基于FPGA的壓力傳感器的標(biāo)定設(shè)計實現(xiàn)方法*

廣東人工智能與先進(jìn)計算研究院 柳建鑫 盧進(jìn) 吳昌隆

針對機器觸覺感知的應(yīng)用中壓力傳感器數(shù)量大，測試工序繁雜問題，本文設(shè)計了一款壓力傳感器標(biāo)定系統(tǒng)，系統(tǒng)采用了FPGA作為數(shù)據(jù)處理芯片，相比于其他壓力標(biāo)定系統(tǒng)處理芯片，其具有多IO高并行的特點，對標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器和待測壓力傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合與同步處理，極大提高了大數(shù)據(jù)量傳感器的標(biāo)定效率。

隨著人們?nèi)找嬖鲩L的科技需求，機器人技術(shù)逐漸普及在人們的視野，當(dāng)前這項技術(shù)正往智能化方向發(fā)展[1]。智能機器人技術(shù)實現(xiàn)中，多維度感知系統(tǒng)是其開展的必要條件[2]，而力是一項及其重要的信息，通過受力信息，對機器人進(jìn)行姿態(tài)、運動控制，根據(jù)力對接觸的物體外形進(jìn)行形狀識別[3]。本文待測的壓力傳感器用于機器人手掌多觸點壓力的識別。由于工藝與結(jié)構(gòu)的差異，不同陣列與相同陣列不同位置的傳感器性質(zhì)也會不同，因此需要我們對傳感器進(jìn)行逐個標(biāo)定。在觸覺感知中，需要大密度的傳感器分布，如單個手掌的感知，需要安裝數(shù)十個傳感器陣列，而傳感器陣列包含著16個壓力傳感器，標(biāo)定如此數(shù)量的傳感器，無疑是一項十分耗時耗力的工作。

觸覺感知傳感器的標(biāo)定，目前可采用的方式都較為耗費時間、資源成本，并且測試類型有局限，如在控制上通過砝碼直接或者經(jīng)過機械傳動施力標(biāo)定[4,5]、通過距離與壓力傳感器反饋壓力控制標(biāo)定[6,7]，這些類型標(biāo)定方式控制過程久，標(biāo)定效率較慢，無法進(jìn)行特定如沖擊、正弦、斜坡等壓力動態(tài)的測試；或者在數(shù)據(jù)采集上待測傳感器和標(biāo)定傳感器獨立采集，再傳輸至上位機做數(shù)據(jù)處理，這種方式標(biāo)定傳感器和待測傳感器時間關(guān)系不確定，無法確定它們之間相對延時。

針對以上標(biāo)定方式缺陷，本文設(shè)計的可適配自動化同步標(biāo)定系統(tǒng)，壓力由音圈電機進(jìn)行閉環(huán)控制，該方案中間無傳動結(jié)構(gòu)，控制穩(wěn)定無回程誤差并且響應(yīng)速度快；數(shù)據(jù)處理采用了FPGA芯片，可并行采樣多個待測傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)，在設(shè)計中，可選擇的傳感器數(shù)據(jù)和待測傳感器數(shù)據(jù)實時打包上傳至終端進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)同步性強，且并行多接口設(shè)計省去了許多繁雜的人工裝配啟動等操作，給后續(xù)大數(shù)量傳感器標(biāo)定提供了有利的條件。

1 系統(tǒng)外設(shè)及硬件

系統(tǒng)外設(shè)和硬件共有壓力驅(qū)動模塊和其配套控制器、壓力檢測模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、待測傳感器、上位機終端構(gòu)成，硬件連接關(guān)系如圖1所示

裝置中，壓力驅(qū)動模塊安裝于待測傳感器正上方，壓力檢測模塊固定于驅(qū)動模塊的動子處。通過預(yù)設(shè)的施力曲線，壓力驅(qū)動模塊動子經(jīng)過壓力檢測模塊對待測傳感器施加一個法向的作用力，根據(jù)牛頓第三定律，待測傳感器和壓力檢測模塊受到的力大小相等，方向相反。通過FPGA同步采集的待測傳感器檢測輸出值和壓力檢測模塊檢測到的法向壓力值進(jìn)行分析，可以對待測傳感器輸出值與法向壓力值的關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定。

1.1 壓力驅(qū)動模塊

音圈電機具有體積小、重量輕、高加速度、高速度、快速響應(yīng)、推力均勻等優(yōu)良性能優(yōu)點[8]，方案中壓力驅(qū)動模塊驅(qū)動由音圈電機負(fù)責(zé)。壓力驅(qū)動模塊采用SMAG公司生產(chǎn)的LCA32音圈電機。這款型號的音圈電機配備一個外部的控制器，用戶可以使用終端控制音圈電機的PID控制參數(shù)和電機的施力曲線。

1.2 壓力檢測模塊

壓力檢測模塊通過反作用力，對待測傳感器壓力進(jìn)行間接檢測，壓力檢測模塊采用的是ATI公司的9105-TWNANO17TI-R-5，X、Y軸力傳感器量程為±32N，Z軸力傳感器量程為±56.4N，X、Y、Z軸力矩量程為±200Nmm，它們在25℃條件下的滿量程精度為1%。

壓力傳感器也配備有一個專用控制器，用于檢測壓力傳感器模擬值并將其轉(zhuǎn)換成力/力矩值，可以實時檢測傳感器狀態(tài)，確保傳感器正常運行，傳感器采樣率6Hz到3336Hz可設(shè)，內(nèi)部可進(jìn)行均值濾波輸出，傳輸接口為RS232串口。

1.3 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊采用ZYNQ7020板卡，板卡上數(shù)據(jù)通過一個千兆網(wǎng)口輸出，外圍配備了22個待測傳感器接口，可以同時讀取22個待測傳感器和一個六軸壓力傳感器數(shù)據(jù)。ZYNQ內(nèi)部的FPGA擁有豐富的LUT、BRAM、IO與時鐘等資源，通過并行的邏輯資源對傳感器進(jìn)行配置和數(shù)據(jù)讀取，再將讀取的數(shù)據(jù)打包通過PS的網(wǎng)口輸出至終端，資源與運算速率完全滿足設(shè)計需求。

1.4 待測傳感器

待測傳感器用于獲取法向壓力，基于MLX90393實現(xiàn)，主要有三大部分組成：MLX90330霍爾傳感器、柔性硅膠結(jié)構(gòu)、磁鐵。磁鐵通過柔性硅膠結(jié)構(gòu)安裝在霍爾傳感器上方，在對磁鐵處按壓力時，硅膠會產(chǎn)生相應(yīng)形變，實現(xiàn)力到距離的轉(zhuǎn)換，再根據(jù)霍爾傳感器輸出與磁鐵的距離一定的函數(shù)關(guān)系，可以實現(xiàn)磁場強度到力的轉(zhuǎn)換。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件運行于數(shù)據(jù)采集模塊，由ZYNQ內(nèi)部FPGA和ARM核共同實現(xiàn)，內(nèi)部并行運行22個待測傳感器數(shù)據(jù)接口模塊和六軸傳感器數(shù)據(jù)接口模塊，接口模塊分別對傳感器進(jìn)行初始化配置和數(shù)據(jù)的讀取，數(shù)據(jù)讀取達(dá)到一定數(shù)量后，數(shù)據(jù)交互模塊將傳感其數(shù)據(jù)打包發(fā)送至測試終端。軟件框圖如圖2所示。

2.1 六軸傳感器數(shù)據(jù)接口設(shè)計

2.1.1 傳輸速率計算

六軸傳感器采樣率采用200Hz，力和力矩數(shù)據(jù)位寬為24bit，傳輸協(xié)議采用UART，算每8bit有一個開始和截止位，傳輸速率為(200×24×6)/8×10=36kHz，經(jīng)權(quán)衡本次傳輸波特率采用115.2kHz。

2.1.2 傳感器寄存器設(shè)置

根據(jù)數(shù)據(jù)手冊和設(shè)備實際使用條件，F(xiàn)PGA配置部分進(jìn)行如下初始化：

（1）復(fù)位傳感器；

（2）設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸格式為二級制格式（另一種為ASCII模式，該模式比較占用傳輸帶寬，并且數(shù)據(jù)分析時還需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行裝換，因此舍棄該格式）；

（3）設(shè)置均值濾波參數(shù)；

（4）設(shè)置采樣率；

（5）直流偏置消除指令；

（6）打開數(shù)據(jù)上傳狀態(tài)。

2.1.3 數(shù)據(jù)讀取與解析

（1）六軸傳感器一組數(shù)據(jù)有19個Byte，數(shù)據(jù)傳輸方式為打開數(shù)據(jù)上傳狀態(tài)后，設(shè)備會按照設(shè)定的采樣率對數(shù)據(jù)進(jìn)行主動上傳，一組數(shù)據(jù)的傳輸格式為：

error byte、Fx、Fy、Fz、Tx、Ty、Tz分 別 為 錯誤告警、xyz軸壓力值，xyz軸力矩值。

（2）錯誤告警全0時表示數(shù)據(jù)正常，F(xiàn)PGA程序會實時檢測每一組數(shù)據(jù)的正確性，當(dāng)存在數(shù)據(jù)錯誤時，數(shù)據(jù)將被丟棄并且告警。

（3）每一組數(shù)據(jù)將被放入緩沖FIFO等待上位機數(shù)據(jù)交互接口使用。

2.2 待測傳感器數(shù)據(jù)接口設(shè)計

2.2.1 傳感器寄存器設(shè)置

待測傳感器的寄存器配置已由傳感器應(yīng)用設(shè)備定義，其傳輸通過IIC協(xié)議進(jìn)行，IIC時鐘速率為100kHz，主要相關(guān)設(shè)置參數(shù)為:

（1）RES=2；GAIN_SEL=0；TCMP_EN=0x0，該設(shè)置影響數(shù)據(jù)解算和單位換算；

（2）SB=0，該設(shè)置影響數(shù)據(jù)傳輸方式。

2.2.2 數(shù)據(jù)讀取和分析

（1）待測壓力傳感器一組數(shù)據(jù)有8個Byte，數(shù)據(jù)傳輸方式為定時對指定地址進(jìn)行訪問，以獲得實時更新的三軸待測傳感器數(shù)據(jù)，一組數(shù)據(jù)的格式為：

T、Fx、Fy、Fz、分別為溫度值、xyz軸壓力值

（2）每一組數(shù)據(jù)將被放入緩沖FIFO等待上位機數(shù)據(jù)交互接口使用。

2.3 上位機數(shù)據(jù)交互模塊設(shè)計

2.3.1 數(shù)據(jù)打包與組幀上傳

數(shù)據(jù)打包融合主要分為兩部分。（1）數(shù)據(jù)同步：待測傳感器數(shù)據(jù)和六軸傳感器數(shù)據(jù)通過FIFO接入數(shù)據(jù)打包融合模塊，模塊將實時檢測數(shù)據(jù)，若數(shù)據(jù)量出現(xiàn)不均衡，則會對緩存進(jìn)行重置，以確保兩傳感器數(shù)據(jù)的同步性，該重置一般僅在初始化時會被觸發(fā)；（2）數(shù)據(jù)組幀：當(dāng)傳感器數(shù)據(jù)保存達(dá)到一定數(shù)量時，數(shù)據(jù)將被進(jìn)行打包組幀，通過AXI4總線傳輸至ARM核內(nèi)部，ARM核再使用千兆網(wǎng)傳輸至上位機。

2.3.2 上位機指令交互

FPGA與上位機指令交互通過ARM端GP接口進(jìn)行，GP接口如同ARM的一個普通的IO，可以實現(xiàn)低速的數(shù)據(jù)交互。主要交互的指令有待測傳感器通道號選擇、設(shè)備狀態(tài)上傳、版本號查詢等。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)與測試

3.1 硬件環(huán)境搭建

硬件環(huán)境如圖3所示，圖中展示了測試的標(biāo)定臺，臺面安裝著待測傳感器，待測傳感器上方的音圈電機動軸通過六軸傳感器上安裝的觸頭按壓至待測傳感器。

音圈電機上方兩根線分別為電源線和控制線，控制線連向音圈電機配套的控制器；六軸傳感器引出的總線輸出的是模擬量，連接至六軸傳感器專用的控制器，控制器將模擬量轉(zhuǎn)換成力/力矩值通過串口傳輸至數(shù)據(jù)采集模塊；待測傳感器左側(cè)排線為IIC總線，接線連接至數(shù)據(jù)采集模塊的一號接口處；數(shù)據(jù)采集模塊將待測傳感器和六軸傳感器數(shù)據(jù)同步打包后通過網(wǎng)口上傳至分析終端。

3.2 測試與數(shù)據(jù)分析

3.2.1 測試方案說明

單次按壓流程：分離5s——按壓設(shè)定力5s——分離5s，按壓效果如圖4所示，實線為高精度六軸力/力矩傳感器、虛線為待測壓力傳感器數(shù)據(jù)（為作比較數(shù)據(jù)經(jīng)過縱軸等比例縮放），可以看到兩個數(shù)據(jù)同步性較高。單次按壓數(shù)據(jù)在觀察后可以發(fā)現(xiàn)實際曲線與設(shè)定有所差異，曲線存在一個PID控制過程，當(dāng)按壓力達(dá)到預(yù)定值后將會保持5s，以確保測試完整進(jìn)行。

多次按壓值設(shè)定如下，在單次按壓的基礎(chǔ)上，初始按壓值為1N，每次按壓以0.2N步進(jìn)線性增長，直到按壓力達(dá)到8N，再由8N以0.2N步進(jìn)線性遞減，直到按壓力達(dá)到1N，測試效果如圖5所示。

3.2.2 數(shù)據(jù)分析說明

六軸傳感器法向壓力分辨率為1/2736(N/LSB)，磁場強度分辨率為4.84(μt/LSB),測試中MLX90393檢測到測磁場強度范圍一般在0～117mt范圍內(nèi)。

標(biāo)定裝置采樣率為200Hz，并且音圈電機在按壓到每一個設(shè)定按壓值時，按壓會穩(wěn)定保持5s，因此每次按壓理論上每個傳感器將會有1000個有效采樣點，通過六軸壓力傳感器和待測傳感器數(shù)據(jù)即可對待測傳感器進(jìn)行標(biāo)定分析。

4 結(jié)語

本文設(shè)計的壓力傳感器標(biāo)定裝置具有高靈敏度、高響應(yīng)性、高同步、高自動化的特點，對大量傳感器的標(biāo)定作業(yè)提供了一個高效和穩(wěn)定的平臺。在實際使用中，其標(biāo)定測試簡化了許多安裝、調(diào)整的步驟，統(tǒng)一了測試接口，同步采集數(shù)據(jù)，節(jié)約了許多人工成本并且為后續(xù)分析提供了可靠且精確的數(shù)據(jù)。