以高整合度混合信號單片機實現(xiàn)橋式Force Sensor應(yīng)用設(shè)計

1.    內(nèi)容簡介

在2015年，蘋果新一代的MacBook和Apple Watch皆搭載壓力觸控感應(yīng)技術(shù)，它被Apple稱為Force Touch，用戶每次按下觸摸板之后除了可以在屏幕看見視覺回饋，它同時能夠分辨出用戶點按的力度強弱來做出一系列的相關(guān)操控與應(yīng)用。而本文將介紹以HY16F184內(nèi)建高精密Sigma-delta 24 Bit ADC搭配HDK Force Sensor來實現(xiàn)一個類似Force Touch應(yīng)用電路。 在本文中的Force Touch應(yīng)用電路上，主要的組件有：壓力傳感器(Force Sensor)、ADC和MCU控制芯片。 纮康HY16F184控制芯片內(nèi)建高精密Sigma-delta 24 Bit ADC、可程序放大PGA和多段式穩(wěn)壓輸出等功能，可以很大幅簡化PCB周邊線路，精準完成由模擬到數(shù)字的訊號轉(zhuǎn)換。

在一個完整Force Touch實際應(yīng)用上，除了需要考慮到X, Y軸坐標與Z軸強度計算，同時也需要考慮到電流消耗功率與掃瞄速度和校正的應(yīng)用設(shè)計。而在本文內(nèi)，只先探討與介紹如何使用HY16F184內(nèi)建高精密Sigma-delta 24 Bit ADC來掃描四個Force Sensor并透過I2C通訊來輸出基本的ADC Raw Data。使用I2C轉(zhuǎn)USB網(wǎng)橋與計算機連接，由計算機端GUI做實時四個信道的ADC Raw Data數(shù)據(jù)變化量顯示。

2.    原理說明

2.1.    量測原理

壓力傳感器（Force Sensor）是將物理壓力量轉(zhuǎn)換為電壓訊號，也可視為一個常見的Loadcell電路，即惠斯登電橋，如圖1所示。因為電橋上的4個電阻(阻值相同)，所以當(dāng)有電壓施加在VIN+與VIN-兩端時V+ = V-，即電橋達到了平衡。

圖1 惠斯登電橋電路

此ΔR的變化量產(chǎn)生在訊號兩端的電壓變化為

本文Force Tocuh的基本架構(gòu)如下圖2所示，包含四個壓力傳感器(Force Sensor)、ADC和MCU單芯片。當(dāng)有重力施壓在壓力傳感器上時, 壓力傳感器會將所得到的電壓訊號變化量，透過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換(ADC)給單芯片(MCU)做后端的訊號處理計算，最后再透過I2C通訊輸出數(shù)據(jù)。在本文中，使用到的壓力傳感器為HDK Force Sensor，詳細關(guān)于HDK Force Sensor規(guī)格如下圖3，MCU單芯片與ADC規(guī)格部份可以章節(jié)2.2介紹。

圖2 HY16F184 Force Touch基本架構(gòu)應(yīng)用圖

圖3 HDK Force Sesnor基本規(guī)格