CN216350790U

CN216350790U - 基于二总线网络的加速度传感器

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Publication number: CN216350790U
Application number: CN202122414984.6U
Authority: CN
Inventors: 向政蓉; 吴其琦
Original assignee: Guangxi University of Science and Technology
Current assignee: Guangxi University of Science and Technology
Priority date: 2021-10-08
Filing date: 2021-10-08
Publication date: 2022-04-19
Anticipated expiration: 2031-10-08

Abstract

本实用新型提供了一种基于二总线网络的加速度传感器，包括加速度芯片(1)、MCU(2)、通信电路(3)，所述MCU(2)分别与所述加速度芯片(1)、所述通信电路(3)相连；所述MCU(2)用于读取所述加速度芯片(1)的加速度数据，再把数据输出至所述通信电路(3)，最后发送到采集仪。本实用新型的有益效果是：1.使用二总线网络结构，使得布线大为减少；2.使用数字方式通信，提高了信号传输可靠性；3.使得成本大为降低。

Description

基于二总线网络的加速度传感器

技术领域

本实用新型涉及电子技术领域，尤其涉及基于二总线网络的加速度传感器。

背景技术

加速度传感器是一种用于测量振动信号的传感器件，广泛应用在机械、汽车、建筑、航空等领域。加速度传感器工作时固定在被测点，用于测量加速度信号(振动信号本质是加速度信号)，传感器的输出一般为电流信号。利用加速度采集仪把电流信号转换为数字信号，以达到对加速度信号分析与存储之目的。

加速度传感器一般为压电式传感器，结构如图1所示。传感器的前端为压电陶瓷，实现机械能至电荷的转换。电荷放大器实现电荷至电压的转换，并把电压放大至适合程度。电流调制电路实现电压至电流的转换，最终实现加速度值至4-20mA电流的转换。

传统加速度传感器存在以下缺点：

1、布线多。每个单轴加速度需要2根线，如果是测量xyz方向的3轴传感器，则速要6根线。当整个振动测量系统有很多测量点时，在测量仪与传感器之间需要大量的布线，造成布线成本高，难于维护，如图2所示。在一些空间有限的测量场合，例如无人机，无法做到大量通道测试。

2、信号易受干扰。由于传输的是模拟信号，一旦信号受到外界干扰，则信号无法恢复从而造成测量效果降低。

3、价格高。传统加速度传感器市场价格偏高，以单轴的为例，一般在1千元以上，在多点测量的场合，总体价格很高。

实用新型内容

本实用新型提供了一种基于二总线网络的加速度传感器，包括加速度芯片、MCU、通信电路，所述MCU分别与所述加速度芯片、所述通信电路相连；所述MCU用于读取所述加速度芯片的加速度数据，再把数据输出至所述通信电路，最后发送到采集仪。

作为本实用新型的进一步改进，该加速度传感器包括二总线，所述通信电路通过所述二总线与采集仪相连，所述通信电路通过所述二总线获取电源以及实现与主机的双向通信。

作为本实用新型的进一步改进，所述二总线包括多个节点接头，所述二总线上分别安装有多个所述节点接头。

作为本实用新型的进一步改进，所述通信电路包括储能电路、数据发送电路、数据接收电路、接线端口，所述储能电路分别与所述数据发送电路、所述数据接收电路相连，所述数据发送电路与所述数据接收电路相连,所述接线端口分别与所述储能电路、所述数据发送电路、所述数据接收电路相连。

作为本实用新型的进一步改进，所述储能电路包括二极管、第一电容，其中，所述二极管一端分别与所述数据发送电路、所述数据接收电路相连，所述二极管另一端与电源VCC、第一电容一端相连。

所述第一电容一端分别与所述电源VCC、所述二极管另一端相连，所述第一电容另一端分别与所述数据发送电路、接地端相连。

作为本实用新型的进一步改进，所述数据发送电路包括三极管、第一电阻、第二电阻，其中，所述三极管C极分别与所述数据接收电路、所述接线端口(J1)、用于发送VBUS信号的所述二总线、所述二极管一端相连，所述三极管B极与所述第一电阻一端相连，所述三极管E极与所述第二电阻一端相连。

所述第一电阻一端与所述三极管B极相连，所述第一电阻另一端与串口发送信号的设备相连。

所述第二电阻一端与所述三极管E极相连，所述第二电阻另一端与接地端、所述第一电容另一端相连。

作为本实用新型的进一步改进，所述数据接收电路包括第三电阻、第四电阻、第二电容，其中，所述第三电阻一端分别与所述三极管C极、所述二极管一端、用于发送VBUS信号的所述二总线、所述接线端口2脚相连，所述第三电阻另一端分别与串口接收信号的设备、所述第四电阻一端、所述第二电容一端相连。

所述第四电阻一端分别与串口接收信号的设备、所述第二电容一端、所述第三电阻另一端相连，所述第四电阻另一端分别与所述接线端口1脚、接地端、所述第二电容另一端相连。

所述第二电容一端分别与串口接收信号的设备、所述第四电阻一端、所述第三电阻另一端相连，所述第二电容另一端分别与所述第四电阻另一端、接地端、所述接线端口1脚相连。

作为本实用新型的进一步改进，该加速度传感器还包括电源电路，所述电源电路用于把所述储能电路的电压降压到稳定的3.3V，供所述MCU与所述加速度芯片使用。

作为本实用新型的进一步改进，所述电源电路包括稳压芯片、外围滤波电容，所述外围滤波电容包括第三电容、第四电容、第五电容，所述稳压芯片分别与所述第三电容、所述第四电容、所述第五电容相连。

作为本实用新型的进一步改进，所述MCU采用型号为STM32L011G4；所述加速度芯片采用型号为Inversense公司的ICM-20649；所述稳压芯片采用型号为MIC5330。

本实用新型的有益效果是：1.使用二总线网络结构，使得布线大为减少；2.使用数字方式通信，提高了信号传输可靠性；3.使得成本大为降低。

附图说明

图1是本实用新型背景图-压电式加速度传感器结构；

图2是本实用新型背景图-传统加速度传感器布线方式结构图；

图3是本实用新型二总线网络结构；

图4是本实用新型二总线网络底层协议示意图；

图5是本实用新型通信帧内容原理框图；

图6是本实用新型数据帧内容原理框图；

图7是本实用新型加速度传感器结构图；

图8是本实用新型通信电路图；

图9是本实用新型MCU电路图；

图10是本实用新型加速度芯片电路图；

图11是本实用新型电源电路图。

具体实施方式

本实用新型公开了一种基于二总线网络的加速度传感器，具体如下：

一.二总线网络结构

二总线是仅需两根线的“电源+信号”总线的简称。该总线既能为传感器提供电源，也让传感器具有网络通信能力。二总线网络是利用二总线构成的网络，能够接入多个传感器，每个接入的节点仅需2个接头，可以是树形、星型等多种拓扑机构，本实用新型设计的二总线结构如图3所示。

由图3可知，仅需要一个端口，即能接入多个传感器，大大减少了布线。

二.二总线网络通信协议

网络协议是网络通信的关键技术，优秀的协议具有高效通信效率与低的误码率。本案设计的通信协议分为底层与顶层两部分，底层协议定义传感器供电、数据的发送与接收的时序，而顶层协议定义发送数据与接收数据的内容，从而实现一次具有双向传输功能的通信，通信的内容称之为通信帧。

底层协议如图5所示，在一次通信过程里包含供电、发送数据、方向转换、接收数据4种状态。

(1)供电状态。采集仪向加速度传感器供电，采用6.6V电压供电，该电压对加速度传感器内的储能电容充电，在其他状态中储能电容再为传感器电路供电。

(2)发送数据。采集仪向加速度传感器发送数据，当发送数据‘0’时，输出低电平0V，当输出数据‘1’时，输出高电平6.6V。

(3)方向转换。因为总线上存在寄生电容，寄生电感，总线从发送状态转换为接收状态需要一定时间，在此阶段采集仪输出5V电压。

(4)接收数据。加速度传感器向采集仪发送数据，发送数据‘0’时，通过接通两根线形成50mA的电流环路，使得采集仪端口的电压降为4V。当发送‘1’时两根线不接通，总线上无电流，电压为5V。

由图4可知，在一次通信过程里，各个状态定义明确，互不干扰，确保了对传感器的正常供电，也保证了数据的发送与接收的可靠性。

顶层协议是定义一个通信帧的内容，通信帧分为指令帧与数据帧，指令帧如图5所示，各部分的解释如下：

(1)帧头。标识一个数据帧的开始，为十六进制0x55。

(2)传感器ID。用于标识当前帧对某一个传感器通信。ID取值范围可以是1-255。

(3)指令。采集仪向传感器发送的命令代码。指令可以是启动传感器采集数据，让传感器发送数据等具体动作.

(4)参数。采集仪向传感器发送指令中对应的参数。参数可以是传感器放大倍数，滤波频率等具体信息。

(5)返回值。传感器向采集仪发送的数值。该数值可以是加速度数据或是传感器状态等具体信息。

(6)CRC校验。用于判别通信是否存在错误。

(7)帧尾。标识一帧的结束，为十六进制0xFF。

利用指令帧，可以实现加速度传感器的参数设定、启动与停止采集数据、加速度归零等动作。还可以在识别到传输过程中出现错误数据的情况下，要求加速度传感器重发数据，因此传输的可靠性很高。

数据帧的格式如图6所示，采集仪发送帧头0XAA后，各个传感器接收到OXAA后，根据自身的ID进行相应的延时，在属于自己的时间段内把数据发送到二总线上。采用数据帧可以最大程度的提高数据传输量。

三.二总线加速度传感器的结构

如图7所示，本实用新型的基于二总线网络的加速度传感器，包括加速度芯片1、MCU2、通信电路3，所述MCU2分别与所述加速度芯片1、所述通信电路3相连；所述MCU2用于读取所述加速度芯片1的加速度数据，再把数据输出至所述通信电路3，最后发送到采集仪。

通信电路的功能是从二总线上获取电源，以及实现与主机的双向通信，电路如图8所示。VBUS是总线上的信号，RX1是串口接收信号，TX1是串口发送信号，VCC是供电电压。二极管D1与第一电容C17构成储能电路。当VBUS的电压高于第一电容C17的电压时，将通过二极管D1向第一电容C17充电，反之电压低于第一电容C17的电压时，二极管D1截至，第一电容C17电压不受总线影响，电能得以保存。

数据发送电路由第一电阻R1、第二电阻R2与三极管Q1构成。当发送数据‘0’时，TX1为低电平时，三极管Q1截至，二总线上电流为0mA。当发生数据‘1’时，TX1为高电平时，三极管Q1导通，二总线上的电流I_BUS为：

在采集仪端，通过判断总线上电流的有与无，即可识别传感器发送的数据。

数据接收电路由第三电阻R3、第四电阻R12与第二电容C5构成。第三电阻R3与第四电阻R12构成分压电路，实现总线6.6V电平至3.3V电平的转换。第二电容C5是滤波电容，滤除总线上的干扰信号。当总线电压为6.6V，RX1输出3.3V，为数据‘1’；当总线电压为0V，为数据‘0’。

MCU2采用STM32L011G4,这是一款高性能Cortex-M0 ARM处理器芯片，拥有丰富的硬件资源，下面仅列出与设计相关的数据，见表1。在本实用新型中，该芯片最重要的特性是低功耗与小体积。MCU2电路见图9，使用了SPI接口与串口，SPI接口与加速度芯片1连接，串口与通信电路连接。

表1 STM32L011部分参数

如图10所示，加速度芯片1采用Inversense公司的ICM-20649,该芯片可测量加速度与角速度，设计中仅使用加速度数据,芯片的参数见表2。电路如图11所示，由ICM-20649与3个电容构成，通过SPI总线与MCU2通信。

表2 ICM-20649部分参数

序号	项目	参数
			1	测量范围	30g
2	数据位宽	16bit
			3	数据速率	4500Hz
4	-3dB带通	1209Hz
			5	通信端口	SPI
6	工作电流	760uA
			7	体积	3x3x0.9mm

电源电路的作用是把第一电容C17(储能电容)的电压降压到稳定的3.3V，供MCU2与加速度芯片1使用，电路如图11所示。电路由稳压芯片MIC5330以及外围滤波电容构成；所述外围滤波电容包括第三电容C12、第四电容C13、第五电容C16，所述稳压芯片U4分别与所述第三电容C12、所述第四电容C13、所述第五电容C16相连。

本实用新型加速度传感器的关键性能如表3所示,该性能可以满足大部分测试场合。所用芯片都是微小贴片封装，因此加速度传感器的体积可以做得很小，拓宽了应用场合。

表3加速度传感器关键性能

以目前市场价格，各个芯片及阻容器件的大概售价如表4所示，总价约在45元左右，再加上外壳成本，总体价格可以控制在100元以下，由此可知本案具有很好性价比。

表4成本预算

序号	芯片	售价
			1	STM32L011G4	10
2	ICM-20649	25
			3	MIC533-SSYML	5
4	其他元件	5
				总价	45

本实用新型的有益效果：1.使用二总线网络结构，使得布线大为减少；2.使用数字方式通信，提高了信号传输可靠性；3.使得成本大为降低。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种基于二总线网络的加速度传感器，其特征在于：包括加速度芯片（1）、MCU（2）、通信电路（3），所述MCU（2）分别与所述加速度芯片（1）、所述通信电路（3）相连；所述MCU（2）用于读取所述加速度芯片（1）的加速度数据，再把数据输出至所述通信电路（3），最后发送到采集仪；

该加速度传感器包括二总线，所述通信电路（3）通过所述二总线与采集仪相连，所述通信电路（3）通过所述二总线获取电源以及实现与主机的双向通信。

2.根据权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于：所述二总线包括多个节点接头，所述二总线上分别安装有多个所述节点接头。

3.根据权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于：所述通信电路（3）包括储能电路、数据发送电路、数据接收电路、接线端口（J1），所述储能电路分别与所述数据发送电路、所述数据接收电路相连，所述数据发送电路与所述数据接收电路相连,所述接线端口（J1）分别与所述储能电路、所述数据发送电路、所述数据接收电路相连。

4.根据权利要求3所述的加速度传感器，其特征在于：所述储能电路包括二极管（D1）、第一电容（C17），其中，

所述二极管（D1）一端分别与所述数据发送电路、所述数据接收电路相连，所述二极管（D1）另一端与电源VCC、第一电容（C17）一端相连；

所述第一电容（C17）一端分别与所述电源VCC、所述二极管（D1）另一端相连，所述第一电容（C17）另一端分别与所述数据发送电路、接地端相连。

5.根据权利要求4所述的加速度传感器，其特征在于：所述数据发送电路包括三极管（Q1）、第一电阻（R1）、第二电阻（R2），其中，

所述三极管（Q1）C极分别与所述数据接收电路、所述接线端口（J1）、用于发送VBUS信号的所述二总线、所述二极管（D1）一端相连，所述三极管（Q1）B极与所述第一电阻（R1）一端相连，所述三极管（Q1）E极与所述第二电阻（R2）一端相连；

所述第一电阻（R1）一端与所述三极管（Q1）B极相连，所述第一电阻（R1）另一端与串口发送信号的设备相连；

所述第二电阻（R2）一端与所述三极管（Q1）E极相连，所述第二电阻（R2）另一端与接地端、所述第一电容（C17）另一端相连。

6.根据权利要求5所述的加速度传感器，其特征在于：所述数据接收电路包括第三电阻（R3）、第四电阻（R12）、第二电容（C5），其中，

所述第三电阻（R3）一端分别与所述三极管（Q1）C极、所述二极管（D1）一端、用于发送VBUS信号的所述二总线、所述接线端口（J1）2脚相连，所述第三电阻（R3）另一端分别与串口接收信号的设备、所述第四电阻（R12）一端、所述第二电容（ C5）一端相连；

所述第四电阻（R12）一端分别与串口接收信号的设备、所述第二电容（C5）一端、所述第三电阻（R3）另一端相连，所述第四电阻（R12）另一端分别与所述接线端口（J1）1脚、接地端、所述第二电容（C5）另一端相连；

所述第二电容（C5）一端分别与串口接收信号的设备、所述第四电阻（R12）一端、所述第三电阻（R3）另一端相连，所述第二电容（C5）另一端分别与所述第四电阻（R12）另一端、接地端、所述接线端口（J1）1脚相连。

7.根据权利要求3所述的加速度传感器，其特征在于：该加速度传感器还包括电源电路（4），所述电源电路（4）用于把所述储能电路的电压降压到稳定的3.3V，供所述MCU（2）与所述加速度芯片（1）使用。

8.根据权利要求7所述的加速度传感器，其特征在于：所述电源电路（4）包括稳压芯片（U4）、外围滤波电容，所述外围滤波电容包括第三电容（C12）、第四电容（C13）、第五电容（C16），所述稳压芯片（U4）分别与所述第三电容（C12）、所述第四电容（C13）、所述第五电容（C16）相连。

9.根据权利要求8所述的加速度传感器，其特征在于：所述MCU（2）采用型号为STM32L011G4；所述加速度芯片（1）采用型号为Inversense公司的ICM-20649；所述稳压芯片（U4）采用型号为MIC5330。