电容式六维力与力矩传感器数据采集系统设计

蒲明辉，艾振军，尹 飞，赵仁东，梁 权

(1.广西大学机械工程学院，广西南宁 530004；
2.广西制造系统与先进制造技术重点实验室，广西南宁 530004)

机器人的发展已进入智能化阶段，传感器是智能机器人全面感知外部信息的关键一环。六维力与力矩传感器能够同时测量空间中某一点的三维正交力分量(Fx，Fy，Fz)及三维正交力矩分量(Mx，My，Mz)[1]，已被广泛应用在医疗机器人[2]、空间机器人[3]、生物力学及核工业等领域[4-5]。而电容式六维力与力矩传感器由于结构简单、灵敏度高且测量精度高[6]，常用于各种精密测量的传感系统中[7]。

数据采集系统对于传感器的研发十分重要，赵智松等[8]在其研制的电容式三维力传感器中，采用阻抗分析仪检测电容值数字量，该方法测量精度高且使用方便；
沈倪鑫等[9]设计了一种以FPGA+DSP为核心的电容信号采集系统，该采集系统信噪比高、失真度小；
陈琳等[10]在其研究的电容式扭矩传感器中，使用AD7147评估板，基于I2C通讯实现电容数据的采集与显示。但通过分析得知上述采集系统存在价格昂贵、传输不稳定及上位机软件功能单一等问题。本文基于STM32设计了电容式六维力与力矩传感器数据采集系统，通过高精度模数转换芯片AD7147对电容信号进行采集与转换，并使用数字隔离后的SPI通讯实现与主控芯片数据传输，保证了信号采样的精度、数据传输的速率及抗干扰能力；
主控芯片采用RS485通讯将数据传输给上位机，提高了数据传输距离和抗共模干扰能力；
上位机软件支持传感器标定矩阵的计算，实现了电容值数字量和经标定转换后所测量力与力矩值的实时显示与保存。该系统采样精度高、数据传输稳定可靠且上位机功能完善，同时降低了软硬件成本，这对于推动电容式六维力与力矩传感器的实际应用具有重要意义。

所设计的数据采集系统的测试对象为实验室自主研发的电容式六维力与力矩传感器，该传感器由上盖板、主体、电容器动极板、PCB板和下盖板5部分组成，结构如图1所示。其中主体包括外壳、弹性梁和加载台；
PCB板安装在主体外壳内壁上，PCB板上包含电容器静极板和电容信号采集电路；
电容器动极板通过螺钉与中心加载台连接。传感器外壳固定，外载荷通过中心加载台将力传递到弹性梁，引起弹性梁变形，使电容器动、静极板产生相对位移，电容器的电容值随之发生变化，然后电容检测芯片AD7147采集电容值变化量并转换成数字信号，通过标定计算得到外载荷的力学信息，从而实现对空间六维力与力矩信息的测量。

图1 传感器结构

为了满足电容式力与力矩传感器在工业场合的应用，需要进行长距离传输，并能够抵抗环境中存在的各种干扰。在电路设计上加入数字隔离模块和RS485通讯模块，以提高系统的抗干扰性能，实现传感器长距离数据传输；
在软件设计上完善了上位机功能，上位机界面不仅能够实时观察电容值数字量的曲线图和具体数值，并且能够对传感器进行自动标定计算，将电容值数字量转化为力与力矩值进行显示与保存。

本系统主要由A/D转换模块、数字隔离模块、主控芯片模块、RS485通讯模块和上位机界面组成。电容信号经AD7147进行高精度模数转换后输出给主控芯片；
AD7147与主控芯片之间使用带数字隔离的SPI通讯；
主控芯片将数据组装成Modbus-RTU报文格式后，通过RS485通讯传输到上位机。采集系统的总体设计如图2所示。

图2 采集系统总体设计

2.1 主控芯片模块

本系统选用STM32F103C8T6作为主控芯片，该芯片是一款基于Cortex-M3内核的32位微控制器，该芯片开发灵活、能耗低、性价比高，并且可以调用官方库函数进行编程开发，极大地加快开发效率。本系统中外接标称频率为8 MHz的高速晶振作为系统的外部时钟源；
采用标准的SWD接法，SWD接口只需要2条数据线(SWCLK和SWDIO)就可以给数字电路下载及调试代码；
复位电路采用手动复位和上电复位两种方式，可以使系统在运行错误时复位重置；
保留STM32的串行接口，以便于调试过程中使用串口调试助手观察实时数据变化及程序是否下载成功。主控芯片模块设计如图3所示。

图3 主控芯片模块设计

2.2 A/D转换模块

本系统采用AD7147作为模数转换芯片，满足了传感器的采样精度要求；
AD7147芯片是一款电容传感器专用的可编程控制器，3.3 V供电，支持13路电容信号同步采样输入，具有16位采样精度，采样速率达250 kHz，该芯片工作在SPI通讯从模式下，该通讯方式传输速率高，保证了采样数据的实时性；
由于AD7147芯片内置了模数转换模块，并且信号通道无需增加RC组件增益，所以其外围电路十分简洁，有利于电路的集成化、微型化；
旁路接地电容的设计，有效地减少了噪声干扰。A/D转换模块设计如图4所示。

图4 A/D转换模块设计

2.3 数字隔离模块

由于电容式六维力与力矩传感器容易受到传导干扰的影响，主要表现在某些物体接触到传感器外壳或采集系统的电源不稳定时，传感器的采集信号会发生波动，从而影响系统的测量精度和稳定性。传统的光耦隔离方案由于其电路复杂，传播延时高，不利于电路集成。本设计采用ADUM5401磁耦隔离芯片提供主控芯片和AD7147之间所需的全部信号隔离和电源，利用SPI通讯数字隔离的方式解决传感器传导干扰的问题，使得采集前端隔离和独立。ADUM5401是一款四通道双向磁耦隔离芯片，其内部集成了DC-DC转换模块，可提供3.3 V的稳压隔离电源。如图5所示，利用经过ADUM5401芯片隔离后的3.3 V电源为A/D转换模块电路供电，在隔离电源两端放置旁路电容与电感，用于平滑电流并消除电压尖峰，将标准SPI接口使用的4条线(SDO、SDI、SCKL、CS)进行隔离，通过数字隔离后能有效减弱外界及负载电路对采集前端的影响，提高数据传输过程中的稳定性和抗干扰性。

图5 数字隔离模块设计

2.4 RS485通讯模块

为了能够将采集的电容数据稳定地传输到上位机，本文采用了基于Modbus协议的RS485半双工异步通讯，采用双绞线进行数据传输，提高了其抗共模干扰能力；
理想条件下其最远传输距离达1.2 km，适合于传感器在工业环境下长距离传输；
RS485通信组网简单，其单级可以实现32个控制设备的串接，简化了布线的结构，便于多站点通讯的升级。本设计采用MAX485进行数据通信，它是一款低功耗的RS485收发器，最大传输速率为2.5 Mbit/s。该芯片有4个引脚与主控芯片相应的引脚相连，分别是发送(DI)引脚与USART1_TX引脚相连、接收(RO)引脚与USART1_RX引脚相连、使能引脚(RE、DE)与被定义的PB0引脚相连。当PB0为高电平时，DE发送使能，主控芯片向上位机发送数据，当PB0为低电平时，RE接收使能，主控芯片接收上位机的数据。将TVS(瞬态抑制二极管)放置在AB线及接地之间，能够有效防止静电放电及开关电源产生的噪声等问题，PTC(自恢复保险丝)的设计起到对电路的过流保护作用。RS485通讯模块设计如图6所示。

图6 RS485通讯模块设计

下位机程序采用STM32CubeMX工具和Keil μVision5集成开发环境进行调试，有效地缩短了开发周期。当系统上电后，首先初始化主控芯片用到的时钟、I/O口及SPI接口，然后通过SPI通讯来配置AD7147的参数，为实现此功能，下位机程序中就需要一个SPI通讯函数来保证主控芯片对AD7147相关寄存器进行读写操作。设置系统中断优先级分组，设置定时器中断，当定时中断发生时，进入中断服务函数，进行AD7147的采集和转换，主控芯片收到转换后的电容数字信号后，通过基于Modbus协议的RS485通讯传输到上位机显示和处理。其中Modbus通信协议规定了数据传输的方式，保证数据传输的准确性，因为通信中一帧数据传输结束的标志是通过传输数据之间时间间隔来判断的，所以为了准确判断一帧数据是否传输完成，需要根据计时器来进行判断，当计时器计数溢出时，产生计时器中断，进而进入数据帧处理环节，并根据相关功能码对上位机进行响应。下位机程序流程如图7所示。

图7 下位机程序流程图

本设计中上位机采用WinForm界面进行设计，上位机串行通讯默认设置为：波特率9 600 Kbit/s、无校验、8位数据位、1位停止位。Modbus-RTU报文格式的数据帧由设备地址、功能码、数据段、CRC错误校验组成，其中数据段是AD7147采集的16位电容数字信号。主界面的功能区主要由4个模块组成。

(1)初始化：为了便于二次开发，用户可根据芯片手册在上位机修改AD7147相应参数，选择对应电容信号通道以及对电容数字量初始值进行偏置。

(2)电容数字量测量：完成初始化操作后，数据显示面板可以看到实时变化的电容值数字量曲线图，显示界面满足多通道同时监测的需求，并在曲线图下方增加显示具体数值的功能，可以与曲线图作比较，读数更精确。

(3)标定计算：为了将电容数字量转化为力与力矩值显示，利用标定计算功能，求出表示电容数字量和力与力矩值转换关系的标定矩阵。

(4)力与力矩值测量：导入计算好的标定矩阵和采集的初始电容值数字量，显示面板中实时显示标定转换后的力与力矩值曲线图，曲线图下方显示其具体数值。

上位机主界面如图8所示，左下角状态提示中，可以显示当前连接状态并实时同步PC端的时间。在对电容式六维力传感器电容变化情况实时监测过程中，针对采集的电容值数字量与经标定计算转换后得到的测量力与力矩值，可以自定义路径以Excel文本文件的格式实时保存在PC端中，方便后续相关数据的处理分析。

图8 上位机主界面

5.1 实验设备

实验平台包括：设计制作好的数据采集盒、标定实验平台、待标定传感器、上位机，如图9所示。待标定传感器安装于标定实验平台的中心，加载法兰安装于待标定传感器的加载台上，通过细绳与滑轮将高精度砝码的重力转换成六维力与力矩。对待标定传感器分别施加X轴、Y轴、Z轴方向的Fx，Fy，Fz和Mx，My，Mz，施加Fx，Fy，Fz的范围为-200～200 N，每次加载和卸载力的步长为10 N。施加Mx，My，Mz范围为-8～8 N·m，每次加载和卸载力矩的步长为1 N·m。在进行标定时，通过添加砝码对电容式六维力与力矩传感器的X轴、Y轴、Z轴方向的力和力矩进行单独加载。

图9 实验平台

5.2 测试结果

在采集过程中，系统长时间运行也能保持稳定，各项数据均能准确实时显示到上位机界面中。采集完成后，数据能够成功保存且数据完整，保证了数据采集系统的可靠性。由于六维力与力矩传感器各输出通道之间存在耦合作用，采用Ⅰ类误差和Ⅱ类误差作为传感器测量精度的评价指标[11]。Ⅰ类误差表示某一维度实际加载值与所测量值之间最大误差绝对值和该维度满量程的比值；
Ⅱ类误差表示仅某个方向受到满量程力值时其他方向因该方向的耦合而检测到力值所引起的耦合误差。实验结果如表1所示。

表1 实验结果 %

由表1实验结果可知，最大I类误差为Fz维度的2.25%，最大II类误差为My维度的1.55%。在数据采集过程中，除了数据采集卡以外，传感器标定平台的安装误差、砝码加载过程中产生的偏差以及对标定矩阵的解耦误差等[12]，都会影响六维力传感器的测量精度。由上述可知该系统可以反映出电容式六维力与力矩传感器的负载实际加载情况，基本满足实际应用的需求。

本文设计了一套完整的电容式六维力与力矩传感器数据采集系统，以STM32F103C8T6作为主控芯片，采用高精度模数转换芯片AD7147采集和转换电容信号，并通过SPI隔离电路减小了传导干扰的影响，最后通过WinForm上位机界面观察电容值数字量及力与力矩值的曲线图，直观地反映了传感器的实际加载情况。通过实验验证，将数据采集系统的测量结果与实际值进行比较，测量误差低于3%，表明该采集系统具有较高的测量精度，同时该系统的开发成本低、运行稳定可靠且功能完善，为同类型传感器数据采集系统设计提供了参考价值。

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