隨著工業(yè)自動化水平的不斷發(fā)展，產(chǎn)品質量監(jiān)測、控制手段已經(jīng)成為保證產(chǎn)品質量標準的不可缺少的一環(huán)。許多對裝配有較高要求的產(chǎn)品，在運輸過程中也同樣對受到的沖擊有極限要求。受到超過極限的沖擊將給產(chǎn)品帶來傷害，為企業(yè)帶來不必要的損失。為監(jiān)測運輸過程，目前通常的做法是隨產(chǎn)品一起安裝沖擊記錄儀。

當前，國內(nèi)普遍使用的沖擊記錄儀都是機械式?jīng)_擊記錄儀，其內(nèi)部構造像一臺照相機，有上下兩個紙帶卷筒，將記錄紙帶放入上紙筒，紙帶的始端插入下紙筒。在紙帶上方有一個固定記錄筆的金屬橫梁，橫梁上裝有3只記錄筆，分別記錄X、Y、Z 3條軸線方向的沖擊力。這種機械式?jīng)_擊記錄儀的缺點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

機械式?jīng)_擊記錄，記錄紙長度有限可記錄的沖擊數(shù)據(jù)也就有限，沒有時間日期標志，只有時間坐標；記錄沖擊范圍只有±5g，達不到標準較高的單位（如國家電力公司）±10g的要求；為達到三維檢測的要求，同時要安裝三臺才可以，且安裝及讀取都不便；機械式?jīng)_擊記錄儀使用壓感式記錄紙，一方面國內(nèi)很少能買到這種紙，另一方面記錄紙在潮濕的季節(jié)或地區(qū)使用時經(jīng)常出現(xiàn)卡紙、受潮等現(xiàn)象，從而造成丟失記錄數(shù)據(jù)的嚴重問題；在運輸時有時因運輸方式的不同如海洋運輸時振動幅度過大、振動次數(shù)過多、同時還需要經(jīng)歷鐵路、公路不同的運輸方式才能到達安裝現(xiàn)場等因素，經(jīng)常出現(xiàn)記錄紙不夠長，未到目的地而記錄紙已用完，丟失了很多重要數(shù)據(jù)。

隨著微電子技術的迅速發(fā)展，特別是電子加速度傳感器技術和單片機技術的迅猛提高，電子智能型沖擊記錄儀應運而生，為高精密產(chǎn)品的運輸提供可靠的保障，給智能貨車技術的發(fā)展。

圖1：沖擊記錄儀的組成框圖
沖擊記錄儀的總體設計方案

本文設計的是一種基于電子加速度傳感器的沖擊記錄儀，它的組成原理圖如圖1所示，包括MPS430單片機及開發(fā)板、數(shù)據(jù)存儲單元、實時鐘單元、看門狗單元、加速度傳感器、信號放大與濾波單元、A/D轉換單元以及PC機通訊接口、電源接口、液晶顯示屏接口及單片機ISP（在系統(tǒng)編程）接口等部分。

該沖擊記錄儀在設計和實現(xiàn)過程中，主要解決以下幾個主要問題：加速度傳感器的選擇、低功耗芯片的選擇、主板電路的設計。

加速度傳感器的選擇

加速度傳感器是一種能夠測量加速力的電子設備，加速力就是當物體在加速過程中作用在物體上的力，加速力可以是常量，也可以是變量。加速度傳感器基本的原理就是由于加速度產(chǎn)生某個介質產(chǎn)生變形，通過測量其變形量并用相關電路轉化成電壓輸出。

隨著微電子科技的飛速發(fā)展，低成本、高性能的電子加速度傳感器得以面世。電子加速度傳感器常分為三種：壓電式、容感式、熱感式。壓電式加速度傳感器運用的是壓電效應，在其內(nèi)部有一個剛體支撐的質量塊，有運動的情況下質量塊會產(chǎn)生壓力，剛體產(chǎn)生應變，把加速度轉變成電信號輸出。容感式加速度傳感器內(nèi)部也存在一個質量塊，從單個單元來看，它是標準的平板電容器，加速度的變化帶動活動質量塊的移動從而改變平板電容兩極的間距和正對面積，通過測量電容變化量來計算加速度。而熱感式加速度傳感器內(nèi)部沒有任何質量塊，它的中央有一個加熱體，周邊是溫度傳感器，里面是密閉的氣腔，工作時在加熱體的作用下，氣體在內(nèi)部形成一個熱氣團，熱氣團的比重和周圍的冷氣是有差異的，通過慣性熱氣團的移動形成的熱場變化讓感應器感應到加速度值。由于壓電式加速度傳感器內(nèi)部有剛體支撐的存在，通常情況下，壓電式加速度傳感器只能感應到“動”加速度，而不能感應到“靜態(tài)”加速度，也就是我們所說的重力加速度。而容感式和熱感式既能感應“動”加速度，又能感應“靜態(tài)”加速度。

由于沒有任何移動部件，而且采用了微機械加工技術，熱感式加速度傳感器的研發(fā)過程中解決了很多加工上的難題。生產(chǎn)成本低，抗沖擊能力強，而且可靠性好，失效率低于10ppm。

熱感式加速度傳感器體積小，低功耗，工作電流應在2mA以下，主芯片接口具備標準的數(shù)字接口模式。可以提供兩個方向的加速度值，采用兩片即可實現(xiàn)三維加速度值測量。經(jīng)過全面比較，本項目確定采用熱感式加速度傳感器，作為設計基礎。

低功耗芯片的選擇

機械式?jīng)_擊記錄儀特有的優(yōu)勢在于不發(fā)生沖擊時就不工作，每振動一次， 才工作一次。而便攜式?jīng)_擊記錄儀使用電池供電，不管是否發(fā)生沖擊，都在時刻工作，因此電子元件的功耗就成為影響電子沖擊記錄儀的工作時間的主要問題。

單片機作為電路的核心部分，對整機性能有重要的影響。經(jīng)過比較研究，美國TI公司的MSP430，一種采用了最新低功耗技術新型的單片機，被認為適合沖擊記錄儀的工作使用。MSP430工作在1.8～3.6V電壓下，有正常工作模式（AM）和4種低功耗工作模式（LPM1、LPM2、LPM3、LPM4），在電源電壓為3V時，各種模式的工作電流分別為 AM：340uA、LPM1：70uA、LPM2：17uA、LPM3：2uA、LPM4：0.1uA。單片機可以方便的在各種工作模式之間切換，特別適合在電池供電、便攜式設備中的應用。MSP430也具有非常高的集成度，單片集成了多通道12bit的A/D轉換、片內(nèi)精密比較器、多個具有PWM功能的定時器、斜邊A/D轉換、片內(nèi)USART、看門狗定時器、片內(nèi)數(shù)控振蕩器（DCO）、大量的I/O端口。MSP430有大容量的片內(nèi)存儲器，有ROM（C型）、OTP（P型）、EPROM（E型）、Flash Memory（F型）4種型號。

外圍器件與電路有各種存儲器全部采用功耗極低的VMOS芯片以實現(xiàn)整機極低功耗的目標。

主板電路的設計

■ 用雙CPU設計，可大大減少硬件電路，減少繁瑣的譯碼、邏輯變換，使得系統(tǒng)硬件數(shù)量減少，同時軟件資源分配及設計均相對獨立，易于修改程序；
■ 隨機液晶顯示屏、隨機輕觸式按鍵；
■ 采樣頻率高于每秒十萬次不間斷采樣，不會漏過任何一次振動；
■ 數(shù)據(jù)永久性儲存功能；即使掉電或斷電，記錄儀儲存的數(shù)據(jù)也不會丟失；
■ 記錄儀的數(shù)據(jù)存儲及顯示的數(shù)據(jù)按大到小順序排列功能，數(shù)據(jù)讀取非常
方便；
■ 可連接GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)、沖擊數(shù)據(jù)和沖擊地點位置、時間可同時顯示。

整機的低功耗控制技術

有了主要的低功耗芯片，整機的低功耗控制技術的采用在設計中也是非常重要的環(huán)節(jié)。功耗的控制在這里要通過軟件來實現(xiàn)。

盡量采用待機運行方式