摘要：將中科院合肥智能所機(jī)器人傳感器實(shí)驗(yàn)室的多維力傳感器技術(shù)與TI公司新推出的MSC1210單片機(jī)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)微小位移的高分辨率檢測(cè)。文章首先簡(jiǎn)要介紹微位移傳感器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，然后結(jié)合實(shí)際使用情況較為詳細(xì)地說(shuō)明MSC1210的多路輸入復(fù)用器、PGA、濾波器等新特性，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建微位移檢測(cè)的硬件平臺(tái)。同時(shí)，為傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)智能人機(jī)交互接口，幫助用戶根據(jù)實(shí)際需要方便選擇諸如采樣率、濾波器型號(hào)等相關(guān)參數(shù)，以求達(dá)到滿意的應(yīng)用效果。
關(guān)鍵詞：多維力傳感器 MSC1210 微位移檢測(cè)
引 言
微操作已在許多應(yīng)用領(lǐng)域得到了應(yīng)用，特別是在納微米級(jí)的定位系統(tǒng)中，要求傳感器能檢測(cè)出微小的力和位移的信息[1]。目前用于微位移檢測(cè)的原理較多，如光學(xué)式、磁和電感式、電容式和壓電式等[2,3]，但這些大多不便用于機(jī)器人對(duì)微小的多維力和位移信息的獲取。為了將技術(shù)成熟的多維力傳感器用于微力和微位移信息獲取，中科院合肥智能所機(jī)器人傳感器實(shí)驗(yàn)室在改造多維力傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的同時(shí)，充分利用德州儀器（TI）的MSC1210單片機(jī)的許多新特性，如其自帶的8路24位高精度ΣΔ A/D轉(zhuǎn)換器、可編程增益放大（PGA）和濾波器等，實(shí)現(xiàn)了對(duì)力和位移的高精度測(cè)量。本文主要從微型機(jī)的應(yīng)用角度展開(kāi)探討，希望能為提高傳感器的集成化程度、分辨率、穩(wěn)定性和人機(jī)交互能力作出一點(diǎn)貢獻(xiàn)。
1 多維力傳感器特點(diǎn)與MSC1210簡(jiǎn)介
微位移傳感器結(jié)構(gòu)主要借鑒實(shí)驗(yàn)室的機(jī)器人六維腕力傳感器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)中同樣采用雙E型膜片結(jié)構(gòu)[4]。首先用改進(jìn)的二維力傳感器來(lái)檢測(cè)作用于物體上的X和Y兩維上的力信息，再將其換算成平面的位移信息。同時(shí)，它在機(jī)器人六維力傳感器基礎(chǔ)上改變了相關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如量程和靈敏度等，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)微小的力和位移信息的獲取。
美國(guó)德州儀器公司（Texas Instruments）新推出了一種功能很強(qiáng)的帶24位A/D轉(zhuǎn)換器的微處理器MSC1210[5]。MSC1210具有一些增強(qiáng)特性，特別適合測(cè)量高精度溫度、壓力傳感器等輸出的微弱信號(hào)。MSC1210主要包括增強(qiáng)型8052微控制器核心、閃存、高性能模擬功能和高性能外設(shè)。增強(qiáng)型8052微控制器核心包括雙數(shù)據(jù)指示器，執(zhí)行指令的速度比標(biāo)準(zhǔn)8052核心快3倍。這種MIPS功能使用戶能夠根據(jù)特殊需求優(yōu)化速度、功率及噪聲。圖1是MSC1210 ADC 的方框圖。
圖1 MSC1210 ADC方框圖
高精度微位移傳感器電路模塊的核心是MSC1210單片機(jī)。它完成微弱信號(hào)的多路切換、信號(hào)緩沖、PGA編程放大、24位ΣΔ A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)處理、信號(hào)校準(zhǔn)以及UART通信等功能[6]。以下結(jié)合微位移傳感器的使用作簡(jiǎn)要介紹。
MSC1210 輸入復(fù)用器比一般ADC 靈活，它的每個(gè)輸入引腳均可針對(duì)特定的測(cè)量而配置成正輸入或負(fù)輸入。與啟動(dòng)ADC 部件通常定義輸入對(duì)相比，MSC1210 可把一個(gè)引腳定義為負(fù)輸入，把另一個(gè)定義為正輸入，使設(shè)計(jì)方便自由。微位移傳感器一組橋路輸出分別接MSC1210 ADC的AIN0與AIN1，作為一路差分輸入；另一組橋路輸出分別接MSC1210 ADC的AIN2與AIN3，作為第二路差分輸入。ADMUX寄存器初始化賦值為：ADMUX=0x01。
按照TI公司的MSC1210的數(shù)據(jù)說(shuō)明，輸入緩沖器可降低ADC 測(cè)量中偏移的可能性。只要輸入信號(hào)的特征允許，就應(yīng)該采用它。惟一不采用輸入緩沖器的情況是，其中一個(gè)模擬輸入上的最大電壓低于正軌電壓高于1.5 V。不帶緩沖器時(shí)，MSC1210 的輸入阻抗是5 MΩ／PGA。啟用緩沖器時(shí)，該阻抗一般為10 GΩ。輸入電壓范圍縮小，同時(shí)模擬電源電流升高。在不是上述“惟一”的情況下，實(shí)驗(yàn)中并沒(méi)有使用緩沖，而是清零ADC 控制寄存器(ADCON0.3) 中的BUF 位，即關(guān)閉緩沖，取得的效果卻較為理想，傳感器的零點(diǎn)輸出偏差變化較小。
可編程增益放大器(PGA) 的增益可設(shè)置為1、2、4、8、16、32、64 或128。利用PGA 可大大提高ADC 的有效分辨率。當(dāng)然增益設(shè)置要合理，否則噪聲也隨之放大了。實(shí)驗(yàn)中微位移傳感器的增益設(shè)置為64（準(zhǔn)確地說(shuō)，應(yīng)該是MSC1210 ADC的PGA的增益）。
MSC1210數(shù)字濾波器有快速建立、sinc2 或sinc3三種，還有一個(gè)自動(dòng)模式 。在輸入信道或PGA改變后，自動(dòng)模式可把sinc 濾波器修改到最佳的可用選項(xiàng)。在切換到新的信道后，它可把快速建立濾波器用于下兩次轉(zhuǎn)換，其中的第一次轉(zhuǎn)換應(yīng)被拋棄。然后，使用sinc2、隨后使用sinc3 濾波器來(lái)提高噪聲性能。這種操作可以同時(shí)融合sinc3 濾波器的低噪聲優(yōu)勢(shì)和快速恢復(fù)時(shí)間濾波器的快速響應(yīng)。數(shù)字濾波器中的sinc是數(shù)字濾波器中FIR濾波器的一種，常用在ΔΣ的ADC。當(dāng)輸入信道突然變化時(shí)，輸出需要一定時(shí)間來(lái)正確表示新的輸入。所需要的時(shí)間取決于所采用的濾波器的類型。sinc2通常代表需要2個(gè)周期的數(shù)據(jù)輸出時(shí)間，sinc3代表需要3個(gè)周期的數(shù)據(jù)輸出時(shí)間，其他需要1個(gè)周期的數(shù)據(jù)輸出時(shí)間。通俗地說(shuō)，若采用sinc3濾波器，則當(dāng)輸入信道改變后，最先采樣輸出的3個(gè)數(shù)據(jù)不能使用，應(yīng)該拋棄；只有第4個(gè)輸出數(shù)據(jù)是可使用的。這一點(diǎn)至關(guān)重要。
MSC1210既可以采用內(nèi)部參考電壓，也可以采用外部參考電壓。參考電壓的開(kāi)機(jī)配置是內(nèi)部 2.5 V。通過(guò)ADCON0寄存器可以選擇參考電壓。實(shí)驗(yàn)中啟用了內(nèi)部參考電壓，通過(guò)設(shè)置ADCON0.4 (VREFH)選擇為 1.25 V。需要注意的是，啟用內(nèi)部 VREF并不會(huì)消除外部連接需要。REFOUT引腳必須仍連接到 VREF+，而 VREF-必須仍連接到 AGND，以便內(nèi)部 VREF能夠正常操作。由于篇幅限制，MSC1210 ADC的其他功能在此不作介紹。
2 傳感器的硬件組成
由于MSC1210 ADC的高度集成化，硬件系統(tǒng)構(gòu)成很簡(jiǎn)潔。圖2是微位移傳感器的部分效果圖。應(yīng)變電阻片通過(guò)特殊的工藝，并且按照特定的方向被粘貼到E型膜片的表面上，連接組成兩組自動(dòng)解耦的惠斯通全橋電路，作為原始的力信息的模擬輸出。小巧的電路板被放置于圓形的孔徑之中。
圖2傳感器部分效果
圖3為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)示意。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由傳感器本體（輸出原始的模擬信號(hào)）、MSC1210核心、串口通信電路和PC機(jī)組成。如前所述，微位移傳感器一組橋路輸出分別接MSC1210 ADC的AIN0與AIN1，作為一路差分輸入；另一組橋路輸出分別接MSC1210 ADC的AIN2與AIN3，作為第二路差分輸入。MSC1210通過(guò)RS232與PC機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)信息的顯示和對(duì)MSC1210的控制。
圖3 傳感系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)示意
3 MSC1210數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
對(duì)MSC1210 ADC的各個(gè)控制字的設(shè)置將會(huì)極大地影響傳感器的最終分辨率和穩(wěn)定性。例如，輸入緩沖器使用與否、可編程放大器增益的選擇、調(diào)制器時(shí)鐘速度選擇（決定模擬采樣率以及濾波器型號(hào)的選擇）等，這些參數(shù)的設(shè)定都不是一次完成的，有些要經(jīng)過(guò)反復(fù)的組合、嘗試，最終得到滿意的結(jié)果。為了避免每次修改程序后必須重新下載到Flash程序存儲(chǔ)器中，MSC1210在工作之前的ADC的初始化工作由PC機(jī)完全控制。首先，PC機(jī)將各種必要的控制信息通過(guò)串口傳給MSC1210，MSC1210根據(jù)這些信息來(lái)進(jìn)行ADC的初始化工作。具體地說(shuō)就是，PC機(jī)向MSC1210發(fā)送6個(gè)字節(jié)，這6個(gè)字節(jié)中包含了濾波器型號(hào)、ACLK、ADCON2和ADCON3寄存器中的抽樣值、修改模擬輸入信道后的延時(shí)值、必須拋棄的數(shù)據(jù)輸出周期數(shù)和可編程放大器的增益。然后，MSC1210啟動(dòng)ADC的初始化工作。進(jìn)入正常工作狀態(tài)后，如果發(fā)現(xiàn)當(dāng)前數(shù)據(jù)輸出周期數(shù)已大于預(yù)先設(shè)置的必須拋棄的數(shù)據(jù)輸出周期數(shù)，MSC1210就認(rèn)為這個(gè)輸出數(shù)據(jù)及其以后的輸出數(shù)據(jù)都是有效的了，但它并不立刻將數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機(jī)，而是要馬上修改模擬輸入通道，然后再使前一輸入通道的輸出是無(wú)效的，緊接著進(jìn)入下一個(gè)數(shù)據(jù)輸出周期。MSC1210的工作流程可簡(jiǎn)單用圖4表示。
圖4 MSC1210工作流程
PC機(jī)除對(duì)MSC1210 ADC的初始化控制外，主要負(fù)責(zé)將MSC1210通過(guò)RS232串口發(fā)送上來(lái)的數(shù)據(jù)用可視化的圖形實(shí)時(shí)地顯示于窗口適當(dāng)位置。每次MSC1210向PC機(jī)發(fā)送4個(gè)字節(jié)。這4個(gè)字節(jié)是如下定義的：第1個(gè)字節(jié)表示傳感器的通道號(hào)，0表示AIN0與AIN1差分輸入，即X維的信息；1表示AIN2與AIN3差分輸入，即Y維的信息。后三個(gè)字節(jié)是輸出數(shù)據(jù)的24位二進(jìn)制表示，是MSC1210 ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果。當(dāng)PC機(jī)處理進(jìn)程檢測(cè)到輸入緩沖區(qū)滿4個(gè)字節(jié)后，讀取緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，同時(shí)清空輸入緩沖區(qū)。根據(jù)第1個(gè)字節(jié)識(shí)別通道后，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電壓值后顯示到相應(yīng)位置（單位：mV），并且在窗口中開(kāi)辟兩塊圖形顯示區(qū)域，分別實(shí)時(shí)顯示X軸和Y軸的信號(hào)變化情況。為了更好地觀測(cè)到信號(hào)的微小變化，進(jìn)程提供了圖形的放大顯示功能。為了方便，放大倍數(shù)可選為12.5倍和125倍。圖5為PC機(jī)與MSC1210的交互界面。
圖5 微位移傳感器在工作時(shí)的數(shù)據(jù)輸出
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，結(jié)合實(shí)際的要求，最終把微位移傳感器的數(shù)據(jù)輸出率定位在10 Hz，分辨率高達(dá)15位，具有很高的穩(wěn)定性，取得了良好效果。相關(guān)參數(shù)選擇如下：MSC1210的濾波器型號(hào)為sinc3，ACLK為1，ADCON2和ADCON3寄存器中的抽樣值設(shè)為1080，將模擬輸入緩沖關(guān)閉，模擬輸入通道改變后拋棄3個(gè)數(shù)據(jù)輸出周期，采用偏移和增益內(nèi)部自校正。圖5就是微位移傳感器在工作時(shí)的數(shù)據(jù)輸出的圖形顯示，兩條曲線分別表示其在X軸和Y軸上的受力情況。根據(jù)力信息可以方便地計(jì)算出位移信息。
此次在中科院合肥智能所機(jī)器人傳感器實(shí)驗(yàn)室多維力傳感器技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用MSC1210的優(yōu)勢(shì)研制成功的微位移傳感器，具有體積小、分辨率高、穩(wěn)定性能好等優(yōu)點(diǎn)。MSC1210單片機(jī)是完整的SoC系統(tǒng)，是功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集芯片，可以廣泛應(yīng)用于儀器儀表、測(cè)控和導(dǎo)航等領(lǐng)域。
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