專利名稱：采用電壓列反饋法削弱掃描電路回路干擾的陣列壓阻式觸覺傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用電壓列反饋法削弱掃描電路回路干擾的陣列壓阻式觸覺傳
感器，屬于陣列壓阻式觸覺傳感器。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有陣列壓阻式觸覺傳感器采用行列掃描的形式進(jìn)行信號的采集，它可以有效地 降低觸覺傳感器外接引線的數(shù)量。但是在減少外接引線的同時，又不可避免的產(chǎn)生行列掃 描電路的回路干擾問題。已有消除回路干擾的方法有利用硅工藝對觸覺單元進(jìn)行預(yù)處 理集成，使集成電路與傳感器一體化并串接二極管，這種方法使傳感器制作成本增高，并且 使觸覺傳感器缺乏柔順性；還有采用電壓反饋的方法，這種方法通過將當(dāng)前掃描列的輸出 電壓同時反饋給非當(dāng)前掃描行和非當(dāng)前掃描列，它雖然能夠有效的削弱掃描電路的回路干 擾，同時不影響觸覺傳感器的柔順性，但是實現(xiàn)電路非常復(fù)雜，影響了整個系統(tǒng)的可靠性和 處理電路的微型化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種采用電壓列反饋法削弱掃描電路回路干擾的陣列壓阻 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回路干擾問題的同時，使 實現(xiàn)電路更加簡單。 本發(fā)明包括觸覺信號采集柔性電路板，它還包括開關(guān)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(guān)、 模擬開關(guān)和多個比較電阻， 邏輯控制電路的基準(zhǔn)低壓輸出端連接DAC電路的數(shù)字信號輸入端，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采 集柔性電路板的一個采樣信號列引線端點(diǎn)，觸覺信號采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(guān)的一個基準(zhǔn)高壓信號輸出端，多路開關(guān)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，用于選通觸覺信號采集柔性電路板的當(dāng)前掃描行并為當(dāng) 前掃描行提供基準(zhǔn)高電壓； 觸覺信號采集柔性電路板的每個采樣信號列引線端點(diǎn)分別連接開關(guān)電路的一個 采樣信號輸入端，用于采集觸覺信號采集柔性電路板中當(dāng)前掃描列的電壓輸出信號；開關(guān) 電路的采樣信號輸出端連接放大器電路的采樣信號輸入端，放大器電路的采樣信號輸出端 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(shù)字信號輸出端連接邏輯控制電路的采樣信號輸入端；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(guān)的反饋信號輸入端，模擬開關(guān)的每個反饋信號輸出端分別連 接觸覺信號采集柔性電路板的一個采樣信號列引線端點(diǎn)，模擬開關(guān)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，用于對非當(dāng)前掃描列的選通并將反饋信號反饋給觸覺 信號采集柔性電路板中的非當(dāng)前掃描列。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是 本發(fā)明采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回路干擾的 問題，它將掃描電路中當(dāng)前掃描列的電壓反饋給非當(dāng)前掃描列，使非當(dāng)前掃描列不能夠構(gòu) 成回路導(dǎo)通，去除了非當(dāng)前掃描列對當(dāng)前掃描列回路的干擾，使掃描的結(jié)果更準(zhǔn)確。同時由 于它只需將當(dāng)前掃描列的電壓反饋給非當(dāng)前掃描列而不必同時反饋給非當(dāng)前掃描行，使實 現(xiàn)電路的復(fù)雜程度比實現(xiàn)電壓反饋法的電路的復(fù)雜程度降低約50%。


圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2本發(fā)明實施方式三的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖3 是觸覺信號采集柔性電路板的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是單個觸覺單元的等效電路圖；圖5是未 采用電壓列反饋法時觸覺信號采集柔性電路板上四個相鄰觸覺單元的等效電路圖；圖6是 采用電壓列反饋法時觸覺信號采集柔性電路板上四個相鄰觸覺單元的等效電路圖；圖7是 對觸覺信號采集柔性電路板上第i行第j列觸覺單元的信號的采集處理流程圖；圖8是屏 蔽電壓列反饋后觸覺信號采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(yīng)用電壓列反饋時觸覺信號采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(jié)合圖1、圖3圖9說明本實施方式，本實施方式包括觸覺 信號采集柔性電路板5，它還包括開關(guān)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(guān)2、模擬開關(guān)3和多個比較電阻4， 邏輯控制電路1-7的基準(zhǔn)低壓輸出端連接DAC電路1-4的數(shù)字信號輸入端，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采集柔性電路板5的一個采樣信號列引線端點(diǎn)，觸覺信號采集柔性 電路板5的每個行電壓信號輸入端分別連接多路開關(guān)2的一個基準(zhǔn)高壓信號輸出端，多路 開關(guān)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，用于選通觸覺信 號采集柔性電路板5的當(dāng)前掃描行并為當(dāng)前掃描行提供基準(zhǔn)高電壓； 觸覺信號采集柔性電路板5的每個采樣信號列引線端點(diǎn)分別連接開關(guān)電路1-1 的一個采樣信號輸入端，用于采集觸覺信號采集柔性電路板5中當(dāng)前掃描列的電壓輸出信 號；開關(guān)電路1-1的采樣信號輸出端連接放大器電路1-2的采樣信號輸入端，放大器電路 1-2的采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(shù)字信號輸出端連接邏輯控制電路1-7的采樣 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(guān)3的反饋信號 輸入端，模擬開關(guān)3的每個反饋信號輸出端分別連接觸覺信號采集柔性電路板5的一個采 樣信號列引線端點(diǎn)，模擬開關(guān)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，用于對非當(dāng)前掃描列的選通并將反饋信號反饋給觸覺信號采集柔性電路板5中的非當(dāng)前掃描列。 觸覺信號采集柔性電路板5上觸覺信號的測量及采集原理任意選取圖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(dāng)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(zhǔn)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(jìn)而獲得所受壓力F。其等效電路圖如 圖4所示。 回路干擾產(chǎn)生原因 為了減少觸覺傳感器的外接引線，觸覺信號采集柔性電路板5上的多個觸覺單元 的電極串聯(lián)實現(xiàn)陣列式布置。圖5所示，當(dāng)掃描第i行第j列電極時，即第i行施加基準(zhǔn)高 電壓Vdd，采集第j列的電壓輸出，理論上是對觸覺單元C(i， j)的ri,j進(jìn)行測量，事實上此 時的回路是^j—piVLj—工和組成的串聯(lián)回路再與ri,j并聯(lián)所形成的，此時測得的Vout 不僅僅是單獨(dú)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(lián)回路的影響，假設(shè)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 流通過回路引起Vout的變化，此時測得的電壓輸出值并不是真實的由ri,j單獨(dú)構(gòu)成的回路 產(chǎn)生的電壓輸出值，這造成ri,j的間接測量值嚴(yán)重偏離其真實值。 本發(fā)明采用電壓列反饋法將當(dāng)前掃描列的輸出電壓Vout通過比例放大器反饋 給非當(dāng)前掃描列，非當(dāng)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(wǎng)絡(luò)，切斷 了干擾回路。如圖6中設(shè)當(dāng)前掃描列為j列，將它的輸出電壓Vout反饋給j-1列，實現(xiàn)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(jìn)行測 量時，電路回路由ri.j—piVLj—工和組成的串聯(lián)回路再與ri,j并聯(lián)形成，將當(dāng)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(lián)回路被切斷，不再對當(dāng)前掃描列的輸出電壓造成干擾。同理將當(dāng) 前掃描列的電壓輸出值反饋給所有非當(dāng)前掃描列，切斷所有非當(dāng)前掃描列所形成的回路， 去除對當(dāng)列掃描列輸出電壓的影響。 由于比例放大器的性能影響會有微量的電流流經(jīng)iVLj—工和ivw，所以電壓列反饋 法理論上能消除回路干擾，而實際應(yīng)用時只能削弱回路干擾。通過實驗的驗證，該方法在實 際的應(yīng)用中可以有效地削弱回路干擾。同時通過仿真實驗表明，本發(fā)明所采用的電壓列反 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(zhǔn)確性更高。
工作過程首先將預(yù)設(shè)的基準(zhǔn)低壓值由邏輯控制電路1-7輸出經(jīng)DAC電路1-4進(jìn) 行數(shù)模轉(zhuǎn)換后，經(jīng)第二模擬信號寄存器l-6輸出基準(zhǔn)低電壓在多個等效電阻4的一端，觸覺 信號采集柔性電路板5上當(dāng)前掃描行的基準(zhǔn)高電壓由邏輯控制電路1-7對多路開關(guān)2進(jìn)行 控制提供，通過控制將多路開關(guān)2中與當(dāng)前掃描行所對應(yīng)的一路加載上基準(zhǔn)高電壓，使當(dāng) 前掃描列導(dǎo)通，觸覺信號采集柔性電路板5上當(dāng)前掃描列的輸出電壓Vout通過觸覺信號采 集柔性電路板5的一個采樣信號列引線端點(diǎn)輸入給開關(guān)電路1-1，再經(jīng)模擬開關(guān)3將輸出電 壓Vout反饋給觸覺信號采集柔性電路板5上的多個非當(dāng)前掃描列，模擬開關(guān)3中非當(dāng)前掃 描列的選通由邏輯控制電路l-7進(jìn)行控制。由觸覺信號采集柔性電路板6輸出的電壓信號 經(jīng)開關(guān)電路1-1和放大器電路l-2PGA后，分兩路一路經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，實現(xiàn) 觸覺信息的采集；另一路經(jīng)第一模擬信號輸出寄存器1-5和模擬開關(guān)3反饋回非采樣列電 極，實現(xiàn)采樣電壓列反饋，削弱陣列式觸覺傳感器行列掃描電路的回路干擾。
觸覺信號采集柔性電路板5將敏感材料所受的壓力信號轉(zhuǎn)換為電壓信號進(jìn)行輸 出；放大器電路l-2用于削弱后續(xù)電路對輸入的模擬電壓信號的影響，能夠提高驅(qū)動能力。
由圖8和圖9所示為分別與圖5和圖6對應(yīng)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，采用電 壓列反饋后電壓輸出值近似為一條直線，不受其它回路的干擾，說明本發(fā)明有效地削弱行 了列掃描電路的回路干擾。
具體實施方式
二 本實施方式與實施方式一的不同之處在于它還包括SPIM接口 電路1-8， SPIM接口電路1-8的采樣信號輸入端連接邏輯控制電路1-7的采樣信號輸出端 用于與上位機(jī)的通訊。其它組成及連接關(guān)系與實施方式一相同。
具體實施方式
三下面結(jié)合圖2說明本實施方式，本實施方式與實施方式二的不 同之處在于所述開關(guān)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 成于PSoC混合信號陣列式可編程的片上系統(tǒng)l的內(nèi)部。其它組成及連接關(guān)系與實施方式 二相同。 本實施方式中采用PSoC混合信號陣列式可編程的片上系統(tǒng)1作為主處理芯片，通 過電壓列反饋法，在有效削弱觸覺傳感器掃描電路回路干擾的同時，簡化了電路結(jié)構(gòu)，將部 分外圍電路功能集成到主處理芯片內(nèi)部，進(jìn)一步降低了外圍電路的復(fù)雜性，提高了整個系 統(tǒng)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于所述PSoC混合信號 陣列式可編程的片上系統(tǒng)1采用塞普拉斯公司的CY8C24423A-24LFXI芯片。其它組成及連 接關(guān)系與實施方式三相同。 本實施方式中，將圖3所示的觸覺信號采集柔性電路板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(yīng)與確定行和列分布的電極對6 電氣上相接。 多路開關(guān)2采用的是MAX4781 ，是具有高速、低電壓、低導(dǎo)通電阻的CMOS模擬多路 復(fù)用器/開關(guān)，封裝16thin QFN ;模擬開關(guān)3采用Intersil公司的ISL43L121雙單極單擲， 常閉型模擬開關(guān)，其特點(diǎn)為導(dǎo)通電阻約為0. 16 Q ;基準(zhǔn)電阻Rref采用100K的精密電阻； 觸覺信號采集柔性電路板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(tǒng)l內(nèi)部構(gòu)建的多路開關(guān)電路l-l通過寫寄 存器ABF_CR0和AMX_IN的方式，實現(xiàn)通路的切換；放大器電路1_2為可編程比例放大器，放 大系數(shù)設(shè)置為1 ;ADC電路1-3選用8位的E _ A型，具有很低的采樣分辨率(1位)和很高 的采樣速率，將模擬信號數(shù)字化，利用過采樣技術(shù)、噪聲整形和數(shù)字濾波技術(shù)增加有效分辨 率；DAC電路1-4提供的可調(diào)基準(zhǔn)低電壓經(jīng)第二模擬信號寄存器1-6后由P0[3]施加于五 個基準(zhǔn)電阻Rref的一端，而基準(zhǔn)電阻的另一端分別連接D00、D01、D02、D03和D04?；鶞?zhǔn)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范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種采用電壓列反饋法削弱掃描電路回路干擾的陣列壓阻式觸覺傳感器，它包括觸覺信號采集柔性電路板(5)，其特征在于它還包括開關(guān)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(guān)(2)、模擬開關(guān)(3)和多個比較電阻(4)，邏輯控制電路(1-7)的基準(zhǔn)低壓輸出端連接DAC電路(1-4)的數(shù)字信號輸入端，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采集柔性電路板(5)的一個采樣信號列引線端點(diǎn)，觸覺信號采集柔性電路板(5)的每個行電壓信號輸入端分別連接多路開關(guān)(2)的一個基準(zhǔn)高壓信號輸出端，多路開關(guān)(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，用于選通觸覺信號采集柔性電路板(5)的當(dāng)前掃描行并為當(dāng)前掃描行提供基準(zhǔn)高電壓；觸覺信號采集柔性電路板(5)的每個采樣信號列引線端點(diǎn)分別連接開關(guān)電路(1-1)的一個采樣信號輸入端，用于采集觸覺信號采集柔性電路板(5)中當(dāng)前掃描列的電壓輸出信號；開關(guān)電路(1-1)的采樣信號輸出端連接放大器電路(1-2)的采樣信號輸入端，放大器電路(1-2)的采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(shù)字信號輸出端連接邏輯控制電路(1-7)的采樣信號輸入端；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(guān)(3)的反饋信號輸入端，模擬開關(guān)(3)的每個反饋信號輸出端分別連接觸覺信號采集柔性電路板(5)的一個采樣信號列引線端點(diǎn)，模擬開關(guān)(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，用于對非當(dāng)前掃描列的選通并將反饋信號反饋給觸覺信號采集柔性電路板(5)中的非當(dāng)前掃描列。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用電壓列反饋法削弱掃描電路回路干擾的陣列壓阻式觸 覺傳感器，其特征在于它還包括SPIM接口電路(l-8)，SPIM接口電路(1-8)的采樣信號輸 入端連接邏輯控制電路(1-7)的采樣信號輸出端用于與上位機(jī)的通訊。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的采用電壓列反饋法削弱掃描電路回路干擾的陣列壓阻式觸 覺傳感器，其特征在于所述開關(guān)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)集成于PSoC混合信號陣列式可編程的片上系統(tǒng)(1)的內(nèi)部。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的采用電壓列反饋法削弱掃描電路回路干擾的陣列壓阻式觸 覺傳感器，其特征在于所述PSoC混合信號陣列式可編程的片上系統(tǒng)(1)采用塞普拉斯公 司的CY8C24423A-24LFXI芯片。
全文摘要
采用電壓列反饋法削弱掃描電路回路干擾的陣列壓阻式觸覺傳感器，屬于陣列壓阻式觸覺傳感器領(lǐng)域。它在解決了陣列壓阻式觸覺傳感器中掃描電路的回路干擾問題的同時，使實現(xiàn)電路更加簡單。本發(fā)明通過將信號采集柔性電路板上當(dāng)前掃描列的輸出電壓信號傳遞給開關(guān)電路和放大器電路后，分兩路一路經(jīng)ADC電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，實現(xiàn)觸覺信息的采集；另一路經(jīng)第一模擬信號輸出寄存器和模擬開關(guān)反饋回非采樣列電極，實現(xiàn)采樣電壓列反饋，削弱陣列式觸覺傳感器行列掃描電路的回路干擾，邏輯控制電路控制多路開關(guān)為觸覺信號采集柔性電路板上當(dāng)前掃描行提供基準(zhǔn)高電壓。本發(fā)明作為一種有效削弱掃描電路回路干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(yōu)先權(quán)日2009年10月27日
發(fā)明者劉伊威, 劉宏, 吳克, 張元飛, 金明河 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué);