面向触觉感知的高动态阵列式电容测量电路及其测量方法与流程

1.本发明涉及了一种电容测量电路，尤其涉及了一种面向机器人触觉感知的高动态阵列式电容测量电路及其测量方法。


背景技术：

2.电容式传感器由于具有结构简单、分辨力高、工作可靠、动态响应快、可非接触测量，并能在高温、高辐射和强烈振动等恶劣条件下工作等优点，已在工农业生产的许多领域得到广泛应用，如在触觉传感器系统中，电容传感器被用来获得压力信号。
3.针对微电容单元的测量，国内外研究者进行了不少探索，并提出了多种测量电容的方法，包括充/放电法、ac电桥法、交流锁相放大法、基于v/t变换的方法、基于混沌理论的恒流式混沌法和基于电荷放大原理的方法等。这些方法难以测量微电容阵列。
4.常规的微电容阵列读取电路每次只能通过频繁切换模拟开关每次只能同时测量一个电容单元，其响应速度和抗干扰能力偏弱，不能满足阵列式电容触觉传感器的使用需要。沈国伟等人介绍了一种电容式触觉阵列传感器，其电路难以处理电容阵列上电容单元耦合问题。郭小辉等人研究了全柔性电容式触觉传感阵列与信号提取方法，其电路难以满足高密度阵列式电容测量需求。刘今越等人开展了柔性阵列电容式触觉传感器设计与实验研究，其电路不具有良好的可扩展性。刘立滨等人提出了一种柔性电容式触觉传感器阵列，其电路对于高动态电容响应能力不足。易艺等人设计了一种电容式触觉传感器微电容检测电路，不具备宽幅值电容检测能力。


技术实现要素：

5.为了解决电容式阵列触觉传感器在动态环境下输出微电容变化难以直接测量的问题，本发明提供一种面向触觉感知的高动态阵列式电容测量电路及其测量方法。
6.为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
7.一、一种面向触觉感知的高动态阵列式电容测量电路：
8.电路包括模拟开关电路、激励源式电容传感芯片和fpga；阵列式电容主要有多个电容以行列阵列布置而成，模拟开关电路包括多个选择开关，每一行的电容的一端连接在一起后均经一个选择开关连接到激励源式电容传感芯片的正向电容输入通道，每一列的电容的另一端连接在一起后连接到激励源式电容传感芯片的负向电容输入通道，激励源式电容传感芯片和fpga连接。
9.这样，阵列式电容经模拟开关电路后接入到激励源式电容传感芯片的通道，以及直接接入激励源式电容传感芯片的通道。
10.所述的选择开关为多选一开关，输入端设有一个端口，输出端设有n个端口，一行的电容的一端连接在一起后和选择开关的输入端连接，选择开关的输出端的n个端口分别和激励源式电容传感芯片的n个正向电容输入通道各自连接，通过选择开关选通输出端其中仅一个端口和输入端的一个端口连通。
11.各列电容的另一端连接在一起后连接到激励源式电容传感芯片各自对应的一个负向电容输入通道。
12.还包括时钟芯片、储存卡、缓存ddr、usb3.0芯片、显示屏；所述的fpga分别和时钟芯片、储存卡、缓存ddr、usb3.0芯片、显示屏连接。
13.二、一种面向触觉感知的高动态阵列式电容测量方法：
14.方法步骤如下：针对n*n阵列布置的阵列式电容，通过fpga控制激励源式电容传感芯片按照扫描方式进行选通，每次沿平行于对角线方向的斜线规律选通n个电容连接到激励源式电容传感芯片的电容输入通道，且满足每行和每列均每次选择一个电容连接，重复进行n次测量采集获得阵列式电容中所有n*n电容的电容数值，并存储于fpga中的n*n的浮点数组。
15.预先在fpga内部定义一个n*n的浮点数组，每次采集获得n个电容的电容数值赋值到与电容位置对应的浮点数组中的元素处。
16.所述的每次沿平行于对角线方向的斜线规律选通n个电容连接到激励源式电容传感芯片的电容输入通道，具体为：将阵列式电容按照沿平行于对角线方向进行划分，划分为多组电容斜线组，每组电容斜线组是由沿同一平行于对角线方向的斜线上的多个电容构成；每次扫描选通时，选通不位于阵列式电容对角线上的成互补关系的两组电容斜线组或者位于阵列式电容对角线上的仅一组电容斜线组上的各个电容进行连接，成互补关系的两组电容斜线组是指两组电容斜线组中各个电容所在行互不重叠且行总数和阵列式电容的行总数相同，同时两组电容斜线组中各个电容所在列互不重叠且列总数和阵列式电容的列总数相同；
17.进而电容斜线组上的每个电容通过各自所在行的选择开关连接到激励源式电容传感芯片的一个电容输入通道，进行电容数值的测量。
18.针对电容斜线组上的每个电容，电容在列方向的一端直接连接到激励源式电容传感芯片上对应的一个负向电容输入通道，电容在行方向的一端经自身所在行的选择开关选通到与自身所连接激励源式电容传感芯片上负向电容输入通道对应的正向电容输入通道。
19.在fpga获取到n*n的浮点数组作为阵列式电容的各个电容数值后，将浮点数组和时间信息存放到储存卡中，同时驱动显示屏，将浮点数组包含的各个电容数值绘制成梯度图进行实时显示，并通过usb3.0芯片将数据发送到电脑端，实现高带宽下的数据传输。
20.本发明具有以下有益效果：
21.本发明实现一种能满足高动态响应下使用的阵列式电容传感器的电容测量电路，采用fpga读取时针对分布式电容阵列每行和每列同时只选通一个电容单元，控制多个模拟开关驱动多个电容读取芯片，发挥fpga的并行处理特性在同一时刻获取多个电容数值，减小了电容单元间的相互耦合，同时极大提高了电容读取的速度，设计有显示屏，便于携带，方便现场调试，实现了高动态的电容读取，充分发挥出前端分布式电容传感阵列的物理性能。
附图说明
22.图1为本发明的高动态分布式电容传感阵列检测系统框图；
23.图2为本发明的多通道模拟开关与芯片的电容输入通道的选通方式示意图。
具体实施方式
24.下面结合附图对本发明作进一步说明。
25.如图1所示，整个电路包括模拟开关电路、激励源式电容传感芯片fdc2x1x和fpga；阵列式电容主要有多个电容以行列阵列布置而成，模拟开关电路包括多个选择开关，模拟开关电路中的选择开关的数量和阵列式电容的行数量相同，每一行的电容的一端连接在一起后均经一个选择开关连接到激励源式电容传感芯片的正向电容输入通道，每一列的电容的另一端连接在一起后连接到激励源式电容传感芯片的负向电容输入通道，激励源式电容传感芯片和fpga连接。
26.选择开关为多选一开关，输入端设有一个端口，输出端设有n个端口，一行的电容的一端连接在一起后和选择开关的输入端连接，选择开关的输出端的n个端口分别和激励源式电容传感芯片的n个正向电容输入通道各自连接，通过选择开关选通输出端其中仅一个端口和输入端的一个端口连通，进而控制电容所导通到激励源式电容传感芯片的哪个正向电容输入通道。
27.各列电容的另一端连接在一起后连接到激励源式电容传感芯片各自对应的一个负向电容输入通道，阵列式电容有n列，则激励源式电容传感芯片设有n个负向电容输入通道。
28.激励源式电容传感芯片具有n个正向电容输入通道和n个负向电容输入通道，一个正向电容输入通道和一个负向电容输入通道对应组成一对电容输入通道，一对电容输入通道采集同一个电容的两端，共计有n对电容输入通道能够同时采集n个电容的电容数值。
29.还包括时钟芯片、储存卡、缓存ddr、usb3.0芯片、显示屏；fpga分别和时钟芯片、储存卡、缓存ddr、usb3.0芯片、显示屏连接。
30.由fpga并行获取激励源式电容传感芯片输出值并转换为电容数值，在显示屏上输出阵列式电容数值梯度图，同时经过usb3.0芯片阐述出去，把电容数值保存到储存卡中，实现了并行高速、低耦合的阵列式电容数值读取、数据存储和显示，并具有阵列扩展性，可用于测量阵列式电容触觉传感器的电容值。
31.时钟芯片用于对fpga进行时间同步，缓存ddr用于对电容数值进行缓存。
32.如图1和图2中，第i行电容一端连接第i个选择开关si的输入端，s1～sn为n个选择开关，每个选择开关的输出端的n个端口分别为接口1 ～接口n ，接口1 ～接口n 分别连接到激励源式电容传感芯片作为同样性质端口的接口1 ～接口n 的n个正向电容输入通道。
33.第i列电容一端均串接后作为接口i
‑
，各列电容对应的接口1
‑
～接口n
‑
分别连接到激励源式电容传感芯片作为同样性质端口的接口1
‑
～接口n
‑
的n个负向电容输入通道。
34.方法步骤如下：针对n*n阵列布置的阵列式电容，通过fpga控制激励源式电容传感芯片按照扫描方式进行选通，每次沿平行于对角线方向的斜线规律选通n个电容连接到激励源式电容传感芯片的电容输入通道，即每次采集获得n个电容的电容数值，且满足每行和每列均每次选择一个电容连接，重复进行n次测量采集获得阵列式电容中所有n*n电容的电容数值，并存储于fpga中的n*n的浮点数组，形成n*n的电容数据矩阵。
35.预先在fpga内部定义一个n*n的浮点数组，每次采集获得n个电容的电容数值赋值到与电容位置对应的浮点数组中的元素处。
36.每次沿平行于对角线方向的斜线规律选通n个电容连接到激励源式电容传感芯片
的电容输入通道，具体为：
37.将阵列式电容按照沿平行于对角线方向进行划分，划分为多组电容斜线组，每组电容斜线组是由沿同一平行于对角线方向的斜线上的多个电容构成；
38.每次扫描选通时，选通不位于阵列式电容对角线上的成互补关系的两组电容斜线组或者位于阵列式电容对角线上的仅一组电容斜线组上的各个电容进行连接，成互补关系的两组电容斜线组是指两组电容斜线组中各个电容所在行互不重叠且行总数和阵列式电容的行总数相同，同时两组电容斜线组中各个电容所在列互不重叠且列总数和阵列式电容的列总数相同；
39.进而电容斜线组上的每个电容通过各自所在行的选择开关连接到激励源式电容传感芯片的一个各自唯一对应的电容输入通道，进行电容数值的测量。
40.针对电容斜线组上的每个电容，电容在列方向的一端直接连接到激励源式电容传感芯片上对应的一个负向电容输入通道，电容在行方向的一端经自身所在行的选择开关选通到与自身所连接激励源式电容传感芯片上负向电容输入通道对应的正向电容输入通道。例如针对电容斜线组c右下角的电容，位于第n行第3列，该电容经接口3
‑
连接到激励源式电容传感芯片上同样为接口3
‑
的负向电容输入通道；同时该电容经第n行的选择开关选通到选择开关输出端的接口3 ，使得和激励源式电容传感芯片上为接口3 的正向电容输入通道连通。
41.如图2所示，通道模拟开关与电容输入通道的选通方式，针对一个n*n的分布式电容传感阵列，每行每列按照图中箭头a
‑
f，每行每列仅选通一个通道，每次可实现n个电容的读取，对于整个电容传感阵列循环n次即获取到了全阵列电容单元的电容数值。该方式在电容按箭头进行读取时，箭头方向上的任意两个电容单元相互独立，有效减小了不同电容单元间的信号耦合，同时采用多个芯片，具备并行多通道的电容读取能力。
42.如图2所示，具体实施为6*6阵列的阵列式电容，a、b、c、d、e、f均为1组电容斜线组，以区分不同的组合。同样为a的电容斜线组有两个，两个电容斜线组a上的各个电容同时连接到芯片，进行电容数值的采集。
43.由此，通过本发明的测量控制方法，能高效地对阵列式电容进行测量，在快速测量的同时能够降低耦合，降低干扰，实现准确高效的测量。
44.在fpga获取到n*n的浮点数组作为阵列式电容的各个电容数值后，将浮点数组和时间信息存放到储存卡中，同时驱动显示屏，将浮点数组包含的各个电容数值绘制成梯度图进行实时显示，并通过usb3.0芯片将数据发送到电脑端，实现高带宽下的数据传输。
45.激励源式电容传感芯片的gnd、pad、addr、sd脚接地，vdd脚接3.3v直流电压，激励源式电容传感芯片的clkin通过40mhz的有源晶振提供外部时钟，激励源式电容传感芯片中每个电容输入通道的ina和inb两端并联一个18uh电感和一个电容。
46.目前的国内外触觉感知领域，针对高密度电容单元的阵列式传感器，常规的微电容阵列读取电路每次只能通过频繁切换模拟开关每次只能同时测量一个电容单元，其响应速度和抗干扰能力偏弱，不能满足阵列式电容触觉传感器的使用需要。采用本发明的电路能够解决现有技术问题，响应速度和抗干扰能力好。
47.通过实施测试，本发明具备1pf～250nf的宽幅值电容检测能力，同时通过对模拟通道选通方式的控制减小了阵列式电容上相邻电容单元的耦合，具备同一时刻读取一组电
容的能力，实现了并行高速、低耦合的阵列式电容数值读取、数据存储和显示，并具有阵列扩展性，可用于测量阵列式电容触觉传感器的电容值，能够满足宽幅值，高动态，高密度的触觉电容式传感阵列的测控电路需要，同时结合fpga运用其并行数据处理特性，以及usb3.0的高速传输接口，进一步提高电容检测电路的响应能力。