电容式触觉传感器信号检测系统的设计
孙一心，钟 莹，王向鸿，等．电容式触觉传感器信号检测系统的设计［Ｊ］．纳米技术与精密工程，２０１５，１３（１）：２８－３３．ＳｕｎＹｉｘｉｎ，ＺｈｏｎｇＹｉｎｇ，ＷａｎｇＸｉａｎｇｈｏｎｇ，ｅｔａｌ．Ｄｅｓｉｇｎｏｆｓｉｇｎａｌｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｏｆａｃａｐａｃｉｔｉｖｅｔａｃｔｉｌｅｓｅｎｓｏｒａｒｒａｙ［Ｊ］．Nanotechnology
and Precision Engineering ，２０１５，１３（１）：２８－３３（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）．电容式触觉传感器信号检测系统的设计
孙一心，钟 莹，王向鸿，李醒飞
（精密测试技术及仪器国家重点实验室（天津大学），天津３０００７２）
摘 要：信号检测系统对电容式触觉传感器的分辨力、稳定性和信噪比都有重要影响．设计了一种基于ＰＣａｐ０１电容数字转换芯片的电容式触觉传感器的信号检测系统，采用ＦＰＧＡ控制多路开关选通电容式触觉传感器的触觉单元并进行阵列式扫描，通过ＳＰＩ通信读取ＰＣａｐ０１的测量结果后通过ＵＳＢ通信将数据传输给上位机，在上位机中以三维柱状图和曲面图动态显示电容式触觉传感器表面的受力情况，系统的采样速率可达１５帧／秒．实验结果表明，设计的信号检测系统可以满足电容式触觉传感器的需求，通过采集的数据可以获取电容式触觉传感器表面的受力信息．
关键词：触觉传感器；ＰＣａｐ０１；阵列触觉；信号检测系统
中图分类号：ＴＨ２１２．１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７２－６０３０（２０１５）０１－００２８－０６
收稿日期：２０１４－１１－２７．
作者简介：孙一心（１９９０— ），男，硕士生．
通讯作者：钟 莹，副教授，ｙｚｈｏｎｇ＠ｔｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ．Design of Signal Detection System of Capacitive Tactile Sensor Array ＳｕｎＹｉｘｉｎ，ＺｈｏｎｇＹｉｎｇ，ＷａｎｇＸｉａｎｇｈｏｎｇ，ＬｉＸｉｎｇｆｅｉ（ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＰｒｅｃｉｓｉｏｎＭｅａｓｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ（ＴｉａｎｊｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ），Ｔｉａｎｊｉｎ３０００７２，Ｃｈｉｎａ）Abstract ：Ｔｈｅｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ，ｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ａｎｄｓｉｇｎａｌｎｏｉｓｅｒａｔｉｏ（ＳＮＲ）ｏｆｔｈｅｃａｐａｃｉｔｉｖｅｔａｃｔｉｌｅｓｅｎｓｏｒａｒｒａｙａｒｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄｂｙｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｓｉｇｎａｌｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｓｉｇｎａｌｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｏｆａｃａｐａｃｉｔｉｖｅｔａｃｔｉｌｅｓｅｎｓｏｒａｒｒａｙｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｄｉｇｉｔａｌｃｏｎｖｅｒｔｏｒ（ＣＤＣ）ｎａｍｅｄＰＣａｐ０１．Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｐｒｏｐｏｓｅｄｉｓｍａｉｎｌｙｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆａｆｉｅｌｄ－ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅｇａｔｅａｒｒａｙ（ＦＰＧＡ），ａＰＣａｐ０１ａｎｄ６ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒｓ．ＡｆｔｅｒｓｗｉｔｃｈｉｎｇｔｈｅｒｏｗａｎｄｃｏｌｕｍｎｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒｓｓｅｑｕｅｎｔｉａｌｌｙｂｙＦＰＧＡ，ｔｈｅｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｏｆｅａｃｈｅｌｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｔａｃｔｉｌｅｓｅｎｓｏｒｉｓｍｅａｓｕｒｅｄｂｙＰＣａｐ０１．Ａｆｔｅｒａｌｌｅｌｅｍｅｎｔｓｏｆｔｈｅｔａｃｔｉｌｅｓｅｎｓｏｒａｒｒａｙａｒｅｍｅａｓｕｒｅｄ，ＦＰＧＡｔｒａｎｓｍｉｔｓｔｈｅｄａｔａｔｏｈｏｓｔｃｏｍｐｕｔｅｒｂｙｆｒａｍｅ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｉｓｄｉｓｐｌａｙｅｄｉｎ３Ｄｂａｒｇｒａｐｈａｎｄｓｕｒｆａｃｅｇｒａｐｈｉｎｔｈｅｈｏｓｔｃｏｍｐｕｔｅｒｄｙｎａｍｉｃａｌｌｙ．Ｔｈｅｓａｍｐｌｉｎｇｆｒｅｑｕｅｎｃｙｉｓｕｐｔｏ１５ｆｒａｍｅｓ／ｓ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｆｏｒｃｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｓｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｔｈｅｃａｐａｃｉｔｉｖｅｔａｃｔｉｌｅｓｅｎｓｏｒａｒｒａｙａｎｄｔｈａｔｔｈｅｓｉｇｎａｌｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｍｅｅｔｓｔｈｅｎｅｅｄｏｆｔｈｅｔａｃｔｉｌｅｓｅｎｓｏｒ．Keywords ：ｔａｃｔｉｌｅｓｅｎｓｏｒａｒｒａｙ；ＰＣａｐ０１；ｔａｃｔｉｌｅａｒｒａｙ；ｓｉｇｎａｌｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ
触觉可以获得物体表面的一些几何特征和物理特
性，包括硬度、形貌、粗糙度、弹性、材质等．随着仿生学
的发展，触觉传感器在机器人仿生、医疗器械、体育训
练、人体工程学等领域获得了广泛的应用［１－５］．触觉传感器主要有电容式、电阻式、压电式、光纤式等多种形
式，其中电容式触觉传感器因为温漂小、灵敏度高等优点，一直是这一领域的研究热点．从实用性角度出发，触觉传感器应具有分辨力高、量程大、稳定性好、噪声小等优点，除了传感器本身的材料和结构，信号检测系
统也是传感器性能的重要保证．国内外学者对电容式