ADXL312加速度计在振动测试中的应用

[摘要]文章介绍了基于数字式加速度计ADXL312设计的全数字化的振动测量装置，适用于电泵状态监测设备等需要小型化、高可靠性的振动监测设备。文中分析了该装置软硬件设计的特点，并结合电泵测试系统的需求，进一步具体的试验。通过理论分析，以及振动测试实验验证了设计的正确性。

[关键词]加速度传感器；振动测试；电泵

中图分类号：TP21

文献标识码：A

文章编号：1006-0278（2013）08-188-01

一、引言

加速度计一直是振动测试中的重要元件。然而，传统的加速度计大多是模拟信号输出。使用这种传感器需要额外的模数转换电路，而且对设计者的电路设计能力要求很高。采用新型的集成了模数转换器的数字输出的加速度芯片会极大的简化电路和软件系统设计。这里采用的新型单芯片三轴加速度计ADXL312，设计了全数字化的加速度测量装置，并扩展了其与PC机的通信功能。配合一定的数据处理方法，可以提供一种通过加速度测量振动的简单可靠的新方法。

二、测量原理

ADXL312是一款完整的3轴加速度测量系统，可选择的测量范围有±1.5g、±3g、±6g或±12g。该器件既能测量运动或冲击导致的动态加速度，也能测量静止加速度，例如重力加速度。传感器主要是由一个利用表面微机械加工的多晶硅机构和一个差动电容器组成。在加速度的作用下，多晶硅结构会产生偏移，于是就会拉动差动电容器的运动极板滑动使电容值发生变化，从而传感器输出的幅度与加速度成比例。

ADXL312的每个轴的传感器输出的信号经过内部的模数转换器、数字滤波器处理后，进入32级FIFO中。外部设备可以通过SPI接口读取保存在FIFO中的数据。输出数据速率可以设置在（6.25～3200）Hz之间的10个档位进行切换。除此之外，ADXL312还提供了中断输出，中断源可以配置为数据准备完成、数据超上限、数据低于下限、FIFO溢出等事件。为外部控制提供了更加灵活的选择。

三、测量电路设计

（一）测量电路

图1是ADXL312的测试电路框图。由单片机控制加速度计采集数据，并保存在存储器中。最后通过通讯接口发送给PC机。单片机也可以根据PC机的要求，在采集间歇中，对测试数据进行处理，输出计算得到的振动物理量结果到PC机。存储器的存在，是因为通过加速度采样计算振动时，需要较高的实时采样速率。采样期间，没有时间与PC机通讯。所以将实时数据保存在存储器中，待采集完成后，PC机再要求单片机读取存储器中的数据。

（二）程序设计

1 程序功能。测试电路需要完成按照一定速率采集加速度数据，保存在存储器中。并在PC机发出规定的数据请求时，将数据发送给PC机。

2 ADXL312采样速率设置。加速度芯片ADXL312的采样速率可以在（6.25～3200）Hz之间的10个档位进行切换。同时，不同的采样速率，对单片机与ADXL312的通讯速率有着最小的设置要求。

ADXL312输出速率与信号带宽有着固定的对应关系。在数据速率小于100Hz的正常功耗模式下，ADXL312的噪声等同于100Hz输出数据速率下所产生的噪声（以LSB表示）。如果数据速率大于100Hz，每当数据速率加倍时，噪声即大致变大“2的平方根”倍。例如，在400Hz的输出数据速率下，x轴和y轴的典型噪声小于2.0LSBrms，z轴的典型噪声小于3.0LSBrms。

但电泵的电机转速一般约为（2400～2800）rpm，故其振动周期为40Hz左右。加速度的采样速率一般设置为200Hz以上。如果单片机每5ms读取一次加速度速率，采样速率最好设置在400Hz。

需要注意的是，单片机与ADXL312之间的SPI通讯速率也与采样速率有一定的对应关系。SPI通信速率大于或等于2MHz时，推荐采用3200Hz和1600Hz的输出数据速率。只有通信速度大于或等于400kHz时，推荐使用800Hz的输出数据速率，剩余的数据传输速率按比例增减。以低于推荐的最小值输出数据速率运行，可能会对加速度数据产生不良影响，包括采样丢失或额外噪声。所以，400Hz输出数据速率时，可以设置通信速度为400kHz。

3 ADXL312其它设置。除采样速率外，还需要对ADXL312的量程、分辨率模式、输出数据格式以及FWO工作模式进行设置。

根据电泵的测试需要，设置量程为±6g，分辨率为全分辨率模式（即在所有量程下均达到2.8mg/LSB的分辨率），输出数据为右对齐，FIFO设置为旁路模式（即每次读取最新一次的测试结果）。

需要注意的是，单片机读取ADXL312的测试结果时，必须要连续读取X、Y、Z三轴的数据，否则有可能造成FIFO中的数据混乱。

4 数据采集与存储。根据上面的设置，单片机中的采集定时器可以设置为5ms（即200Hz采样速率）。每隔5ms，单片机通过SPI总线读取ADXL312中的加速度数据，并先保存在单片机的内部数据存储器中。因为外部存储器的写入一般耗时较多（这里选择的EEPROM，写入耗时5ms），所以将一定次数的采集结果先保存在内部数据存储器中，待达到一定数据量后，再整页写入外部数据存储器。

5 与PC机的通讯。与PC机的通讯可选方案很多，这里不再介绍。本方案选择通过RS232输出数据，再通过RS232与USB转换接口，接入PC机中。