基于混沌電路設(shè)計陣列觸覺傳感器的采集系統(tǒng)
關(guān)鍵詞：陣列傳感器 混沌電路 開關(guān)電容 A/D轉(zhuǎn)換 信號采集
引言
隨著機(jī)器人技術(shù)和復(fù)雜檢測系統(tǒng)的出現(xiàn)，人們對觸覺傳感器提出了更高的要求。隨著觸覺陣列規(guī)模的擴(kuò)大，希望A/D轉(zhuǎn)換速度加快，而原先在小規(guī)模陣列觸覺傳感器系統(tǒng)中采用的共用A/D轉(zhuǎn)換器的方法，已不能滿足大規(guī)模陣列觸覺傳感器信號采集實時性的要求。因此，要想實現(xiàn)高速、高分辨率并且對小信號敏感的大規(guī)模陣列觸覺傳感器信號采集系統(tǒng)，關(guān)鍵部件就是A/D轉(zhuǎn)換器。
本文利用混沌帳篷映射方法和開關(guān)電容（SC）技術(shù)，設(shè)計了一種新型A/D轉(zhuǎn)換器。該A/D轉(zhuǎn)換器的電路具有調(diào)理放大、誤差補(bǔ)償和A/D轉(zhuǎn)換功能一體化的優(yōu)點，并且電路簡單、便于集成、功耗小；能以很高的性能價格比實現(xiàn)多路觸覺傳感器輸出信號的并行采樣和A/D轉(zhuǎn)換。
1 陣列觸覺傳感器信號采集系統(tǒng)的組成
模擬式陣列觸覺傳感器信號采集系統(tǒng)的原理電路見圖1。該系統(tǒng)由m×n陣列傳感器、列讀取電路、行掃描電路、n個ADC電路、時序控制電路和計算機(jī)等組成。在時序控制電路的控制下，行掃描電路對m行陣列觸覺傳感器發(fā)送周期性激勵信號；而列讀取電路則周期性地并行讀入n列輸出信號。讀n個信號經(jīng)n個A/D轉(zhuǎn)換器，把模擬信號轉(zhuǎn)換成格雷碼序列直接送到計算機(jī)；計算機(jī)完成格雷碼向二進(jìn)制碼的轉(zhuǎn)換，接著在時序邏輯的控制下，讀取下一行的n列信號并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。計算機(jī)在獲得1幀m×n觸覺傳感器信號后，就可以進(jìn)行信號處理了。圖1中除A/D轉(zhuǎn)換器需要特殊設(shè)計外，其余各電路都有現(xiàn)有的產(chǎn)品，沒有特殊要求。
2 混沌開關(guān)電容A/D轉(zhuǎn)換器的設(shè)計
2.1 混沌開關(guān)電容A/D轉(zhuǎn)換的原理
利用開關(guān)電容技術(shù)進(jìn)行誤差補(bǔ)償?shù)幕驹硎请姾傻脑俜峙洹ｋ娙菔湔`差利用開關(guān)轉(zhuǎn)換儲存起來，結(jié)果由電容上電荷的再分配而得到補(bǔ)償?；煦鐜づ裼成涫且环N離散非線性系統(tǒng)，其映射關(guān)系為：
這一映射可以看到由兩步組成：先將區(qū)間[0,1]伸長2倍，然后再壓縮成原區(qū)間[0,1]。如此反復(fù)迭代操作，最終導(dǎo)致相鄰點的指數(shù)分離，從而進(jìn)入混沌狀態(tài)。這種映射對初始值（系統(tǒng)的輸入信號）的放大與通常的線性放大方法不同：線性放大倍數(shù)為一常數(shù)，而且受工作范圍限制；而處于混沌狀態(tài)的帳篷映射系統(tǒng)，是在有界的區(qū)間內(nèi)，迭代1次將信號放大2倍，反復(fù)有限次迭代后，可以將微弱信號放大到可觀測的水平，而不會出現(xiàn)溢出再現(xiàn)象。顯然，這是一種非線性放大。帳篷映射系統(tǒng)的輸入值Vin對應(yīng)于系統(tǒng)的初始狀態(tài)x0。x0可以二進(jìn)制小數(shù)表示：
為了得到離散帳篷映射的迭代輸出與x0的關(guān)系，引入另一種非線性映射——離散貝努利移位是映射：
這一映射的作用是每迭代一次，就將二進(jìn)制位t1、t2、t3、……向左依次移出一個二進(jìn)制位，即
對于貝努利移位映射，令bn=sgn(x'n-0.5)，作為貝努利移位映射的第n次迭代輸出，由于bn=tn,且bi(i=0,1,2,…)是一個二進(jìn)制序列；對于帳篷映射，令gn=sgn(xn-0.5)，則gi是與bi對應(yīng)的格雷碼序列，即
根據(jù)上述和初始時刻x0=x'0=Vi，可得：
因此，通過將帳篷映射迭代輸出的格雷碼序列g(shù)i(i=0,1,2,…)，轉(zhuǎn)換成貝努利移位映射的二進(jìn)制序列bi(i=0,1,2，…)，可推算出初始值（輸入信號的二進(jìn)制數(shù)字量），即
式（7）中{Vin}表示輸入信號的二進(jìn)制數(shù)字量。gi(i=0,1,2,…)就是經(jīng)過帳篷映射完成了對輸入信號的非線性放大和A/D轉(zhuǎn)換的格雷碼形式的數(shù)字量。
2.2 混沌開關(guān)電容A/D轉(zhuǎn)換電路的實現(xiàn)
利用并關(guān)電容技術(shù)進(jìn)行電路設(shè)計，有其獨特的優(yōu)點：電路的性能與電容無關(guān)，只取決于電容之比，兩個電容比值的誤差小于1/1000，因此電路運(yùn)算精度高；電路便于實現(xiàn)大規(guī)模集成，因而電容體積小、工作可靠、成本低，功耗?。ㄒ粋€開關(guān)電容A/D轉(zhuǎn)換器功耗4mW）等。這些優(yōu)點對模擬式陣列觸覺傳感器信號采集系統(tǒng)最有利，因此該系統(tǒng)需要大量的ADC。
圖2 混沌開關(guān)電容A/D轉(zhuǎn)換電路
基于帳篷映射的開關(guān)電容A/D轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。運(yùn)放A1、A2及周圍的電路完成帳篷映射，即完成對輸入信號的非線性放大和A/D轉(zhuǎn)換；C4、C5、A3及周圍的電子模擬開關(guān)組成保持電路，輸出信號V0為輸入信號的格雷碼形式的數(shù)字量。圖3為電路時序控制邏輯。
圖2電路，當(dāng)啟動信號為高電平時，電子模擬開關(guān)指向“1”端，輸入信號Vi接通。延時t1時間后，D觸發(fā)器產(chǎn)生一個脈沖信號，這時，若0≤Vi≤0.5，則電子模擬開關(guān)S1指向“2”端，C1、C3和A2及有關(guān)的電子模擬開關(guān)構(gòu)成一個開關(guān)電容比例延時器，如圖4所示。在（n-1）T時，Vi給C1充電，充電電荷為C1Vi（n-1），C3被短路，V02(n-1)=0;在nT時，C1中電荷轉(zhuǎn)移到C3中，充電電荷為C3V02（n），由電荷守恒原理，其差分方程為：
C1Vi(n-1)=C3[V02(n)-V02(n-1)]=C3V02(n) (8)
式（8）經(jīng)過Z變換可得該電路Z域傳遞函數(shù)：
H（Z）=V02(Z)/Vi(Z)=(C1/C3)Z -1 (9)
若取C3=0.5C1，則有：
H（Z）=V02(Z)/Vi(Z)=(C1/C3)/Z -1=(C1/0.5C1)Z -1=2Z -1 (10)
可見，圖4的電路具有起放大作用的比例延時功能，實現(xiàn)了對輸入信號的翻倍，即實現(xiàn)了y=2x的運(yùn)算；同時對C4充電，當(dāng)下一個“o”脈沖為高電平時，C4中電荷轉(zhuǎn)移到C5中，這時開關(guān)S0指向“2”端，把輸出信號Vo反饋到輸入端，給C1充電，實現(xiàn)迭代運(yùn)算。經(jīng)過n次迭代后，使Vi信號入大，直到可觀測為止。
同理，當(dāng)0.5≤Vi≤1時，Vi向C2充電，電子模擬開關(guān)S2指向“2”端，這時，C2、C3和A2構(gòu)成另一個開關(guān)電容比例延時器，把式（9）中的C1換成C2，就是這個比例延時器的Z域傳遞函數(shù)?！癳”脈沖為高電平時，C2中電荷Q=C2Vi轉(zhuǎn)換到C3中，若取C3=0.5C2,就實現(xiàn)了y=2(1-x)的運(yùn)算；當(dāng)下一個“o”脈沖為高電平時，C4中電荷轉(zhuǎn)移到C5中，這時開關(guān)S0指向“2”端，把輸出信號Vo反饋到輸入端，給C2充電，實現(xiàn)迭代運(yùn)算。經(jīng)過n次迭代后，使Vi信號放大到可觀測為止。
這樣，經(jīng)過一個周期T，完成了對Vi一個樣點的采集。如此周而復(fù)始地進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換工作。D觸發(fā)器輸出的信號就是格雷碼序列：
將gk序列和初始條件b0=Q0代入式（6）中，就得到貝努利二進(jìn)制序列bk（k=0,1,2,…）。當(dāng)然，只要把ADC的輸出信號Vo(格雷碼序列)送入計算機(jī)，轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)字量的工作，可由計算機(jī)通過軟件來實現(xiàn)。
3 實驗結(jié)果
利用圖4的信號系統(tǒng)對5×7應(yīng)變式微型陣列傳感器輸出的信號進(jìn)行非線性放大和A/D轉(zhuǎn)換實驗，實驗結(jié)果見表1。表1中為第4行7個傳感器輸出信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。實驗結(jié)果表明，基于帳篷映射的開關(guān)電容A/D轉(zhuǎn)換器可有效地實現(xiàn)對小信號的放大和A/D轉(zhuǎn)換。
4 結(jié)論
本文利用混沌電路對小信號敏感及它具有的非線性變換的獨特性能，設(shè)計了混沌帳篷映射開關(guān)電容新型A/D轉(zhuǎn)換器。這種A/D轉(zhuǎn)換器適用于機(jī)器人模擬陣列觸覺傳感器輸出信號的A/D轉(zhuǎn)換。它集調(diào)理放大和A/D轉(zhuǎn)換于一體，具有電路簡單、易于集成及功耗小的特點。開關(guān)電容電路只有二相時鐘，電路性能只取決于兩個電容之比而與電容絕對值無關(guān)，因而電路運(yùn)算精度高、成本低。利用該A/D轉(zhuǎn)換器可實現(xiàn)多路觸覺信號的并行采樣和A/D轉(zhuǎn)換，以滿足大規(guī)模陣列傳感器信號的實時采集要求。實驗結(jié)果證明了本方法的有效性。
表1 A/D轉(zhuǎn)換實驗結(jié)果
| 傳感器 | （4，1） | （4，2） | （4，3） | （4，4） | （4，5） | （4，6） | （4，7） |
| 測量值/mV | 0 | 80 | 67 | 188 | 246 | 170 | 25 |
| 計算值/mV | 0.0 | 80.2 | 66.4 | 187.5 | 242.3 | 168.9 | 24.7 |
| 格雷碼 gog1…g6g7 |
00000000 | 00011111 | 00011001 | 00101000 | 00100001 | 00111110 | 00000101 |
| 二進(jìn)碼 b0b1…b6b7 |
00000000 | 00010101 | 00010001 | 00110000 | 00111110 | 00101011 | 00000110 |
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