MSCl210在微位移傳感器系統(tǒng)的應(yīng)用
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微操作已在許多應(yīng)用領(lǐng)域得到了應(yīng)用，特別是在納微米級的定位系統(tǒng)中，要求傳感器能檢測出微小的力和位移的信息。目前用于微位移檢測的原理較多，如光學(xué)式、磁和電感式、電容式和壓電式等，但這些大多不便用于機(jī)器人對微小的多維力和位移信息的獲取。為了將技術(shù)成熟的多維力傳感器用于微力和微位移信息獲取，中科院合肥智能所機(jī)器人傳感器實(shí)驗(yàn)室在改造多維力傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的同時(shí)，充分利用德州儀器(TI)的MSCl210單片機(jī)的許多新特性，如其自帶的8路24位高精度∑-△A／D轉(zhuǎn)換器、可編程增益放大(PGA)和濾波器等，實(shí)現(xiàn)了對力和位移的高精度測量。本文主要從微型機(jī)的應(yīng)用角度展開探討，希望能為提高傳感器的集成化程度、分辨率、穩(wěn)定性和人機(jī)交互能力有所幫助。
1 多維力傳感器特點(diǎn)與MSCl210簡介
微位移傳感器結(jié)構(gòu)主要借鑒實(shí)驗(yàn)室的機(jī)器人六維腕力傳感器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)中同樣采用雙E型膜片結(jié)構(gòu)。首先用改進(jìn)的二維力傳感器來檢測作用于物體上的X和Y兩維上的力信息，再將其換算成平面的位移信息。同時(shí)，它在機(jī)器人六維力傳感器基礎(chǔ)上改變了相關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如量程和靈敏度等，以便實(shí)現(xiàn)對微小的力和位移信息的獲取。
美國德州儀器公司(Texas Instruments)新推出了一種功能很強(qiáng)的帶24位A／D轉(zhuǎn)換器的微處理器MSCl210。MSCl210具有一些增強(qiáng)特性，特別適合測量高精度溫度、壓力傳感器等輸出的微弱信號。MSCl210主要包括增強(qiáng)型8052微控制器核心、閃存、高性能模擬功能和高性能外設(shè)。增強(qiáng)型8052微控制器核心包括雙數(shù)據(jù)指示器，執(zhí)行指令的速度比標(biāo)準(zhǔn)8052核心快3倍。這種MIPS功能使用戶能夠根據(jù)特殊需求優(yōu)化速度、功率及噪聲。圖1是MSCl210 ADC的方框圖。
高精度微位移傳感器電路模塊的核心是MSCl210單片機(jī)。它完成微弱信號的多路切換、信號緩沖、PGA編程放大、24位∑一△A／D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)處理、信號校準(zhǔn)以及UART通信等功能。以下結(jié)合微位移傳感器的使用做簡要介紹。
MSC1210輸入復(fù)用器比一般ADG靈活，它的每個(gè)輸入引腳均可針對特定的測量而配置成正輸入或負(fù)輸入。與啟動(dòng)ADC部件通常定義輸入對相比，MSC1210可把一個(gè)引腳定義為負(fù)輸入，把另一個(gè)定義為正輸入，使設(shè)計(jì)方便自由。微位移傳感器一組橋路輸出分別接MSC1210 ADC的AIN0與AIN1，作為一路差分輸入；另一組橋路輸出分別接MSC1210 ADC的AIN2與AIN3，作為第二路差分輸入。ADMUX寄存器初始化賦值為：ADMUX=Ox01。
按照TI公司的MSC1210的數(shù)據(jù)說明，輸入緩沖器可降低ADC測量中偏移的可能性。只要輸入信號的特征允許，就應(yīng)該采用它。惟一不采用輸入緩沖器的情況是，其中一個(gè)模擬輸入上的最大電壓低于正軌電壓高于1．5 v。不帶緩沖器時(shí)，MSC1210的輸入阻抗是5 MΩ／PGA。啟用緩沖器時(shí)，該阻抗一般為10 GΩ。輸入電壓范圍縮小，同時(shí)模擬電源電流升高。在不是上述“惟一”的情況下，實(shí)驗(yàn)中并沒有使用緩沖，而是清零ADC控制寄存器(ADCONO.3)中的BUF位，即關(guān)閉緩沖，取得的效果卻較為理想，傳感器的零點(diǎn)輸出偏差變化較小。
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