基于FPGA的压力传感器的标定设计实现方法*

2022-10-26广东人工智能与先进计算研究院柳建鑫卢进吴昌隆

数字技术与应用 2022年10期

广东人工智能与先进计算研究院柳建鑫卢进吴昌隆

针对机器触觉感知的应用中压力传感器数量大，测试工序繁杂问题，本文设计了一款压力传感器标定系统，系统采用了FPGA作为数据处理芯片，相比于其他压力标定系统处理芯片，其具有多IO高并行的特点，对标准压力传感器和待测压力传感器数据进行数据融合与同步处理，极大提高了大数据量传感器的标定效率。

随着人们日益增长的科技需求，机器人技术逐渐普及在人们的视野，当前这项技术正往智能化方向发展[1]。智能机器人技术实现中，多维度感知系统是其开展的必要条件[2]，而力是一项及其重要的信息，通过受力信息，对机器人进行姿态、运动控制，根据力对接触的物体外形进行形状识别[3]。本文待测的压力传感器用于机器人手掌多触点压力的识别。由于工艺与结构的差异，不同阵列与相同阵列不同位置的传感器性质也会不同，因此需要我们对传感器进行逐个标定。在触觉感知中，需要大密度的传感器分布，如单个手掌的感知，需要安装数十个传感器阵列，而传感器阵列包含着16个压力传感器，标定如此数量的传感器，无疑是一项十分耗时耗力的工作。

触觉感知传感器的标定，目前可采用的方式都较为耗费时间、资源成本，并且测试类型有局限，如在控制上通过砝码直接或者经过机械传动施力标定[4,5]、通过距离与压力传感器反馈压力控制标定[6,7]，这些类型标定方式控制过程久，标定效率较慢，无法进行特定如冲击、正弦、斜坡等压力动态的测试；或者在数据采集上待测传感器和标定传感器独立采集，再传输至上位机做数据处理，这种方式标定传感器和待测传感器时间关系不确定，无法确定它们之间相对延时。

针对以上标定方式缺陷，本文设计的可适配自动化同步标定系统，压力由音圈电机进行闭环控制，该方案中间无传动结构，控制稳定无回程误差并且响应速度快；数据处理采用了FPGA芯片，可并行采样多个待测传感器的监测数据，在设计中，可选择的传感器数据和待测传感器数据实时打包上传至终端进行分析，数据同步性强，且并行多接口设计省去了许多繁杂的人工装配启动等操作，给后续大数量传感器标定提供了有利的条件。

1 系统外设及硬件

系统外设和硬件共有压力驱动模块和其配套控制器、压力检测模块、数据采集模块、待测传感器、上位机终端构成，硬件连接关系如图1所示

装置中，压力驱动模块安装于待测传感器正上方，压力检测模块固定于驱动模块的动子处。通过预设的施力曲线，压力驱动模块动子经过压力检测模块对待测传感器施加一个法向的作用力，根据牛顿第三定律，待测传感器和压力检测模块受到的力大小相等，方向相反。通过FPGA同步采集的待测传感器检测输出值和压力检测模块检测到的法向压力值进行分析，可以对待测传感器输出值与法向压力值的关系进行标定。

1.1 压力驱动模块

音圈电机具有体积小、重量轻、高加速度、高速度、快速响应、推力均匀等优良性能优点[8]，方案中压力驱动模块驱动由音圈电机负责。压力驱动模块采用SMAG公司生产的LCA32音圈电机。这款型号的音圈电机配备一个外部的控制器，用户可以使用终端控制音圈电机的PID控制参数和电机的施力曲线。

1.2 压力检测模块

压力检测模块通过反作用力，对待测传感器压力进行间接检测，压力检测模块采用的是ATI公司的9105-TWNANO17TI-R-5，X、Y轴力传感器量程为±32N，Z轴力传感器量程为±56.4N，X、Y、Z轴力矩量程为±200Nmm，它们在25℃条件下的满量程精度为1%。

压力传感器也配备有一个专用控制器，用于检测压力传感器模拟值并将其转换成力/力矩值，可以实时检测传感器状态，确保传感器正常运行，传感器采样率6Hz到3336Hz可设，内部可进行均值滤波输出，传输接口为RS232串口。

1.3 数据采集模块

数据采集模块采用ZYNQ7020板卡，板卡上数据通过一个千兆网口输出，外围配备了22个待测传感器接口，可以同时读取22个待测传感器和一个六轴压力传感器数据。ZYNQ内部的FPGA拥有丰富的LUT、BRAM、IO与时钟等资源，通过并行的逻辑资源对传感器进行配置和数据读取，再将读取的数据打包通过PS的网口输出至终端，资源与运算速率完全满足设计需求。

1.4 待测传感器

待测传感器用于获取法向压力，基于MLX90393实现，主要有三大部分组成：MLX90330霍尔传感器、柔性硅胶结构、磁铁。磁铁通过柔性硅胶结构安装在霍尔传感器上方，在对磁铁处按压力时，硅胶会产生相应形变，实现力到距离的转换，再根据霍尔传感器输出与磁铁的距离一定的函数关系，可以实现磁场强度到力的转换。

2 系统软件设计

系统软件运行于数据采集模块，由ZYNQ内部FPGA和ARM核共同实现，内部并行运行22个待测传感器数据接口模块和六轴传感器数据接口模块，接口模块分别对传感器进行初始化配置和数据的读取，数据读取达到一定数量后，数据交互模块将传感其数据打包发送至测试终端。软件框图如图2所示。

2.1 六轴传感器数据接口设计

2.1.1 传输速率计算

六轴传感器采样率采用200Hz，力和力矩数据位宽为24bit，传输协议采用UART，算每8bit有一个开始和截止位，传输速率为(200×24×6)/8×10=36kHz，经权衡本次传输波特率采用115.2kHz。

2.1.2 传感器寄存器设置

根据数据手册和设备实际使用条件，FPGA配置部分进行如下初始化：

（1）复位传感器；

（2）设置数据传输格式为二级制格式（另一种为ASCII模式，该模式比较占用传输带宽，并且数据分析时还需要对数据进行装换，因此舍弃该格式）；

（3）设置均值滤波参数；

（4）设置采样率；

（5）直流偏置消除指令；

（6）打开数据上传状态。

2.1.3 数据读取与解析

（1）六轴传感器一组数据有19个Byte，数据传输方式为打开数据上传状态后，设备会按照设定的采样率对数据进行主动上传，一组数据的传输格式为：

error byte、Fx、Fy、Fz、Tx、Ty、Tz分别为错误告警、xyz轴压力值，xyz轴力矩值。

（2）错误告警全0时表示数据正常，FPGA程序会实时检测每一组数据的正确性，当存在数据错误时，数据将被丢弃并且告警。

（3）每一组数据将被放入缓冲FIFO等待上位机数据交互接口使用。

2.2 待测传感器数据接口设计

2.2.1 传感器寄存器设置

待测传感器的寄存器配置已由传感器应用设备定义，其传输通过IIC协议进行，IIC时钟速率为100kHz，主要相关设置参数为:

（1）RES=2；GAIN_SEL=0；TCMP_EN=0x0，该设置影响数据解算和单位换算；

（2）SB=0，该设置影响数据传输方式。

2.2.2 数据读取和分析

（1）待测压力传感器一组数据有8个Byte，数据传输方式为定时对指定地址进行访问，以获得实时更新的三轴待测传感器数据，一组数据的格式为：

T、Fx、Fy、Fz、分别为温度值、xyz轴压力值

（2）每一组数据将被放入缓冲FIFO等待上位机数据交互接口使用。

2.3 上位机数据交互模块设计

2.3.1 数据打包与组帧上传

数据打包融合主要分为两部分。（1）数据同步：待测传感器数据和六轴传感器数据通过FIFO接入数据打包融合模块，模块将实时检测数据，若数据量出现不均衡，则会对缓存进行重置，以确保两传感器数据的同步性，该重置一般仅在初始化时会被触发；（2）数据组帧：当传感器数据保存达到一定数量时，数据将被进行打包组帧，通过AXI4总线传输至ARM核内部，ARM核再使用千兆网传输至上位机。

2.3.2 上位机指令交互

FPGA与上位机指令交互通过ARM端GP接口进行，GP接口如同ARM的一个普通的IO，可以实现低速的数据交互。主要交互的指令有待测传感器通道号选择、设备状态上传、版本号查询等。

3 系统实现与测试

3.1 硬件环境搭建

硬件环境如图3所示，图中展示了测试的标定台，台面安装着待测传感器，待测传感器上方的音圈电机动轴通过六轴传感器上安装的触头按压至待测传感器。

音圈电机上方两根线分别为电源线和控制线，控制线连向音圈电机配套的控制器；六轴传感器引出的总线输出的是模拟量，连接至六轴传感器专用的控制器，控制器将模拟量转换成力/力矩值通过串口传输至数据采集模块；待测传感器左侧排线为IIC总线，接线连接至数据采集模块的一号接口处；数据采集模块将待测传感器和六轴传感器数据同步打包后通过网口上传至分析终端。

3.2 测试与数据分析

3.2.1 测试方案说明

单次按压流程：分离5s——按压设定力5s——分离5s，按压效果如图4所示，实线为高精度六轴力/力矩传感器、虚线为待测压力传感器数据（为作比较数据经过纵轴等比例缩放），可以看到两个数据同步性较高。单次按压数据在观察后可以发现实际曲线与设定有所差异，曲线存在一个PID控制过程，当按压力达到预定值后将会保持5s，以确保测试完整进行。

多次按压值设定如下，在单次按压的基础上，初始按压值为1N，每次按压以0.2N步进线性增长，直到按压力达到8N，再由8N以0.2N步进线性递减，直到按压力达到1N，测试效果如图5所示。

3.2.2 数据分析说明

六轴传感器法向压力分辨率为1/2736(N/LSB)，磁场强度分辨率为4.84(μt/LSB),测试中MLX90393检测到测磁场强度范围一般在0～117mt范围内。

标定装置采样率为200Hz，并且音圈电机在按压到每一个设定按压值时，按压会稳定保持5s，因此每次按压理论上每个传感器将会有1000个有效采样点，通过六轴压力传感器和待测传感器数据即可对待测传感器进行标定分析。