基于单片机的智能微型五维力／力矩传感器的研究

    摘要：以研制的机器人多指灵巧手微型五维指尖力／力矩传感器为基础，基于单片机ＡＴ８９Ｃ５２设计了高性能的数据采集系统和数据处理系统，实现了与主计算机的ＲＳ４２２串行通讯，从而构成了一套完整的智能化的五维力／力矩测量系统。

    关键词：传感器  单片机  数据采集  串行通讯

    多维力传感器的发展已经有几十年的历史。以机器人的腕力传感器为主要应用背景，国内外的很多公司制造了多种规格的多维力传感器[１，２]。为了满足医疗仪器、航空航天等领域对于微型多维力传感器的需求，以研制的机器人多指灵巧手微型五维指尖力／力矩传感器为基础，研制了一种基于单片机ＡＴ８９Ｃ５２的智能微型五维力传感器测量系统。

    本文将首先介绍我们所研制的五维指尖力／力矩传感器的本体和应用表面封装技术设计的信号调理电路，然后着重介绍基于微处理器ＡＴ８９Ｃ５２的数据采集系统、数据处理系统和ＲＳ４２２串行通讯系统。

１ 五维指尖力／力矩传感器及信号调理电路简介

    为多指灵巧手所研制的微型五维指尖力／力矩传感器基于电阻应变原理。利用有限元方法，设计了具有很小尺寸的传感器弹性体结构（应变梁的厚度只有０．３５ｍｍ）。将ＢＬＨ公司生产的微型高阻金属应变片ＳＲ－４贴在应变梁上组成五个应变半桥，用高精度的＋５Ｖ电压调节器给电桥供电，由此将传感器所受的五维力（包括Ｘ，Ｙ，Ｚ方向的力Ｆｘ，Ｆｙ和 Ｆｚ以及Ｘ，Ｙ两个方向的力矩Ｍｘ，Ｍｙ）转换成五路电压输出。采用表面贴装技术设计了传感器的信号调理电路，将小电路板内置于传感器本体之中，实现了传感器体积的微型化，整个传感器的外形尺寸只有Φ１９ｍｍ×１２．５ｍｍ。三维力Ｆｘ，Ｆｙ和Ｆｚ的测量范围是１０Ｎ，二维力矩Ｍｘ和Ｍｙ 的测量范围是０．２Ｎ·ｍ。

    用有限元方法对传感器的弹性体进行应力分析，可以计算出，在＋５Ｖ恒压源供电的情况下，每路电压输出值不超过±２５ｍＶ。因此，信号必须经过高性能的信号调理电路，才能达到较好地测量精度；同时，必须将电路板就近地放置在传感器的本体之中，以避免噪声的引入。为此，我们应用表面贴装技术设计制作了以精密仪表放大器ＡＤ６２３为核心的信号调理电路板，通过高性能元器件的选择、电路的高质量滤波以及电路板的合理布线，将五路电桥的输出电压信号放大到数据采集系统所要求的输入范围：０～５Ｖ。为了实现单电源供电的ＡＤ６２３对双极性传感器输出电压的放大，在ＡＤ６２３的参考电压端加上２．５Ｖ的参考电压，实现双极性电压的直流偏置。为了测量环境的温度以便对传感器的输出进行温度补偿，在信号调理电路板上还放置了三脚ＳＯＴ封装的集成温度传感器ＬＭ５０Ｂ。

２ 基于单片机ＡＴ８９Ｃ５２的传感器数据采集系统和串行通讯系统的电路设计

    为了实现五维指尖力／力矩传感器的智能化，使之成为一个完整的力测量系统，选用了ＡＴＭＥＬ公司生产的ＡＴ８９Ｃ５２微处理器作为传感器数据采集和处理系统的核心。ＡＴ８９Ｃ５２的管脚和指令与传统的ＭＣＳ－５１系列单片机完全兼容，并且芯片内部集成了８Ｋ的可编程Ｆｌａｓｈ内存。对于本系统而言，只需很少的外围芯片就可以构成一个单片机应用系统。

    为了实现传感器信号调理电路七路输出信号（包括五路应变输出信号、温度输出信号和参考电压信号）的数据采集，我们选用了ＭＡＸＩＭ公司生产的ＭＡＸ１９７Ａ作为Ａ／Ｄ转换芯片。ＭＡＸ１９７Ａ是１２位的快速Ａ／Ｄ转换芯片，它有几个显著特点：单＋５Ｖ电源供电；有八个模拟电压输入通道，每个输入通道的量程范围可用软件独立地设定；芯片内部集成了５ＭＨｚ带宽的采样保持电路；有两种节电工作方式，可以实现很低的功耗等。

    为了实现ＡＴ８９Ｃ５２与上位机的串行通讯从而将传感器的测量数据传送给上位ＰＣ机，我们利用ＭＡＸ４９１构成ＲＳ４２２串行通讯接口。与传统的ＲＳ２３２Ｃ接口相比，ＲＳ４２２是差分传输，具有数据传输速率高（最大传输速率为１０ＭＢ／ｓ）和传送距离长（在最大传输速率的情况下，电缆允许长度可达１２０ｍ）等优点。数据传输率的提高对减少整个测量系统的响应时间是至关重要的。

    为了保证微处理器ＡＴ８９Ｃ５２的正常工作，我们使用了ＭＡＸＩＭ公司生产的ＭＡＸ７０８来实现整个系统的硬件监控。ＭＡＸ７０８有以下几个主要功能：实现ＡＴ８９Ｃ５２的上电自动复位和手动复位；芯片内部集成有独立的“看门狗”电路，这可以保证系统的可靠运行；内部有电源电压监视电路，可以用来实现系统的掉电保护。

    数据采集系统和ＲＳ４２２串行通讯系统的电路原理框图如图１所示。

    为了提高数据采集系统的精度，在电路板的设计中，将模拟地与数字地分开，在主要芯片的电源端就近地放置滤波电容，这些措施取得了很好的效果。

３ 基于单片机ＡＴ８９Ｃ５２的微型五维力／力矩传感器的软件设计

    系统软件采用模块化的设计方法，共分为四个模块：系统初始化模块、数据采集模块、数据处理模块和串行通讯模块。主程序流程图如图２所示。

３.１ 系统初始化模块

    系统初始化模块包括串行通讯接口波特率、奇偶校验、数据位个数等的初始化，Ａ／Ｄ转换器ＭＡＸ１９７的初始化，ＭＡＸ４９１接收、发送使能的初始化。

３.２ 数据采集模块

    在系统初始化完成以后，等待上位机的开始工作命令，接收到开始命令以后，单片机系统开始数据采集，采集到的结果放入ＡＴ８９Ｃ５２的内部ＲＡＭ中，系统进入数据处理模块。需要说明的是，对Ａ／Ｄ转换结果的读取是通过中断方式来进行的，提高了系统的响应速度和微处理器的利用效率。

３.３ 数据处理模块

    数据处理模块的组成框图如图３所示。

    我们用采集到的五路力传感器输出电压减去同时采集到的２．５Ｖ参考电压，实现了对参考电压的实时补偿，然后通过低通数字滤波进一步提高对噪声的抑制能力，得到的数据根据当时的温度情况进行补偿。传感器的温度特性表离线测量后存储在ＡＴ８９Ｃ５２的Ｆｌａｓｈ存储器中，查表后经过线性插值得到温度修正值，经过修正以后的测量值乘以标定矩阵得到五维力和力矩。标定矩阵是由离线的静态标定所得到的，也保存在ＡＴ８９Ｃ５２的Ｆｌａｓｈ存储器中。

３.４ 串行通讯模块

    由数据处理模块得到的五维力数据通过串行通讯传输给上位机。为了实现数据可靠准确的传输，我们采取了以下措施：对每个数据进行奇偶校验；对每组数据进行累加和校验。实验表明，这些协议的采用取得了很好的效果。

    为了进行整个系统的实验，我们在ＰＣ机上利用可视化编程语言ＶＣ＋＋的串行通讯控件编制了数据采集和串行通讯软件。

    实验表明，该系统具有较好的精度和很强的可靠性，实现了设计要求。今后，在改进多指手指尖力传感器弹性体结构的基础上，我们将从硬件和软件两个方面进一步提高测量系统的动态响应，使之更好地满足实际使用要求。