一、引言

在現(xiàn)代機(jī)械系統(tǒng)中，由于機(jī)械結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜——即自由度增加——以及對工作場所安全的高度重視，準(zhǔn)確感知和報(bào)告力或扭矩的能力變得越來越關(guān)鍵。隨著系統(tǒng)變得更加動態(tài)和互動，精確的力測量既能保證作效率，也能保護(hù)操作員的安全。一種廣泛采用的力感測方法是使用應(yīng)變計(jì)電阻器，能夠檢測機(jī)械部件中的微小變形。這些電阻通常配置在惠斯通橋電路中，以提高靈敏度和精度。當(dāng)橋梁進(jìn)行電偏置時(shí)，會產(chǎn)生一個(gè)差分輸出信號，反映橋梁所承受的機(jī)械應(yīng)變。該信號隨后可傳輸至電子控制單元（ECU），實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和響應(yīng)控制作。這種傳感技術(shù)的整合是智能、安全且適應(yīng)性強(qiáng)的機(jī)械系統(tǒng)發(fā)展的基礎(chǔ)。雖然基于應(yīng)變計(jì)的力感測的基本原理相對簡單，但其實(shí)際應(yīng)用存在若干挑戰(zhàn)，必須謹(jǐn)慎解決以確保可靠性。一個(gè)關(guān)鍵問題是惠斯通橋電路的正確偏置和連接，這對于產(chǎn)生可用的差分輸出信號至關(guān)重要。由于應(yīng)變計(jì)變形的特性，該輸出通常相對于偏置電壓非常小，因此極易受到電噪聲的影響。這種噪聲可以通過附近電子系統(tǒng)的電容或電感耦合引入，尤其是在高積分密度的環(huán)境中。隨著機(jī)械和電子系統(tǒng)的不斷發(fā)展，集成傳感器的數(shù)量將增加——不僅提升功能，還能在安全關(guān)鍵應(yīng)用中提供冗余。這些傳感器通常與執(zhí)行器共址，并在信號傳輸和電源時(shí)共用共用總線，進(jìn)一步復(fù)雜化了噪聲管理和信號完整性。為了在所有工作條件和系統(tǒng)狀態(tài)下保持準(zhǔn)確且一致的性能，需要最先進(jìn)的接口設(shè)備。該裝置必須在與中央控制單元保持穩(wěn)健通信的同時(shí)，能夠高水平放大弱傳感器信號，從而在日益復(fù)雜和噪聲較大的環(huán)境中保持測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖1. 機(jī)器人手臂的插圖照片

二、芯片介紹

NCV7192 已被專門設(shè)計(jì)，以滿足當(dāng)今日益復(fù)雜且電氣噪聲環(huán)境的需求。其設(shè)計(jì)特點(diǎn)包括低噪聲放大器和高品質(zhì)、多功能輸出驅(qū)動器，使其非常適合精密力傳感應(yīng)用。該器件支持兩種不同的輸出模式：可以將測量數(shù)據(jù)輸出為連續(xù)的模擬電壓，也可以輸出為數(shù)字 SENT（單沿半字傳輸）信號，為集成到各種控制系統(tǒng)中提供了靈活性。這種標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議在現(xiàn)代系統(tǒng)中尤為重要，因?yàn)閭鞲衅骱蛨?zhí)行器通常密集布置，并且常共享用于通信和電源的中央線束。因此，保持信號完整性和準(zhǔn)確性顯得尤為關(guān)鍵。SENT（單沿半字傳輸）協(xié)議，根據(jù) SAE J2716 標(biāo)準(zhǔn)，是一種單向、低成本、高分辨率的數(shù)字通信協(xié)議，主要用于汽車傳感器到 ECU 的數(shù)據(jù)傳輸。以下是其信號形態(tài)、成本優(yōu)勢及電磁兼容 (EMC) 特點(diǎn)的概述：

? 信號形態(tài)與編碼
SENT 使用脈寬調(diào)制（PWM）將數(shù)據(jù)編碼為半字（4 位一組）。每個(gè)半字的傳輸方式如下：
? 固定寬度低電平脈沖（通常以“刻度”數(shù)表示，持續(xù)時(shí)間范圍為 3 到 90 個(gè)刻度）
? 隨后為可變寬度高電平脈沖，總下降沿間隔時(shí)間范圍為 12 到 27 個(gè)刻度，表示的數(shù)值從 0 到 15每個(gè)消息幀都以一個(gè) 56 個(gè)計(jì)時(shí)脈沖的同步/校準(zhǔn)脈沖開始，使接收器能夠確定計(jì)時(shí)脈沖的時(shí)間并適應(yīng)高達(dá) ±25% 的時(shí)鐘變化。典型的 SENT 消息包括一個(gè)狀態(tài)半字節(jié)、最多 6 個(gè)數(shù)據(jù)半字節(jié)（總共 24 位）、一個(gè) CRC 半字節(jié)以及一個(gè)可選的暫停脈沖以標(biāo)準(zhǔn)化消息間隔。

? 成本效率
SENT 設(shè)計(jì)以硬件高效為目標(biāo)：
? 僅需三根線：信號、供電（5 V）和接地。
? 由于其對時(shí)鐘變化的容忍度，可使用低成本 RC 振蕩器運(yùn)行。
? 避免了復(fù)雜收發(fā)器或雙向通信的需求，降低了系統(tǒng)復(fù)雜性。
? 無需 ADC，因?yàn)樗軐?shù)字?jǐn)?shù)據(jù)直接從智能傳感器傳輸?shù)酵ㄓ梦⒖刂破鞯臄?shù)字輸入。

? 電磁兼容性（EMC）
SENT 對電磁干擾具有很強(qiáng)的抗干擾能力，原因包括：
? 信號過阻尼過渡（上升/下降時(shí)間比 PWM 長），降低高頻發(fā)射。
? 使用脈寬編碼而非基于邊沿的編碼，使其對噪聲不敏感。
? 單向傳輸，避免了雙向協(xié)議的復(fù)雜性和潛在 EMC 問題。

這些特性使 SENT 特別適合苛刻的汽車環(huán)境，例如具有高 EMI 水平的發(fā)動機(jī)艙。本文件旨在指導(dǎo)讀者完成從概念到實(shí)現(xiàn)的完整設(shè)計(jì)周期，目標(biāo)是使用 NCV7192 作為核心組件實(shí)現(xiàn)頂級力傳感器解決方案。

三、分步設(shè)計(jì)階段

步驟 1：橋式元件選擇
根據(jù)機(jī)械和電氣要求選擇合適的應(yīng)變計(jì)橋。可使用的力傳感器或稱重傳感器示例：
? FC23 ? TE Connectivity
? FX29 ? TE Connectivity
? FSG 系列力傳感器（例如 FSG020WNPB）? 霍尼韋爾
? A 系列應(yīng)變計(jì) ? Hottinger Brüel & Kjaer
? LCL 系列全橋薄梁測力計(jì)（例如 LCL-816G）? Omega
? SGT-4/1000-FB11 ? Omega
? SEN-21669 ? SparkFun Electronics

步驟 2：電氣連接 將傳感器橋的四個(gè)端子按如下方式連接到 NCV7192 接口： ? SN（Sensor North，橋正電源端子） ? SS（Sensor South，橋負(fù)電源端子） ? SE（Sensor East，負(fù)輸入端子） ? SW（Sensor West，正輸入端子） 確保 SN 與 SS 之間的總阻抗為 1 k 或以上，以保證正常操作和信號完整性。為了利用完整的診斷標(biāo)志，需要將連接接到 SS，而不是接地。

步驟 3：電源去耦 在以下引腳上安裝去耦電容： ? VCC（電源電壓）到 GND ? OUT（輸出信號）到 GND 使用高品質(zhì)、寄生特性低的陶瓷電容器，以最小化噪聲、提高穩(wěn)定性并增強(qiáng)防靜電能力。

步驟 4：信號估算和增益配置 估算橋的最大預(yù)期輸出信號，包括過應(yīng)變條件的裕量。根據(jù)該估算，確定合適的增益設(shè)置，并在 NCV7192 的非易失性存儲器（NVM）中進(jìn)行配置。

步驟 5：信號采集和數(shù)字處理 模擬放大后，信號由內(nèi)部 ADC 采樣。DSP 部分補(bǔ)償非線性和溫度變化。如有必要，可進(jìn)行額外的數(shù)字放大以優(yōu)化信號分辨率，并將輸出信號放大到最大動態(tài)范圍。

步驟 6：輸出信號配置 根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)和通信需求，定義所需的輸出模式——模擬電壓或 SENT（單邊拾取傳輸）： ? 模擬輸出：提供最快響應(yīng)，僅受 ADC 采樣速率限制 ? SENT 輸出：提供數(shù)字通信，更新速率較慢，取決于所選的傳輸速率 如果可接受或需要降低響應(yīng)速度，可啟用 DSP 內(nèi)可配置的數(shù)字低通濾波器以平滑輸出信號。使用靈敏度非常低的應(yīng)變計(jì)時(shí)，DSP 低通濾波器也可幫助降低噪聲。根據(jù)需求，模擬輸出可加載額外的濾波器。

步驟7：傳感器校準(zhǔn)與系統(tǒng)集成 根據(jù)目標(biāo)應(yīng)用的具體要求校準(zhǔn)傳感器。模塊的編程可以通過其輸出進(jìn)行，無論配置了何種輸出模式。校準(zhǔn)完成后，將傳感器集成到最終系統(tǒng)組件中。

步驟8：最終連接與抗干擾考慮 就電源和輸出連接而言，傳感器到控制器單元的連接可以達(dá)到幾米長度。對于向同一控制器單元提供信號的多個(gè)傳感器，應(yīng)保持傳感器與接收控制單元之間的三信號連接，以維持抗干擾能力，并充分利用傳感器的全部電磁兼容（EMC）性能。圖2中對此進(jìn)行了說明。

圖2： 傳感器連接到控制器單元（接收模塊）的框圖

四、設(shè)計(jì)示例：使用NCV7192和稱重傳感器的10 kg秤

本示例的目標(biāo)是演示：
? 一個(gè)簡單但精確的力感測系統(tǒng)
? 在0?10 kg范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)的精度
? 使用低靈敏度惠斯通橋的噪聲性能
? 當(dāng)惠斯通橋靈敏度低于數(shù)據(jù)手冊建議值時(shí)，NCV7192的表現(xiàn)

圖 3. 組裝稱重秤的照片

本設(shè)計(jì)中的稱重傳感器（SEN-21669 ? SparkFun Electronics）使用四個(gè)應(yīng)變計(jì)組成完整的惠斯通電橋。其總電阻為1 kΩ，數(shù)據(jù)手冊中標(biāo)稱靈敏度為1 ±0.1 mV/Vbdr。在我們的實(shí)驗(yàn)中，實(shí)測靈敏度為1.071 mV/Vbdr，僅使用了ADC輸入范圍的22%。通過數(shù)字信號處理（DSP）校準(zhǔn)系數(shù)，可以在數(shù)字域中恢復(fù)滿量程分辨率。帶有SENT的系統(tǒng)原理圖如圖4所示，帶有模擬輸出的系統(tǒng)原理圖如圖5所示。模擬輸出通路采用了一個(gè)簡單的RC低通濾波器，由510歐電阻和100 nF電容組成，截止頻率為3.12 kHz。該濾波器能夠抑制高頻噪聲，同時(shí)保留較快的階躍響應(yīng)。如果不需要亞毫秒響應(yīng)，進(jìn)一步降低截止頻率可以提高噪聲性能和電磁干擾（EMI）抗擾能力。

圖 4. 使用 SENT 輸出的稱重傳感器原理圖

圖5. 使用模擬輸出的稱重傳感器原理圖

對于數(shù)字輸出，SENT接口直接將校準(zhǔn)的重量代碼傳遞給主微控制器。當(dāng)需要同時(shí)進(jìn)行溫度測量時(shí)，我們建議使用外部NTC傳感器。這種方法實(shí)現(xiàn)了優(yōu)越的溫度精度，特別是在低電阻橋中。

五、性能分析

1. SENT輸出精度

為了通過SENT輸出測量性能，設(shè)備經(jīng)過校準(zhǔn)，使得0 kg對應(yīng)代碼50，10 kg對應(yīng)代碼4050。一個(gè)實(shí)際的物理負(fù)載被連接到鉤子上。結(jié)果如表1所示：

表1. 使用SENT輸出測量重量精度

2. 模擬輸出精度

對于使用模擬輸出的性能測量，設(shè)備的比率輸出被校準(zhǔn)為：0 kg時(shí)10%，10 kg時(shí)90%。設(shè)備提供了一個(gè)精確的5.000 V電壓源。表2詳細(xì)列出了結(jié)果：

表2. 使用模擬輸出測量重量精度

3. SENT 噪聲性能

SENT 噪聲在 700 幀上使用 3 μs 的滴答時(shí)間進(jìn)行評估。噪聲性能在沒有任何負(fù)載的情況下測量，或通過外部高值電阻不平衡橋梁，避免了懸掛重量帶來的機(jī)械噪聲對結(jié)果的影響。電氣噪聲是主要關(guān)注點(diǎn)。表 3 和圖 7 展示了結(jié)果。

表 3. 使用 SENT 輸出與 DSP 濾波器設(shè)置的噪聲性能

圖 6. 使用 SENT 輸出的 DSP 濾波器 (step_filt) 設(shè)置 0、2、5 和 9 的噪聲直方圖

圖7. DSP濾波器 (step_filt) 設(shè)置0和2的輸出噪聲捕獲，交流耦合

噪聲結(jié)果表明，使用低靈敏度橋時(shí)，噪聲顯著影響未濾波信號。我們建議對低電平輸入進(jìn)行一些DSP濾波。如果使用高靈敏度（需要較低模擬前增益）的惠斯登橋，噪聲變得微不足道。

4. 步響應(yīng) (模擬)

步響應(yīng)僅針對模擬輸出進(jìn)行捕獲，因?yàn)槟M輸出提供近乎瞬時(shí)的信號變化，而SENT幀涉及慢速數(shù)字編碼，導(dǎo)致更高的延遲（一個(gè)包含溫度的3 μs-SENT幀約為800 μs長，而95 μs的模擬采樣周期）。測量使用了圖9中的輸入電路；圖5中的3.12 kHz輸出濾波器影響最小。此測試說明在需要高帶寬時(shí)可用的響應(yīng)時(shí)間，即使負(fù)載傳感器本身不需要高帶寬。

圖8. NCV7192輸入階段的示意圖，用于測量步響應(yīng)

兩個(gè)參數(shù)被測量：

? 從輸出階躍的10%到90%的上升時(shí)間

? 從輸入階躍邊緣到輸出的90%的延遲

表5. 使用模擬輸出與DSP濾波器設(shè)置的階躍響應(yīng)

圖9. DSP濾波器設(shè)置 (step_filt) 0, 1 和 2 的階躍響應(yīng)

圖 10. DSP 濾波器設(shè)置 (step_filt) 3、4 和 5 的階躍響應(yīng)

圖 11. DSP 濾波器設(shè)置 (step_filt) 6、7、8 和 9 的階躍響應(yīng)

六、結(jié)論

NCV7192 的集成到力傳感器（稱重秤）架構(gòu)中展示了出色的性能，驗(yàn)證了其在精密傳感應(yīng)用中的適用性。通過仔細(xì)選擇最佳組件并配置系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)最小噪聲和最大信號完整性，所得到的力傳感器可以實(shí)現(xiàn)卓越的精度。在這個(gè)參考設(shè)計(jì)中，我們配對了低靈敏度的橋接，低于數(shù)據(jù)表推薦值，仍然實(shí)現(xiàn)了 0.09% 或更好的精度。這種高水平的準(zhǔn)確性，加上 NCV7192 的強(qiáng)大信號處理能力和緊湊的占地面積，使其能夠無縫集成到多樣化的傳感器和執(zhí)行器生態(tài)系統(tǒng)中。無論是在汽車、工業(yè)還是機(jī)器人環(huán)境中部署，該解決方案都提供了可擴(kuò)展性、可靠性和成本效益，使其成為下一代傳感平臺的有力選擇。