多功能触觉传感系统的硬件电路设计及应用

田红英*



多功能触觉传感系统的硬件电路设计及应用

田红英*

（山西工程职业技术学院，山西太原，030009）

本文提出了一种新型多功能触觉传感器的硬件电路系统，多功能触觉传感器采集到的信号经过信号调理电路放大、滤波、抬升，经单片机进行 A/D 转换，然后经串口将数据传到上位机。触滑觉信号检测实验验证了该硬件电路在检测物体纹理特征和分辨物体种类上的实用性；50次重复性实验，该系统在检测区分物体种类上的成功率高达 94.5%，表明该硬件电路的系统稳定性好。该研究对以后智能机器人和智能假肢的发展提供了新的技术支持。

触觉传感；硬件电路；实用性

引言

在全球市场上，传感器流行的种类也越来越多，从利用传统的方法测量压力、温度等传统传感器，到使用半导体技术测压力、加速度或者位置变化的传感器，到利用压电等高分子材料同时测压力、剪切力及温度的多功能传感器；于此相对应的是传感器广泛的应用领域和范围，从工业领域、医疗领域到人们生活中的方方面面都有传感器存在[1]。

尽管传感器的种类多应用领域广，但是传感器的发展仍旧有很多需要突破改进的方面，随着智能化的发展，在智能机器人（扫地机器人）和医学（医学内窥镜）等领域，微型化、高级程度成为衡量发展程度的重要指标，因此提升设备硬件系统的集成度是一个重要的突破口。智能化的总体趋势是利用新材料、新工艺以实现系统的微型化、集成化，利用新原理、新方法以实现多信息的获取，辅以先进的信息处理技术，提高系统的各项技术指标，以适应更广泛的应用需求[2]。同时，微型化、集成化、系统化将成为智能化发展的重要标志和特点[3]。

本研究，基于微型化的发展瓶颈，提出针对多功能触觉传感器的硬件电路，具有小型化集成度高的特点，并用实际实验验证该硬件系统的稳定性和可靠性。

1 硬件电路设计

1.1 硬件电路总体设计

多功能触觉传感系统主要包含四个部分：多功能触觉传感器、信号调理电路、单片机模块和上位机，其中信号调理电路和单片机模块属于系统的硬件电路部分，硬件电路如图1所示。传感器采集到的信号传入到信号调理电路，经放大、滤波、抬升处理后由电压跟随器模块传入到单片机，通过A/D模块将模拟信号转换成数字信号，然后由串口通讯装置将数字信号传输到上位机上进一步处理。这一部分也是整个系统的“感受装置”。

图1 多功能触觉传感系统的硬件电路设计

1.2 信号调理电路单元硬件电路设计

在硬件电路设计中要考虑很多因素，本文中提到的多功能触觉传感器基于PVDF压电材料设计，而PVDF压电薄膜有阻抗高的特性[4,5]，面积一定时表面生成的电荷量也十分有限，收集信号时干扰比较多，常见的干扰信号包括人文干扰和工频干扰等等，基于此设计信号调理电路以获得失真小、噪声少的触觉信号。信号的硬件调理电路模块包括：电荷放大器、低通滤波器、电压抬升电路和稳压电路。

1.2.1 电荷放大电路

电荷放大电路为信号调理电路的第一级，传感器采集到的信号通过该电路可将电荷信号转化成电压信号，供下级电路处理。由于PVDF压电薄膜的阻抗很高，可以达到1013Ω，因此，实现阻抗匹配是该级电路重要指标。因此，输入与输出阻抗匹配：实现最大的功率传输以及信号的转换（电荷信号转化成电压信号）时本级电路的主要作用。

为了实现阻抗匹配，第一集放大器选用CA3140，CA3140是美国无线电公司研发的一种电压阈值宽、输入阻抗高的运算放大器，它正常工作时的电压为4V~36V，输入阻抗约为1.57TΩ，可以满足设计的要求。本文设计的电荷放大器原理图如图2所示。

图2 电荷放大电路图

根据电路特征可知，本级电路输出电压USC为：

从设计图上可知，此电路是负反馈电路，可以减小放大电路的干扰，减小非线性失真，从而提高系统的稳定性。另外，CF积分电容属于储存电量元件，它的选取对信号放大效果至关重要，经过多次试验后发现，CF选用10nF电容能满足电路要求，RF选用100MΩ 可以实现阻抗匹配，使输出信号达到很好的效果。

1.2.2 低通滤波电路

为了获得更好、更理想的滤波性能，本设计采用二阶低通滤波电路。输入信号经过两级低通滤波后进入集成运放的同相输入端，这样是输入的高频信号对数幅频特性以-40db/分倍频的速度下降，比一阶低通滤波器的下降速度提高一倍。一般情况，多功能触觉传感系统采集信号的频率较低，集中在0.1Hz-150Hz之间，而在采集过程中的干扰信号一般频率比较高，这也是采用低通滤波的原因。而相对于无源滤波器，有源滤波器可以避免谐振引起的后果，具有更稳定的性能，因此采用有源滤波器设计低通滤波电路，如图3为信号调理电路中的二阶低通滤波器。

图 3 二阶低通滤波器电路图

对于该二阶有源低通滤波器，其通带的截止频率为：

设两级 RC 电路的电阻、电容值相等，即令 R1=R2=R，C1=C2=C，即可得到截止频率为：

其电压增益为：

其中，电容 C1=C2=C=0.1μF，电阻 R1=R2=R=33kΩ，式子（3.4）求解得出截止频率为 48.25Hz，而一般50Hz的工频干扰比较强烈，又因为触觉信号频率小于 50Hz，因此截止频率为 48.25Hz 时既能避免工频干扰的影响，又不会丢失有用信号，同时降低了后期软件滤波的复杂度。

1.2.3 电压抬升电路

基于PVFD薄膜的触觉传感器收集的信号包含正负，而信号还需要通过信号调理电路进入单片机进行处理，就必须将负的信号抬升至正值，才会避免负的有用信号的丢失，这是由于MSP430F149 单片机只能处理正值信号，基于此设计电压抬升电路，如图4 所示。抬升电路相当于一个加法器电路，抬升的值大小由滑动变阻器决定。可以根据采集信号的强弱调整抬升的电压值。

图 4 电压抬升电路图

1.2.4 电压跟随电路

电压跟随器具有高输入、低输出的特点，要求阻抗匹配，在整个信号调理电路中，电压跟随器作为最后输出级，他的作用是减小信号源的影响，提高带载能力，稳定输出电压，增加品质因数。如图5所示。

图 5 电压跟随器电路图

随着智能化的发展，越来越多的智能设备高集成化成为衡量先进性的重要指标，为了满足系统高度集成化的要求，在信号调理电路中引入OPA4347芯片，它具有成本低、微功耗、尺寸小、工作电压阈值宽（4V~36V）的特点，内部集成了四个放大器。正常工作温度阈值为-55℃~125℃，这一阈值温度满足了多功能触觉传感器正常的工作温度要求。图6是集成后的电路图，为了保证信号的质量，第一级依然采用属性稳定且能实现阻抗匹配的CA3140放大器。

图6 改进的信号调理电路

1.3 单片机数据处理模块设计

在单片机硬件电路中采用MSP430F149 芯片，是一种低功耗的微处理器，必须设计变压电路，为该芯片提供低电压。如图 7 所示位电压的转换电路，输出电压为3.3V为点偏激供电。一般由电源、开关、晶振、复位电路和输入输出电路构成单片机的最小系统，如图8所示。

图 7 电压转换电路

图 8 MSP430F149 单片机最小系统电路图

1.3.1 A/D 转换设计

触觉传感器采集的信号通过信号调理电路处理之后还是模拟信号，而通过信号电路处理之后得信号还存在噪声干扰等，就需要将信号传至上位机，通过软件进一步处理，二通过软件处理的数据应为数字信号，所以需要经过单片机硬件电路将模拟信号转化成数字信号[9,10]。在本设计中采用MSP430F149 单片机的ADC12模块进行模数转换。

1.4 硬件电路的集成

本设计中硬件电路部分包含信号调理电路和单片机模块，本文中引入性能良好的OPA4347芯片以及双面制板技术进行提升硬件的微型化，如图9为硬件调理电路和单片机模块集成后实物图，约是两个硬币的大小。由实物对比图可以看出，电路板尺寸小集成度高，因此在应用的过程中可以直接附着在其他硬件架构上，占用体积小，如在机器人上使用时，可以直接固定在机器人手上，可以实现便携化；如在假肢上使用，可以直接固定在假肢的关节的间隔中，对以后机器人的小型化发展有很重要的作用。

图 9 集成化的硬件电路实物图

2 应用与测试

本文中设计了一组实验装置，用于辨别传感器所接触物体的特征从而区分物体，在本试验中，硬件电路采用以上设计的电路。实验装置如图10所示。实验过程中通过小车提供牵引力使传感器与所判别物体接触，可以保证小车是匀速运行，且每次实验小车速度保持不变，将传感器采集到的触觉信号传递给硬件电路处理，最后传输到上位机通过origin软件进一步处理分析。

图10实验装置图

为了保证整个系统应用的普遍性，实验对象为随机挑选的常见的织物、木板、报纸和橡胶。且保障在实验过程中小车的运行方向不变，图11显示的是传感器采集的实时信号图。从图中不同材料的输出信号的幅值和频率各不相同，这也反映了整个系统可以区分物体的纹理特征。

图11 实验样本输出信号

此外，还对信号作了时间域的快速傅里叶变换，图12分别无四种材料（a织物、b木板、c报纸和d橡胶）的功率谱密度，从图中可以看出不同材料输出信号的频率特征有明显差异，结合不同材料输出信号的幅值特征，可以比较精确的判断物体的种类，这说明整个系统可以用于辨别物体种类和物体表面特征，在工业上分拣物体等有很高的应用价值。同时也说明本文中设计的硬件电路具有可行性。

图12 输出信号频谱图

为了进一步验证硬件电路的稳定性和可靠性，针对以上提出的四中材料分别进行50次的重复性实验，通过测试，整个系统的综合正确率达到94.5%。其中木块的正确率最高，报纸的准确率最低，这是由于实际中报纸比较平滑，摩擦系数低不易区分，如表1所示。

表1 重复性实验结果

3 结束语

多功能触觉传感系统的硬件电路主要包含信号调理电路和单片机处理电路，通过分析传感器采集信号的特点设计硬件电路，并通过实验验证了本设计的可行性，通过该电路的应用，可以检测物体的种类，并且该硬件电路可以用于工业领域（机器人）、医学领域（假肢）中，具有很好的市场价值。

[1] 建宁. 传感器向小型化、高级化发展[J]. 世界电子元器件, 1999, (02): 70-71.

[2] 戈瑜, 吴仲城, 葛运建. 面向应用需求的力/力矩传感器技术发展动向[J]. 机器人, 2003, (02): 188-192.

[3] 葛运建, 戈瑜, 吴仲城, 等. 浅析我国传感器技术发展中的若干问题[J]. 世界产品与技术, 2003, (03): 22-24+26-28+30-32+34-36.

[4] 齐晓慧, 基于压电薄膜的可穿戴呼吸脉搏监测系统[D]. 吉林: 吉林大学, 硕士学位论文, 2015.6.

[5] 凌振宝, 齐晓慧, 辛毅. 基于 PVDF的呼吸信号检测腰带研究[J]. 压电与声光, 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

田红英. 多功能触觉传感系统的硬件电路设计及应用[J]. 数码设计, 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点研发计划项目（201703D121002）、山西省应用基础研究项目（201701D221104）和山西省软科学研究（2017041014-2）。

田红英（1988-），女，河南商丘人，助讲，研究方向：大地电磁信号算法研究。E-mail:jdthy19902163.com