以高整合度混合信號單片機實現(xiàn)兩線式Force Sensor應用設計

作者：時間：2016-04-06 來源：電子產(chǎn)品世界

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　　1. 內(nèi)容簡介

本文引用地址：http://www.butianyuan.cn/article/201604/289308.htm

　　在2015年，蘋果新一代的MacBook和Apple Watch皆搭載壓力觸控感應技術(shù)，它被Apple稱為Force Touch，用戶每次按下觸控板之后除了可以在螢幕看見視覺回饋，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操控與應用。而本文將介紹以HY16F184內(nèi)建高精密Sigma-delta 24 Bit ADC搭配Uneo Force Sensor來實現(xiàn)一個類似Force Touch應用電路。在本文中的Force Touch應用電路上，主要的元件有：壓力感測器(Force Sensor)、ADC和MCU控制晶片。紘康HY16F184控制晶片內(nèi)建高精密Sigma-delta 24 Bit ADC、可程式放大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，精準完成由類比到數(shù)位的訊號轉(zhuǎn)換。

　　在一個完整Force Touch實際應用上，除了需要考量到X, Y軸座標與Z軸強度計算，同時也需要考量到電流消耗功率與掃瞄速度和校正的應用設計。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橋接器與電腦連接，由電腦端GUI做即時四個通道的ADC Raw Data資料變化量顯示。

　　2. 原理說明

　　2.1. 量測原理

　　Uneo Force Sensor是以壓阻效應(piezoresistive effects)為基礎的壓力感測器，所謂壓阻效應是指當感測器內(nèi)部感測元件受到外界壓力作用于其上時，其電阻值會隨之改變的現(xiàn)象。使用者可以依照電阻值的變化量，使其輸出電壓隨之改變，來推算出壓力大小。在本文中，是使用Uneo Force Sensor來做單端輸入(Single Input)的訊號量測，其量測方法與原理，可以參考下圖1。R1為一個固定的參考電阻，Vr則為固定的參考電壓，Rs即為Uneo Force Sensor電阻值變化量，當外界壓力作用于其上時，Rs電阻值則會產(chǎn)生變化，V2則為Uneo Forec Sensor相對應的電壓變化量。其公式為:V2=+Vr*R1/(Rs+R1)。Uneo Forece Sensor的特性為當元件受到外界壓力越大時，其電導(Conductance)值會越大，換而言之即是電阻(Resistance)值會越小。所以由以上公式配合Uneo Force Sensor特性可以得知，當V2電壓越大時候代表所感受到的Force壓力也越大。

　　圖1 Uneo Force Sensor量測原理

　　本文Force Tocuh的基本架構(gòu)如下圖2所示，包含四個壓力感測器(Force Sensor)、ADC和MCU單晶片。當有重力施壓在壓力感測器上時, 壓力感測器會將所得到的電壓訊號變化量，透過類比數(shù)位轉(zhuǎn)換(ADC)給單晶片(MCU)做后端的訊號處理計算，最后再透過I2C通訊輸出資料。在本文中，使用到的壓力感測器為Uneo Force Sensor，詳細關于Uneo Force Sensor規(guī)格如下圖3，MCU單晶片與ADC規(guī)格部份可以章節(jié)2.2介紹。