МГТУ им. Н. Э. Баумана

*ООО «Цифровые решения»

Vlasov@iu4.bmstu.ru

Введение

Тактильные датчики широко применяются в робототехнике, биомедицине, в строительстве и на механических производствах – везде, где необходимо реагировать на физическое прикосновение или давление. На рисунке 1.1 отображен простой тактильный датчик, обеспечивающий функции включения-выключения, состоящий из двух проводящих слоёв и прокладки между ними. Внутри прокладки сделаны круглые (или любой другой необходимой формы) отверстия. Один из проводящих слоёв заземлён, а второй подключен к нагрузочному резистору. Когда к верхнему проводнику прикладывается внешняя сила над отверстием в прокладке, он прогибается и соприкасается с нижним проводником, тем самым устанавливая с ним электрический контакт, заземляющий нагрузочный резистор. При этом выходной сигнал становится равным нулю, что свидетельствует о приложенной силе.

Рисунок 1.1 – тактильный чувствительный элемент мембранного типа.

В рядя случаев требуется контролировать большое количество  чувствительных зон, и тогда, для дальнейшей обработки информации, параллельные сигналы с датчиков необходимо преобразовать в один последовательный сигнал. Для решения этой задачи удобно применить сдвиговый регистр и счётчик, разрядность которых соответствует количеству обрабатываемых входных сигналов. Структурная схема такого устройства показана на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 – структурная схема преобразователя параллельного кода

 в последовательный

32 постоянных сигнала («0» или «1») поступают на вход сдвигового регистра. Один сдвиг происходит по одному тактовому импульсу. Тактовые сигналы подсчитываются 32-х разрядным счётчиком. По приходу 32-ого импульса регистр и счётчик сбрасываются а со входов считывается следующий параллельный код. С выхода схемы поступает преобразованный последовательный код, начало и конец которого обозначается сигналом смены цикла преобразования.

2. Принципиальная электрическая схема и её особенности

Схема реализована для тридцати двух чувствительных элементов и построена из библиотечных элементов на КМОП-структурах. Сдвиговый регистр, показанный на структурной схеме (рис.2), состоит из D-триггеров, непосредственно обеспечивающих сдвиг информации, и из мультиплексоров, позволяющих схеме работать в двух режимах. В первом режиме происходит запись информации с параллельных входов. Во втором режиме происходит преобразование в последовательный код. Для сброса триггеров переключения мультиплексоров используется 32-х разрядный счётчик, что максимально увеличивает быстродействие схемы (при тактовой частоте 2 МГц один цикл обработки составляет 80 мкс).

Принципиальная схема всего устройства отображена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 – принципиальная схема устройства цифровой обработки сигналов тактильных датчиков

Большое количество буферов в схеме обусловлено нагрузочной способностью МДП-транзисторов – к буферу может быть подключено до 8 входов логических элементов без нарушения функционирования схемы.

3. Моделирование

Моделирование схемы устройства проводилось в программе S-Edit пакета TannerEDA. На рисунке 3.1 приведен элемент схемы, обработанной в этой программе. 

Рисунок 3.1 - схема моделирования устройства в пакете TannerEDA

Для проверки работоспособности микросхемы осуществлялась проверка в три цикла преобразования:

1 - на первый вход схемы подается логическая «1», на все остальные – логический «0». Таким образом, на выходе микросхемы эта логическая «1» должна появится на 31 такте (рис.3.2.а.).

2 - на чётные входы подается логический «0», на нечётные – логическая «1». На выходе должен наблюдаться последовательный код из чередующихся «0» и «1», при этом начинающийся с «0» и заканчивающийся «1» (рис.3.2.б.).

3 - на чётные входы подается логическую «1», на нечётные – логический «0». На выходе должен наблюдаться последовательный код из чередующихся «0» и «1», при этом начинающийся с «1» и заканчивающийся «0» (рис.3.2.в.). Временная диаграмма проверки схемы показана на рисунке 5.

Рисунок 3.2 - временная диаграмма работы преобразователя сигналов

4. Реализация на БИС

Для реализации использовался БМК серии 1806 и библиотечные логические элементы на КМОП-структурах с шириной затвора транзисторов 4.5 мкм и длиной затвора 50 мкм, 80 мкм и 200 мкм. Изготовленный кристалл показан на рисунке 6.

Рисунок 4.1 – Кристалл микросхемы

Для проверки работоспособности готовой схемы использовалась зондовая станция и определённое программное обеспечение. Тест для проверки был написан при помощи языка высокого уровня (VHDL) где в соответствие названиям входов и выходов ставились номера контактных площадок, задавались входные сигналы и формировались выходные сигналы 2-го уровня [3], то есть с учётом временных задержек всех логических элементов, используемых в схеме. При помощи зондовой станции на кристалл подаются входные воздействия, а снимаемые выходные сигналы сравниваются со сформированными программой – таким образом, отбираются годные и негодные кристаллы.

Выводы

Предложенная схема цифровой обработки сигналов тактильных чувствительных элементов мембранного типа позволяет преобразовать входной параллельный код в последовательный, что существенно упрощает дальнейшую передачу и обработку информации. Реализация схемы на КМОП-структурах в свою очередь позволяет снизить потребляемую мощность, повысить быстродействие, помехоустойчивость и почти полностью использовать напряжение питания.

Список литературы

1.         Ю.В. Новиков. Основы цифровой схемотехники. Базовые элементы и схемы. Методы проектирования. - Изд. Мир. 2001.

2.         Датчики и сенсоры электронный журнал [http://datchikisensor.narod.ru/084.html]. Проверено 28.01.2011.

3.         Ю.И.Нестеров, А.И.Власов, Б.Н.Першин Виртуальный измерительный комплекс// Датчики и системы. №4. 2000 - С.12-22.