基于STM32的力傳感器信號采集與處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

劉永永, 李國平, 左國坤, 李雅楠

(1.寧波大學(xué) 機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院,浙江 寧波 315211；2.中國科學(xué)院 寧波材料技術(shù)與工程研究所，浙江 寧波 315201)

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基于STM32的力傳感器信號采集與處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

劉永永1,2, 李國平1, 左國坤2, 李雅楠2

(1.寧波大學(xué) 機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院,浙江 寧波 315211；2.中國科學(xué)院 寧波材料技術(shù)與工程研究所，浙江 寧波 315201)

用于表征機(jī)器人人機(jī)交互(HRI)過程中力學(xué)特性變化的三軸力傳感器的數(shù)據(jù)需要實(shí)時(shí)采集以反饋給控制系統(tǒng)?？紤]到交互過程中傳感器的信號會(huì)受到隨機(jī)噪聲干擾，影響控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和精度。設(shè)計(jì)了一種基于運(yùn)算放大器和STM32微處理器的傳感器信號采集和處理系統(tǒng)。傳感器微弱信號經(jīng)放大調(diào)理后送至STM32模數(shù)轉(zhuǎn)換接口，對傳感器輸出信號進(jìn)行數(shù)字濾波，并對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行算法驗(yàn)證。信號分析表明：該系統(tǒng)有效抑制了隨機(jī)干擾信號，為控制系統(tǒng)提供了穩(wěn)定的采樣精度。

力傳感器； 實(shí)時(shí)采集； STM32微處理器； 數(shù)字濾波

0 引 言

隨著傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，形成了各種各樣的人機(jī)交互方式和控制方式，比如基于語音識別的語音控制，動(dòng)作識別的手勢控制、肢體控制，也出現(xiàn)了利用手機(jī)和計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的人機(jī)交互和智能控制方式[1]。傳感器技術(shù)正越來越多的運(yùn)用到人們的日常生活中，傳感器數(shù)據(jù)采集(DAQ)和信號處理也受到更多的重視。

智能機(jī)器人需要和外界環(huán)境進(jìn)行信息交互以完成各種目標(biāo)任務(wù)[2]，本文檢測人機(jī)交互過程中的力學(xué)特性變化時(shí)選擇一種高精度的電阻應(yīng)變式三軸壓力傳感器(three-axis force sensor)。控制系統(tǒng)采集傳感器信號構(gòu)成閉環(huán)控制方式命令執(zhí)行機(jī)構(gòu)準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)，因此實(shí)時(shí)并準(zhǔn)確地?cái)?shù)據(jù)采集[3]顯得尤為重要。本文設(shè)計(jì)了一種高效、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來保證信號實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的采集。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)框圖如圖1所示，圖1(a)為傳感器安裝在運(yùn)動(dòng)桿的內(nèi)部，可以伸縮，可在三維空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)，傳感器微弱信號放大后經(jīng)100 cm距離傳輸?shù)娇刂瓢迳稀Ｓ布糠址殖缮舷?個(gè)部分：近距離安裝在傳感器下方的放大電路，以及安裝在底部基座的控制器電路。放大電路包括降壓穩(wěn)壓恒流電路和差分放大電路，微控制器根據(jù)控制和傳感器采集精度要求，選擇STM32F207ZTG為主控芯片，主控板上集成信號濾波和電平抬升電路，將采集信號控制在STM32的AD采樣范圍內(nèi)。軟件設(shè)計(jì)包括數(shù)字濾波和零點(diǎn)補(bǔ)償，最終數(shù)據(jù)提供給控制算法運(yùn)用，采集數(shù)據(jù)通過串口模塊傳給上位機(jī)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 放大電路設(shè)計(jì)

選用的力傳感器的應(yīng)變片激勵(lì)電壓為6 V×(1±5 %)，X，Y軸量程10 kg，Z軸20 kg。選用MP2451設(shè)計(jì)降壓穩(wěn)壓電源電路獲得穩(wěn)定的激勵(lì)電壓，外加電壓為24 V。MP2451是一種高頻降壓穩(wěn)壓芯片，電流模式控制具有快速的環(huán)路響應(yīng)和高效輸出。穩(wěn)定的激勵(lì)電壓可有效地減弱應(yīng)變片的熱零點(diǎn)漂移[4]。降壓后電流輸出為40 mA左右，保證應(yīng)變片工作在額定電流，降低熱效應(yīng)的影響，獲得更好的溫度補(bǔ)償。電源電路原理如圖2(a)所示，接地設(shè)計(jì)可有效屏蔽EMC的影響。

圖2 放大電路

選用的應(yīng)變式力傳感器(BSY—3F)單軸由4片應(yīng)變片組成惠斯登電橋，采用等臂全橋電路，靈敏度高，線性度好，易于實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。從安裝示意圖看出，將放大電路近距離安裝在傳感器的下方，可以避免傳輸過程中的一些干擾信號放大到AD采樣接口。電橋在6 V穩(wěn)壓源的激勵(lì)下輸出差分信號為mV級變化，選擇AD620AR作為傳感器微弱信號的放大芯片[5]，調(diào)節(jié)R7進(jìn)行零點(diǎn)調(diào)整，調(diào)節(jié)R12的阻值可以得到所需的放大增益和滿量程輸出，該放大電路具有很強(qiáng)的額共模抑制能力，放大后的信號電壓范圍在0～3.3 V內(nèi)變化，單軸放大電路如圖2(b)所示。

2.2 主控板電路設(shè)計(jì)

放大信號用帶鋁箔和金屬編織層的信號線傳輸至控制板中，但還會(huì)受到系統(tǒng)其他部分的電磁干擾，需對在0.05 Hz～1 kHz范圍外進(jìn)行信號濾波，通過設(shè)計(jì)合理的濾波器保證信號在該范圍內(nèi)[6]。OP07高精度運(yùn)放有輸入失調(diào)電壓低，低溫漂，低噪聲，性能長期穩(wěn)定等特點(diǎn)，本文選用它來設(shè)計(jì)二階有源帶通濾波器，濾波器如圖3所示。高通濾波器由C13，C14，R14，R15組成，截止頻率f1≈0.047 Hz，R16，R17，C17，C18組成低通濾波器，截止頻率f2≈102 4 Hz。

濾波后的信號仍有一定的干擾，后期通過數(shù)字濾波處理，濾波后的放大信號送到STM32的采樣接口的電平不能為負(fù)，本文選用LM358設(shè)計(jì)電壓跟隨電路以及TLC2274AC設(shè)計(jì)電平抬升電路，對接收的傳感器信號進(jìn)行零點(diǎn)和極性調(diào)理。零點(diǎn)在1.65 V，電平抬升電路及單片機(jī)接口電路如圖3所示。選用的處理器 STM32F207ZGT6是基于ARM 32位的CortexTM—M3內(nèi)核的CPU(最大主頻120 MHz)，工作電壓1.6～3.6 V，1 MB Flash和128 kB RAM，具有豐富的外部連接特性(UART，SPI，I2C等)，內(nèi)置3路12位ADC，模擬量傳輸?shù)紸DC接口，采集信號滿足控制精度需求。

圖3 信號處理及單片機(jī)接口電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主程序流程

數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)基于Keil MDK—ARM和STM32固件庫進(jìn)行編寫，主要進(jìn)行硬件初始化，模擬量采集傳輸，數(shù)字濾波，軟件補(bǔ)償和串口通信，本文自定義串口通信數(shù)據(jù)格式。程序流程如圖4所示，ADC初始化包括AD和DMA的配置。

圖4 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件流程

控制器需同時(shí)采集3路力傳感器的值，故采用3通道采集模式。AD信號是力傳感器的信號，控制算法需要實(shí)時(shí)采集傳感器數(shù)據(jù)，這里采用DMA實(shí)現(xiàn)多路ADC數(shù)據(jù)的直接搬運(yùn)存儲(chǔ)，節(jié)省CPU資源[7]。編程時(shí)ADC采樣通道設(shè)置成多通道連續(xù)掃描模式，各個(gè)ADC通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果采用DMA方式傳輸?shù)介L度為3,寬度16 bit的緩存區(qū)里。系統(tǒng)啟動(dòng)后，ADC通道立即開始3路模擬量信號的采集，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的通過DMA傳輸?shù)街付ǖ膬?nèi)存基地址，DMA每傳輸完一組數(shù)據(jù)，就觸發(fā)一次 DMA傳輸，完成中斷，緩存數(shù)據(jù)到內(nèi)存。

3.2 數(shù)字濾波算法設(shè)計(jì)

在本文介紹的人機(jī)交互系統(tǒng)中，信號傳輸路徑經(jīng)過電機(jī)旁路，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的電磁干擾難免會(huì)耦合到信號線內(nèi)，因?yàn)殡姍C(jī)旋轉(zhuǎn)的速度大小和方向都是隨機(jī)的，噪聲偶然性很強(qiáng)，靜態(tài)下，檢測到的傳感器數(shù)據(jù)噪聲幅值大。對常用的數(shù)字濾波算法特點(diǎn)進(jìn)行比較，考慮RAM的消耗和信號濾波需要，選用限幅濾波和一階滯后濾波組合算法最為合適。限幅濾波AD采樣值為y(n)，限幅濾波可以有效克服偶然因素引起的脈沖干擾[8]。而一階滯后濾波對周期性信號具有良好地抑制作用

(1)

AD采樣值為y1(n)，適用于力傳感器信號波動(dòng)頻率較高的場合[9]。結(jié)合兩種方法，可以設(shè)計(jì)出一種既能消除偶然因素產(chǎn)生的脈沖，又能保證信號實(shí)時(shí)性的濾波方法。

y1(n)=(1-a)x(n)+ay(n-1)

(2)

濾波思路為先對信號進(jìn)行一階滯后濾波；再以一階滯后濾波的輸出作為參考，對AD采樣的信號進(jìn)行限幅濾波，解決了限幅濾波法無法跟蹤真實(shí)信號的問題;最后再加一個(gè)權(quán)值a較大的一階滯后濾波法，濾掉周期噪聲，并且保證較小的相位延遲。濾波算法的示意圖如圖5所示。FO1和FO2是一階滯后濾波法，LF是限幅濾波法，但LF和標(biāo)準(zhǔn)的限幅濾波法不完全一樣，它是將本周期的采樣值和FO1的輸出對比，而不是和上一周期的限幅濾波對比。

圖5 濾波算法Simulink原理框圖

力傳感器信號反映的是人體與手柄接觸力的值，人體上肢在運(yùn)動(dòng)過程中力量的變化是非常頻繁的，本文對算法進(jìn)行Matlab/Simulink仿真，模擬濾波算法對受噪聲干擾的傳感器信號進(jìn)行處理。仿真結(jié)果表明：限幅濾波法無法濾除白噪聲;一階滯后濾波法能獲得比較平滑的波形，然而相位滯后比較嚴(yán)重，而且引入了脈沖噪聲，噪聲導(dǎo)致信號偏離均值；改進(jìn)后的濾波方法相位滯后非常小，濾波后的波形比較平滑，也將白噪聲降低到了一個(gè)比較小的幅值。仿真后得到一階滯后濾波權(quán)值a為0.6，此時(shí)濾波后的信號平穩(wěn)性和靈敏度最好。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

將仿真后的數(shù)字濾波算法設(shè)計(jì)成程序?qū)鞲衅鲗?shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行測量分析，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過串口通信模塊在Matlab中進(jìn)行曲線擬合[10]，轉(zhuǎn)換成電壓，如圖6為傳感器靜態(tài)濾波前后結(jié)果，取一段時(shí)間后的穩(wěn)定數(shù)據(jù)，從圖中可知濾波后幅值干擾降低了10倍左右。

圖6 靜態(tài)下濾波前后結(jié)果

在動(dòng)態(tài)下，加載1 kg的砝碼,濾波后的力傳感器信號如圖7所示，噪聲明顯減少，而且相位滯后很小。

圖7 濾波前后的力傳感器受力信號

3.4 力傳感器信號零點(diǎn)漂移補(bǔ)償

零點(diǎn)漂移也稱為溫漂，貫穿在傳感器的設(shè)計(jì)和使用過程中[11]，系統(tǒng)中的具體現(xiàn)象為：AD輸入的有效值會(huì)在機(jī)器通電運(yùn)轉(zhuǎn)之后逐漸增大，一段時(shí)間后造成30 mV左右的零點(diǎn)漂移。主要原因?yàn)闇囟茸兓㈦娫措妷翰环€(wěn)定、元器件參數(shù)變值等造成放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)發(fā)生變化。

本文采用軟件補(bǔ)償?shù)姆椒▉斫鉀Q零點(diǎn)漂移問題。補(bǔ)償程序的流程圖如圖4所示，其中ad_x和ad_y為濾波后的值，adoffset_x和adoffset_y為溫漂量， angle_x和angle_y為搖桿角度，rad，由電機(jī)編碼器檢測，傳感器安裝垂直地面。垂直位置修改偏移量adoffset_x和adoffset_y即可。用高精度砝碼檢測傳感器的線性度和靈敏度，采集數(shù)據(jù)和測量誤差，如表1所示，G為砝碼質(zhì)量，G1，G2分別為濾波和補(bǔ)償前后AD換算質(zhì)量，取平均值抵消砝碼誤差影響。

表1 受力測量數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)分析表明：濾波和補(bǔ)償有效地消除了傳感器信號的隨機(jī)誤差和零漂，實(shí)測數(shù)據(jù)誤差不超過0.1 %，提高了采樣精度。

4 結(jié)束語

本文分析機(jī)器人人機(jī)交互過程中力信息采集的具體問題，考慮各種復(fù)雜干擾，設(shè)計(jì)了一種基于硬件和軟件的采集和信號處理系統(tǒng)，特別是放大電路近距離安裝在傳感器的下方，避免微弱信號被過多干擾，對濾波算法仿真驗(yàn)證其可行性，最后實(shí)驗(yàn)檢測數(shù)據(jù)表明：整個(gè)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)具有一定的可靠性，采集精度達(dá)到控制要求，為后期人機(jī)交互控制研究奠定關(guān)鍵的基礎(chǔ)。

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Design of force sensor signal acquisition and processing system based on STM32*

LIU Yong-yong1,2, LI Guo-ping1, ZUO Guo-kun2, LI Ya-nan2

(1.Faculty of Mechanical Engineering and Mechanics,Ningbo University，Ningbo 315211,China;2.Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering,Chinese Academy of Sciences,Ningbo 315201,China)

The data of the three-axis force sensor which is used to characterize the change of mechanical properties in the process of human-robot interaction(HRI)needs to be collected in real time in order to feed back to the control system.Taking into account that the sensor signals will be interfered by random noise during interaction,it will affect the accuracy and precision of the control system.Design a kind of sensor data acquisition and processing system based on operational amplifiers and STM32 microprocessor.Weak sensor signal will be sent to the STM32 analog to digital conversion(ADC)interface after amplified and conditioned,aiming at characteristics of output signal of sensor,digital filtering of signal is carried out,and verify the algorithm of entire system.Signal analysis shows that the system effectively restrain random disturbance signal and provides stable sampling precision for control system.

force sensor; real-time acquisition; STM32 MCU; digital filtering

10.13873/J.1000—9787(2017)07—0112—04

2016—07—12

浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(LY15E050005)；浙江省公益性技術(shù)應(yīng)用研究項(xiàng)目(2013C31017)

TP 274

A

1000—9787(2017)07—0112—04

劉永永(1991-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)樯现祻?fù)機(jī)器人控制技術(shù)研究，E—mail：liuyongyong@nimte.ac.cn。