CN211321316U - 基于复合介质层电容式柔性电路板触觉传感装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型所涉及一种基于复合介质层电容式柔性电路板触觉传感装置，包括微控制器，电容数字转换器，容性触觉传感阵列模块，模拟通道选择模块，系统电源模块以及外设接口电路。外设接口电路和系统电源模块分别与微控制器相互连接，电容数字转换器与微控制器相互连接，容性触觉传感阵列模块与电容数字转换器相互连接，模拟通道选择模块分别与微控制器连接，容性触摸传感阵列模块相互连接而构成。该装置采用行列结构的触觉传感器阵列化，通过逐一扫描每个触觉敏感单元以实现阵列化触觉感知，有利于提高检测精度，准确性及精密性。与此同时，根据不同应用场景，可通过FPC软排线拼接成不同大小、形状的电子皮肤，有利于实现大面积触觉感。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种柔性电路板技术领域的基于复合介质层电容式柔性电路板触觉传感装置。
背景技术
柔性电子学作为一门新兴学科因其具有化学、生物、物理、材料、电子等多学科高度交叉融合等特点，成为国内外学者关注的热点。作为柔性电子学的重要分支，柔性可穿戴电子器件是智能材料与传感器研究的最前沿方向之一，也是当代电子信息产业发展的新兴领域，在智能机器人、人造假肢、可穿戴电子设备以及医疗健康等诸多领域具有重要的应用价值。国内外关于电子皮肤触觉传感器已有较多研究，例如电阻式、压电式、光电式以及电容式等不同检测原理。传统触觉传感器件主要存在结构复杂以及检测精度低等弊端，同时难以实现准确、精密的触觉传感。
发明内容
有鉴于此，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种具有结构简单，有利于提高不同大小、形状的大面积触觉检测精度，准确性，及精密性的基于复合介质层电容式柔性电路板触觉传感装置。
为此解决上述技术问题，本实用新型中的技术方案所采用一种基于复合介质层电容式柔性电路板触觉传感装置，其包括微控制器，电容数字转换器，容性触觉传感阵列模块，模拟通道选择模块，系统电源模块以及外设接口电路；所述外设接口电路和系统电源模块分别与微控制器相互连接，所述的电容数字转换器与微控制器相互连接，所述容性触觉传感阵列模块与电容数字转换器相互连接，所述的模拟通道选择模块一端微控制器连接，而模拟通道选择模块与容性触摸传感阵列模块相互连接；所述微控制器包括型号为CC2530的芯片U1，设置于芯片U1上引脚1至引脚41，连接在引脚10至引脚21之间的并联连接的电容C1至电容C7，连接在引脚21上另一端的并联连接的电容C8和电感L1；连接在电感L1另一端的电压端，连接在引脚25上电容C9，连接在引脚26上的电容C12，连接在电容C9与电容C12之间的电感L3，连接在电感L3一端的电容C10，连接在电感L3上的电感L4，连接电感L3与电容C10之间的电感L2，连接在电感L3至电感L4之间的电容C13，连接在电容C10一端的电容C11，电容C14, 电容C15，所述电容C14和电容C15分别并联连接电容C10一端，而电容C11连接在电容C14与电容C15之间；连接在电容C11上的接口J5；连接在引脚33至引脚32之间的振动器Y1；连接在引脚22至引脚23之间的接口芯片U2，连接在引脚23尾端上的电容C17，连接在引脚40上电容C16，连接在引脚30上电阻R1。
进一步限定，所述电容数字转换器包括型号为AS7147-1的芯片U3，设置于芯片U3上的引脚1至引脚24，连接在引脚17上电阻R2，连接在引脚15上的电阻R3，连接在引脚13上的电阻R4，连接在引脚11上的电容C22，电容23，电容C22与电容23并联连接；连接在引脚10上的电容C21，连接引脚8上的接口J4。
进一步限定，所述容性触觉传感阵列模块包括行列式触觉传感阵列电路，串行总线式触觉传感阵列电路相互配合而构成，所述行列式触觉传感阵列电路包括型号为AD7147-1 CDC的芯片AC，连接在该芯片AC上的横向设置的横向引线，与芯片AC连接的型号为ADG734BRUZ的芯片BRUZ,连接在芯片BRUZ上的纵向设置的纵向引线，所述横向引线与纵向引线相互交错设置，连接在横向引线与纵向引线相交处的复数个电容；所述的串行总线式触觉传感阵列电路包括型号为CC253OF256的芯片ED，设置于芯片ED上的无线发射天线，分别连接在芯片ED上的复数个型号为AD7147-1 CDC #0的I2C芯片。
进一步限定，模拟通道选择模块包括型号为CD4067的十六选一模拟开关与型号为ADG734双路模拟开关相互配合构成；容性触觉传感阵列模块中下极板横向引线直接与I2C芯片容性输入连接，上极板纵向引线由十六选一模拟开关选通，同时配合双路模拟开关将上极板引线接GND 或SHIELD，从而实现每列所有行容性触觉信息检测。
本实用新型的有益技术效果：因本技术方案采用所述外设接口电路和系统电源模块分别与微控制器相互连接，所述的电容数字转换器与微控制器相互连接，所述容性触觉传感阵列模块与电容数字转换器相互连接，所述的模拟通道选择模块一端微控制器连接，而模拟通道选择模块与容性触摸传感阵列模块相互连接，而构成的所述柔性电路板触觉传感装置。该装置采用行列结构的触觉传感器阵列化设计，通过逐一扫描每个触觉敏感单元以实现阵列化触觉感知，有利于提高检测精度，准确性及精密性。与此同时，根据不同应用场景，可将电容式柔性触觉传感阵列通过FPC 软排线拼接成不同大小、形状的电子皮肤，有利于实现大面积触觉感。
下面结合附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
【附图说明】
图1为本实用新型中基于复合介质层电容式柔性电路板触觉传感装置的方框原理图；
图2为本实用新型中微控制器的电路图；
图3为本实用新型中电容数字转换器的电路图；
图4为本实用新型中行列式触觉传感阵列电路的电路图；
图5为本实用新型中串行总线式触觉传感阵列电路的背面示意图；
图6为本实用新型中十六选一模拟开关的电路图；
图7为本实用新型中ADG734双路模拟开关的电路图。
【具体实施方式】
为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
请参考图1至图7所示，下面结合实施例说明一种基于复合介质层电容式柔性电路板触觉传感装置，其包括微控制器，电容数字转换器，容性触觉传感阵列模块，模拟通道选择模块，系统电源模块以及外设接口电路。
所述微控制器包括型号为CC2530的芯片U1，设置于芯片U1上引脚1至引脚41，连接在引脚10至引脚21之间的并联连接的电容C1至电容C7，连接在引脚21上另一端的并联连接的电容C8和电感L1；连接在电感L1另一端的电压端，连接在引脚25上电容C9，连接在引脚26上的电容C12，连接在电容C9与电容C12之间的电感L3，连接在电感L3一端的电容C10，连接在电感L3上的电感L4，连接电感L3与电容C10之间的电感L2，连接在电感L3至电感L4之间的电容C13，连接在电容C10一端的电容C11，电容C14, 电容C15，所述电容C14和电容C15分别并联连接电容C10一端，而电容C11连接在电容C14与电容C15之间；连接在电容C11上的接口J5；连接在引脚33至引脚32之间的振动器Y1；连接在引脚22至引脚23之间的接口芯片U2，连接在引脚23尾端上的电容C17，连接在引脚40上电容C16，连接在引脚30上电阻R1。微控制器采用是德州仪器公司推出的支持Zig Bee/IEEE802.15.4/RF4CE协议的低功的型号为CC2530的芯片U1，又名为微处理器，外围硬件电路简单，只需要极少的分立元件，兼容8051CPU 内核，为便携式可穿戴系统设计提供了条件。
所述电容数字转换器包括型号为AS7147-1的芯片U3，设置于芯片U3上的引脚1至引脚24，连接在引脚17上电阻R2，连接在引脚15上的电阻R3，连接在引脚13上的电阻R4，连接在引脚11上的电容C22，电容23，电容C22与电容23并联连接；连接在引脚10上的电容C21，连接引脚8上的接口J4。在设计时，10路容性输入端 CINx（x=0,1…11）与电容式触觉传感阵列行信号相连接，I2C 串行总线时钟SCL端和数据SDA端分别与型号为CC2530的微控制器I/O 口中引脚P1_2和引脚P1_3相连接，电容数字转换器采用I2C通信协议实现电容模拟量与数字量转换，在进行AD7147-1软件驱动设计时，采用 I/O 口模拟 I2C 通信协议驱动电容数字转换器。
所述容性触觉传感阵列模块包括行列式触觉传感阵列电路，串行总线式触觉传感阵列电路相互配合而构成，所述行列式触觉传感阵列电路包括型号为AD7147-1 CDC的芯片AC，连接在该芯片AC上的横向设置的横向引线，与芯片AC连接的型号为ADG734BRUZ的芯片BRUZ,连接在芯片BRUZ上的纵向设置的纵向引线，所述横向引线与纵向引线相互交错设置，连接在横向引线与纵向引线相交处的复数个电容；所述的串行总线式触觉传感阵列电路包括型号为CC253OF256的芯片ED，设置于芯片ED上的无线发射天线，分别连接在芯片ED上的复数个型号为AD7147-1 CDC #0的I2C芯片。
模拟通道选择模块包括型号为CD4067的十六选一模拟开关与型号为ADG734双路模拟开关相互配合构成；容性触觉传感阵列模块中下极板横向引线直接与I2C芯片容性输入连接，上极板纵向引线由十六选一模拟开关选通，同时配合双路模拟开关将上极板引线接GND 或SHIELD，从而实现每列所有行容性触觉信息检测。基于电容数字转换器具有16 位CDC精度，13路容性输入，支持多路容性信息同时进行数字转换，为此，在进行容性触觉信息采集与处理系统设计时，可将电容式的柔性触觉传感阵列模块中各行容性输出信息分别接至电容数字转换器的容性输入端，并结合高性能、低功耗的微控制器，通过控制ADG734双路模拟开关依次选通10×10电容式柔性触觉传感阵列的列信号，可灵活实现阵列式容性触觉信息采集。同时，设计了基于 I2C 串行总线的容性触觉传感阵列信息采集与处理系统，其将电容式柔性触觉传感器与柔性基体进行一体化集成，并在阵列模块外围预留扩展接口，可灵活进行触觉传感模块的扩展。
本实施例中，柔性电路板触觉传感装置是由所述外设接口电路和系统电源模块分别与微控制器相互连接，所述的电容数字转换器与微控制器相互连接，所述容性触觉传感阵列模块与电容数字转换器相互连接，所述的模拟通道选择模块一端微控制器连接，而模拟通道选择模块与容性触摸传感阵列模块相互连接，构成的。
柔性电路板触觉传感装置工作流程为，首先，微控制器驱动模拟通道选择模块，扫描容性触觉传感阵列模块，容性触觉信息经电容数字转换器读取后通过I2C总线方式传至微控制器，通过依次改变模拟通道地址实现对容性触觉传感阵列模块的扫描。电容数据转换器内部设有I2C总线接口及片内环境自校准功能，在进行电容模拟量检测时引入有源交流屏蔽技术，很大程度上消除了电极引线、人体等对传感器性能的影响，此外，由于容性输入端与屏蔽电缆是同频同相信号，很大程度上消除了寄生电容，提升了测量结果的可靠性。
本实施例中，柔性电路板触觉传感装置还包括下位机采集容性触觉信息，上位机处理容性触觉信息两部分。下位机主要负责对容性触觉信息的采集，下位机工作流程：微控制器启动后，首先完成对系统工作模式初始化，比如，设置串口、I2C 串行总线、中断、AD7147-1 工作模式等，选通列地址，实时采集阵列数据，数据转换结束后触发中断请求，微控制器响应中断，将该列所有行容性信息进行保存，列地址递增，判断电容式柔性触觉传感阵列容性触觉信息采集完毕后，将容性触觉感知层信息通过串口通信方式发送至上位机，串口检测到下位机传输的数据后，接收数据并按照预定协议判断数据包是否有误，判断无误后进行数据解析，上位机接收到电容式柔性触觉传感阵列容性触觉信息后进行处理与分析。
综上所述，因本技术方案采用所述外设接口电路和系统电源模块分别与微控制器相互连接，所述的电容数字转换器与微控制器相互连接，所述容性触觉传感阵列模块与电容数字转换器相互连接，所述的模拟通道选择模块一端微控制器连接，而模拟通道选择模块与容性触摸传感阵列模块相互连接，而构成的所述柔性电路板触觉传感装置。该装置采用行列结构的触觉传感器阵列化设计，通过逐一扫描每个触觉敏感单元以实现阵列化触觉感知，有利于提高检测精度，准确性及精密性。在柔性基体设置 FPC 接口，根据不同应用场景，可将电容式柔性触觉传感阵列通过FPC 软排线拼接成不同大小、形状的电子皮肤，有利于实现大面积触觉感。
以上参照附图说明了本实用新型的优选实施例，并非因此局限本实用新型的权利范围。本领域技术人员不脱离本实用新型的范围和实质内所作的任何修改、等同替换和改进，均应在本实用新型的权利范围之内。
Claims (4)
1.一种基于复合介质层电容式柔性电路板触觉传感装置，其包括微控制器，电容数字转换器，容性触觉传感阵列模块，模拟通道选择模块，系统电源模块以及外设接口电路；其特征在于：所述外设接口电路和系统电源模块分别与微控制器相互连接，所述的电容数字转换器与微控制器相互连接，所述容性触觉传感阵列模块与电容数字转换器相互连接，所述的模拟通道选择模块一端微控制器连接，而模拟通道选择模块与容性触摸传感阵列模块相互连接；所述微控制器包括型号为CC2530的芯片U1，设置于芯片U1上引脚1至引脚41，连接在引脚10至引脚21之间的并联连接的电容C1至电容C7，连接在引脚21上另一端的并联连接的电容C8和电感L1；连接在电感L1另一端的电压端，连接在引脚25上电容C9，连接在引脚26上的电容C12，连接在电容C9与电容C12之间的电感L3，连接在电感L3一端的电容C10，连接在电感L3上的电感L4，连接电感L3与电容C10之间的电感L2，连接在电感L3至电感L4之间的电容C13，连接在电容C10一端的电容C11，电容C14, 电容C15，所述电容C14和电容C15分别并联连接电容C10一端，而电容C11连接在电容C14与电容C15之间；连接在电容C11上的接口J5；连接在引脚33至引脚32之间的振动器Y1；连接在引脚22至引脚23之间的接口芯片U2，连接在引脚23尾端上的电容C17，连接在引脚40上电容C16，连接在引脚30上电阻R1。
2.根据权利要求1所述一种基于复合介质层电容式柔性电路板触觉传感装置，其特征在于：所述电容数字转换器包括型号为AS7147-1的芯片U3，设置于芯片U3上的引脚1至引脚24，连接在引脚17上电阻R2，连接在引脚15上的电阻R3，连接在引脚13上的电阻R4，连接在引脚11上的电容C22，电容23，电容C22与电容23并联连接；连接在引脚10上的电容C21，连接引脚8上的接口J4。
3.根据权利要求1所述一种基于复合介质层电容式柔性电路板触觉传感装置，其特征在于：所述容性触觉传感阵列模块包括行列式触觉传感阵列电路，串行总线式触觉传感阵列电路相互配合而构成，所述行列式触觉传感阵列电路包括型号为AD7147-1 CDC的芯片AC，连接在该芯片AC上的横向设置的横向引线，与芯片AC连接的型号为ADG734BRUZ的芯片BRUZ,连接在芯片BRUZ上的纵向设置的纵向引线，所述横向引线与纵向引线相互交错设置，连接在横向引线与纵向引线相交处的复数个电容；所述的串行总线式触觉传感阵列电路包括型号为CC253OF256的芯片ED，设置于芯片ED上的无线发射天线，分别连接在芯片ED上的复数个型号为AD7147-1 CDC #0的I2C芯片。
4.根据权利要求1所述一种基于复合介质层电容式柔性电路板触觉传感装置，其特征在于：模拟通道选择模块包括型号为CD4067的十六选一模拟开关与型号为ADG734双路模拟开关相互配合构成；容性触觉传感阵列模块中下极板横向引线直接与I2C芯片容性输入连接，上极板纵向引线由十六选一模拟开关选通，同时配合双路模拟开关将上极板引线接GND或SHIELD，从而实现每列所有行容性触觉信息检测。
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|---|---|---|---|---|
| CN112741621A (zh) * | 2021-01-12 | 2021-05-04 | 深圳大学 | 一种基于电容传感器的姿势识别系统和方法 |
| CN113567752A (zh) * | 2021-07-22 | 2021-10-29 | 之江实验室 | 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 |
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| CN113567752A (zh) * | 2021-07-22 | 2021-10-29 | 之江实验室 | 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 |
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