MEMS加速度计嵌入式批量自动化测试系统设计

吴志强 印 娟 朱欣华

(南京理工大学机械工程学院，江苏 南京 210094)

MEMS加速度计嵌入式批量自动化测试系统设计

吴志强 印 娟 朱欣华

(南京理工大学机械工程学院，江苏 南京 210094)

针对MEMS传感器人工测试、筛选存在的工作效率低、易出错等缺点，设计了一种MEMS电容式加速度计嵌入式自动化测试系统。系统主要由嵌入式多通道数据采集模块及上位机组成，两者通过USB接口进行通信。为提高测试效率，嵌入式数据采集模块采用微控制器控制4片菊花链方式级联的ADS1278，实现32通道模拟输出的同步采样。经测试，各通道有效分辨率均优于21 bits，满足系统设计指标要求。应用虚拟仪器技术设计了应用软件。实测结果表明该系统可大大提高MEMS传感器测试、筛选的效率。

自动化测试设备 批量测试 MEMS电容式加速计 菊花链 ADS1278

0 引言

MEMS传感器是采用微电子和微机械加工技术制造的新型传感器，具有体积小、质量轻、成本低、功耗小、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点，在汽车安全气囊系统、导航系统、防滑系统以及防盗系统等方面得到了广泛应用[1]。应用过程中，为提高效率，需对生产或采购的MEMS加速度计进行批量性能测试，以判别产品的主要性能是否合格或满足应用需求。目前，MEMS传感器测试、筛选工作大多依靠人工完成，工作效率低下，且容易出错[2]。当然也有部分采用自动测试[3-5]，但自动测试往往仅针对单一的传感器，无法实现批量自动测试[3-4]，而且所用的测试设备庞大、昂贵[5]，因此开发紧凑的批量自动化测试系统是MEMS加速度计应用过程中的迫切需求。

本文采用测试工装夹具技术、模/数转换技术、嵌入式计算机技术、虚拟仪器技术，研制了一套MEMS电容式加速度计嵌入式批量自动化测试系统。系统具有成本低、体积小、人机界面友好等优点，可实现MEMS电容式加速度计批量自动化测试。

1 批量自动化测试系统总体设计

1.1 MESM电容式加速度计性能测试需求

在采用MEMS电容式加速度计构成应用系统前，需对其性能进行全面评估，筛选出符合系统要求的加速度传感器。本文设计的自动化测试系统实现了MEMS电容式加速度计零位稳定性、零位重复性及温度特性等静态性能的测试。系统以Colibrys 公司的MS9030作为筛选对象，其主要参数规格如表1所示。

表1 MS9030主要性能参数表

根据表1所示的噪声谱密度可知，1 Hz带宽条件下，传感器的动态范围可达18 bit，为了不损失传感器的测量精度，测试系统有效分辨率需优于20 bit@1Hz。为满足批量化测试需求，自动化测试系统的功能及性能参数如表2所示。

表2 系统功能及技术指标

参照国军标GJB 1037A《单轴摆式伺服线加速度计实验方法》，本文采用的稳定性、重复性及温度特性测试方法如下。

(1) 稳定性实验：主要测试加速度传感器的短期稳定性。实验过程中将待测传感器静态置于转台内或安静环境中的固定台面上，敏感轴竖直向上，连接线缆后，上电10 min，然后采集30 min，结束后存储数据，断电。

(2) 重复性实验：按照(1)的要求，重复完成7次，每次开断电的间隔不少于30 min。

(3)温度实验：将待测加速度计置于温控箱内，敏感轴竖直向上固定，连接线缆，将温控箱设置到-20 ℃稳定1 h后，给加速度计上电，同时开始采集加速度的输出，30 min后设置温控箱按照1 ℃/min升至+60 ℃;保温30 min后，按照1 ℃/min降至-20 ℃;保温30 min后，停止采集存储数据，断电，转台回到室温，重复3组。

1.2 批量自动化测试总体方案

本文采用的测试系统原理如图1所示，主要由测试夹具、嵌入式多通道数据采集模块及上位机组成。

图1 批量自动化测试系统原理框图

图1中，为保证系统可重复使用，采用测试工装夹具实现传感器的电气连接和机械固定，每个传感器配备一个测试夹具，由测试夹具将加速度传感器的各个引脚引出，实现传感器供电，并将传感器输出引到多通道数据采集模块。多通道数据采集模块由微控制器控制，完成MEMS加速度计模拟输出的数字化，模/数转换后的数据通过USB接口送至上位机。上位机通过USB发送控制命令给微控制器，微控制器通过GPIO配置实现数据采集过程中相关参数的控制。系统实现的控制过程包括采样速率设定、采样通道选择、传感器电路上电、断电操作等。上位机软件还可以实现采集数据的自动分组保存及数据的统计分析等。

2 批量测试系统的实现

2.1 测试夹具

在测试过程中，为方便安装与卸载传感器并能有效地固定传感器以实现相关的静态测试，为每个待测MEMS加速度传感器配置一个专用的老化测试夹具。本文待测试的加速度传感器MS9030为LCC20(8.9 mm×8.9 mm)陶瓷封装，老化测试夹具将LCC20封装转换为直插封装，避免了每次测试焊接传感器带来的麻烦。

2.2 多通道数据采集模块

一个嵌入式数据采集系统至少包括信号调理电路、模/数转换器和微控制器(或微处理器)等几个部分。其中，信号调理电路将待测信号放大、滤波后送至模数转换器的输入端。模/数转换器实现模拟信号与数字信号的转换。微控制器(微处理器)对整个数据采集流程及相关的程控器件进行控制，对采集到的数据进行预处理，并在需要时通过通信接口将采集到的数据传送到上位机。

图1中的嵌入式多通道数据采集模块采用MSP430F5529作为控制器，模/数转换器采用ADS1278，微控制器通过USB与上位机进行数据通信。

每片ADS1278包含8路同步差分输入通道，要实现32个通道的数据采集，需将4片ADS1278通过菊花链方式级联，连接电路原理图如图2所示。

图2 ADS1278菊花链连接示意图

2.3 上位机应用软件设计

上位机应用软件的功能主要包括采集过程的监控，采集数据的接收、存储、处理以及根据测试项目发送相应的控制命令给微控制器。设计时，采用LabVIEW编写了上位机应用软件。

微控制器MSP430F5529内嵌USB接口引擎，可以采用TI公司提供的USB API库进行开发。本系统将USB设备类型定义为通信设备类(CDC)，当USB连接主机时，会在主机上建立一个“虚拟COM端口”，上位机应用软件把USB接口当做“虚拟COM端口”来处理即可，简化了开发流程。根据上位机应用软件的功能需求，确定了如图3所示的软件流程图。

图3 上位机应用软件流程图

3 系统测试与评价

3.1 有效分辨率测试

为验证设计的系统能否达到表1所示的技术指标，对系统进行了性能评估测试，主要是采集模块的有效分辨率测试。有效分辨率可由信噪比通过式(1)求出[6]：

n=(SNR-1.76)/6.02

(1)

SNR为系统的信噪比，可表示为：

SNR=20lg(UN/UR)

(2)

式中：UN为有用信号电压的有效值；UR为噪声信号电压的有效值。

表3 各通道的SNR和有效分辨率

3.2 MEMS加速度计零位稳定性测试

比较测量结果可知，系统设计发挥了Σ-Δ型ADC的技术优势，在同等测试条件下，系统测量精度优于六位半数字多用表。

4 结束语

本文介绍了一种MEMS加速度计嵌入式批量自动化测试系统的设计方法，实验结果表明该系统可满足MEMS加速度计批量自动化测试要求。通过设置加速度筛选条件，可对一批待测试MEMS加速度计进行性能评估、排序，从中筛选出符合系统要求的传感器，测试效率高。同时，该批量测试系统操作方便，人机界面友好，稍作调整即可用于其他种类传感器的批量测试，具有广泛的应用价值。

[1] 王淑华.MEMS传感器现状及应用[J].微纳电子技术,2011,48(8):516-522.

[2] 徐夏，马游春，瞿成瑞，等.三维MEMS加速度计的性能测试方法与分析[J].微计算机信息,2007,23(2):208-210.

[3] Zhao Y,Liu Y,Cheng H,et al.Design of testing system for accelerometer based on GP-IB[J].Electronic Science and Technology,2011(11):28.

[4] Edoardo G,Luca F,Alessandro R.New low-cost concept for characterization of MEMS accelerometers at medium-g levels for automotive[C]//Advances in Sensors and Interfaces(IWASI),2013 5th IEEE International Workshop on,IEEE,2013:168-173.

[5] Woody B.ADI公司使用PXI与LabVIEW降低MEMS测试成本[EB/OL].[2012-08-19]http://www.ni.com/.

[6] (德)施吕费尔.电测技术[M].8版.殳伟群,译,北京：电子工业出版社，2005.

[7] 王亭岭,周芬芳,熊军华,等.微压力弹簧性能自动测试装置的设计与实现[J].自动化仪表,2012,34(8):70-73.

[8] 王怀秀，朱国维.24位高性能模数转换器ADSl274/ADSl278及其应用[J].国外电子元器件,2008(5):53-56.

[9] 尼佳伟,王文理，谢振山.基于ADS1278的高精度采样平台的搭建[J].计算机光盘软件与应用,2013(3):54-58.

[10]贾丹,徐建华,段海涛,等.LabVIEW在摩擦学实验自动控制与数据采集中的应用[J].自动化仪表,2014,35(9):69-72.

Design of the Embedded Automated Batch Testing System for MEMS Accelerometer

Considering the disadvantages of low efficiency and error prone in manual testing and selecting of MEMS sensors, the embedded automatic testing system for MEMS capacitance accelerometer is designed. The system mainly consists of embedded multi-channel data acquisition module and host computer, and both communicate with each other via USB interface. In order to enhance testing efficiency, the embedded data acquisition module adopts micro-controller to control 4 daisy chain cascade ADS1278, to implement synchronous sampling of 32-channel analog outputs. The tests show that the effective resolution of each channel is better than 21 bits, and meets the design indexes. The application software is designed by using virtual instrument technology. The results of practical test indicate that the system greatly enhances the efficiency of testing and selecting MEMS sensors.

Automatic testing equipment Batch test MEMS capacitance accelerometer Daisy chain ADS1278

吴志强(1982-)，男，2012年毕业于西北工业大学电磁场与微波技术专业，获博士学位，讲师；主要从事惯性传感器测试及惯性系统方面的研究。

TP216

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201509019

修改稿收到日期：2015-01-06。