２００９年第２８卷第９期传感器与微系统（ＴｒａｎｓｄｕｃｅｒａｎｄＭｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）７５
一种新型柔性触觉阵列传感器信号处理电路设计术
董万成，黄英，明小慧，向蓓
（合ＩＩ巴－ｒ业大学应用物理系。安徽合肥２３０００９）
摘要：依据一种利用压阻特性的３ｘ３点阵的柔性触觉传感器，设计了针对这种新型柔性触觉传感器的信号处理电路。该电路能完成信号放大、阵列信号的选通、Ａ／Ｄ转换以及通过ＬＥＤ电路对其信号的采集。并详细地阐述了电路的原理和所用芯片的功能。所设计的信号处理电路能够判断出这种触觉传感器单元所受三维加载力的大小和位置。通过在正向压力的加载试验，验证了电路的可行性。关键词：信号处理；压阻特性；阵列；触觉传感器中图分类号：，Ｉ’Ｐ２１２．ｉ文献标识码：Ａ文章编号：１０００－９７８７（２００９）０９－－００７５－－０４
Ｄ｛＂ｇｌｏｆ＂ＬｇｎａｌＩ＂ｇｃｉｒｃｕｉｔｆｏｒｆｌｅｘｉｂｌｅＤｅｓｉｇｎ
ｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇＣｉｒｃｕｉｔｌｏｔｎｅｗＩＩｅｘｌｌｅ
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Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｕｓｅｏｆｐｉｅｚｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅｅｆｆｅｃｔｏｆａ３×３ｍａｔｒｉｘｏｆｆｌｅｘｉｂｌｅｔａｃｔｉｌｅｓｅｎｓｏｒ，ａｎｅｗｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔｃａｎｆｕｌｆｉｌｌｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔａｓｆｏｌｌｏｗｓ：ｓｉｇｎａｌａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｃｈｏｏｓｉｎｇｓｉｇｎａｌｆｒｏｍｓｅｎｓｏｒａｒｒａｙ，Ａ／ＤｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎａｎｄｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇｓｉｇｎａｌｂｙＬＥＤｃｉｒｃｕｉｔ．Ａｎｄｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔｃｈｉｐｗｉｔｈｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎａｒｅｄｅｔａｉｌｅｄ．Ｔｈｅｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔｄｅｓｉｇｎｅｄｃａｎｄｅｔｅｒｍｉｎｅｗｈｉｃｈｓｕｆｆｅｒｅｄｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｔａｃｔｉｌｅｓｅｎｓｏｒｕｎｉｔｌｏａｄｓｉｚｅａｎｄｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｐｏｗｅｒ．Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｌｏａｄｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｔｐｏｓｉｔｉｖｅｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔｉｓｖｅｒｉｆｉｅｄ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ；ｐｉｅｚｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅｅｆｆｅｃｔ；ａｒｒａｙ；ｔａｃｔｉｌｅｓｅｎｓｏｒ
０引言
２０世纪９０年代以来，智能机器入技术的快速发展促进了
航天、海洋、军事、医疗、护理、服务、农林、采矿领域的发展。机器人触觉传感器主要有检测和识别功能，通过外界物体给予
传感器的触觉信号来检测和识别物体的形状、结构ｕ４ｏ。触觉
传感技术的研究经过多年的发展已经取得了较大进步，但通
过加载力测量触觉传感器的参数还是比较少。
本文提出了一种新型柔性触觉传感器，利用力敏导电橡胶的压阻效应，通过改变加载力的变化来测量加载力引
起电压的变化。信号处理电路针对这种新型柔性触觉传感
器输出信号进行放大，Ａ／Ｄ转换，信号采集。本文针对该触觉传感器阵列的信号放大、选通、获取，通过试验验证触
觉传感器压阻特性，为了使其传感器通过对外界的触觉，能够获取所受力的位置和大小。
１柔性触觉传感器
１．１柔性触觉传感器单元
触觉传感器由于需要精确测量接触面的信息，需要将传感器设计成有多个单元组成的阵列结构。其中，每个单
元都应可以进行三维力的检测，所以，传感器的单元结构的设计尤为重要。同时，考虑触觉传感器的柔软性能的需要，
采用柔性的印刷电路板设计传感器阵列的电极布线。传感器单元设计如图１所示，在柔性印刷电路板
（ＰＣＢ）上制作３个扇形的导电区域ａ，ｂ，ｅ和一个圆形导电
区域ｄ，力敏导电橡胶用导电银胶紧密粘接在柔性电路板上。将中间的圆面ｄ作为公共电极，扇面ａ，ｂ，Ｃ和圆面ｄ
之间的电阻分别是圮，Ｒ。，Ｒｓ。当力敏导电橡胶层受到的压力变化时，加载的压力使
得力敏导电橡胶层受压形变，使得力敏导电橡胶的表面电
阻发生变化。设计中，柔性力敏导电橡胶的下表面是柔性电路板，为电路区域。把测量电阻的引出线制作在同一个
平面上，改变了传统的利用力敏导电橡胶层的上下２个表
面布置电极的测量方法。这种设计方法使得力敏导电橡胶层柔软的上表面可以作为触觉传感器的测量接触面，有利
于保证传感器的柔性和可靠性，而且，保护了电极布线区
收稿日期：２００８—１ｌ＿０５
十基金项目：国家自然科学基金资助项目（６０６７２０２４）；国家“８６３”计划资助项目（２００７ＡＡ０４２２２０）
万方数据７６传感器与微系统第２８卷
域，增加了传感器的环境适应性。另一方面，这种布线方法
可尽量增大力敏导电橡胶与电极的接触表面，提高传感器
的灵敏度。
同时，为了使其传感器能正常输出信号，需要接入前置
放大器和输入电阻。因此，与传感器配套的测量电路的前
置放大器有２个作用：一是放大压阻元件的微弱电信号；二
是把高阻抗输入变换为低阻抗输出。
煎‘、＼、Ｒ，Ⅸ夕１
，
（ａ）单元结构示意图（ｂ）传感器的等效电阻（ａ）ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｉａｇｒａｍｏｆｃｅｌｌ（ｂ）ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆｓｅｎｓｏｒ
图１传感器单元结构
Ｆｉｇ１Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｓｅｎｓｏｒｕｎｉｔ１．２柔性触觉传感器阵列
如图２所示，把传感器单元的设计成３×３阵列，并使用阵列扫描结构。图中，％。，％，‰为参考电压，Ｋ，，％，
‰，％。，％，ｙ。，Ｋ。，％，％为输出电压。测量时，依次选
通横向和纵向的引线，得到对应的电阻，求解对应位置的受
力信息。
ｙａ
ｖｃ：
ｖｏ矿Ａ１
ｙ＾２
Ｐ邮
图２传感器的阵列设计
Ｆｉｇ２Ｓｅｎｓｏｒａｒｒａｙｄｅｓｉｇｎ以传感器中心单元即第二行第二列的单元受力为例，
得到
ｒＡＲ・ｉ＾（只，■，ｔ）ｉ＾（△Ｒ。，ＡＲ，，△尺：）
｛ＡＲ２吒（凡，ｔ，ｔ）嘲（ＡＲ。，ＡＲ，，ＡＲ：）．（１）
ｔＡＲ。ｉ厶（只，Ｆ，，只）鼍＾（△尺。，ＡＲ，，△Ｒ：）
实际使用中可以通过标定来确定输入力与输出电压之
间的关系Ｕ酬Ｆ）．（２）
２电路系统
信号处理电路框图如图３所示，信号处理电路原理如
图４。柔性传感器通过放大电路和选通电路，所得到的信息可以辨别出阵列传感器受力单元的位置，以及通过ＬＥＤ电
路上的数据显示，利用函数关系得到输出电压。匿卜匿卜匮卜匦噩Ｈ囝
图３信号处理电路框图
Ｆｉｇ３Ｂｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍｏｆｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔ２．１电源ＤＣ／ＤＣ模块
按系统的要求，传感器信号调理电路和单片机电路的
工作电压为±５Ｖ，电流约为１００ｍＡ。要求电源的ＤＣ／ＤＣ
模块输人电压为６Ｖ，输出为±５Ｖ，最大工作电流为１００ｍＡ。
根据上述参数挑选，本文选取的是博思达ＷＲＸＤ５／６００，其
输入电压为４．５—９Ｖ，输出电压为±５Ｖ，输出电流为
＋６００ｍＡ。２．２信号处理电路设计
２．２．１信号调理电路
当传感器所受接触压力Ｆ较小时，传感器的电阻变化范围集中在较大阻值区间，为得到高的信噪比，最好能选择
较大的数控电阻；相反，当压力Ｆ较大时，传感器的电阻的
变化集中在较小阻值附近，最好能选择较小的数控电阻，这就是采样负载电阻采用数控电阻的目的，即系统能根据负
载大小自动调节采样负载电阻，可以起到无论压力Ｆ的大小，使放大器的输出能适应Ｆ的变化调整到尽量满值的Ａ／
Ｄ转换结果，保证数据具有较好的梯度，便于信号处理。
本文在放大电路中采用的是ＯＰＡ３３３，此采用Ｔｉ精准且高效能的混合信号ＣＭＯＳ制程，它透过自动归零技术将
偏移电压减至极小，而且，几乎不会随着时间和温度变动。这个组件的高阻抗输入提供超出供应电压１００ｍＶ的共模范围，这个放大器可以使用单电源或双电源操作，电压范围
为１．８－５．５Ｖ。ＯＰＡ３３３拥有极高的共模拒斥比，又不像传统互补式输入级会出现交叉失真，因此，可具备更强大的
Ａ／Ｄ转换器驱动能力，并且，不会对转换器的差分线性特性造成影响。
２．２．２多路模拟开关由传感器的结构可知，阵列传感器实际上可分为９只
单一压阻传感器，以Ｚ轴方向为例，有３个接触点，各点之
间是孤立的，当传感器表面与物体接触时，接触力通过表层
传递到触觉单元上，触觉单元上下电极之间构成一个可变的电阻，阻值变阻值变化与该触觉单元的受力呈一定对应
关系，采样的目的就是为了取出触觉单元阻值。由于传感器不存在共用的行或列电极，为各传感器之间的信号隔离
创造了良好的条件，但也带来许多外接引线的麻烦。由于
不可能对每一触觉单元都单独进行信号放大，这就需要一个选通电路逐个对３个触觉单元的阻值选出后接入后续的
放大电路。选通电路由模拟开关实现，从信号处理电路获
得的是３路模拟信号，需要接多路模拟开关实现，多路选择
的作用。为了更清楚地理解此电路工作原理，下面介绍万方数据第９期董万成，等：一种新型柔性触觉阵列传感器信号处理电路设计７７
ＡＤＣ０８０９∞’叫芯片的主要性能：ＡＤＣ０８０９内带一个８路模拟
开关、一个地址锁存译码器。通过地址锁存译码器和８０５１
芯片来实现多路选择。ＡＬＥ为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ＡＬＥ线为高电平时，地址锁存与译码器将Ａ，
Ｂ，Ｃ三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。Ａ，Ｂ和ｃ为地址输入
线，用于选通ＩＮ０～ＩＮ７上的一路模拟量输入。２．２．３信号采集与Ａ／Ｄ转换从柔性触觉传感器输出的信号经过信号调理、多路转
换，在后面电路中需要把模拟信号利用Ａ／Ｄ转换器转换为对应的数字信号，传送到Ｐｃ上，再进行扫描数字分析，从而
完成触觉信号的获取。根据信号处理电路实际需要和外界
的影响，ＡＤＣ０８０９内带有一个Ａ／Ｄ转换器和一个三态输出锁存器组成，如图４所示。
选中通道的模拟量到达Ａ／Ｄ转换器时，Ａ／Ｄ转换器并
未对其进行Ａ／Ｄ转换。只有当转换启动信号端ＳＴＡＲＴ出
现下降沿并延迟ｌＯｕｓ后才启动芯片进行Ａ／Ｄ转换，ＳＴＡＲＴ的上升沿复位ＡＤＣ０８０９。ＳＴ为转换启动信号，当ＳＴ
上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行Ａ／Ｄ转换；在转换期间，ｓＴ应保持低电平。ＥＯＣ为转换结束信
号，当ＥＯＣ为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行Ａ／Ｄ转换。ＯＥ为输出允许信号，用于控制３条输出锁
存器向单片机输出转换得到的数据。ＯＥ＝ｌ，输出转换得
到的数据；ＯＥ＝０，输出数据线呈高阻状态，Ｄ０一Ｄ７为数字
量输出线。ＡＤＣ０８０９的Ａ／Ｄ转换过程是在时钟信号，ＡＤＣ０８０９的时钟信号由ＣＬＯＣＫ端送入，其最高频率为６４０ＭＨｚ，可以通过ＡＴ８９Ｓ５１单片机模拟这个时钟信号，在
这个最高频率下ＡＤＣ０８０９的Ａ／Ｄ转换时间为１００肛ｓ左右。
当ＡＤＣ０８０９用于ＡＴ８９Ｓ５１单片机系统时，若ＡＴ８９Ｓ５１采用
６ＭＨｚ的晶振，则ＡＤＣ０８０９的时钟信号可以由ＡＴ８９Ｓ５１的
ＡＬＥ经过一个二分频电路获取。这时，ＡＤＣ０８０９的时钟频率为５００ｋＨｚ，Ａ／Ｄ转换时间为１３０¨ｓ。Ａ／Ｄ转换结束后，Ａ／Ｄ转换的结果（８位数字量）送到三态锁存输出缓冲器。２．２．４信号获取
经过ＡＤＣ０８０９芯片处理过的信号是数据信号，通过单
片机ＡＴ８９Ｓ５１采集。单片机要采集Ａ／Ｄ转换结果，必须使
ＡＤＣ０８０９的允许输出控制端ＯＥ为高电平，打开三态输出
锁存器，Ａ／Ｄ转换结果出现在Ｄ０一Ｄ７上。单片机读取Ａ／Ｄ
转换结果的方法有３种：
１）延迟法：单片机启动ＡＤＣ０８０９后，延时１３０ｔｘｓ以上，
可以读到正确的Ａ／Ｄ转换结果。
２）查询法：ＥＯＣ必须接到ＡＴ８９Ｓ５１的一条Ｉ／Ｏ线上。单
片机启动ＡＤＣ０８０９后，延迟１０斗ｓ，检测ＥＯＣ，若ＥＯＣ＝０，则
Ａ／Ｄ转换没有结束，继续检测ＥＯＣ直到ＥＯＣ＝１。当ＥＯＣ＝
１时，Ａ／Ｄ转换已经结束，单片机读取Ａ／Ｄ转换结果。
３）中断法：ＥＯＣ必须经过非门接到ＡＴ８９Ｓ５１的中断请求输入线ＩＮＴ０或ＩＮＴｌ上，ＡＴ８９Ｓ５１的中断触发方式为下
降沿触发。单片机启动Ａ／Ｄ转换后，可以做其他工作，当
Ａ／Ｄ转换结束时，ＥＯＣ由０—１经过非门传到ＩＮＴ端，ＡＴ８９Ｓ５１收到中断请求信号，若ＡＴ８９Ｓ５１开着中断，则进人
中断服务程序，在中断服务程序中，单片机读取Ａ／Ｄ转换的结果。
２．２．５ＬＥＤ电路Ｈ１
通过上述的信号采集、Ａ／Ｄ转换、信号处理后，通过单片机的控制，利用ＬＥＤ数码电路显示采集得到的数字信
号，反映在数码管上。本文采用的是４只ＰＮＰ三极管与共
阳极数码管组成ＬＥＤ电路，而通过单片机ＡＴ８９Ｓ５１控制其工作，具体连接如图４。其中，前面的３只数码管用来显示
信号的大小，而另外１只是用作显示输出信号的渠道，即是３×３点阵的触觉传感器受力单元的ｚ轴上的位置。在前
面３只数码管可以直接读出获取电压信息，而在后面那只
数码管可以获知传输信号的渠道。同样，根据此电路的原
理，也能得到ｘ轴和ｙ轴方向力的位置和大小。
图４信号处理电路原理图
Ｆｉｇ４Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔ３试验
本文针对３ｘ３点阵的触觉传感器的信号调理电路所
采用的是行列扫描，试验采用含８％ＥＣＰ，２％ＳｉＯ。的液体成型力敏导电橡胶，样品直径为２８ｍｍ，邵氏硬度为４９．０，厚
度为２．２５ｍｍ。在ｘ方向施加不同的压力，观察加载力时电压的变化。砖冲
司…叫—嗣…鬯
封刳刳封封刮刳爿
万方数据
