基于MSC1210單片機和多維力傳感器實現對微小力和位移信息的獲取

引 言

微操作已在許多應用領域得到了應用，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構參數的同時，充分利用德州儀器（TI）的MSC1210單片機的許多新特性，如其自帶的8路24位高精度ΣΔ A/D轉換器、可編程增益放大（PGA）和濾波器等，實現了對力和位移的高精度測量。本文主要從微型機的應用角度展開探討，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作出一點貢獻。

1 、多維力傳感器特點與MSC1210簡介

微位移傳感器結構主要借鑒實驗室的機器人六維腕力傳感器結構特點，在設計中同樣采用雙E型膜片結構。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上改變了相關的結構參數，如量程和國家自然科學基金項目。資助號：60343006，60375027。靈敏度等，以便實現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轉換器的微處理器MSC1210。MSC1210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。MSC1210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。增強型8052微控制器核心包括雙數據指示器，執(zhí)行指令的速度比標準8052核心快3倍。這種MIPS功能使用戶能夠根據特殊需求優(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。它完成微弱信號的多路切換、信號緩沖、PGA編程放大、24位ΣΔ A/D轉換、數字濾波、數據處理、信號校準以及UART通信等功能。以下結合微位移傳感器的使用作簡要介紹。

MSC1210 輸入復用器比一般ADC 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=0x01。

按照TI公司的MSC1210的數據說明，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（ADCON0.3） 中的BUF 位，即關閉緩沖，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。當然增益設置要合理，否則噪聲也隨之放大了。實驗中微位移傳感器的增益設置為64（準確地說，應該是MSC1210 ADC的PGA的增益）。

MSC1210數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換，其中的第一次轉換應被拋棄。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)勢和快速恢復時間濾波器的快速響應。數字濾波器中的sinc是數字濾波器中FIR濾波器的一種，常用在ΔΣ的ADC。當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個周期的數據輸出時間，sinc3代表需要3個周期的數據輸出時間，其他需要1個周期的數據輸出時間。通俗地說，若采用sinc3濾波器，則當輸入信道改變后，最先采樣輸出的3個數據不能使用，應該拋棄；只有第4個輸出數據是可使用的。這一點至關重要。

MSC1210既可以采用內部參考電壓，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。實驗中啟用了內部參考電壓，通過設置ADCON0.4 （VREFH）選擇為 1.25 V。需要注意的是，啟用內部 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)構成很簡潔。圖2是微位移傳感器的部分效果圖。應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)的電路結構示意。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RS232與PC機通信，實現信息的顯示和對MSC1210的控制。

3、 MSC1210數據采集系統(tǒng)的軟件設計

對MSC1210 ADC的各個控制字的設置將會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、調制器時鐘速度選擇（決定模擬采樣率以及濾波器型號的選擇）等，這些參數的設定都不是一次完成的，有些要經過反復的組合、嘗試，最終得到滿意的結果。為了避免每次修改程序后必須重新下載到Flash程序存儲器中，MSC1210在工作之前的ADC的初始化工作由PC機完全控制。首先，PC機將各種必要的控制信息通過串口傳給MSC1210，MSC1210根據這些信息來進行ADC的初始化工作。具體地說就是，PC機向MSC1210發(fā)送6個字節(jié)，這6個字節(jié)中包含了濾波器型號、ACLK、ADCON2和ADCON3寄存器中的抽樣值、修改模擬輸入信道后的延時值、必須拋棄的數據輸出周期數和可編程放大器的增益。然后，MSC1210啟動ADC的初始化工作。進入正常工作狀態(tài)后，如果發(fā)現當前數據輸出周期數已大于預先設置的必須拋棄的數據輸出周期數，MSC1210就認為這個輸出數據及其以后的輸出數據都是有效的了，但它并不立刻將數據發(fā)送給PC機，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效的，緊接著進入下一個數據輸出周期。MSC1210的工作流程可簡單用圖4表示。

PC機除對MSC1210 ADC的初始化控制外，主要負責將MSC1210通過RS232串口發(fā)送上來的數據用可視化的圖形實時地顯示于窗口適當位置。每次MSC1210向PC機發(fā)送4個字節(jié)。這4個字節(jié)是如下定義的：第1個字節(jié)表示傳感器的通道號，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。后三個字節(jié)是輸出數據的24位二進制表示，是MSC1210 ADC的轉換結果。當PC機處理進程檢測到輸入緩沖區(qū)滿4個字節(jié)后，讀取緩沖區(qū)的數據，同時清空輸入緩沖區(qū)。根據第1個字節(jié)識別通道后，將數據轉換為電壓值后顯示到相應位置（單位：mV），并且在窗口中開辟兩塊圖形顯示區(qū)域，分別實時顯示X軸和Y軸的信號變化情況。為了更好地觀測到信號的微小變化，進程提供了圖形的放大顯示功能。為了方便，放大倍數可選為12.5倍和125倍。圖5為PC機與MSC1210的交互界面。

4、 實驗結果

經過反復試驗，結合實際的要求，最終把微位移傳感器的數據輸出率定位在10 Hz，分辨率高達15位，具有很高的穩(wěn)定性，取得了良好效果。相關參數選擇如下：MSC1210的濾波器型號為sinc3，ACLK為1，ADCON2和ADCON3寄存器中的抽樣值設為1080，將模擬輸入緩沖關閉，模擬輸入通道改變后拋棄3個數據輸出周期，采用偏移和增益內部自校正。圖5就是微位移傳感器在工作時的數據輸出的圖形顯示，兩條曲線分別表示其在X軸和Y軸上的受力情況。根據力信息可以方便地計算出位移信息。

此次在中科院合肥智能所機器人傳感器實驗室多維力傳感器技術的基礎上，利用MSC1210的優(yōu)勢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。MSC1210單片機是完整的SoC系統(tǒng)，是功能強大的數據采集芯片，可以廣泛應用于儀器儀表、測控和導航等領域。

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