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0 引 言
微操作已在許多應(yīng)用領(lǐng)域得到了應(yīng)用，特別是在納微米級的定位系統(tǒng)中，要求傳感器能檢測出微小的力和位移的信息。目前用于微位移檢測的原理較多，如光學(xué)式、磁和電感式、電容式和壓電式等，但這些大多不便用于機器人對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器人傳感器實驗室在改造多維力傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的同時，充分利用德州儀器(TI)的MSCl210單片機的許多新特性，如其自帶的8路24位高精度∑-△A／D轉(zhuǎn)換器、可編程增益放大(PGA)和濾波器等，實現(xiàn)了對力和位移的高精度測量。本文主要從微型機的應(yīng)用角度展開探討，希望能為提高傳感器的集成化程度、分辨率、穩(wěn)定性和人機交互能力有所幫助。
1 多維力傳感器特點與MSCl210簡介
微位移傳感器結(jié)構(gòu)主要借鑒實驗室的機器人六維腕力傳感器結(jié)構(gòu)特點，在設(shè)計中同樣采用雙E型膜片結(jié)構(gòu)。首先用改進的二維力傳感器來檢測作用于物體上的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，它在機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，以便實現(xiàn)對微小的力和位移信息的獲取。
美國德州儀器公司(Texas Instruments)新推出了一種功能很強的帶24位A／D轉(zhuǎn)換器的微處理器MSCl210。MSCl210具有一些增強特性，特別適合測量高精度溫度、壓力傳感器等輸出的微弱信號。MSCl210主要包括增強型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MSCl210 ADC的方框圖。
高精度微位移傳感器電路模塊的核心是MSCl210單片機。它完成微弱信號的多路切換、信號緩沖、PGA編程放大、24位∑一△A／D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)處理、信號校準(zhǔn)以及UART通信等功能。以下結(jié)合微位移傳感器的使用做簡要介紹。
MSC1210輸入復(fù)用器比一般ADG靈活，它的每個輸入引腳均可針對特定的測量而配置成正輸入或負輸入。與啟動ADC部件通常定義輸入對相比，MSC1210可把一個引腳定義為負輸入，把另一個定義為正輸入，使設(shè)計方便自由。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=Ox01。
按照TI公司的MSC1210的數(shù)據(jù)說明，輸入緩沖器可降低ADC測量中偏移的可能性。只要輸入信號的特征允許，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，MSC1210的輸入阻抗是5 MΩ／PGA。啟用緩沖器時，該阻抗一般為10 GΩ。輸入電壓范圍縮小，同時模擬電源電流升高。在不是上述“惟一”的情況下，實驗中并沒有使用緩沖，而是清零ADC控制寄存器(ADCONO.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。實驗中微位移傳感器的增益設(shè)置為64(準(zhǔn)確地說，應(yīng)該是MSCl210 ADC的PGA的增益)。
MSC1210數(shù)字濾波器有快速建立、sinc2或sinc3三種，還有一個自動模式。在輸入信道或PGA改變后，自動模式可把sinc濾波器修改到最佳的可用選項。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濾波器來提高噪聲性能。這種操作可以同時融合sinc3濾波器的低噪聲優(yōu)勢和快速恢復(fù)時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△一∑的ADC。當(dāng)輸入信道突然變化時，輸出需要一定時間來正確表示新的輸入。所需要的時間取決于所采用的濾波器的類型。sinc2通常代表需要2個周期的數(shù)據(jù)輸出時間，sinc3代表需要3個周期的數(shù)據(jù)輸出時間，其他需要1個周期的數(shù)據(jù)輸出時間。通俗地說，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個數(shù)據(jù)不能使用，應(yīng)該拋棄；只有第4個輸出數(shù)據(jù)是可使用的。這一點至關(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。參考電壓的開機配置是內(nèi)部2.5 V。通過ADCON0寄存器可以選擇參考電壓。實驗中啟用了內(nèi)部參考電壓，通過設(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的其他功能在此不做介紹。
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)成很簡潔。圖2是微位移傳感器的部分效果圖。應(yīng)變電阻片通過特殊的工藝，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3為實驗系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)示意圖。實驗系統(tǒng)主要由傳感器本體(輸出原始的模擬信號)，MSC1210核心，串口通信電路和PC機組成。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RS 232與PC機通信，實現(xiàn)信息的顯示和對MSC1210的控制。
