MSC1210在微位移传感器系统的应用
摘要将中科院合肥智能所机器人传感器实验室的多维力传感器技术与TI公司新推出的MSC1210单片机相结合,可实现机器人对微小位移的高分辨率检测。文章首先简要介绍微位移传感器结构特点,然后结合实际使用情况较为详细地说明MSC1210的多路输入复用器、PGA、滤波器等新特性,在此基础上构建微位移检测的硬件平台。同时,为传感系统设计智能人机交互接口,帮助用户根据实际需要方便选择诸如采样率、滤波器型号等相关参数,以求达到满意的应用效果。
关键词多维力传感器 MSC1210 微位移检测
引言
微操作已在许多应用领域得到了应用,特别是在纳微米级的定位系统中,要求传感器能检测出微小的力和位移的信息[1]。目前用于微位移检测的原理较多,如光学式、磁和电感式、电容式和压电式等[2,3],但这些大多不便用于机器人对微小的多维力和位移信息的获取。为了将技术成熟的多维力传感器用于微力和微位移信息获取,中科院合肥智能所机器人传感器实验室在改造多维力传感器结构参数的同时,充分利用德州仪器（TI）的MSC1210单片机的许多新特性,如其自带的8路24位高精度ΣΔ A/D转换器、可编程增益放大（PGA）和滤波器等,实现了对力和位移的高精度测量。本文主要从微型机的应用角度展开探讨,希望能为提高传感器的集成化程度、分辨率、稳定性和人机交互能力作出一点贡献。
图1 MSC1210 ADC方框图
1 多维力传感器特点与MSC1210简介
微位移传感器结构主要借鉴实验室的机器人六维腕力传感器结构特点,在设计中同样采用双E型膜片结构[4]。首先用改进的二维力传感器来检测作用于物体上的X和Y两维上的力信息,再将其换算成平面的位移信息。同时,它在机器人六维力传感器基础上改变了相关的结构参数,如量程和灵敏度等,以便实现对微小的力和位移信息的获取。
美国德州仪器公司（Texas Instruments）新推出了一种功能很强的带24位A/D转换器的微处理器MSC1210[5]。MSC1210具有一些增强特性,特别适合测量高精度温度、压力传感器等输出的微弱信号。MSC1210主要包括增强型8052微控制器核心、闪存、高性能模拟功能和高性能外设。增强型8052微控制器核心包括双数据指示器,执行指令的速度比标准8052核心快3倍。这种MIPS功能使用户能够根据特殊需求优化速度、功率及噪声。图1是MSC1210 ADC 的方框图。
高精度微位移传感器电路模块的核心是MSC1210单片机。它完成微弱信号的多路切换、信号缓冲、PGA编程放大、24位ΣΔ A/D转换、数字滤波、数据处理、信号校准以及UART通信等功能[6]。以下结合微位移传感器的使用作简要介绍。
MSC1210 输入复用器比一般ADC 灵活,它的每个输入引脚均可针对特定的测量而配置成正输入或负输入。与启动ADC 部件通常定义输入对相比,MSC1210 可把一个引脚定义为负输入,把另一个定义为正输入,使设计方便自由。微位移传感器一组桥路输出分别接MSC1210 ADC的AIN0与AIN1,作为一路差分输入;另一组桥路输出分别接MSC1210 ADC的AIN2与AIN3,作为第二路差分输入。ADMUX寄存器初始化赋值为：ADMUX=0x01。
按照TI公司的MSC1210的数据说明,输入缓冲器可降低ADC 测量中偏移的可能性。只要输入信号的特征允许,就应该采用它。惟一不采用输入缓冲器的情况是,其中一个模拟输入上的最大电压低于正轨电压高于1.5 V。不带缓冲器时,MSC1210 的输入阻抗是5 MΩ／PGA。启用缓冲器时,该阻抗一般为10 GΩ。输入电压范围缩小,同时模拟电源电流升高。在不是上述“惟一”的情况下,实验中并没有使用缓冲,而是清零ADC 控制寄存器(ADCON0.3) 中的BUF 位,即关闭缓冲,取得的效果却较为理想,传感器的零点输出偏差变化较小。
可编程增益放大器(PGA) 的增益可设置为1、2、4、8、16、32、64 或128。利用PGA 可大大提高ADC 的有效分辨率。当然增益设置要合理,否则噪声也随之放大了。实验中微位移传感器的增益设置为64（准确地说,应该是MSC1210 ADC的PGA的增益）。
