Zusammenfassung: Durch die Kombination der multidimensionalen Kraftsensortechnologie des Labors für Robotersensorik des Hefei-Instituts für Intelligente Maschinen der Chinesischen Akademie der Wissenschaften mit dem neu eingeführten Mikrocontroller MSC1210 von TI lässt sich eine hochauflösende Erfassung kleinster Verschiebungen durch Roboter realisieren. Der Artikel stellt zunächst kurz die Strukturmerkmale von Mikroverschiebungssensoren vor und beschreibt anschließend detailliert die neuen Funktionen des MSC1210, wie Multiplexer, PGA und Filter, in Kombination mit praktischen Anwendungsbeispielen. Darauf aufbauend wird eine Hardwareplattform zur Mikroverschiebungserfassung entwickelt. Gleichzeitig wird eine intelligente Mensch-Maschine-Schnittstelle für das Sensorsystem entworfen, die es Anwendern ermöglicht, relevante Parameter wie Abtastrate und Filtermodell entsprechend ihren Anforderungen komfortabel auszuwählen, um zufriedenstellende Anwendungsergebnisse zu erzielen. Schlüsselwörter: Multidimensionaler Kraftsensor, MSC1210, Mikroverschiebungserfassung. Einleitung: Mikromanipulation findet in vielen Anwendungsbereichen Anwendung, insbesondere in Positionierungssystemen im Nano-Mikrometerbereich, die Sensoren zur Erfassung kleiner Kraft- und Verschiebungsinformationen benötigen [1]. Derzeit existieren zahlreiche Prinzipien zur Mikroverschiebungsmessung, darunter optische, magnetische, induktive, kapazitive und piezoelektrische [2,3]. Die meisten dieser Verfahren sind jedoch für Roboter ungeeignet, um kleine, mehrdimensionale Kraft- und Verschiebungsinformationen zu erfassen. Um den technisch ausgereiften mehrdimensionalen Kraftsensor für die Erfassung von Mikrokraft- und Mikroverschiebungsinformationen zu nutzen, modifizierte das Robot Sensor Laboratory des Hefei Institute of Intelligent Machines der Chinesischen Akademie der Wissenschaften die Strukturparameter des Sensors und nutzte die vielen neuen Funktionen des Mikrocontrollers Texas Instruments (TI) MSC1210, wie beispielsweise den integrierten 8-Kanal-24-Bit-Hochpräzisions-ΣΔ-A/D-Wandler, den programmierbaren Verstärker (PGA) und den Filter, um eine hochpräzise Kraft- und Verschiebungsmessung zu realisieren. Dieser Artikel erörtert die Anwendung hauptsächlich aus der Perspektive der Mikrocomputertechnik und möchte einen Beitrag zur Verbesserung der Integration, Auflösung, Stabilität und Mensch-Computer-Interaktion des Sensors leisten. 1 Merkmale des mehrdimensionalen Kraftsensors und Einführung in den MSC1210. Die Struktur des Mikro-Wegsensors basiert im Wesentlichen auf den Strukturmerkmalen des im Labor entwickelten sechsdimensionalen Handgelenk-Kraftsensors für Roboter und verwendet ebenfalls eine Doppel-E-Membranstruktur [4]. Zunächst wird mit dem verbesserten zweidimensionalen Kraftsensor die auf das Objekt wirkende Kraft in X- und Y-Richtung erfasst und anschließend in eine planare Weginformation umgewandelt. Gleichzeitig werden, basierend auf dem sechsdimensionalen Kraftsensor für Roboter, die relevanten Strukturparameter wie Messbereich und Empfindlichkeit angepasst, um die Erfassung kleiner Kraft- und Weginformationen zu ermöglichen. Texas Instruments hat mit dem MSC1210 einen neuen Hochleistungs-Mikroprozessor mit einem 24-Bit-A/D-Wandler auf den Markt gebracht [5]. Der MSC1210 bietet einige verbesserte Funktionen und eignet sich besonders zur Messung schwacher Signale, die von hochpräzisen Temperatur- und Drucksensoren ausgegeben werden. Der MSC1210 besteht im Wesentlichen aus einem erweiterten 8052-Mikrocontroller-Kern, Flash-Speicher, leistungsstarken Analogfunktionen und Peripheriegeräten. Der erweiterte 8052-Mikrocontroller-Kern verfügt über zwei Datenanzeigen und führt Befehle dreimal schneller aus als der Standard-8052-Kern. Diese MIPS-Funktion ermöglicht es Anwendern, Geschwindigkeit, Stromverbrauch und Rauschen an spezifische Anforderungen anzupassen. Abbildung 1 zeigt ein Blockdiagramm des MSC1210-ADC. [align=center] Abbildung 1: Blockdiagramm des MSC1210-ADC[/align] Das Herzstück des hochpräzisen Mikro-Wegsensor-Schaltungsmoduls ist der MSC1210-Mikrocontroller. Er übernimmt Funktionen wie Multiplexing schwacher Signale, Signalpufferung, PGA-Programmierung, 24-Bit-ΣΔ-A/D-Wandlung, digitale Filterung, Datenverarbeitung, Signalkalibrierung und UART-Kommunikation.[6] Im Folgenden wird die Verwendung eines Mikro-Wegsensors kurz erläutert. Der Eingangsmultiplexer MSC1210 ist flexibler als ein typischer ADC; jeder seiner Eingangspins kann für eine spezifische Messung als positiver oder negativer Eingang konfiguriert werden. Im Vergleich zur üblichen Eingangspaardefinition von Start-ADC-Komponenten ermöglicht der MSC1210 die Definition eines Pins als negativen und eines anderen als positiven Eingang, was die Designflexibilität erhöht. Ein Satz Brückenausgänge des Mikro-Wegsensors ist als ein differenzieller Eingang mit AIN0 und AIN1 des MSC1210-ADC verbunden; der andere Satz Brückenausgänge ist als zweiter differenzieller Eingang mit AIN2 und AIN3 des MSC1210-ADC verbunden. Das ADMUX-Register ist mit ADMUX=0x01 initialisiert. Laut Datenblatt des MSC1210 von TI reduzieren Eingangspuffer die Wahrscheinlichkeit von Offset-Fehlern bei ADC-Messungen. Sie sollten verwendet werden, wenn die Eigenschaften des Eingangssignals dies zulassen. Die einzige Situation, in der kein Eingangspuffer verwendet wird, ist, wenn die maximale Spannung an einem der analogen Eingänge mehr als 1,5 V unter der positiven Versorgungsspannung liegt. Ohne Puffer beträgt die Eingangsimpedanz des MSC1210 5 MΩ/PGA. Der Eingangsspannungsbereich verringert sich, während der Strom der analogen Stromversorgung ansteigt. In allen anderen Fällen wurde im Experiment auf die Pufferung verzichtet; stattdessen wurde das BUF-Bit im ADC-Steuerregister (ADCON0.3) gelöscht, wodurch die Pufferung deaktiviert wurde. Die Ergebnisse waren überraschend zufriedenstellend, mit minimalen Änderungen der Nullpunktabweichung des Sensors. Die Verstärkung des programmierbaren Verstärkers (PGA) kann auf 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 oder 128 eingestellt werden. Der Einsatz eines PGA kann die effektive Auflösung des ADC deutlich verbessern. Die Verstärkungseinstellung muss jedoch angemessen sein, da sonst Rauschen verstärkt wird. Im Experiment wurde die Verstärkung des Mikro-Wegsensors auf 64 eingestellt (genauer: die Verstärkung des PGA des MSC1210-ADC). Der digitale Filter des MSC1210 verfügt über drei Modi: Schnell-Setup, sinc2 und sinc3 sowie einen Automatikmodus. Nach Änderungen des Eingangskanals oder des PGA passt der Automatikmodus den Sinc-Filter optimal an. Nach dem Wechsel zu einem neuen Kanal wird für die nächsten zwei Wandlungen ein Schnell-Setup-Filter verwendet, wobei die erste Wandlung verworfen wird. Anschließend werden die Filter sinc2 und danach sinc3 eingesetzt, um das Rauschverhalten zu verbessern. Dieses Verfahren kombiniert das geringe Rauschen des sinc3-Filters mit der schnellen Reaktionszeit des Filters mit kurzer Erholungszeit. Der Sinc-Filter in digitalen Filtern ist ein FIR-Filter, der häufig in ΔΣ-ADCs verwendet wird. Bei einer abrupten Änderung des Eingangskanals benötigt der Ausgang Zeit, um den neuen Eingang korrekt darzustellen. Die benötigte Zeit hängt vom verwendeten Filtertyp ab. sinc2 steht typischerweise für eine Datenausgabezeit von 2 Perioden, sinc3 für 3 Perioden und andere für 1 Periode. Vereinfacht ausgedrückt: Bei Verwendung eines sinc3-Filters sind die ersten drei abgetasteten Datenausgänge nach einem Wechsel des Eingangskanals unbrauchbar und müssen verworfen werden; nur die vierten Ausgabedaten sind verwendbar. Dies ist entscheidend. Der MSC1210 kann entweder eine interne oder eine externe Referenzspannung verwenden. Die Standardeinstellung für die Referenzspannung beim Einschalten ist intern 2,5 V. Die Referenzspannung kann über das ADCON0-Register ausgewählt werden. Im Experiment wurde die interne Referenzspannung aktiviert und durch Setzen von ADCON0.4 (VREFH) auf 1,25 V eingestellt. Wichtig: Die Aktivierung der internen VREF ersetzt nicht die externen Verbindungen. Der REFOUT-Pin muss weiterhin mit VREF+ und VREF- weiterhin mit AGND verbunden sein, damit die interne VREF korrekt funktioniert. Aus Platzgründen werden hier keine weiteren Funktionen des MSC1210-ADC beschrieben. 2. Hardwareaufbau des Sensors Aufgrund der hohen Integration des MSC1210-ADC ist das Hardwaresystem sehr einfach. Abbildung 2 zeigt einen Ausschnitt des Mikro-Wegsensors. Der Dehnungsmessstreifen ist mittels eines speziellen Verfahrens und in einer bestimmten Ausrichtung auf die Oberfläche der E-förmigen Membran geklebt und bildet so zwei automatisch entkoppelte Wheatstone-Vollbrückenschaltungen als analoge Ausgänge der Rohkraftinformationen. Eine kleine Leiterplatte ist in einer kreisförmigen Öffnung platziert. [align=center] Abbildung 2 Ausschnitt des Sensors[/align] Abbildung 3 zeigt den Schaltplan des Versuchssystems. Das Versuchssystem besteht im Wesentlichen aus dem Sensorkörper (Ausgang des analogen Rohsignals), dem MSC1210-Kern, der seriellen Kommunikationsschaltung und einem PC. Wie bereits erwähnt, ist ein Satz Brückenausgänge des Mikro-Wegsensors als Differenzeingang mit AIN0 und AIN1 des MSC1210-ADC verbunden. Der zweite Satz Brückenausgänge ist als zweiter Differenzeingang mit AIN2 und AIN3 des MSC1210-ADC verbunden. Der MSC1210 kommuniziert über RS232 mit dem PC, um Informationen anzuzeigen und ihn zu steuern. [align=center] Abbildung 3: Schaltplan der Sensorsystem-Schaltung[/align] 3 Software-Design des MSC1210-Datenerfassungssystems Die Einstellungen der verschiedenen Steuerwörter des MSC1210-ADC beeinflussen die endgültige Auflösung und Stabilität des Sensors maßgeblich. Beispielsweise werden die Verwendung des Eingangspuffers, die Auswahl der programmierbaren Verstärkerverstärkung, die Wahl der Modulator-Taktfrequenz (die die analoge Abtastrate bestimmt) und die Auswahl des Filtermodells usw. nicht gleichzeitig festgelegt. Einige Parameter erfordern wiederholte Kombinationen und Versuche, um zufriedenstellende Ergebnisse zu erzielen. Um zu vermeiden, dass das Programm nach jeder Änderung erneut in den Flash-Speicher heruntergeladen werden muss, wird die Initialisierung des MSC1210-ADC vor dem Betrieb vollständig vom PC gesteuert. Zunächst überträgt der PC alle notwendigen Steuerinformationen über die serielle Schnittstelle an den MSC1210. Dieser initialisiert anschließend den Analog-Digital-Wandler (ADC). Konkret sendet der PC sechs Bytes an den MSC1210, die das Filtermodell, ACLK, die Abtastwerte in den Registern ADCON2 und ADCON3, die Verzögerung nach der Änderung des analogen Eingangskanals, die Anzahl der zu verwerfenden Datenausgabezyklen und die Verstärkung des programmierbaren Verstärkers enthalten. Daraufhin startet der MSC1210 die ADC-Initialisierung. Im Normalbetrieb betrachtet der MSC1210 die aktuellen und nachfolgenden Ausgabedaten als gültig, sobald die voreingestellte Anzahl der zu verwerfenden Datenausgabezyklen überschritten wird. Die Daten werden jedoch nicht sofort an den PC gesendet, sondern der analoge Eingangskanal wird umgehend geändert, die Ausgabe des vorherigen Eingangskanals ungültig gemacht und der nächste Datenausgabezyklus gestartet. Der Arbeitsablauf des MSC1210 lässt sich anhand von Abbildung 4 veranschaulichen. [align=center]Abbildung 4: Arbeitsablauf des MSC1210[/align] Neben der Initialisierung des MSC1210-ADC ist der PC primär für die grafische Echtzeitdarstellung der vom MSC1210 über die RS232-Schnittstelle gesendeten Daten an einer geeigneten Stelle im Fenster zuständig. Der MSC1210 sendet jeweils 4 Bytes an den PC. Diese 4 Bytes sind wie folgt definiert: Das erste Byte repräsentiert die Sensorkanalnummer; 0 steht für den Differenzeingang zwischen AIN0 und AIN1 (X-dimensionale Information); 1 steht für den Differenzeingang zwischen AIN2 und AIN3 (Y-dimensionale Information). Die letzten drei Bytes sind die 24-Bit-Binärdarstellung der Ausgabedaten, also das Konvertierungsergebnis des MSC1210-ADC. Wenn der PC-Verarbeitungsprozess erkennt, dass der Eingangspuffer voll ist (4 Byte), liest er die Daten aus dem Puffer und leert ihn gleichzeitig. Nach der Kanalidentifizierung anhand des ersten Bytes werden die Daten in einen Spannungswert umgewandelt und an der entsprechenden Position angezeigt (Einheit: mV). Zwei grafische Anzeigebereiche werden im Fenster geöffnet, um die Signaländerungen auf der X- und Y-Achse in Echtzeit darzustellen. Um kleinste Signaländerungen besser beobachten zu können, bietet der Prozess eine Vergrößerungsfunktion. Die Vergrößerung kann wahlweise auf 12,5x oder 125x eingestellt werden. Abbildung 5 zeigt die Schnittstelle zwischen PC und MSC1210. [align=center]Abbildung 5: Datenausgabe des Mikro-Wegsensors im Betrieb[/align] 4 Experimentelle Ergebnisse Nach wiederholten Versuchen und unter Berücksichtigung praktischer Anforderungen wurde die Datenausgaberate des Mikro-Wegsensors schließlich auf 10 Hz mit einer Auflösung von bis zu 15 Bit eingestellt. Dies führte zu hoher Stabilität und guten Ergebnissen. Die relevanten Parameter wurden wie folgt gewählt: Das Filtermodell des MSC1210 war sinc3, ACLK war auf 1 gesetzt, der Abtastwert in den Registern ADCON2 und ADCON3 wurde auf 1080 eingestellt, der analoge Eingangspuffer war deaktiviert und nach dem Wechsel des analogen Eingangskanals wurden drei Datenausgabezyklen verworfen. Es wurde eine interne Selbstkalibrierung von Offset und Verstärkung verwendet. Abbildung 5 zeigt die grafische Darstellung der Datenausgabe des Mikro-Wegsensors während des Betriebs. Die beiden Kurven stellen die Kraft auf der X- bzw. Y-Achse dar. Die Weginformation lässt sich anhand der Kraftinformation leicht berechnen. Basierend auf der am Labor für Robotiksensorik des Hefei-Instituts für Intelligente Maschinen der Chinesischen Akademie der Wissenschaften entwickelten Technologie für mehrdimensionale Kraftsensoren, zeichnet sich dieser Mikro-Wegsensor durch die Nutzung der Vorteile des MSC1210 aus, wie z. B. geringe Größe, hohe Auflösung und gute Stabilität. Der Mikrocontroller MSC1210 ist ein vollständiges SoC-System, ein leistungsstarker Datenerfassungschip, der in den Bereichen Instrumentierung, Messtechnik, Steuerung und Navigation vielseitig eingesetzt werden kann. Referenzen: 1 Xiong Xingguo, Lu Deren. Balance test method for micro-force and micro-displacement. Journal of Sensor Technology, 1997(6) 2 Hong Yue, Jin Shiliang. Development of a new type of micro-displacement capacitive sensor. Journal of Shanghai University, 1995(12)1610 3 Sawada R, Higurashi E. Integrated micro-displacement sensor that can be built into mini 3dimensional actuator stage. Broadband Optical Networks and Technologies: An Emerging Reality/Optical MEMS/Smart Pixels/Organic Optics and Optoelectronics. 1998 IEEE/LEOS Summer Topical Meetings 4 Wu Zhongcheng. Research on design and signal analysis method of multidimensional force sensor: [Doctoral dissertation]. Peking: Institut für Plasmaphysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften, 2001. 5 Texas Instruments. MSC1210 Benutzerhandbuch. 200212. 6 Hu Yongjian, Wang Xiaomei. Mehrkanaliges, hochpräzises Temperaturerfassungssystemmodul basierend auf MSC1210. Electronic Technology Application, 2003(7). 7 Texas Instruments. MSC1210 Datenblatt. 200203. Shen Chunshan: Masterstudent, Forschungsschwerpunkt: Robotersensoren. Ge Yunjian: Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Doktorvater, Forschungsschwerpunkt: Roboter und Robotersensoren, Virtual-Reality-Technologie, Informationserfassung und -verarbeitung, Datenbanken und Wissensgewinnung und -anwendung.