等待数据的读出，通过计算机和异步串行通信接口，可以很方便的读出数据并进行处理和显示。单片机被测信号传感器电 源 管 理高频晶振复位电路电池RS232接口计算机图3.1 系统硬件结构框图系统的工作原理为：加速度记录仪上电后进入采样存储状态，通过I2C串口将采集的加速度信息存储至FLASH中。当存储满后，进入待读数状态。计算机可以通过RS232串口完成对记录仪的读数，并在上位机上完成数据的后续处理与分析。图3.2为加速度记录仪的状态流程图。读数计满待读数状态采 集 存 储 态接通电源低功耗 态图3.2 系统原理图 3.2 加速度信号的采集本设计选用了Frees

37、cale高集成度三轴加速度传感器MMA8453Q。它是一款具有14位分辨率的智能低功耗、三轴、电容式微机械加速度传感器，具有丰富的嵌入式功能，带有灵活的用户可编程选项，可以配置多达两个中断引脚。嵌入式中断功能可以节省整体功耗，解除主处理器不断轮询数据的负担。同时具备访问低通滤波数据和高通滤波数据的功能，可以将所需数据分析降至最低程度，从而实现晃动监测和快速的响应。该器件可被配置成利用任意组合可配置嵌入式的功能生成惯性唤醒中断信号，这就使MMA8453Q在监控事件时，在静止状态保持低功耗模式19。综上所述，它完全适应于便携式节能产品的检测。加速度信号采集电路如图3.3所示。图3.3 信号采集电路

38、其中R1、R2为上拉电阻，其值是查芯片资料所得。C6、C7、C8起到滤波的作用，其值是查芯片资料所得。3.2.1 I2C总线介绍 单片机与加速度计之间的通信是通过I2C方式。 I2C总线工作原理如下。I2C总线是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线，可发送和接收数据。I2C总线上传送的数据信号是广义的，既包括地址信号，又包括真正的数据信号。在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送，最高传送速率100kbps。各种被控制电路均并联在这条总线上，但就像电话机一样只有拨通各自的号码才能工作，所以每个电路和模块都有唯一的地址，在信息的传输过程中，I2C总线上并接的每一模块电路既是主控器（

39、或被控器），又是发送器（或接收器），这取决于它所要完成的功能。CPU发出的控制信号分为地址码和控制量两部分，地址码用来选址，即接通需要控制的电路，确定控制的种类；控制量决定该调整的类别（如对比度、亮度等）及需要调整的量。这样，各控制电路虽然挂在同一条总线上，却彼此独立，互不相关。 I2C总线在传送数据过程中共有三种类型信号，它们分别是：开始信号、结束信号和应答信号。 开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。 结束信号：SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。 应答信号：接收数据的IC在接收到8bit数据后，向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲，

40、表示已收到数据。CPU向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号，CPU接收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号，由判断为受控单元出现故障。这些信号中，起始信号是必需的，结束信号和应答信号，都可以不要。MMA8453Q的I2C时序图如图3.4所示。图3.4 MMA8453Q I2C时序图3.3 电源管理模块随着芯片集成化、模块化的发展，电源控制技术也得到足够的重视。对于系统各部分单独供电的管理，为系统低功耗的实现提供了保障。当采用电源分支管理时，可以消除无效损耗，达到节省功耗的目的。设计时选用电源管理减少了不必要的电流消耗。其具体实现方法为：将外部

41、高频晶振以及单片机组采用独立供电的方式，对于各个模块在不同状态下是否需要工作的状况，选用通过单片机控制各独立电源的打开与关闭，为其提供电源或者切除电源，从而达到省电的目的。例如：外围高频晶振在刚接通电源时不需要工作，通过电源管理就可以关闭其供电电源VCC，当采集存储时打开，从而避免不必要的电量损耗。由于系统追求小体积、低功耗，因此对于所用芯片的封装和功耗都有着严格的要求，在满足功能的前提条件下，电源管理芯片的小体积可以减少其在电路板中的占有空间，因此本系统选用了LP2985。如图3.5所示为其基本应用图。图3.5 LP2985基本应用电路LP2985在系统中的连接如下图3.6所示，采用7.4V

42、电池给LP2985供电，使能端ON/ 控制输出VOUT，当S1闭合时，LP2985处于工作状态，一直输出电压VCC，VCC是单片机组及外部高频晶振的电源。旁路电容C12起到降低噪声的作用。C13起到滤波作用，提高其稳定性。图3.6 LP2985连接图3.4 复位电路上电复位电路如图3.7所示，此处是低电平复位，在复位输入引脚上接一电阻至VCC端，下接一个电容到地即可。上电复位的工作过程是：在上电时，复位电路给端一个短暂的低电平信号，此低电平信号随着VCC对电容的充电过程而逐渐上升。系统上电后电容两端的电压为0V，单片机复位。C不断充电，随着时间增加C两端的电压也变大，到达高电平后单片机复位完成

43、，执行用户程序 。此处R4为100k，C11为0.1F，能满足要求。图3.7复位电路3.5 外围晶振选择时钟作为电路的“心脏”，是系统重要的组成部分。此系统在采集信号时采用外部8MHz晶振给系统提供工作时钟，为此电路外围晶振选用了Epson公司的芯片SG350SCF-8M20。选用的时钟芯片性能要稳定，并且电流消耗尽可能的小，而电流的消耗一般与供电的范围有关，SG350SCF-8M的供电范围为2.7V3.6V，可以适用于上面选择的电源管理输出的3.3V，并且温度范围广。其有一个使能端ST，只有ST有效时，晶振才会输出8M的时钟。本设计中，ST端与VCC端直接相连，当系统上电时， ST端为高电平

44、，OUT端就会输出8M的时钟供给系统电路。如图3.8所示，为其连接电路。图3.8 SG350SCF-8M连接图3.6 存储模块图3.9存储模块由于K9FIG08的命令，地址，数据共用8条IO线，只通过ALE和CLE两根控制线来指示当前IO线上的操作类型，因此，MSP430F1611与K9FlG08的接口连接比较简单。设计中A7连接Flash的命令锁存使能端（CLE），P1.1连接Flash的地址锁存使能端（ALE），A6与Flash的片选（）相连，它在整个Flash访问期间必须有效，A4与Flash的R/端相连，通过读取该信号的状态，判断Flash是处于擦除，编程或随机读操作的忙状态。Flas

45、h还带有一个写保护（）端，用来防止Flash被意外的编程和擦除。3.7 异步串行通信模块的设计3.7.1 异步串行通信介绍电子工业协会(EIA，Electronic Industry Association)推荐的RS-232标准，是一种常用的串行数据传输总线标准。UART(通用异步收发器/串口/RS-232)，早期它被应用于计算机与终端通过电话线和MODEM进行远距离的数据传输，随着计算机和微控制器的发展，近距离也采用该通信方式。目前UART是PC机与电子通信中应用最广泛的一种串行接口，RS-232被定义为一种在低速率串行通信中增加通信距离的单端标准。串行通信是指将构成字符的每个二进制数据位

46、，依据一定的顺序逐位进行传送的通信方法。在串行通信中，有两种基本的通信方式：异步通信和同步通信。异步通信数据帧的第一位是开始位，在通信线上没有数据传送时处于逻辑“1”状态。当发送设备要发送一个字符数据时，首先发出一个逻辑“0”信号，这个逻辑低电平就是起始位。起始位通过通信线传向接收设备，当接收设备检测到这个逻辑低电平后，就开始准备接收数据位信号。因此，起始位所起的作用就是表示字符传送开始。当接收设备收到起始位后，紧接着就会收到数据位。数据位的个数可以是5，6，7或8位的数据。在字符数据传送过程中，数据位从最低位开始传输。数据发送完之后，可以发送奇偶校验位。奇偶校验位用于有限差错检测，通信双方在

47、通信时需约定一致的奇偶校验方式。就数据传送而言，奇偶校验位是冗余位，但它表示数据的一种性质，这种性质用于检错，虽有限但很容易实现。在奇偶位或数据位之后发送的是停止位，可以是1位、1.5位或2位。停止位是一个字符数据的结束标志。3.7.2 通信接口电路本系统通信接口电路图如图3.9所示。图3.9 异步串行通信接口其中在管脚C1+、C1-、C2+、C2-、V+和V-处分别放置0.1F 的电容实现充电作用，以满足相应的充电泵的要求。管脚T1OUT、T1lN、R1OUT和R1lN分别是RS232转换的输入与输出脚，实现单片机的TTL电平与上位机的接口电平的转换。为减小输入端受到的干扰，还需在芯片的电源

48、输入管脚处加一个0.1F的电容来实现滤波。如图3.10为RS232协议的9芯接口。图3.10 RS232协议的9芯接口9芯接口定义如表3.1所示。表3.1 9芯接口定义表引脚缩写符ITU-TDCE方向说明 1DCO109输出接收线信号检测2RXD104输出接收数据3TXD103输入发送数据4DTR108输入数据终端就绪5GND102信号线6DSR107输出数据装置就绪7RTS105输入请求发送8CTS106输出清除请求9RI125输出振铃提示3.8 电路图加速度记录仪的原理图与PCB图如附录A、附录B。4 系统软件设计与调试问题分析4.1 应用开发软件概述IAR Embedded Workbe

49、nch for MSP430支持MSP430、MSP430X系列，能产生非常紧凑、高效的代码。标准版包含各种硬件调试系统、RTOS的插件。IAR嵌入式工作平台Embedded Workbench为开发不同的MSP430目标处理器项目提供了强有力的开发环境，并为每一种目标处理器提供工具选择。因此Workbench为开发和管理MSP430嵌入式应用程序提供了极大便利。IAR Embedded Workbench工具的关键组成21：带项目管理器和编辑器的集成开发环境；高度优化的MSP430 C/C+编译器；集成所有MSP430芯片包括MSP430X的配置文件；带完整源代码的Run-time库；MSP

50、430汇编器；链接器和库工具；带MSP430模拟器和RTOS内核识别调试插件的C-SPY调试器；MSP430代码例程；用户参考手册，印刷版以及PDF电子版；用户参考手册，印刷版以及PDF电子版；在线帮助。本系统在开发设计时选用了IAR Embedded Workbench for MSP430 V4.10E版本，其内部包含了MSP430系列的所有产品型号，可以实现JTAG与USB的在线仿真。4.2 软件设计基于MEMS加速度计的记录仪以TI公司低功耗、高性能MSP430微处理器为核心部分，实现对加速度的采集、存储，以及将所测数据提交给计算机的。其工作的过程是通过单片机内的程序来实现的，主要有以

51、下几部分：1)实现定时此部分程序的功能：根据系统功能要求的不同，在不同的程序段作不同的定时。2)实现信号的采集此部分程序的功能：控制MEMS加速度计MMA8453Q，实现对加速度信号的采集。3)实现数据的存储 此部分程序的功能：将采集到的数据存入外接的存储器，以备后期的处理和分析。4)异步串行通讯中单片机部分(下位机)的实现此部分程序的功能：单片机通过异步串行通讯电路实现与上位机之间的通信，并完成上位机发送的发送数据或者电路编程的命令。4.3 单片机的程序设计1. 系统主流程图开始关闭看门狗系统初始化向存储器写入数据数据写入完毕进入低功耗模式YN读取采集的数据图4.1 系统主流程图2. 数据采

52、集1) 数据采集流程图如图4.2所示。开始配置加速度计加速度计清零开启加速度计，开始采集数据读取加速度计中的值将数据存入存储器图4.2 数据采集流程图2） 数据采集的部分程序。-通过I2C对加速度计进行配置-STPW1 BIT.B #UCTXSTP，&UCB0CTL1 ；判断UCTXSTP是否为0，是的则开始通信，否则等待清零JC STPW1 BIS.B #UCTR+UCTXSTT，&UCB0CTL1 ；开始写 MOV.B #0EH，&UCB0TXBUF ；往加速度计寄存器0EH写入00HSH11 BIT.B #UCB0TXIFG，&IFG2 ；等待发送完毕 J

53、NC SH11 MOV.B #00H，&UCB0TXBUF ；设定量程为2gSH12 BIT.B #UCB0TXIFG，&IFG2 ；等待发送完毕 JNC SH12 BIS.B #UCTXSTP，&UCB0CTL1 ；写结束 BIC.B #UCB0TXIFG，&IFG2 ；清除UCB0TXIFG中断 NOP NOP STPW3 BIT.B #UCTXSTP，&UCB0CTL1 ；判断UCTXSTP是否为0，是的则开始通信，否则等待清零JC STPW3BIS.B #UCTR+UCTXSTT，&UCB0CTL1 ；开始写 MOV.B #1DH，&am

54、p;UCB0TXBUF ；往加速度计寄存器1DH写入10HSH31 BIT.B #UCB0TXIFG，&IFG2 ；等待发送完毕 JNC SH31 MOV.B #10H，&UCB0TXBUF ；事件标志锁存使能SH32 BIT.B #UCB0TXIFG，&IFG2 ；等待发送完毕 JNC SH32 BIS.B #UCTXSTP，&UCB0CTL1 ；写结束 BIC.B #UCB0TXIFG，&IFG2 ；清除UCB0TXIFG中断 NOP NOPSTPW5 BIT.B #UCTXSTP，&UCB0CTL1 ；判断UCTXSTP是否为0，是的则开始

55、通信，否则等待清零 JC STPW5 BIS.B #UCTR+UCTXSTT，&UCB0CTL1 ；开始写 MOV.B #14H，&UCB0TXBUF ；往加速度计寄存器14H写入84HSH51 BIT.B #UCB0TXIFG，&IFG2 ；等待发送完毕 JNC SH51 MOV.B #84H，&UCB0TXBUF ；Hysteresis±14°SH52 BIT.B #UCB0TXIFG，&IFG2 ；等待发送完毕 JNC SH52 BIS.B #UCTXSTP，&UCB0CTL1 ；写结束 BIC.B #UCB0TXIFG，&IFG2 ；清除UCB0TXIFG中断 NOP NOPSTPW6 BIT.B #UC