多功能觸覺傳感系統的硬件電路設計及應用

田紅英*

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多功能觸覺傳感系統的硬件電路設計及應用

田紅英*

（山西工程職業技術學院，山西太原，030009）

本文提出了一種新型多功能觸覺傳感器的硬件電路系統，多功能觸覺傳感器采集到的信號經過信號調理電路放大、濾波、抬升，經單片機進行 A/D 轉換，然后經串口將數據傳到上位機。觸滑覺信號檢測實驗驗證了該硬件電路在檢測物體紋理特征和分辨物體種類上的實用性；50次重復性實驗，該系統在檢測區分物體種類上的成功率高達 94.5%，表明該硬件電路的系統穩定性好。該研究對以后智能機器人和智能假肢的發展提供了新的技術支持。

觸覺傳感；硬件電路；實用性

引言

在全球市場上，傳感器流行的種類也越來越多，從利用傳統的方法測量壓力、溫度等傳統傳感器，到使用半導體技術測壓力、加速度或者位置變化的傳感器，到利用壓電等高分子材料同時測壓力、剪切力及溫度的多功能傳感器；于此相對應的是傳感器廣泛的應用領域和范圍，從工業領域、醫療領域到人們生活中的方方面面都有傳感器存在[1]。

盡管傳感器的種類多應用領域廣，但是傳感器的發展仍舊有很多需要突破改進的方面，隨著智能化的發展，在智能機器人（掃地機器人）和醫學（醫學內窺鏡）等領域，微型化、高級程度成為衡量發展程度的重要指標，因此提升設備硬件系統的集成度是一個重要的突破口。智能化的總體趨勢是利用新材料、新工藝以實現系統的微型化、集成化，利用新原理、新方法以實現多信息的獲取，輔以先進的信息處理技術，提高系統的各項技術指標，以適應更廣泛的應用需求[2]。同時，微型化、集成化、系統化將成為智能化發展的重要標志和特點[3]。

本研究，基于微型化的發展瓶頸，提出針對多功能觸覺傳感器的硬件電路，具有小型化集成度高的特點，并用實際實驗驗證該硬件系統的穩定性和可靠性。

1 硬件電路設計

1.1 硬件電路總體設計

多功能觸覺傳感系統主要包含四個部分：多功能觸覺傳感器、信號調理電路、單片機模塊和上位機，其中信號調理電路和單片機模塊屬于系統的硬件電路部分，硬件電路如圖1所示。傳感器采集到的信號傳入到信號調理電路，經放大、濾波、抬升處理后由電壓跟隨器模塊傳入到單片機，通過A/D模塊將模擬信號轉換成數字信號，然后由串口通訊裝置將數字信號傳輸到上位機上進一步處理。這一部分也是整個系統的“感受裝置”。

圖1 多功能觸覺傳感系統的硬件電路設計

1.2 信號調理電路單元硬件電路設計

在硬件電路設計中要考慮很多因素，本文中提到的多功能觸覺傳感器基于PVDF壓電材料設計，而PVDF壓電薄膜有阻抗高的特性[4,5]，面積一定時表面生成的電荷量也十分有限，收集信號時干擾比較多，常見的干擾信號包括人文干擾和工頻干擾等等，基于此設計信號調理電路以獲得失真小、噪聲少的觸覺信號。信號的硬件調理電路模塊包括：電荷放大器、低通濾波器、電壓抬升電路和穩壓電路。

1.2.1 電荷放大電路

電荷放大電路為信號調理電路的第一級，傳感器采集到的信號通過該電路可將電荷信號轉化成電壓信號，供下級電路處理。由于PVDF壓電薄膜的阻抗很高，可以達到1013?，因此，實現阻抗匹配是該級電路重要指標。因此，輸入與輸出阻抗匹配：實現最大的功率傳輸以及信號的轉換（電荷信號轉化成電壓信號）時本級電路的主要作用。

為了實現阻抗匹配，第一集放大器選用CA3140，CA3140是美國無線電公司研發的一種電壓閾值寬、輸入阻抗高的運算放大器，它正常工作時的電壓為4V~36V，輸入阻抗約為1.57T?，可以滿足設計的要求。本文設計的電荷放大器原理圖如圖2所示。

圖2 電荷放大電路圖

根據電路特征可知，本級電路輸出電壓USC為：

從設計圖上可知，此電路是負反饋電路，可以減小放大電路的干擾，減小非線性失真，從而提高系統的穩定性。另外，CF積分電容屬于儲存電量元件，它的選取對信號放大效果至關重要，經過多次試驗后發現，CF選用10nF電容能滿足電路要求，RF選用100MΩ 可以實現阻抗匹配，使輸出信號達到很好的效果。

1.2.2 低通濾波電路

為了獲得更好、更理想的濾波性能，本設計采用二階低通濾波電路。輸入信號經過兩級低通濾波后進入集成運放的同相輸入端，這樣是輸入的高頻信號對數幅頻特性以-40db/分倍頻的速度下降，比一階低通濾波器的下降速度提高一倍。一般情況，多功能觸覺傳感系統采集信號的頻率較低，集中在0.1Hz-150Hz之間，而在采集過程中的干擾信號一般頻率比較高，這也是采用低通濾波的原因。而相對于無源濾波器，有源濾波器可以避免諧振引起的后果，具有更穩定的性能，因此采用有源濾波器設計低通濾波電路，如圖3為信號調理電路中的二階低通濾波器。

圖 3 二階低通濾波器電路圖

對于該二階有源低通濾波器，其通帶的截止頻率為：

設兩級 RC 電路的電阻、電容值相等，即令 R1=R2=R，C1=C2=C，即可得到截止頻率為：

其電壓增益為：

其中，電容 C1=C2=C=0.1μF，電阻 R1=R2=R=33k?，式子（3.4）求解得出截止頻率為 48.25Hz，而一般50Hz的工頻干擾比較強烈，又因為觸覺信號頻率小于 50Hz，因此截止頻率為 48.25Hz 時既能避免工頻干擾的影響，又不會丟失有用信號，同時降低了后期軟件濾波的復雜度。

1.2.3 電壓抬升電路

基于PVFD薄膜的觸覺傳感器收集的信號包含正負，而信號還需要通過信號調理電路進入單片機進行處理，就必須將負的信號抬升至正值，才會避免負的有用信號的丟失，這是由于MSP430F149 單片機只能處理正值信號，基于此設計電壓抬升電路，如圖4 所示。抬升電路相當于一個加法器電路，抬升的值大小由滑動變阻器決定。可以根據采集信號的強弱調整抬升的電壓值。

圖 4 電壓抬升電路圖

1.2.4 電壓跟隨電路

電壓跟隨器具有高輸入、低輸出的特點，要求阻抗匹配，在整個信號調理電路中，電壓跟隨器作為最后輸出級，他的作用是減小信號源的影響，提高帶載能力，穩定輸出電壓，增加品質因數。如圖5所示。

圖 5 電壓跟隨器電路圖

隨著智能化的發展，越來越多的智能設備高集成化成為衡量先進性的重要指標，為了滿足系統高度集成化的要求，在信號調理電路中引入OPA4347芯片，它具有成本低、微功耗、尺寸小、工作電壓閾值寬（4V~36V）的特點，內部集成了四個放大器。正常工作溫度閾值為-55℃~125℃，這一閾值溫度滿足了多功能觸覺傳感器正常的工作溫度要求。圖6是集成后的電路圖，為了保證信號的質量，第一級依然采用屬性穩定且能實現阻抗匹配的CA3140放大器。

圖6 改進的信號調理電路

1.3 單片機數據處理模塊設計

在單片機硬件電路中采用MSP430F149 芯片，是一種低功耗的微處理器，必須設計變壓電路，為該芯片提供低電壓。如圖 7 所示位電壓的轉換電路，輸出電壓為3.3V為點偏激供電。一般由電源、開關、晶振、復位電路和輸入輸出電路構成單片機的最小系統，如圖8所示。

圖 7 電壓轉換電路

圖 8 MSP430F149 單片機最小系統電路圖

1.3.1 A/D 轉換設計

觸覺傳感器采集的信號通過信號調理電路處理之后還是模擬信號，而通過信號電路處理之后得信號還存在噪聲干擾等，就需要將信號傳至上位機，通過軟件進一步處理，二通過軟件處理的數據應為數字信號，所以需要經過單片機硬件電路將模擬信號轉化成數字信號[9,10]。在本設計中采用MSP430F149 單片機的ADC12模塊進行模數轉換。

1.4 硬件電路的集成

本設計中硬件電路部分包含信號調理電路和單片機模塊，本文中引入性能良好的OPA4347芯片以及雙面制板技術進行提升硬件的微型化，如圖9為硬件調理電路和單片機模塊集成后實物圖，約是兩個硬幣的大小。由實物對比圖可以看出，電路板尺寸小集成度高，因此在應用的過程中可以直接附著在其他硬件架構上，占用體積小，如在機器人上使用時，可以直接固定在機器人手上，可以實現便攜化；如在假肢上使用，可以直接固定在假肢的關節的間隔中，對以后機器人的小型化發展有很重要的作用。

圖 9 集成化的硬件電路實物圖

2 應用與測試

本文中設計了一組實驗裝置，用于辨別傳感器所接觸物體的特征從而區分物體，在本試驗中，硬件電路采用以上設計的電路。實驗裝置如圖10所示。實驗過程中通過小車提供牽引力使傳感器與所判別物體接觸，可以保證小車是勻速運行，且每次實驗小車速度保持不變，將傳感器采集到的觸覺信號傳遞給硬件電路處理，最后傳輸到上位機通過origin軟件進一步處理分析。

圖10實驗裝置圖

為了保證整個系統應用的普遍性，實驗對象為隨機挑選的常見的織物、木板、報紙和橡膠。且保障在實驗過程中小車的運行方向不變，圖11顯示的是傳感器采集的實時信號圖。從圖中不同材料的輸出信號的幅值和頻率各不相同，這也反映了整個系統可以區分物體的紋理特征。

圖11 實驗樣本輸出信號

此外，還對信號作了時間域的快速傅里葉變換，圖12分別無四種材料（a織物、b木板、c報紙和d橡膠）的功率譜密度，從圖中可以看出不同材料輸出信號的頻率特征有明顯差異，結合不同材料輸出信號的幅值特征，可以比較精確的判斷物體的種類，這說明整個系統可以用于辨別物體種類和物體表面特征，在工業上分揀物體等有很高的應用價值。同時也說明本文中設計的硬件電路具有可行性。

圖12 輸出信號頻譜圖

為了進一步驗證硬件電路的穩定性和可靠性，針對以上提出的四中材料分別進行50次的重復性實驗，通過測試，整個系統的綜合正確率達到94.5%。其中木塊的正確率最高，報紙的準確率最低，這是由于實際中報紙比較平滑，摩擦系數低不易區分，如表1所示。

表1 重復性實驗結果

3 結束語

多功能觸覺傳感系統的硬件電路主要包含信號調理電路和單片機處理電路，通過分析傳感器采集信號的特點設計硬件電路，并通過實驗驗證了本設計的可行性，通過該電路的應用，可以檢測物體的種類，并且該硬件電路可以用于工業領域（機器人）、醫學領域（假肢）中，具有很好的市場價值。

[1] 建寧. 傳感器向小型化、高級化發展[J]. 世界電子元器件, 1999, (02): 70-71.

[2] 戈瑜, 吳仲城, 葛運建. 面向應用需求的力/力矩傳感器技術發展動向[J]. 機器人, 2003, (02): 188-192.

[3] 葛運建, 戈瑜, 吳仲城, 等. 淺析我國傳感器技術發展中的若干問題[J]. 世界產品與技術, 2003, (03): 22-24+26-28+30-32+34-36.

[4] 齊曉慧, 基于壓電薄膜的可穿戴呼吸脈搏監測系統[D]. 吉林: 吉林大學, 碩士學位論文, 2015.6.

[5] 凌振寶, 齊曉慧, 辛毅. 基于 PVDF的呼吸信號檢測腰帶研究[J]. 壓電與聲光, 2014, 36(1): 72-75.

Hardware Design and Application of Multifunctional Tactile Sensing System

TIAN Hongying*

(Shanxi Engineering Vocational College, Shanxi Taiyuan, 030009, China)

This paper developed a new multi-functional touch sensor hardware circuit system, multi-function touch sensor signal collected by the signal conditioning circuit to enlarge, filter, uplift, the A / D converter by the microcontroller, and then through the serial data transfer To the host computer. Tactile signal detection experiment is the hardware circuit in the detection of texture features of the object, the type of object to identify the verification of the practicality of the circuit. The detection success rate on the type of object is as high as 94.5%, which indicates that the system stability of the hardware circuit is good. The study provides new technical support for the future development of intelligent robots and smart prostheses. The study provides new technical support for the future development of intelligent robots and smart prostheses.

Tactile Sensing; Hardware Circuit; Practicality

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2018.01.049

TP368

A

1672-9129(2018)01-0123-03

田紅英. 多功能觸覺傳感系統的硬件電路設計及應用[J]. 數碼設計, 2018, 7(1): 123-125.

TIAN Hongying. Hardware Design and Application of Multifunctional Tactile Sensing System[J]. Peak Data Science, 2018, 7(1): 123-125.

2017-10-08；

2017-11-16。

本文研究主要依托于山西省重點研發計劃項目（201703D121002）、山西省應用基礎研究項目（201701D221104）和山西省軟科學研究（2017041014-2）。

田紅英（1988-），女，河南商丘人，助講，研究方向：大地電磁信號算法研究。E-mail:jdthy19902163.com