採用電壓列反饋法削弱掃描電路迴路幹擾的陣列壓阻式觸覺傳感器的製作方法

2023-06-05 03:01:16 1

專利名稱：採用電壓列反饋法削弱掃描電路迴路幹擾的陣列壓阻式觸覺傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種採用電壓列反饋法削弱掃描電路迴路幹擾的陣列壓阻式觸覺傳
感器，屬於陣列壓阻式觸覺傳感器。
背景技術：
現有陣列壓阻式觸覺傳感器採用行列掃描的形式進行信號的採集，它可以有效地 降低觸覺傳感器外接引線的數量。但是在減少外接引線的同時，又不可避免的產生行列掃 描電路的迴路幹擾問題。已有消除迴路幹擾的方法有利用矽工藝對觸覺單元進行預處 理集成，使集成電路與傳感器一體化並串接二極體，這種方法使傳感器製作成本增高，並且 使觸覺傳感器缺乏柔順性；還有採用電壓反饋的方法，這種方法通過將當前掃描列的輸出 電壓同時反饋給非當前掃描行和非當前掃描列，它雖然能夠有效的削弱掃描電路的迴路幹 擾，同時不影響觸覺傳感器的柔順性，但是實現電路非常複雜，影響了整個系統的可靠性和 處理電路的微型化。

發明內容
本發明的目的是提供一種採用電壓列反饋法削弱掃描電路迴路幹擾的陣列壓阻 式觸覺傳感器，它在解決了陣列壓阻式觸覺傳感器中掃描電路的迴路幹擾問題的同時，使 實現電路更加簡單。 本發明包括觸覺信號採集柔性電路板，它還包括開關電路、放大器電路、ADC電路、 DAC電路、第一模擬信號輸出寄存器、第二模擬信號輸出寄存器、邏輯控制電路、多路開關、 模擬開關和多個比較電阻， 邏輯控制電路的基準低壓輸出端連接DAC電路的數位訊號輸入端，DAC電路的模 擬信號輸出端連接第二模擬信號輸出寄存器的模擬信號輸入端，第二模擬信號輸出寄存器 的模擬信號輸出端連接每個比較電阻的一端，每個比較電阻的另一端分別連接觸覺信號採 集柔性電路板的一個採樣信號列引線端點，觸覺信號採集柔性電路板的每個行電壓信號輸 入端分別連接多路開關的一個基準高壓信號輸出端，多路開關的行控制信號輸入端連接邏 輯控制電路的行控制信號輸出端，用於選通觸覺信號採集柔性電路板的當前掃描行並為當 前掃描行提供基準高電壓； 觸覺信號採集柔性電路板的每個採樣信號列引線端點分別連接開關電路的一個 採樣信號輸入端，用於採集觸覺信號採集柔性電路板中當前掃描列的電壓輸出信號；開關 電路的採樣信號輸出端連接放大器電路的採樣信號輸入端，放大器電路的採樣信號輸出端 分別連接ADC電路的模擬信號輸入端和第一模擬信號輸出寄存器的反饋信號輸入端，ADC 電路的數位訊號輸出端連接邏輯控制電路的採樣信號輸入端；第一模擬信號輸出寄存器的 反饋信號輸出端連接模擬開關的反饋信號輸入端，模擬開關的每個反饋信號輸出端分別連 接觸覺信號採集柔性電路板的一個採樣信號列引線端點，模擬開關的控制信號輸入端連接邏輯控制電路的列控制信號輸出端，用於對非當前掃描列的選通並將反饋信號反饋給觸覺 信號採集柔性電路板中的非當前掃描列。
本發明的優點是 本發明採用電壓列反饋的方法解決了陣列壓阻式觸覺傳感器的掃描迴路幹擾的 問題，它將掃描電路中當前掃描列的電壓反饋給非當前掃描列，使非當前掃描列不能夠構 成迴路導通，去除了非當前掃描列對當前掃描列迴路的幹擾，使掃描的結果更準確。同時由 於它只需將當前掃描列的電壓反饋給非當前掃描列而不必同時反饋給非當前掃描行，使實 現電路的複雜程度比實現電壓反饋法的電路的複雜程度降低約50%。


圖1是本發明的整體結構示意圖；圖2本發明實施方式三的整體結構示意圖；圖3 是觸覺信號採集柔性電路板的結構示意圖；圖4是單個觸覺單元的等效電路圖；圖5是未 採用電壓列反饋法時觸覺信號採集柔性電路板上四個相鄰觸覺單元的等效電路圖；圖6是 採用電壓列反饋法時觸覺信號採集柔性電路板上四個相鄰觸覺單元的等效電路圖；圖7是 對觸覺信號採集柔性電路板上第i行第j列觸覺單元的信號的採集處理流程圖；圖8是屏 蔽電壓列反饋後觸覺信號採集柔性電路板上相鄰四個觸覺單元的電壓輸出曲線圖；圖9是 應用電壓列反饋時觸覺信號採集柔性電路板上相鄰四個觸覺單元的電壓輸出曲線圖。
具體實施例方式
具體實施方式
一 下面結合圖1、圖3圖9說明本實施方式，本實施方式包括觸覺 信號採集柔性電路板5，它還包括開關電路l-l、放大器電路1-2、 ADC電路1-3、 DAC電路 l-4、第一模擬信號輸出寄存器l-5、第二模擬信號輸出寄存器l-6、邏輯控制電路l-7、多路 開關2、模擬開關3和多個比較電阻4， 邏輯控制電路1-7的基準低壓輸出端連接DAC電路1-4的數位訊號輸入端，DAC電 路1-4的模擬信號輸出端連接第二模擬信號輸出寄存器1-6的模擬信號輸入端，第二模擬 信號輸出寄存器1-6的模擬信號輸出端連接每個比較電阻4的一端，每個比較電阻4的另 一端分別連接觸覺信號採集柔性電路板5的一個採樣信號列引線端點，觸覺信號採集柔性 電路板5的每個行電壓信號輸入端分別連接多路開關2的一個基準高壓信號輸出端，多路 開關2的行控制信號輸入端連接邏輯控制電路1-7的行控制信號輸出端，用於選通觸覺信 號採集柔性電路板5的當前掃描行並為當前掃描行提供基準高電壓； 觸覺信號採集柔性電路板5的每個採樣信號列引線端點分別連接開關電路1-1 的一個採樣信號輸入端，用於採集觸覺信號採集柔性電路板5中當前掃描列的電壓輸出信 號；開關電路1-1的採樣信號輸出端連接放大器電路1-2的採樣信號輸入端，放大器電路 1-2的採樣信號輸出端分別連接ADC電路1-3的模擬信號輸入端和第一模擬信號輸出寄存 器1-5的反饋信號輸入端，ADC電路1-3的數位訊號輸出端連接邏輯控制電路1-7的採樣 信號輸入端；第一模擬信號輸出寄存器1-5的反饋信號輸出端連接模擬開關3的反饋信號 輸入端，模擬開關3的每個反饋信號輸出端分別連接觸覺信號採集柔性電路板5的一個採 樣信號列引線端點，模擬開關3的控制信號輸入端連接邏輯控制電路1-7的列控制信號輸 出端，用於對非當前掃描列的選通並將反饋信號反饋給觸覺信號採集柔性電路板5中的非當前掃描列。 觸覺信號採集柔性電路板5上觸覺信號的測量及採集原理任意選取圖3中的一 個觸覺單元，它由敏感材料和其下方的電極對組成，敏感材料作為一個可變電阻ri,j，當敏 感材料受到正向壓力F時，fi,j的阻值將減小。通過檢測基準參考電阻RMf的兩端的電壓值 V。ut可間接獲得可變電阻A, j的阻值，由ri, j的阻值進而獲得所受壓力F。其等效電路圖如 圖4所示。 迴路幹擾產生原因 為了減少觸覺傳感器的外接引線，觸覺信號採集柔性電路板5上的多個觸覺單元 的電極串聯實現陣列式布置。圖5所示，當掃描第i行第j列電極時，即第i行施加基準高 電壓Vdd，採集第j列的電壓輸出，理論上是對觸覺單元C(i， j)的ri,j進行測量，事實上此 時的迴路是^j—piVLj—工和組成的串聯迴路再與ri,j並聯所形成的，此時測得的Vout 不僅僅是單獨如圖4所示等效電路中的輸出電壓Vout，它受到ri.j—pivw—工和組成的 串聯迴路的影響，假設觸覺單元C(i， j)不受壓，而另三個觸覺單元受壓時，會有較大的電 流通過迴路引起Vout的變化，此時測得的電壓輸出值並不是真實的由ri,j單獨構成的迴路 產生的電壓輸出值，這造成ri,j的間接測量值嚴重偏離其真實值。 本發明採用電壓列反饋法將當前掃描列的輸出電壓Vout通過比例放大器反饋 給非當前掃描列，非當前掃描行電極浮空，這樣在列電極間理論上形成了等電勢網絡，切斷 了幹擾迴路。如圖6中設當前掃描列為j列，將它的輸出電壓Vout反饋給j-1列，實現j 列和j-1列等電勢。由上述對圖5的分析可知，在沒有電壓列反饋的情況下，對ri,j進行測 量時，電路迴路由ri.j—piVLj—工和組成的串聯迴路再與ri,j並聯形成，將當前輸出電壓 Vout反饋給j-1列，使圖6中所示的ri+1, j—工的下端與j的下端形成了等電勢，原^ j—^ ri+1,j—工和ri+1,j組成的串聯迴路被切斷，不再對當前掃描列的輸出電壓造成幹擾。同理將當 前掃描列的電壓輸出值反饋給所有非當前掃描列，切斷所有非當前掃描列所形成的迴路， 去除對當列掃描列輸出電壓的影響。 由於比例放大器的性能影響會有微量的電流流經iVLj—工和ivw，所以電壓列反饋 法理論上能消除迴路幹擾，而實際應用時只能削弱迴路幹擾。通過實驗的驗證，該方法在實 際的應用中可以有效地削弱迴路幹擾。同時通過仿真實驗表明，本發明所採用的電壓列反 饋法所得到的掃描電壓輸出值比電壓反饋法輸出的電壓值的準確性更高。
工作過程首先將預設的基準低壓值由邏輯控制電路1-7輸出經DAC電路1-4進 行數模轉換後，經第二模擬信號寄存器l-6輸出基準低電壓在多個等效電阻4的一端，觸覺 信號採集柔性電路板5上當前掃描行的基準高電壓由邏輯控制電路1-7對多路開關2進行 控制提供，通過控制將多路開關2中與當前掃描行所對應的一路加載上基準高電壓，使當 前掃描列導通，觸覺信號採集柔性電路板5上當前掃描列的輸出電壓Vout通過觸覺信號採 集柔性電路板5的一個採樣信號列引線端點輸入給開關電路1-1，再經模擬開關3將輸出電 壓Vout反饋給觸覺信號採集柔性電路板5上的多個非當前掃描列，模擬開關3中非當前掃 描列的選通由邏輯控制電路l-7進行控制。由觸覺信號採集柔性電路板6輸出的電壓信號 經開關電路1-1和放大器電路l-2PGA後，分兩路一路經模數轉換電路轉換為數字量，實現 觸覺信息的採集；另一路經第一模擬信號輸出寄存器1-5和模擬開關3反饋回非採樣列電 極，實現採樣電壓列反饋，削弱陣列式觸覺傳感器行列掃描電路的迴路幹擾。
觸覺信號採集柔性電路板5將敏感材料所受的壓力信號轉換為電壓信號進行輸 出；放大器電路l-2用於削弱後續電路對輸入的模擬電壓信號的影響，能夠提高驅動能力。
由圖8和圖9所示為分別與圖5和圖6對應的相鄰四個觸覺單元的電壓輸出曲線 圖，取觸覺單元C(i， j)不受壓，而另三個觸覺單元受壓的情況，通過對比可以看出，採用電 壓列反饋後電壓輸出值近似為一條直線，不受其它迴路的幹擾，說明本發明有效地削弱行 了列掃描電路的迴路幹擾。
具體實施方式
二 本實施方式與實施方式一的不同之處在於它還包括SPIM接口 電路1-8， SPIM接口電路1-8的採樣信號輸入端連接邏輯控制電路1-7的採樣信號輸出端 用於與上位機的通訊。其它組成及連接關係與實施方式一相同。
具體實施方式
三下面結合圖2說明本實施方式，本實施方式與實施方式二的不 同之處在於所述開關電路l-l、放大器電路l-2、ADC電路l-3、DAC電路l-4、第一模擬信號 輸出寄存器l-5、第二模擬信號輸出寄存器l-6、邏輯控制電路1-7和SPIM接口電路1-8集 成於PSoC混合信號陣列式可編程的片上系統l的內部。其它組成及連接關係與實施方式 二相同。 本實施方式中採用PSoC混合信號陣列式可編程的片上系統1作為主處理晶片，通 過電壓列反饋法，在有效削弱觸覺傳感器掃描電路迴路幹擾的同時，簡化了電路結構，將部 分外圍電路功能集成到主處理晶片內部，進一步降低了外圍電路的複雜性，提高了整個系 統的集成度和可靠性。
具體實施方式
四本實施方式與實施方式三的不同之處在於所述PSoC混合信號 陣列式可編程的片上系統1採用塞普拉斯公司的CY8C24423A-24LFXI晶片。其它組成及連 接關係與實施方式三相同。 本實施方式中，將圖3所示的觸覺信號採集柔性電路板5上的36個電極對6分別 確定行和列的分布，將圖2中D05-D12和D00-D04分別對應與確定行和列分布的電極對6 電氣上相接。 多路開關2採用的是MAX4781 ，是具有高速、低電壓、低導通電阻的CMOS模擬多路 復用器/開關，封裝16thin QFN ;模擬開關3採用Intersil公司的ISL43L121雙單極單擲， 常閉型模擬開關，其特點為導通電阻約為0. 16 Q ;基準電阻Rref採用100K的精密電阻； 觸覺信號採集柔性電路板5由雙層柔性PCB加工而成。 PSoC混合信號陣列式可編程的片上系統l內部構建的多路開關電路l-l通過寫寄 存器ABF_CR0和AMX_IN的方式，實現通路的切換；放大器電路1_2為可編程比例放大器，放 大係數設置為1 ;ADC電路1-3選用8位的E _ A型，具有很低的採樣解析度(1位)和很高 的採樣速率，將模擬信號數位化，利用過採樣技術、噪聲整形和數字濾波技術增加有效分辨 率；DAC電路1-4提供的可調基準低電壓經第二模擬信號寄存器1-6後由P0[3]施加於五 個基準電阻Rref的一端，而基準電阻的另一端分別連接D00、D01、D02、D03和D04。基準低 壓的作用是為了保證輸出的觸覺信號在放大器的線性工作範圍內。
權利要求
一種採用電壓列反饋法削弱掃描電路迴路幹擾的陣列壓阻式觸覺傳感器，它包括觸覺信號採集柔性電路板(5)，其特徵在於它還包括開關電路(1-1)、放大器電路(1-2)、ADC電路(1-3)、DAC電路(1-4)、第一模擬信號輸出寄存器(1-5)、第二模擬信號輸出寄存器(1-6)、邏輯控制電路(1-7)、多路開關(2)、模擬開關(3)和多個比較電阻(4)，邏輯控制電路(1-7)的基準低壓輸出端連接DAC電路(1-4)的數位訊號輸入端，DAC電路(1-4)的模擬信號輸出端連接第二模擬信號輸出寄存器(1-6)的模擬信號輸入端，第二模擬信號輸出寄存器(1-6)的模擬信號輸出端連接每個比較電阻(4)的一端，每個比較電阻(4)的另一端分別連接觸覺信號採集柔性電路板(5)的一個採樣信號列引線端點，觸覺信號採集柔性電路板(5)的每個行電壓信號輸入端分別連接多路開關(2)的一個基準高壓信號輸出端，多路開關(2)的行控制信號輸入端連接邏輯控制電路(1-7)的行控制信號輸出端，用於選通觸覺信號採集柔性電路板(5)的當前掃描行並為當前掃描行提供基準高電壓；觸覺信號採集柔性電路板(5)的每個採樣信號列引線端點分別連接開關電路(1-1)的一個採樣信號輸入端，用於採集觸覺信號採集柔性電路板(5)中當前掃描列的電壓輸出信號；開關電路(1-1)的採樣信號輸出端連接放大器電路(1-2)的採樣信號輸入端，放大器電路(1-2)的採樣信號輸出端分別連接ADC電路(1-3)的模擬信號輸入端和第一模擬信號輸出寄存器(1-5)的反饋信號輸入端，ADC電路(1-3)的數位訊號輸出端連接邏輯控制電路(1-7)的採樣信號輸入端；第一模擬信號輸出寄存器(1-5)的反饋信號輸出端連接模擬開關(3)的反饋信號輸入端，模擬開關(3)的每個反饋信號輸出端分別連接觸覺信號採集柔性電路板(5)的一個採樣信號列引線端點，模擬開關(3)的控制信號輸入端連接邏輯控制電路(1-7)的列控制信號輸出端，用於對非當前掃描列的選通並將反饋信號反饋給觸覺信號採集柔性電路板(5)中的非當前掃描列。
2. 根據權利要求1所述的採用電壓列反饋法削弱掃描電路迴路幹擾的陣列壓阻式觸 覺傳感器，其特徵在於它還包括SPIM接口電路(l-8)，SPIM接口電路(1-8)的採樣信號輸 入端連接邏輯控制電路(1-7)的採樣信號輸出端用於與上位機的通訊。
3. 根據權利要求2所述的採用電壓列反饋法削弱掃描電路迴路幹擾的陣列壓阻式觸 覺傳感器，其特徵在於所述開關電路(l-l)、放大器電路(l-2)、ADC電路(l-3)、DAC電 路(l-4)、第一模擬信號輸出寄存器(l-5)、第二模擬信號輸出寄存器(l-6)、邏輯控制電路 (1-7)和SPIM接口電路(1-8)集成於PSoC混合信號陣列式可編程的片上系統(1)的內部。
4. 根據權利要求3所述的採用電壓列反饋法削弱掃描電路迴路幹擾的陣列壓阻式觸 覺傳感器，其特徵在於所述PSoC混合信號陣列式可編程的片上系統(1)採用塞普拉斯公 司的CY8C24423A-24LFXI晶片。
全文摘要
採用電壓列反饋法削弱掃描電路迴路幹擾的陣列壓阻式觸覺傳感器，屬於陣列壓阻式觸覺傳感器領域。它在解決了陣列壓阻式觸覺傳感器中掃描電路的迴路幹擾問題的同時，使實現電路更加簡單。本發明通過將信號採集柔性電路板上當前掃描列的輸出電壓信號傳遞給開關電路和放大器電路後，分兩路一路經ADC電路轉換為數字量，實現觸覺信息的採集；另一路經第一模擬信號輸出寄存器和模擬開關反饋回非採樣列電極，實現採樣電壓列反饋，削弱陣列式觸覺傳感器行列掃描電路的迴路幹擾，邏輯控制電路控制多路開關為觸覺信號採集柔性電路板上當前掃描行提供基準高電壓。本發明作為一種有效削弱掃描電路迴路幹擾的陣列壓阻式觸覺傳感器。
文檔編號H03M11/00GK101695001SQ20091030886
公開日2010年4月14日 申請日期2009年10月27日 優先權日2009年10月27日
發明者劉伊威, 劉宏, 吳克, 張元飛, 金明河 申請人:哈爾濱工業大學;