系统硬件设计与开发

第2章系统硬件设计与开发

整个系统的硬件设计分为加速度信号采集电路、无线传输电路、ARM系统电路三部分。

2.1 硬件电路总体结构

根据系统的目标和基本技术指标，并结合MEMS加速度传感器的特点，选用Freescal 公司的MMA7261QT三轴加速度传感器用于加速度信号的采集。采用STC12C5410AD单片机作为信号采集部分的MCU，其内部自带的8路10位高速A/D转换器，很好得保证了传感器端输出端模拟信号的A/D转换精度。无线传输部分采用 2.4GHz无线收发一体芯片nRF2401，它与STC单片机采用模拟SPI方式通信。加速度信号处理模块的ARM微处理器采用三星公司的S3C44B0X，对无线模块接收到的加速度数据作相应的处理，可得到速度、位移等信息。系统结构图如图2.1所示：

2.2 加速度信号采集模块

本设计采用Freeseale公司的MEMS三轴加速度传感器MMA7261QT测量人体运动时的加速度信号，并用宏晶科技的微控制器STC12C5410AD作为核心控制器，控制其内置的模数转换器对加速度信号进行采样，被转换为数字信号后，由nRF2401无线模块将数据传输至ARM系统。

2.2.1 MEMS三轴加速度传感器MMA7261QT简介

MEMS（Micro Electro Mechanical Systems），即微电子机械系统是建立在微米/纳米技术基础上的21世纪前沿技术，是指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。近年来，由于MEMS技术的迅猛发展，各种基于MEMS的加速度传感器也应运而生，

目前已经得到了广泛的应用。它们有着体积小、质量轻、成本低、功耗低、可靠性高等特点，而且因为其加工工艺一定程度上与传统的集成电路工艺兼容，易于实现数字化、智能化以及批量生产，因而从问世起就引起了广泛关注，并且在汽车、医药、导航和控制、生化分析、工业检测等方面得到了较为迅速的应用。

本设计中采用的是飞思卡尔（Freescal）公司的MEMS 三轴加速度传感器MMA7261QT。MMA7261QT 低成本微型电容式加速度传感器采用了信号调理、单极低通滤波器和温度补偿技术，并且提供4 个量程可选，用户可在4 个灵敏度中的选择。该器件带有低通滤波并已做零g补偿并且还提供休眠模式，因而是电池充电的手持设备产品的理想之选[24]。MMA7261QT 具有高敏感度、低噪声、高清晰度和高准确性的特点，其应用包括高级步程计，可测量步行中人的脚步运动、距离和速度，允许根据多种不同应用和功能选择敏感度。本设计中采用MMA7261QT测量人体运动时三维的加速度信号。

◆MMA7261QT特性如下：

◆可选灵敏度（2.5g/3.3g/6.7/10g）；

◆低功耗：500μA；

◆休眠模式：3μA；

◆低压运行：2.2V-3.6V；

◆6mm×6mm×1.45mm的无引线四方扁平（QFN）封装；

◆快速开启：1ms；

◆高灵敏度（2.5g）；

◆低通滤波器具备内部信号调理；

◆设计稳定、防震能力强；

MMA7261QT的功能如图2.2所示。X、Y、Z三个相互垂直方向上的加速度G-Cel传感单元感知，经过容压变换器、增益放大、滤波器和温度补偿后以电压信号输出。

MMA7261QT的三个相互垂直的传感方向如图2.3所示。其引脚配置如表2.1所示：

2.2.2 加速度传感器与MCU接口电路

在加速度信号的采集中，首先使用MMA7261QT获得三维加速度信号，然后传送给STC12C5410AD进行处理。STC12C5410AD是宏晶科技的STC12系列单片机，其特征如下：

◆采用RISC型CPU内核，兼容普通8051指令集；

◆片内含有10KB Flash程序存储器，2KB Flash数据存储器，512B RAM数据

存储器；同时内部还有看门狗(WDT)；

◆片内集成MAX810专用复位电路、8通道l0位ADC以及4通道PWM；

◆具有可编程的8级中断源4种优先级；

◆具有在系统编程（ISP）和在应用编程（IAP）；

◆片内资源丰富、集成度高、使用方便；

由于MMA7261QT和STC12C5410AD都具有很高的集成度，因而使得系统的硬件设计大大简化。

在MMA7261QT与STC12C5410AD的接口中，首先要解决噪声问题。因为MMA7261QT 内部采用了开关电容滤波器，有时钟噪声产生，所以需要在MMA7261QT的XOUT、YOUT 和ZOUT三个输出端分别接RC滤波器。电路设计原理如图2.4所示。MMA7261QT输出的加速度信号是模拟信号，必须将其转换为数字信号。因此，必需要MMA7261QT的输出电压和微控制器STC12C5410AD内置的模数转换器输入电压范围的问题。MMA7261QT的X轴、Y 轴以及Z轴的输出电压均在STC12C5410AD的I/O口电压允许范围之内，满足其输入要求，因此MMA7261QT的三轴输出经过滤波处理后可以直接与STC12C5410A相连接。由于MMA7261QT固有的内部采样频率为11kHz，设计电路时其外部电源供电开关频率及STC12C5410AD的A／D采样频率都应不与之干扰，以防产生混叠误差。为了更准确的获取步态加速度信号，在硬件电路实现时，还应保证MMA7261QT与STC12C5410AD的物理连接距离最短,以减少寄生电阻、寄生电容的产生，防止加速度信号的衰减和噪声的干扰。

2.3 ARM系统电路

2.3.1 S3C44B0X 简介

本设计选用16/32位RISC（Reduced Instruction Set Computer）微处理器S3C44BOX作为信号处理部分的主控制器，它是一款由Samsung公司为手持设备和一般类型应用设计的低功耗、高度集成的基于ARM7TDMI核的微处理器。S3C44B0X提供了丰富的内置部件，包括：8KB cache,内部SRAM，LCD控制器，带自动握手的2通道UART4通道DMA，系统管理器（片内逻辑，FP/EDO/SDRAM控制器），带有PWM功能的5通道定制器，I/O端口，RTC，8通道