基于nRF905的无线加速度测量系统设计

摘要：为了克服有线加速度传感系统中由导线所导致的数据传输弊端，以射频数字传输方式代替传统导线传输方式。给出了无线加速度测量系统设计方案，设计了系统电路并进行调试。加速度信号采集及射频收发试验表明，在400 m范围内，测量数据传输准确。在近距运动物体加速度测量的复杂环境中，该系统能够克服因采用传输导线所带来的一些缺点。
关键词：nRF905；加速度测量；LIS331DL；无线传输

0 引言
微电子与微机械(MEMS)技术的发展，使现代传感器设计向微型化、智能化、集成化、微低功耗方向发展。MEMS技术突破了传统传感器设计受质量、体积、功耗等技术瓶颈的束缚，在各测量领域有着非常广泛的应用。而随着无线技术的发展，传感器技术与无线技术结合得越来越紧密，利用无线技术开发信号采集无线传输模块可以克服有线传输的弊端。
本文结合三轴线性MEMS惯性传感器LIS331DL和单片无线收发器nRF905构建加速度测量无线传输系统，避免因采用传输导线所带来的不利影响和使用上的不方便。该系统的特点是集电源、加速度传感器、微控器、射频收发器于一体，体积小、功耗低，能够实现对运动物体三维方向上加速度的测量。所设计的系统装置可以非常方便地固定于运动物体上，尤其适合近距复杂环境中对运动物体加速度的测量。

1 系统组成和工作原理
系统总体构成如图1所示。系统分为主、从机两部分。从机负责测量运动物体的加速度并通过射频传输方式发射测量数据；主机负责接收从机发射的数据，对数据进行实时显示，并将数据结果通过RS 232串口保存到PC机中以供分析。

系统采用电池供电，在非工作模式下处于待机模式，通过控制按键实现工作模式和待机模式的切换以进一步节省功耗，保证电池长时间工作。

2 硬件设计
硬件设计主要包括传感器与微控器外围连接电路设计、射频收发器与微控器外围连接电路设计等。
2．1 微控制器
经对比选用高速C8051F310单片机作为系统的微控器。C8051F310是完全集成的混合信号片上系统型MCU芯片，具有片内上电复位、VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的真正独立工作的片上系统，片内外设丰富。
2．2 LIS331DL传感器电路设计
LIS331DL是ST纳米运动传感器家族中具有最小封装(LGA16封装，3 mm×3 mm×1 mm)、最低功耗(小于1 mW)的三轴线性加速度传感器。

逻辑框图如图2所示。LIS331DL内部有按互相垂直关系放置的三个敏感质量块。当有外界加速度作用时，敏感质量块会偏离其平衡位置一段位移，外界加速度越大位移就越大。由于敏感质量块位于两个电极组成的电容之间，质量块位移的变化会引起电容电极两端电荷量的变化，电荷量的变化经电容／电压变换器转化为电压的变化，A／D转换器将模拟电压值转换为二进制数字值，从I2C／SPI串行接口的三个输出轴以二进制补码的形式输出。该芯片能够测量运动物体在三维空间的线加速度，三个输出轴上加速度的矢量和即为运动物体的加速度。