专利名称：采用电压列反馈法削弱扫描电路回路干扰的阵列压阻式触觉传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种采用电压列反馈法削弱扫描电路回路干扰的阵列压阻式触觉传
感器，属于阵列压阻式触觉传感器。
背景技术：
现有阵列压阻式触觉传感器采用行列扫描的形式进行信号的采集，它可以有效地 降低触觉传感器外接引线的数量。但是在减少外接引线的同时，又不可避免的产生行列扫 描电路的回路干扰问题。已有消除回路干扰的方法有利用硅工艺对触觉单元进行预处 理集成，使集成电路与传感器一体化并串接二极管，这种方法使传感器制作成本增高，并且 使触觉传感器缺乏柔顺性；还有采用电压反馈的方法，这种方法通过将当前扫描列的输出 电压同时反馈给非当前扫描行和非当前扫描列，它虽然能够有效的削弱扫描电路的回路干 扰，同时不影响触觉传感器的柔顺性，但是实现电路非常复杂，影响了整个系统的可靠性和 处理电路的微型化。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用电压列反馈法削弱扫描电路回路干扰的阵列压阻 式触觉传感器，它在解决了阵列压阻式触觉传感器中扫描电路的回路干扰问题的同时，使 实现电路更加简单。 本发明包括触觉信号采集柔性电路板，它还包括开关电路、放大器电路、ADC电路、 DAC电路、第一模拟信号输出寄存器、第二模拟信号输出寄存器、逻辑控制电路、多路开关、 模拟开关和多个比较电阻， 逻辑控制电路的基准低压输出端连接DAC电路的数字信号输入端，DAC电路的模 拟信号输出端连接第二模拟信号输出寄存器的模拟信号输入端，第二模拟信号输出寄存器 的模拟信号输出端连接每个比较电阻的一端，每个比较电阻的另一端分别连接触觉信号采 集柔性电路板的一个采样信号列引线端点，触觉信号采集柔性电路板的每个行电压信号输 入端分别连接多路开关的一个基准高压信号输出端，多路开关的行控制信号输入端连接逻 辑控制电路的行控制信号输出端，用于选通触觉信号采集柔性电路板的当前扫描行并为当 前扫描行提供基准高电压； 触觉信号采集柔性电路板的每个采样信号列引线端点分别连接开关电路的一个 采样信号输入端，用于采集触觉信号采集柔性电路板中当前扫描列的电压输出信号；开关 电路的采样信号输出端连接放大器电路的采样信号输入端，放大器电路的采样信号输出端 分别连接ADC电路的模拟信号输入端和第一模拟信号输出寄存器的反馈信号输入端，ADC 电路的数字信号输出端连接逻辑控制电路的采样信号输入端；第一模拟信号输出寄存器的 反馈信号输出端连接模拟开关的反馈信号输入端，模拟开关的每个反馈信号输出端分别连 接触觉信号采集柔性电路板的一个采样信号列引线端点，模拟开关的控制信号输入端连接逻辑控制电路的列控制信号输出端，用于对非当前扫描列的选通并将反馈信号反馈给触觉 信号采集柔性电路板中的非当前扫描列。
本发明的优点是 本发明采用电压列反馈的方法解决了阵列压阻式触觉传感器的扫描回路干扰的 问题，它将扫描电路中当前扫描列的电压反馈给非当前扫描列，使非当前扫描列不能够构 成回路导通，去除了非当前扫描列对当前扫描列回路的干扰，使扫描的结果更准确。同时由 于它只需将当前扫描列的电压反馈给非当前扫描列而不必同时反馈给非当前扫描行，使实 现电路的复杂程度比实现电压反馈法的电路的复杂程度降低约50%。
图1是本发明的整体结构示意图；图2本发明实施方式三的整体结构示意图；图3 是触觉信号采集柔性电路板的结构示意图；图4是单个触觉单元的等效电路图；图5是未 采用电压列反馈法时触觉信号采集柔性电路板上四个相邻触觉单元的等效电路图；图6是 采用电压列反馈法时触觉信号采集柔性电路板上四个相邻触觉单元的等效电路图；图7是 对触觉信号采集柔性电路板上第i行第j列触觉单元的信号的采集处理流程图；图8是屏 蔽电压列反馈后触觉信号采集柔性电路板上相邻四个触觉单元的电压输出曲线图；图9是 应用电压列反馈时触觉信号采集柔性电路板上相邻四个触觉单元的电压输出曲线图。
具体实施例方式
具体实施方式
一 下面结合图1、图3图9说明本实施方式，本实施方式包括触觉 信号采集柔性电路板5，它还包括开关电路l-l、放大器电路1-2、 ADC电路1-3、 DAC电路 l-4、第一模拟信号输出寄存器l-5、第二模拟信号输出寄存器l-6、逻辑控制电路l-7、多路 开关2、模拟开关3和多个比较电阻4， 逻辑控制电路1-7的基准低压输出端连接DAC电路1-4的数字信号输入端，DAC电 路1-4的模拟信号输出端连接第二模拟信号输出寄存器1-6的模拟信号输入端，第二模拟 信号输出寄存器1-6的模拟信号输出端连接每个比较电阻4的一端，每个比较电阻4的另 一端分别连接触觉信号采集柔性电路板5的一个采样信号列引线端点，触觉信号采集柔性 电路板5的每个行电压信号输入端分别连接多路开关2的一个基准高压信号输出端，多路 开关2的行控制信号输入端连接逻辑控制电路1-7的行控制信号输出端，用于选通触觉信 号采集柔性电路板5的当前扫描行并为当前扫描行提供基准高电压； 触觉信号采集柔性电路板5的每个采样信号列引线端点分别连接开关电路1-1 的一个采样信号输入端，用于采集触觉信号采集柔性电路板5中当前扫描列的电压输出信 号；开关电路1-1的采样信号输出端连接放大器电路1-2的采样信号输入端，放大器电路 1-2的采样信号输出端分别连接ADC电路1-3的模拟信号输入端和第一模拟信号输出寄存 器1-5的反馈信号输入端，ADC电路1-3的数字信号输出端连接逻辑控制电路1-7的采样 信号输入端；第一模拟信号输出寄存器1-5的反馈信号输出端连接模拟开关3的反馈信号 输入端，模拟开关3的每个反馈信号输出端分别连接触觉信号采集柔性电路板5的一个采 样信号列引线端点，模拟开关3的控制信号输入端连接逻辑控制电路1-7的列控制信号输 出端，用于对非当前扫描列的选通并将反馈信号反馈给触觉信号采集柔性电路板5中的非当前扫描列。 触觉信号采集柔性电路板5上触觉信号的测量及采集原理任意选取图3中的一 个触觉单元，它由敏感材料和其下方的电极对组成，敏感材料作为一个可变电阻ri,j，当敏 感材料受到正向压力F时，fi,j的阻值将减小。通过检测基准参考电阻RMf的两端的电压值 V。ut可间接获得可变电阻A, j的阻值，由ri, j的阻值进而获得所受压力F。其等效电路图如 图4所示。 回路干扰产生原因 为了减少触觉传感器的外接引线，触觉信号采集柔性电路板5上的多个触觉单元 的电极串联实现阵列式布置。图5所示，当扫描第i行第j列电极时，即第i行施加基准高 电压Vdd，采集第j列的电压输出，理论上是对触觉单元C(i， j)的ri,j进行测量，事实上此 时的回路是^j—piVLj—工和组成的串联回路再与ri,j并联所形成的，此时测得的Vout 不仅仅是单独如图4所示等效电路中的输出电压Vout，它受到ri.j—pivw—工和组成的 串联回路的影响，假设触觉单元C(i， j)不受压，而另三个触觉单元受压时，会有较大的电 流通过回路引起Vout的变化，此时测得的电压输出值并不是真实的由ri,j单独构成的回路 产生的电压输出值，这造成ri,j的间接测量值严重偏离其真实值。 本发明采用电压列反馈法将当前扫描列的输出电压Vout通过比例放大器反馈 给非当前扫描列，非当前扫描行电极浮空，这样在列电极间理论上形成了等电势网络，切断 了干扰回路。如图6中设当前扫描列为j列，将它的输出电压Vout反馈给j-1列，实现j 列和j-1列等电势。由上述对图5的分析可知，在没有电压列反馈的情况下，对ri,j进行测 量时，电路回路由ri.j—piVLj—工和组成的串联回路再与ri,j并联形成，将当前输出电压 Vout反馈给j-1列，使图6中所示的ri+1, j—工的下端与j的下端形成了等电势，原^ j—^ ri+1,j—工和ri+1,j组成的串联回路被切断，不再对当前扫描列的输出电压造成干扰。同理将当 前扫描列的电压输出值反馈给所有非当前扫描列，切断所有非当前扫描列所形成的回路， 去除对当列扫描列输出电压的影响。 由于比例放大器的性能影响会有微量的电流流经iVLj—工和ivw，所以电压列反馈 法理论上能消除回路干扰，而实际应用时只能削弱回路干扰。通过实验的验证，该方法在实 际的应用中可以有效地削弱回路干扰。同时通过仿真实验表明，本发明所采用的电压列反 馈法所得到的扫描电压输出值比电压反馈法输出的电压值的准确性更高。
工作过程首先将预设的基准低压值由逻辑控制电路1-7输出经DAC电路1-4进 行数模转换后，经第二模拟信号寄存器l-6输出基准低电压在多个等效电阻4的一端，触觉 信号采集柔性电路板5上当前扫描行的基准高电压由逻辑控制电路1-7对多路开关2进行 控制提供，通过控制将多路开关2中与当前扫描行所对应的一路加载上基准高电压，使当 前扫描列导通，触觉信号采集柔性电路板5上当前扫描列的输出电压Vout通过触觉信号采 集柔性电路板5的一个采样信号列引线端点输入给开关电路1-1，再经模拟开关3将输出电 压Vout反馈给触觉信号采集柔性电路板5上的多个非当前扫描列，模拟开关3中非当前扫 描列的选通由逻辑控制电路l-7进行控制。由触觉信号采集柔性电路板6输出的电压信号 经开关电路1-1和放大器电路l-2PGA后，分两路一路经模数转换电路转换为数字量，实现 触觉信息的采集；另一路经第一模拟信号输出寄存器1-5和模拟开关3反馈回非采样列电 极，实现采样电压列反馈，削弱阵列式触觉传感器行列扫描电路的回路干扰。
触觉信号采集柔性电路板5将敏感材料所受的压力信号转换为电压信号进行输 出；放大器电路l-2用于削弱后续电路对输入的模拟电压信号的影响，能够提高驱动能力。
由图8和图9所示为分别与图5和图6对应的相邻四个触觉单元的电压输出曲线 图，取触觉单元C(i， j)不受压，而另三个触觉单元受压的情况，通过对比可以看出，采用电 压列反馈后电压输出值近似为一条直线，不受其它回路的干扰，说明本发明有效地削弱行 了列扫描电路的回路干扰。
具体实施方式
二 本实施方式与实施方式一的不同之处在于它还包括SPIM接口 电路1-8， SPIM接口电路1-8的采样信号输入端连接逻辑控制电路1-7的采样信号输出端 用于与上位机的通讯。其它组成及连接关系与实施方式一相同。
具体实施方式
三下面结合图2说明本实施方式，本实施方式与实施方式二的不 同之处在于所述开关电路l-l、放大器电路l-2、ADC电路l-3、DAC电路l-4、第一模拟信号 输出寄存器l-5、第二模拟信号输出寄存器l-6、逻辑控制电路1-7和SPIM接口电路1-8集 成于PSoC混合信号阵列式可编程的片上系统l的内部。其它组成及连接关系与实施方式 二相同。 本实施方式中采用PSoC混合信号阵列式可编程的片上系统1作为主处理芯片，通 过电压列反馈法，在有效削弱触觉传感器扫描电路回路干扰的同时，简化了电路结构，将部 分外围电路功能集成到主处理芯片内部，进一步降低了外围电路的复杂性，提高了整个系 统的集成度和可靠性。
具体实施方式
四本实施方式与实施方式三的不同之处在于所述PSoC混合信号 阵列式可编程的片上系统1采用塞普拉斯公司的CY8C24423A-24LFXI芯片。其它组成及连 接关系与实施方式三相同。 本实施方式中，将图3所示的触觉信号采集柔性电路板5上的36个电极对6分别 确定行和列的分布，将图2中D05-D12和D00-D04分别对应与确定行和列分布的电极对6 电气上相接。 多路开关2采用的是MAX4781 ，是具有高速、低电压、低导通电阻的CMOS模拟多路 复用器/开关，封装16thin QFN ;模拟开关3采用Intersil公司的ISL43L121双单极单掷， 常闭型模拟开关，其特点为导通电阻约为0. 16 Q ;基准电阻Rref采用100K的精密电阻； 触觉信号采集柔性电路板5由双层柔性PCB加工而成。 PSoC混合信号阵列式可编程的片上系统l内部构建的多路开关电路l-l通过写寄 存器ABF_CR0和AMX_IN的方式，实现通路的切换；放大器电路1_2为可编程比例放大器，放 大系数设置为1 ;ADC电路1-3选用8位的E _ A型，具有很低的采样分辨率(1位)和很高 的采样速率，将模拟信号数字化，利用过采样技术、噪声整形和数字滤波技术增加有效分辨 率；DAC电路1-4提供的可调基准低电压经第二模拟信号寄存器1-6后由P0[3]施加于五 个基准电阻Rref的一端，而基准电阻的另一端分别连接D00、D01、D02、D03和D04。基准低 压的作用是为了保证输出的触觉信号在放大器的线性工作范围内。
权利要求
一种采用电压列反馈法削弱扫描电路回路干扰的阵列压阻式触觉传感器，它包括触觉信号采集柔性电路板(5)，其特征在于它还包括开关电路(1-1)、放大器电路(1-2)、ADC电路(1-3)、DAC电路(1-4)、第一模拟信号输出寄存器(1-5)、第二模拟信号输出寄存器(1-6)、逻辑控制电路(1-7)、多路开关(2)、模拟开关(3)和多个比较电阻(4)，逻辑控制电路(1-7)的基准低压输出端连接DAC电路(1-4)的数字信号输入端，DAC电路(1-4)的模拟信号输出端连接第二模拟信号输出寄存器(1-6)的模拟信号输入端，第二模拟信号输出寄存器(1-6)的模拟信号输出端连接每个比较电阻(4)的一端，每个比较电阻(4)的另一端分别连接触觉信号采集柔性电路板(5)的一个采样信号列引线端点，触觉信号采集柔性电路板(5)的每个行电压信号输入端分别连接多路开关(2)的一个基准高压信号输出端，多路开关(2)的行控制信号输入端连接逻辑控制电路(1-7)的行控制信号输出端，用于选通触觉信号采集柔性电路板(5)的当前扫描行并为当前扫描行提供基准高电压；触觉信号采集柔性电路板(5)的每个采样信号列引线端点分别连接开关电路(1-1)的一个采样信号输入端，用于采集触觉信号采集柔性电路板(5)中当前扫描列的电压输出信号；开关电路(1-1)的采样信号输出端连接放大器电路(1-2)的采样信号输入端，放大器电路(1-2)的采样信号输出端分别连接ADC电路(1-3)的模拟信号输入端和第一模拟信号输出寄存器(1-5)的反馈信号输入端，ADC电路(1-3)的数字信号输出端连接逻辑控制电路(1-7)的采样信号输入端；第一模拟信号输出寄存器(1-5)的反馈信号输出端连接模拟开关(3)的反馈信号输入端，模拟开关(3)的每个反馈信号输出端分别连接触觉信号采集柔性电路板(5)的一个采样信号列引线端点，模拟开关(3)的控制信号输入端连接逻辑控制电路(1-7)的列控制信号输出端，用于对非当前扫描列的选通并将反馈信号反馈给触觉信号采集柔性电路板(5)中的非当前扫描列。
2. 根据权利要求1所述的采用电压列反馈法削弱扫描电路回路干扰的阵列压阻式触 觉传感器，其特征在于它还包括SPIM接口电路(l-8)，SPIM接口电路(1-8)的采样信号输 入端连接逻辑控制电路(1-7)的采样信号输出端用于与上位机的通讯。
3. 根据权利要求2所述的采用电压列反馈法削弱扫描电路回路干扰的阵列压阻式触 觉传感器，其特征在于所述开关电路(l-l)、放大器电路(l-2)、ADC电路(l-3)、DAC电 路(l-4)、第一模拟信号输出寄存器(l-5)、第二模拟信号输出寄存器(l-6)、逻辑控制电路 (1-7)和SPIM接口电路(1-8)集成于PSoC混合信号阵列式可编程的片上系统(1)的内部。
4. 根据权利要求3所述的采用电压列反馈法削弱扫描电路回路干扰的阵列压阻式触 觉传感器，其特征在于所述PSoC混合信号阵列式可编程的片上系统(1)采用塞普拉斯公 司的CY8C24423A-24LFXI芯片。
全文摘要
采用电压列反馈法削弱扫描电路回路干扰的阵列压阻式触觉传感器，属于阵列压阻式触觉传感器领域。它在解决了阵列压阻式触觉传感器中扫描电路的回路干扰问题的同时，使实现电路更加简单。本发明通过将信号采集柔性电路板上当前扫描列的输出电压信号传递给开关电路和放大器电路后，分两路一路经ADC电路转换为数字量，实现触觉信息的采集；另一路经第一模拟信号输出寄存器和模拟开关反馈回非采样列电极，实现采样电压列反馈，削弱阵列式触觉传感器行列扫描电路的回路干扰，逻辑控制电路控制多路开关为触觉信号采集柔性电路板上当前扫描行提供基准高电压。本发明作为一种有效削弱扫描电路回路干扰的阵列压阻式触觉传感器。
文档编号H03M11/00GK101695001SQ20091030886
公开日2010年4月14日 申请日期2009年10月27日 优先权日2009年10月27日
发明者刘伊威, 刘宏, 吴克, 张元飞, 金明河 申请人:哈尔滨工业大学;