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基于ARM芯片ADμC7022和MMA7260Q加速度传感器的电子笔设计
发布时间:2017-03-28 阅读：次 [打印文章] [关闭窗口]本方案采用飞思卡尔半导体的MMA7260Q三轴低量级加速度传感器实现了笔触的空间定位。无线USB器件为电子笔提供了即插即用的连接。本电子笔使用Cypress的2.4GHz射频SoC CYRF6934作为无线USB网络收发器件，只要在PC端将Cypress的Encore2无线USB网桥连接到PC机的USB口，电子笔即可向PC机进行单向的数据传输。
1 硬件规划
在本设计中，使用MMA7260Q测量电子笔X、Y、Z三个轴方向上的加速度，使得软件以此实时计算笔尖的位置，进而生成笔迹。
微控制器ADμC7022采集到加速度传感器输出的信号后，使用片上ADC完成电压信号到加速度数据的转换并进行信号的与处理，最后通过SPI接口发送到无线USB接口芯片CYRF6934，将数据传送到PC机进行后处理。
系统使用高能锂电池供电。为了获得尽可能长的电池寿命，所有芯片工作在3.3V电压，以减少开关损耗;在微控制器检测到电子笔处于静止状态后，微控制器软件将使无线USB接口芯片进入睡眠状态，进一步减少功耗。
2 微控制器电路
ADμC7022是ADI公司的新一代基于ARM7TDMI 32bitRISC内核的精密模拟微控制器，片上集成了10通道12位的ADC(1MSPS)、电压比较器、62Kbytes FlashROM和8KbytesSRAM，最高处理能力达40MIPS。其模拟外设包括多达10通道的采样率为1MSPS、分辨率为12bit的精密模数转换器(ADC)、一个温漂优于10ppm/℃的精密带隙基准电压源。其他外设包括片内可编程逻辑阵列(PLA)，同步、异步串行接口等。其片上的PLL电路允许使用频率较低的外部晶振，以减少系统的EMI。串行接口包括UART，SPI和2个I2C，用于下载/调试的JTAG端口，4个定时器，14个通用I/O引脚。CPU时钟高达45MHz，片内晶体振荡器和片内PLL。
ADμC7022工作在2.7V～3.6V，在最高工作频率41.78MHz时仅消耗40mA电流。此外，ADμC702240脚6mmx6mm LFCSP封装可以显著减小电路板尺寸，使其比大多数单片机更适合于对体积和功耗要求较为苛刻电感器原理的系统。
在本设计中，ADμC7022 ADC工作在单端模式，ADC模块的ADC0～ADC2连接到MMA7260Q三轴加速度输出引脚，ADC2连接到电池正极，监测输入电池电压，在电池电压降低到接近LD0最低输入电压后点亮LED提醒用户更换电池。微控制器的P0.0和P0.1脚连接到MMA7260Q的SEL1和SEL2引脚，作为加速度灵敏度的控制信号。
ADμC7022的串行接口提供了SPI、共模电感器UART、I2C接口。ADμC7022的I/O口为复用接口，用户通过设置SPM模块的控制寄存器可在GPIO、UART、UART/SPI/I2C和可编程逻辑阵列中做出选择。本文硬件使用了一个工作于Master模式的SPI模块，连接到无线USB模块。微控制器的原理图如图1所示。
3 加速度传感器MMA7260Q是飞思卡尔半导体推出的单芯塑封电感片型三轴低量级加速度传感器，可以精确地测量X、Y、Z三个方向下低量级的下降、倾斜、位移、定位、撞击和震动误差。通过选择MMA7260Q的灵敏度，可以按1.5g、2g、4g和6g不同量级(g)的重力加速度灵敏度进行设计。MA7260Q使用MEMS工艺制造，在6mm×6mm×1.45mm的体积内集成了加速度传感器和低通滤波、温度补偿等信号调理电路，而且预置了全量程0g偏置。它的封装尺寸很小，只需较小的板卡空间即可。此外，MMA7260Q可以运行在2.2V～3.6V的低电压，工作时仅消耗500μA电流，并配置了3μA睡眠模式及1.0ms快速电源响应，另外还提供快速启动和休眠模式。这些特性极大地延长了电子笔电池的续航能力并能为外观设计预留足够的空间。
SEL1和SEL2为灵敏度选择电感器生产输入引脚，对应灵敏度的真值表如表1所示。加速度传感器输出电压VOUT为：
其中，VOFFSET为0加速度偏置，△V/△G为加速度灵敏度，1G为地球重力，θ为倾斜角度。
Xout、Yout和Zout分别为X、Y、Z三个方向加速度信号的输出引脚，输出电压与加速度的关系如(1)式所示。MMA7260Q的0g偏置电压为1.65V，对于1.5g的灵敏度，每轴输出电压在0.85V～2.45V之间。
加速度传感器电路如图2所示。在MMA7260Q的输出上设置了RC滤波器，用于滤除内部开关滤波电容时钟的干扰，提高测量的精度。
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