力傳感器與數(shù)字放大器與單片機的搭配使用

微位移檢測的基本原理有很多種，如：光、磁、電感應、電容、壓電等，但是這類方法大多不適合于機器人進行多維力和位移信息的獲取。為使技術成熟的多維力敏傳感器用于微位移信息的采集，中科院合肥智能所機器人傳感實驗室在對其結構參數(shù)進行了改進，最大限度地利用了單片機的許多新特性，如它自帶的8路24位高精度=-△A/D轉換器.程控增益放大(PGA)、濾波器等。它可以實現(xiàn)位移與力的高精度測量。本論文主要從微型機的應用角度出發(fā)，希望對提高傳感器的集成度.分辨率.穩(wěn)定性以及人機交互能力有一定的幫助。

力傳感器的特性。

微位移傳感器結構主要借鑒了實驗室機器人六維腕力傳感器的結構特點，設計中也采用了雙E型膜片結構。該方法先利用改進的二維力敏元件，在XY和Y兩個維度上分別檢測力信息，并把它們轉換為平面位移信息。為了獲得力場、位移等微量信息，通過改變機器人六維力矩傳感器的結構參數(shù)，改變相應的結構參數(shù)，以獲得力場、位移等。

單片機是高精度微位移傳感器電路模塊的核心。實現(xiàn)弱信號的多路切換.信號緩沖.PGA程序放大.24比特=A/D轉換.數(shù)字濾波.數(shù)據(jù)處理.信號校正及UART通訊等功能。下面是結合使用的微型位移傳感器。

數(shù)字放大器的快速構建有三種.sinc2或sinc3，另外還有自動模式。自動模式會根據(jù)輸入通道或PGA變化將sinc濾波器調整為最合適的選擇。將快速建立濾光片在切換到一個新的通道后進行下兩次轉換，放棄其中的第一個轉換。接下來，使用sinc2.之后使用sinc3濾波器改善噪音性能。該運算可將sinc3濾波器的低噪聲優(yōu)點與快速恢復濾波器的快速響應結合起來。sinc在數(shù)字濾波器中是FIR濾波器的一種，常用于△1=的ADC。如果輸入通道突然改變，輸出需要花費一定的時間才能正確地表示新的輸入?；ㄙM的時間依賴于使用濾光器的類型。sinc2通常表示需要2個數(shù)據(jù)輸出時間，sinc3表示需要3個周期的數(shù)據(jù)輸出時間，另一些則需要1周的數(shù)據(jù)輸出時間。從一般意義上講，如果采用sinc3濾波器，輸入通道改變后，3個首先采樣輸出的數(shù)據(jù)不可用，應棄掉第四個輸出數(shù)據(jù)。

數(shù)字放大器可以同時使用內部基準電壓和外基準電壓。基準電壓啟動配置為內部2.5V。基準電壓可通過ADCON0寄存器選擇。該試驗采用內部基準電壓，通過設置ADCON0.4(VREFH)選取1.25v。應該指出，啟用內部VREF并不能消除外部連接需求。REFOUT管腳必須仍然連接到VREF+，而VREF-必須仍然連接到AGND，以使內部的VREF可以正常工作。

感應器硬件構成。

單片機的高度集成性使其硬件系統(tǒng)結構非常簡潔。應變電阻器通過一種特殊的方法，貼在E型膜的表面，并將其連接成由兩組自動解耦的惠斯通全橋電路，作為原始力信息的模擬輸出。將小線路板放置在圓孔內的小孔中。

試驗系統(tǒng)主要由傳感器本體、數(shù)字放大器核、串口通信電路和PC機等部分組成。正如前面所述，一組橋梁輸出接數(shù)字放大器ADC的AIN0和AIN1，它們是一路差分輸入；另一組橋路輸出分別接數(shù)字放大器ADC的AIN2和AIN3，作為第二路差分輸入。數(shù)字放大器通過RS232與上位機通訊，實現(xiàn)數(shù)字放大器信息顯示及控制。

數(shù)字放大器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設計。

單片機中各個控制字的設置將大大影響傳感器的最終分辨率和穩(wěn)定性。舉例來說，輸入緩沖器是否被使用.可編程放大器增益的選擇.調制器時鐘速度的選擇(確定模擬取樣速率，以及選擇濾波器型號)，這些參數(shù)并非一次完成，有些則需要反復結合.嘗試，最后獲得滿意的結果。為避免每一次修改后需要重新下載到FLASH程序存儲器，對其ADC的初始化工作完全由PC機完成。在數(shù)字放大器的基礎上，首先，PC將各種必要的控制信息通過串口傳輸?shù)綌?shù)字放大器，以此為基礎對ADC進行初始化。具體來說，PC機向數(shù)字放大器發(fā)送6個字節(jié)，這6個字節(jié)包含濾波器類型.ACLK.ADCON2和ADCON3寄存器中的采樣值.修改模擬輸入通道后的延遲值.必須丟棄的數(shù)據(jù)輸出周期和可編程放大器增益。數(shù)字放大器將開始ADC的初始化工作。在進入正常工作狀態(tài)之后，如果發(fā)現(xiàn)當前的輸出周期數(shù)超過一個預先設定的必須放棄的輸出周期，數(shù)字放大器就會認為此輸出數(shù)據(jù)和隨后的輸出數(shù)據(jù)是有效的，但是，它不會立即把數(shù)據(jù)發(fā)送到PC上，而是立即對模擬的輸入通道進行修改，使上一個通道的輸出無效，隨后進入下一次數(shù)據(jù)輸出循環(huán)。MSCl210的工作流程可以簡單地用圖4表示。PC機除了對數(shù)字放大器ADC進行初始化控制外，還主要負責MSCl210通過RS232串口發(fā)送的數(shù)據(jù)，以可視化的圖形實時顯示在窗口的適當位置。每一次數(shù)字放大器都發(fā)送4字節(jié)到PC機。定義如下所示：第一個字節(jié)代表傳感器的通道號，0代表AIN0輸入值，也就是X維的信息，1代表AIN2和AIN3的差分輸入。最后三個字節(jié)是24位二進制輸出數(shù)據(jù)的表示，是數(shù)字放大器ADC的轉換結果。上位機處理進程檢測到超過4個字節(jié)后，從緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)，同時清空輸入緩沖區(qū)。按照第一個字節(jié)識別通道之后，將數(shù)據(jù)轉換成電壓值后顯示到適當?shù)奈恢?單位：mV)，窗口中打開了兩個圖形顯示區(qū)域，分別在X軸和y軸上實時顯示信號變化。該過程提供了圖形的放大顯示功能，以便更好地觀察到信號的細微變化。為便于使用，可以選擇12.5倍或125倍的放大倍數(shù)。

經(jīng)多次試驗，結合實際需要，最終將微位位移傳感器的數(shù)據(jù)輸出速率控制在10Hz，分辨率15位，具有較高的穩(wěn)定性，獲得了較好的效果。

該傳感器體積小，分辨率高，穩(wěn)定性好，目前國內已有相關研究小組利用多維力傳感器技術開發(fā)出一種基于多維力傳感器的微位移傳感器。數(shù)字放大器單片機是功能強大的數(shù)據(jù)采集芯片，在儀器、儀表、測控、導航等方面具有廣闊的應用前景。

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