一、引言

在現(xiàn)代機械系統(tǒng)中，由于機械結構日益復雜——即自由度增加——以及對工作場所安全的高度重視，準確感知和報告力或扭矩的能力變得越來越關鍵。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，也能保護操作員的安全。一種廣泛采用的力感測方法是使用應變計電阻器，能夠檢測機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。當橋梁進行電偏置時，會產生一個差分輸出信號，反映橋梁所承受的機械應變。該信號隨后可傳輸至電子控制單元（ECU），實現(xiàn)實時監(jiān)控和響應控制作。這種傳感技術的整合是智能、安全且適應性強的機械系統(tǒng)發(fā)展的基礎。雖然基于應變計的力感測的基本原理相對簡單，但其實際應用存在若干挑戰(zhàn)，必須謹慎解決以確保可靠性。一個關鍵問題是惠斯通橋電路的正確偏置和連接，這對于產生可用的差分輸出信號至關重要。由于應變計變形的特性，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，還能在安全關鍵應用中提供冗余。這些傳感器通常與執(zhí)行器共址，并在信號傳輸和電源時共用共用總線，進一步復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)下保持準確且一致的性能，需要最先進的接口設備。該裝置必須在與中央控制單元保持穩(wěn)健通信的同時，能夠高水平放大弱傳感器信號，從而在日益復雜和噪聲較大的環(huán)境中保持測量數(shù)據的準確性。

圖1. 機器人手臂的插圖照片

二、芯片介紹

NCV7192 已被專門設計，以滿足當今日益復雜且電氣噪聲環(huán)境的需求。其設計特點包括低噪聲放大器和高品質、多功能輸出驅動器，使其非常適合精密力傳感應用。該器件支持兩種不同的輸出模式：可以將測量數(shù)據輸出為連續(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。這種標準協(xié)議在現(xiàn)代系統(tǒng)中尤為重要，因為傳感器和執(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確性顯得尤為關鍵。SENT（單沿半字傳輸）協(xié)議，根據 SAE J2716 標準，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)據傳輸。以下是其信號形態(tài)、成本優(yōu)勢及電磁兼容 (EMC) 特點的概述：

? 信號形態(tài)與編碼
SENT 使用脈寬調制（PWM）將數(shù)據編碼為半字（4 位一組）。每個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)時間范圍為 3 到 90 個刻度）
? 隨后為可變寬度高電平脈沖，總下降沿間隔時間范圍為 12 到 27 個刻度，表示的數(shù)值從 0 到 15每個消息幀都以一個 56 個計時脈沖的同步/校準脈沖開始，使接收器能夠確定計時脈沖的時間并適應高達 ±25% 的時鐘變化。典型的 SENT 消息包括一個狀態(tài)半字節(jié)、最多 6 個數(shù)據半字節(jié)（總共 24 位）、一個 CRC 半字節(jié)以及一個可選的暫停脈沖以標準化消息間隔。

? 成本效率
SENT 設計以硬件高效為目標：
? 僅需三根線：信號、供電（5 V）和接地。
? 由于其對時鐘變化的容忍度，可使用低成本 RC 振蕩器運行。
? 避免了復雜收發(fā)器或雙向通信的需求，降低了系統(tǒng)復雜性。
? 無需 ADC，因為它能將數(shù)字數(shù)據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的抗干擾能力，原因包括：
? 信號過阻尼過渡（上升/下降時間比 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)動機艙。本文件旨在指導讀者完成從概念到實現(xiàn)的完整設計周期，目標是使用 NCV7192 作為核心組件實現(xiàn)頂級力傳感器解決方案。

三、分步設計階段

步驟 1：橋式元件選擇
根據機械和電氣要求選擇合適的應變計橋?？墒褂玫牧鞲衅骰蚍Q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 系列應變計 ? Hottinger Brüel & Kjaer
? LCL 系列全橋薄梁測力計（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，橋負電源端子） ? SE（Sensor East，負輸入端子） ? 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、寄生特性低的陶瓷電容器，以最小化噪聲、提高穩(wěn)定性并增強防靜電能力。

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

步驟 5：信號采集和數(shù)字處理 模擬放大后，信號由內部 ADC 采樣。DSP 部分補償非線性和溫度變化。如有必要，可進行額外的數(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 根據系統(tǒng)架構和通信需求，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，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速度，可啟用 DSP 內可配置的數(shù)字低通濾波器以平滑輸出信號。使用靈敏度非常低的應變計時，DSP 低通濾波器也可幫助降低噪聲。根據需求，模擬輸出可加載額外的濾波器。

步驟7：傳感器校準與系統(tǒng)集成 根據目標應用的具體要求校準傳感器。模塊的編程可以通過其輸出進行，無論配置了何種輸出模式。校準完成后，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到幾米長度。對于向同一控制器單元提供信號的多個傳感器，應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、設計示例：使用NCV7192和稱重傳感器的10 kg秤

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

圖 3. 組裝稱重秤的照片

本設計中的稱重傳感器（SEN-21669 ? SparkFun Electronics）使用四個應變計組成完整的惠斯通電橋。其總電阻為1 kΩ，數(shù)據手冊中標稱靈敏度為1 ±0.1 mV/Vbdr。在我們的實驗中，實測靈敏度為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）校準系數(shù)，可以在數(shù)字域中恢復滿量程分辨率。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，同時保留較快的階躍響應。如果不需要亞毫秒響應，進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接口直接將校準的重量代碼傳遞給主微控制器。當需要同時進行溫度測量時，我們建議使用外部NTC傳感器。這種方法實現(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，設備經過校準，使得0 kg對應代碼50，10 kg對應代碼4050。一個實際的物理負載被連接到鉤子上。結果如表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，設備的比率輸出被校準為：0 kg時10%，10 kg時90%。設備提供了一個精確的5.000 V電壓源。表2詳細列出了結果：

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 的滴答時間進行評估。噪聲性能在沒有任何負載的情況下測量，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械噪聲對結果的影響。電氣噪聲是主要關注點。表 3 和圖 7 展示了結果。

表 3. 使用 SENT 輸出與 DSP 濾波器設置的噪聲性能

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

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

噪聲結果表明，使用低靈敏度橋時，噪聲顯著影響未濾波信號。我們建議對低電平輸入進行一些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 (模擬)

步響應僅針對模擬輸出進行捕獲，因為模擬輸出提供近乎瞬時的信號變化，而SENT幀涉及慢速數(shù)字編碼，導致更高的延遲（一個包含溫度的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可用的響應時間，即使負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

兩個參數(shù)被測量：

? 從輸出階躍的10%到90%的上升時間

? 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濾波器設置的階躍響應

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

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

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

六、結論

NCV7192 的集成到力傳感器（稱重秤）架構中展示了出色的性能，驗證了其在精密傳感應用中的適用性。通過仔細選擇最佳組件并配置系統(tǒng)以實現(xiàn)最小噪聲和最大信號完整性，所得到的力傳感器可以實現(xiàn)卓越的精度。在這個參考設計中，我們配對了低靈敏度的橋接，低于數(shù)據表推薦值，仍然實現(xiàn)了 0.09% 或更好的精度。這種高水平的準確性，加上 NCV7192 的強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)還是機器人環(huán)境中部署，該解決方案都提供了可擴展性、可靠性和成本效益，使其成為下一代傳感平臺的有力選擇。