基于MSP430和iMEMS传感器的跌落记录仪

赵丽丽,王 刚

(中国包装科研测试中心，天津 300457)

0 引言

电子商务等行业的迅速发展使得物流行业得到了快速的增长，但居高不下的货损率已严重制约了物流行业的发展。研究发现，货物在流通环节中所遭受的损坏，究其主要原因在于其所遭受的跌落/碰撞冲击，尤以跌落冲击所造成的损坏程度最为严重。目前，国内对跌落所造成的货损要依赖以下3个途径进行控制：一是反复更改包装设计；二是利用跌落试验设备模拟运输环境进行测试；三是对货物进行投保。但无论采用哪种途径都会耗费大量的人力物力，却无法对运输过程的实际情况进行监测。因此，设计一种可对运输过程实时监控，并可据此进行事后实验室过程再现做进一步分析的设备，具有非常重要的现实意义。

1 跌落记录仪的硬件电路设计

跌落记录仪的硬件部分主要完成加速度信号的采集、计算和存储工作，主控制器采用MSP430处理器，由传感器模块、存储模块、电源模块、JTAG仿真接口、指示灯、按键和USB接口组成，其系统框图如图1所示。

图1 系统功能框图

1.1 主控制器

该仪器选用的微控制器为MSP430F5529，是最新一代的具有集成USB功能的MSP430器件。片内自带128 KB的Flash存储空间满足了系统存储运行参数的要求，并具有8 KB的SRAM空间可构建用于数据暂存的FIFO数组，4个16位的Timer配有专门的PWM输出引脚,1个USB接口，2个UART接口，2个SPI接口，16个12位的ADC通道，3个DMA通道，并具有看门狗和实时时钟模块。除具有满足跌落记录仪需要的硬件模块外，该芯片还具有超低的功耗，工作模式下，系统时钟配置为4 MHz，其功耗为1.16 mA，配置为低功耗模式0时其功耗仅为83 μA.

1.2 传感器

该仪器采用的传感器为基于iMEMS技术的三轴数字式加速度传感器ADXL345.该传感器具有±2%、±4%、±8%和±16g4个可选的测量范围，最高13 bit的分辨率，固定的4 mg/LSB的灵敏度，标准的SPI接口，但其功耗却超低，在工作模式下仅为140 μA，待机模式下仅为0.1 μA.

由于为iMEMS器件，ADXL345在静止时其输出的三轴合成为1g，但当发生跌落事件时其加速度的三轴合成值会降低到接近0g，并且这个过程的持续时间与跌落的高度有关。这个特性为在主控制器中通过计算捕捉跌落事件和进行跌落事件的排序覆盖提供了基础。

ADXL345与MSP430F5529的连接电路如图2所示，采用标准的SPI接口方式。系统上电后，ADXL345被配置为16g量程，13 bit的分辨率，800 Hz的采样频率，之后进入待机状态。在设定的启动时刻到来时，CPU将ADXL345配置为正常模式，启动采样。ADXL345每采集1组数据通过中断口唤醒1次CPU，进行1次数据读取和计算。

图2 ADXL345连接图

1.3 存储模块

存储模块的连接电路图如图3所示，因MSP430系列微处理器并未开放地址和数据总线，所以该仪器采用了2 Mb的EEPROM芯片M95M02.，该芯片为SPI接口可以很方便地与主控制芯片进行连接，并具有很好的扩展性，非常适合低存储容量的系统，并且一次页写所需要的时间为10 ms，最大功耗为3 mA，待机功耗仅为5 μA，也非常适合低功耗的设备。

国3 M95M02连接图

1.4 DMA数据存储

DMA(Direct Memory Access)直接内存存储，该记录仪中采用DMA数据存储的方式将数据从SRAM的FIFO数组传递给EEPROM中进行保存。在整个过程中，CPU只负责初始化这个传输，传输过程由DMA控制器来执行，在传输结束后才提起中断，省去了CPU取指令、取数、送数等操作，也无需频繁的响应中断，且每传输一个字节仅需2个主时钟周期，极大降低了数据的传输时间。

该跌落记录仪采用了突发块传输(Burst-block transfer)模式，在每传输4个字节或字后CPU将运行2个主时钟周期，因此在传输数据的过程中还保持了20%的CPU执行能力，以保证不间断地进行数据采集和跌落事件判别运算。

1.5 电源管理

出于对低功耗的考虑，该跌落记录仪采用LTC3103芯片用作系统的电源芯片，用于将9 V电压转换为系统所需要的电压。实测其在系统中的转换效率可达到85%以上，但其静态电流仅为1.8 μA.

为保证记录仪可以稳定可靠地工作，系统利用实时时钟模块的报警功能，在检测状态下每30 min检查1次电池电压，当电压值降至所设定的门限值时，系统在保存完当前一个事件后进行自动关机。

1.6 USB接口

MSP430F5529芯片内部集成了一个符合USB2.0协议规范的USB模块，支持全速12 Mbit/s的USB收发。在该跌落记录仪中，USB接口被配置为2种模式：一种为HID(Human Interface Device)模式，在将仪器用于运输状态监测之前，通过PC软件将用于系统运行参数通过USB的HID模式设置进仪器中，当运输监测过程结束后，仍通过此种方式将设置的系统运行参数读取出来用于后续的软件分析；另一种为MSC(Mass storage Class)模式，运输监测过程结束后，通过此模式将采集的跌落事件的数据传给PC机。

2 跌落记录仪的软件设计

该跌落记录仪的主体软件设计流程图如图4,出于降低功耗的考虑，系统在上电开机后，完成系统配置即进入低功耗模式0，并且在后续的运行过程中，每次完成中断处理工作，系统都进入低功耗模式0。

在用户设定的启动采集条件来临时，系统配置相应的采集参数，启动ADXL345，进入数据采集模式。当ADXL345完成一次数据转换后，向系统发送数据采集完成中断，系统退出低功耗模式对数据进行相应的处理。如判定为自由落体事件则对其进行保存。

当用户按下关机键后，系统在确认当前数据保存完毕后，启动报警指示功能并在规定的时间内关机。

图4 软件流程图

3 低功耗设计

该跌落记录仪要求在不充电的情况下连续工作90 d，因此在整个系统的硬件、软件部分都充分进行了低功耗的设计。

(1)元件选型方面：尽量选择低功耗的器件，要保证在正常模式和待机模式下都具有良好的低功耗特性，同时需注意在进行系统连接之后，各个工作状态下都不能出现漏电的情况；

(2)硬件设计方面：不用的CPU管脚进行接地处理，各部分电阻的选用进行充分的考虑，尽量做到在电阻上消耗的电流最小；

(3)软件设计方面：尽量将系统时钟调整在合适频率，过高的系统时钟频率会增加系统的功耗。对各部分的代码进行了优化，并采用DMA方式进行数据存储，以提高系统运行效率。尽量让系统在不工作时进入低功耗模式。

4 测试分析

该次测试为测试某快递公司将货物从天津运往海口的过程中所发生的跌落冲击事件。跌落记录仪所记录的数据传输给上位机，并经上位机软件分析后给出跌落高度信息。以发生在2013年8月8号 8∶31∶45，跌落高度为0.566 4 m的跌落事件为例，以下为各个轴在本次跌落事件中所受加速度的情况分析。纵轴为冲击值，单位为g(9.8 m/s2)，横轴为时间轴，单位为ms.

X轴所受的加速度的曲线图如图5所示，其最大加速度为4.914g.

图5 X轴曲线

Y轴所受的加速度的曲线图如图6所示，其最大加速度为10.21g.

图6 Y轴曲线

Z轴所受的加速度的曲线图如图7所示，其最大加速度为15.966g.

图7 Z轴曲线

三轴所受的加速度的合成值曲线图如图8所示。

图8 三轴合成曲线

5 结束语

该记录仪专注于采集物流运输过程中的跌落冲击事件，已在中国包装科研测试中心的运输包装实验室完成性能测试，并经过了实际运行的检验，可作为改进包装运输方式提供重要的实际数据依据，有效地降低货损率，现已推向市场。

参考文献：

[1] 谢楷,赵建.MSP430系列单片机系统工程设计与实践．北京：机械工业出版社,2009.

[2] Texas Instruments．MSP430x5xx/MSP430x6xx Family User’s Guide(Rev.J),2011.

[3] Analog Devices．ADXL345 Data Sheet(Rev.D),2013.

[4] 莫莉,王雪梅,倪文波.基于DSP的数据采集与显示系统，仪表技术与传感器,2011(7):41-43.