以高整合度混合信號單片機實現橋式Force Sensor應用設計

1.    內容簡介

在2015年，蘋果新一代的MacBook和Apple Watch皆搭載壓力觸控感應技術，它被Apple稱為Force Touch，用戶每次按下觸摸板之后除了可以在屏幕看見視覺回饋，它同時能夠分辨出用戶點按的力度強弱來做出一系列的相關操控與應用。而本文將介紹以HY16F184內建高精密Sigma-delta 24 Bit ADC搭配HDK Force Sensor來實現一個類似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，可以很大幅簡化PCB周邊線路，精準完成由模擬到數字的訊號轉換。

在一個完整Force Touch實際應用上，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來掃描四個Force Sensor并透過I2C通訊來輸出基本的ADC Raw Data。使用I2C轉USB網橋與計算機連接，由計算機端GUI做實時四個信道的ADC Raw Data數據變化量顯示。

2.    原理說明

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，也可視為一個常見的Loadcell電路，即惠斯登電橋，如圖1所示。因為電橋上的4個電阻(阻值相同)，所以當有電壓施加在VIN+與VIN-兩端時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, 壓力傳感器會將所得到的電壓訊號變化量，透過模擬數字轉換(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