以高整合度混合信號單片機實(shí)現橋式Force Sensor應用設計

1.    內容簡(jiǎn)介

在2015年，蘋(píng)果新一代的MacBook和Apple Watch皆搭載壓力觸控感應技術(shù)，它被Apple稱(chēng)為Force Touch，用戶(hù)每次按下觸摸板之后除了可以在屏幕看見(jiàn)視覺(jué)回饋，它同時(shí)能夠分辨出用戶(hù)點(diǎn)按的力度強弱來(lái)做出一系列的相關(guān)操控與應用。而本文將介紹以HY16F184內建高精密Sigma-delta 24 Bit ADC搭配HDK Force Sensor來(lái)實(shí)現一個(gè)類(lèi)似Force Touch應用電路。 在本文中的Force Touch應用電路上，主要的組件有：壓力傳感器(Force Sensor)、ADC和MCU控制芯片。 纮康HY16F184控制芯片內建高精密Sigma-delta 24 Bit ADC、可程序放大PGA和多段式穩壓輸出等功能，可以很大幅簡(jiǎn)化PCB周邊線(xiàn)路，精準完成由模擬到數字的訊號轉換。

在一個(gè)完整Force Touch實(shí)際應用上，除了需要考慮到X, Y軸坐標與Z軸強度計算，同時(shí)也需要考慮到電流消耗功率與掃瞄速度和校正的應用設計。而在本文內，只先探討與介紹如何使用HY16F184內建高精密Sigma-delta 24 Bit ADC來(lái)掃描四個(gè)Force Sensor并透過(guò)I2C通訊來(lái)輸出基本的ADC Raw Data。使用I2C轉USB網(wǎng)橋與計算機連接，由計算機端GUI做實(shí)時(shí)四個(gè)信道的ADC Raw Data數據變化量顯示。

2.    原理說(shuō)明

2.1.    量測原理

壓力傳感器（Force Sensor）是將物理壓力量轉換為電壓訊號，也可視為一個(gè)常見(jiàn)的Loadcell電路，即惠斯登電橋，如圖1所示。因為電橋上的4個(gè)電阻(阻值相同)，所以當有電壓施加在VIN+與VIN-兩端時(shí)V+ = V-，即電橋達到了平衡。

圖1 惠斯登電橋電路

此ΔR的變化量產(chǎn)生在訊號兩端的電壓變化為

本文Force Tocuh的基本架構如下圖2所示，包含四個(gè)壓力傳感器(Force Sensor)、ADC和MCU單芯片。當有重力施壓在壓力傳感器上時(shí), 壓力傳感器會(huì )將所得到的電壓訊號變化量，透過(guò)模擬數字轉換(ADC)給單芯片(MCU)做后端的訊號處理計算，最后再透過(guò)I2C通訊輸出數據。在本文中，使用到的壓力傳感器為HDK Force Sensor，詳細關(guān)于HDK Force Sensor規格如下圖3，MCU單芯片與ADC規格部份可以章節2.2介紹。

圖2 HY16F184 Force Touch基本架構應用圖

圖3 HDK Force Sesnor基本規格