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MSC1210在微位移傳感器系統(tǒng)的應(yīng)用
發(fā)布時(shí)間：2017-11-22
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)，如量程和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目。資助號(hào)：60343006，60375027。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。
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，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，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。參考電壓的開機(jī)配置是內(nèi)部 2.5 V。通過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。
