MSCl210在微位移傳感器系統(tǒng)的應(yīng)用

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(jìn)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(fù)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(fù)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。

3 MSC1210數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計
    對MSC1210 ADC的各個控制字的設(shè)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(diào)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(shù)的設(shè)定都不是一次完成的，有些要經(jīng)過反復(fù)的組合、嘗試，最終得到滿意的結(jié)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(jù)這些信息進(jìn)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(shù)據(jù)輸出周期數(shù)和可編程放大器的增益。然后，MSC1210啟動ADC的初始化工作。進(jìn)入正常工作狀態(tài)后，如果發(fā)現(xiàn)當(dāng)前數(shù)據(jù)輸出周期數(shù)已大于預(yù)先設(shè)置的必須拋棄的數(shù)據(jù)輸出周期數(shù)，MSC1210就認(rèn)為這個輸出數(shù)據(jù)及其以后的輸出數(shù)據(jù)都是有效的了，但它并不立刻將數(shù)據(jù)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(jìn)入下一個數(shù)據(jù)輸出周期。MSCl210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(fù)責(zé)將MSCl210通過RS 232串口發(fā)送上來的數(shù)據(jù)用可視化的圖形實時地顯示在窗口適當(dāng)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(shù)據(jù)的24位二進(jìn)制表示，是MSC1210 ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果。當(dāng)PC機處理進(jìn)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(shù)據(jù)，同時清空輸入緩沖區(qū)。根據(jù)第1個字節(jié)識別通道后，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電壓值后顯示到相應(yīng)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(jìn)程提供了圖形的放大顯示功能。為了方便，放大倍數(shù)可選為12.5倍和125倍。

4 實驗結(jié)果
    經(jīng)過反復(fù)試驗，結(jié)合實際的要求，最終把微位移傳感器的數(shù)據(jù)輸出率定位在10 Hz，分辨率高達(dá)15位，具有很高的穩(wěn)定性，取得了良好效果。相關(guān)參數(shù)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(shè)為1 080，將模擬輸入緩沖關(guān)閉，模擬輸入通道改變后拋棄3個數(shù)據(jù)輸出周期，采用偏移和增益內(nèi)部自校正。圖5就是微位移傳感器在工作時的數(shù)據(jù)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(jù)力信息可以方便地計算出位移信息。

    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(shù)的基礎(chǔ)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單片機是功能強大的數(shù)據(jù)采集芯片，可以廣泛應(yīng)用于儀器儀表、測控和導(dǎo)航等領(lǐng)域。