基于谐振式mems传感器的仪表开发关键技术.doc

基于谐振式mems传感器的仪表开发关键技术 xx年第1期仪表技术与传感器InstrumentTechniqueandSensorxxNo.1基金项目国家863计划项目资助（xxAA4Z318）xx0408收修改稿日期xx1002基于谐振式MEMS传感器的仪表开发关键技术焦海龙1，2，陈德勇1，王军波1，李玉欣1，2，李浩1，2（1中国科学院电子学研究所传感技术联合国家重点实验室，北京100190；2中国科学院研究生院，北京100190）摘要针对基于谐振式MEMS传感器开发数字智能仪器仪表的高精度、快响应频率测量技术展开研究。 以一谐振式MEMS气压传感器为开发样件，其差分输出是两路4070kHz之间的正弦频率信号。 对传统的频率测量方法进行阐述分析，提出一种新的结合传统测频方法各自优点的频率检测方法。 设计实现相关软、硬件，搭建测试系统，实验结果表明该测频方案针对4070kHz的频率信号误差小于0.02Hz，响应时间为1s以内。 关键词MEMS；谐振式传感器；单片机；高精度；快响应；频率检测TH765；TP2121；TM935A10021841 （xx）01002603Key Technologiesof InstrumentDevelopment Based on MEMSResonant SensorJIAOHai-long1，2，CHEN De-yong1，WANG Jun-bo1，LI Yu-xin1，2，LI Hao1，2（1State KeyLaboratory ofTransducer Technology，Institute ofElectronics，Chinese Academyof Sciences，Beijing100190，China；2Graduate University，Chinese Academyof Sciences，Beijing100190，China）AbstractA studyof highprecision，fast responsefrequency measurementwas presented，which wascrucial forMEMS-basedresonant sensorto developdigital intelligentinstrumentTook aMEMS-based resonantpressure sensoras studysample，its differen-tial outputswere twosinusoidal frequencysignals whosevalue wasfrom40kHz to70kHzThe traditionalfrequency measuringmethodswere describedand analyzed，and anovel methodwith theadvantages oftraditional methodswas proposedfor frequencymeasuringHardware andsoftware systemwere designedand implemented，test systemwas setup，and theexperimental resultsshowthat thefrequency measuringsystems erroris lessthan0.02Hz andits responsetime isno morethan1s for40kHz to70kHz frequencysignalsKey wordsMEMS；resonant sensor；MCU；high-precision；fast response；frequency measure0引言谐振式MEMS传感器由于其精度高、线性度好、抗干扰性能强、准数字频率输出等优良的特性，广泛地应用在气象、航天、军事等领域感开发成各种数字智能仪器仪表极为方便一就是高精度、实时采集传感器的输出频率，将采集数据传送到处理器，通过处理器实现各种算法，提高仪器仪表整体性能。 文中以谐振式MEMS气压传感器为例，对其输出频率的高精度实时测量方法展开研究，设计实现相关软硬件，实验测试其性能。 1数字频率测量方法1.1计数法计数法的基本原理是测量被测信号在一定时间间隔T内的上升沿（或下降沿）个数N，被测频率f=N/T。 图1所示为计数法测量频率基本原理示意图。 14。 与模拟输出量的传感器相比，把频率输出的谐振式传57。 其中关键技术之811图1计数法测量频率基本原理示意图计数法在被测频率较高时（100kHz）精度相对较高，但在被测频率低（1kHz）且精度要求较高的场合难以胜任。 假设时间间隔T=1s，考虑到定时起止的首尾计数误差，测量精度为1Hz，响应时间为1s；如果要减小响应时间，如时间间隔T=0.5s（响应时间为0.5s），则频率精度为2Hz；如果要使频率的测量精度优于0.01Hz，则响应时间不小于100s（即时间间隔T100s），响应时间严重低于要求。 1.2测周法测周法的基本原理是测量被测信号的1个周期的时间T，然后计算频率f=1/T811图2测周法测量频率基本原理示意图图2所示为测周法测量频率基本原理示意图，在理想的情况下，被测信号的频率f=1/T理想，T测量由标准时钟个数N乘以标准时钟的周期T标准，以及程序执行时间误差t 1、t2计算得出。 实际中时间误差t1和t2绝对相等而抵消的情况几乎不可能，如目前主频很高的200MHz的DSP芯片，其时钟周期是5ns，假设定时器的开启和关闭只误差一条指令（实际上由于中断响应时间等因素远大于1条指令），按照单时钟周期执行一条指令第1期焦海龙等基于谐振式MEMS传感器的仪表开发关键技术27估计，那么|t1t2|=5ns假设被测信号f实际=50kHz，其真实周期为20s，则，测试频率为f测试1=1/（20s+5ns）=1/20.005s49987.5Hzf测试2=1/（20s5ns）=1/19.995s50012.5Hz所以，最小误差为f=min|f实际f测试1|，|f实际f测试2|=12.5Hz （1）测周法响应速度快（被测信号1个周期的时间），但其较适合测低频信号，对高频信号的测量难以满足精度要求，因此需要一种结合传统计数法和测周法二者优点避开二者不足的改进型算法。 1.3改进型算法该算法兼顾测频精度和响应速度2个性能，可根据被测信号频率范围灵活调整参数大小来实现精度和响应时间二者的取舍平衡。 其基本思路数字系统打开中断，在被测信号的第A个上升沿（或下降沿）到来时进入中断，同时定时器开启、中断计数初始化，以后每次进中断计数累加，计数到M（即被测信号的第A+M个上升沿或下降沿到来）时关闭定时器同时关闭中断，处理数据。 如图3所示为改进算法测量频率基本原理示意图，在绝对无误差情况下被测频率计算如下1T真实/M=M/T真实f真实=T真实=N真实T时钟所以由于进入中断开启定时器和关闭定时器不可能完全互补对称，所以时间误差t1和t2不可能完全相等，因此实际频率的测试值为f测试=M/T测试=M/（N测试T时钟）假设f真实=50000Hz，M取40000，t1和t2的误差是0.15s（一般的CPU合理优化编程可以做到），那么，f测试=M/T测试f真实=M/（N真实T时钟） （2） （3）=40000/（T真实0.15s）40000500001s0.15(49999.990625或50000.009375Hz测试误差f0.01Hz响应时间=40000500001s=0.8s=40000/)s （4）图3改进测频算法测量频率基本原理示意图2软、硬件设计与实现硬件系统设计实现1216如图4所示，硬件系统由处理器、32位定时计数器、温补晶2.1振、LCD显示、控制按键、波形整形、温度传感器、接口等部分组成。 图4系统硬件框图2.1.1主要模块介绍 （1）处理器选用STC12C5A60S2型号，8051单片机内核、单时钟/机器周期执行一条指令、工作主频035MHz （2）32位计数定时器选用sn74lv8154芯片，双16位或单32为计数器、计数频率可达100MHz （3）温补晶振（33MHz）作为处理器的工作频率源和定时时基，频率稳定度0.1ppm（1ppm=106） （4）LCD模块，12864点阵、ST7920控制器。 （5）传感器输出频率波形整形电路；温度传感器选取I2C总线的DS1631芯片。 2.1.2硬件系统设计关键点 （1）两路差分频率布线，频率信号线被地线包裹以减少互相干扰。 （2）温补晶振时钟走线尽量靠近处理器和控制芯片，且走线较宽、过孔较少。 （3）模拟地和数字地的分离。 （3）3.3V或5V可选工作模式节电设计。 2.2软件设计、程序优化12，15192.2.1程序设计基于KeilC软件开发平台设计处理器STC12C5A60S2的程序代码。 由于代码优化的需要，采用C语言和汇编语言混合编程的方式。 程序主要由主程序、两路差分频率测量子程序、按键控制响应子程序等组成，其中主程序包含系统初始化、缓冲区数据处理计算、LCD模块控制显示、I2C总线温度传感器控制读写、更新缓冲区数据等模块组成。 文中只给出系统软件的程序流程图，见图5。 2.2.2代码优化 （1）由1.3节可知，系统测量频率的精度和时间误差t1和t2的匹配性严重相关。 在代码编写中，采用代码匹配补偿方式，使得t1和t2尽量相等。 （2）系统对中断响应时间要求苛刻，因此，测频程序执行时只开启本中断，其他中断都关闭。 （3）系统调试过程中发现，当A取0时测量2路不同频率信号，其测量精度严重降低；当A取值大于10时问题成功解决，系统中取A值40。 （A的含义见1.3节和程序流程图） （4）编程硬件看门狗，提高系统抗干扰能力。 2.3测量精度和响应时间分析2.3.1测量精度假设被测频率真实值为f实，则由式 （4）知测量时间T测对应的实际时间为T实=M/f实。 考虑到时间误差t1和t2，则T*测=T实|t1t2| （5）28Instrument Techniqueand SensorJan.xx图5系统程序流程图再将温补晶振本身的时基误差考虑进去，由于其频率稳定性为0.1ppm，所以，T测=T*测T测107 （6）由式 （9）、式 （10）得，T测=T实|t1t2|1107 （7）f=f测f实=M（110（M/f实）|t1t2|f实7） （8）单片机中断响应48个指令周期12，15，单片机工作频率33MHz，所以，|t2t2|的最大值约为121.3nsM（1107）（M/f实）121.3109f实系统中M取值40000。 例如，当f实为50kHz时，f为0.01258Hzf= （9）2.3.2响应时间响应时间为=Mf1s （10）例如，当f实为50kHz时，为0.8s实验与结果该系统软硬件调试完成后进行了性能测试实验，由WF1974信号发生器产生被测频率信号。 在4070kHz之间选取7个测试点，每个测试点记录200s数据选取最值，实验结果数据见表1。 表1频率测量系统测量误差及其响应时间3信号发生器输出频率/Hz频率测量值（记录时间200s）/Hz误差/Hz最小值最大值负向正向响应时间/s4000039999.99240000.0110.008+0.0111.004500044999.99345000.0090.007+0.0090.895000049999.98950000.0090.011+0.0090.805500054999.98855000.0120.012+0.0120.736000059999.98660000.0130.014+0.0130.676500064999.98765000.0140.013+0.0140.627000069999.98570000.0160.015+0.0160.57系统在4070kHz的频率范围内，测频误差小于0.02Hz，响应时间在1s以内。 满足MEMS谐振式传感器的需求。 而采用计数法，如果响应时间1s以内，误差大于1Hz；采用传统测周法，响应时间小于25s（快），但误差一般大于8Hz（参考12节）。 4结束语以谐振式MEMS气压传感器数字仪表为例，提出一种新的适合谐振式传感器的频率检测算法。 设计并实现相关软硬件系统，理论分析计算其测量误差、响应时间等性能参数。 实验结果表明，在4070kHz内，测频误差0.02Hz（即相对误差0.00005%），响应时间在1s以内。 为后续开发数字智能仪器仪表的关键技术提供解决方案思路。 参考文献1PRATAP R，DATTAGURU BResonant MEMSSensorsSpringer Sci-ence+Business MediaBV，xx2ZHOU MX，HUANG QA，QIN M，et alA NovelCapacitive PressureSensorBasedonSandwich StructuresJournal ofMicromechanical Sys-tems，xx，14 （6）127212823史晓晶，陈德勇一种新型微机械谐振式压力传感器研究传感技术学报，xx，22 （6）7907934宋晓辉，任道远半导体压力传感器研制现状与发展动态传感器世界，xx （7）10135樊尚春传感器技术及应用北京北京航空航天大学出版社，xx6STEPHEN B，GRAHAM E，MICHAEL K，et alMEMS MechanicalSensorsBoston，Lond