在现代机械系统中，由于机械结构日益复杂——即自由度增加——以及对工作场所安全的高度重视，准确感知和报告力或扭矩的能力变得越来越关键。随着系统变得更加动态和互动，精确的力测量既能保证作效率，也能保护操作员的安全。一种广泛采用的力感测方法是使用应变计电阻器，能够检测机械部件中的微小变形。这些电阻通常配置在惠斯通桥电路中，以提高灵敏度和精度。当桥梁进行电偏置时，会产生一个差分输出信号，反映桥梁所承受的机械应变。该信号随后可传输至电子控制单元（ECU），实现实时监控和响应控制作。这种传感技术的整合是智能、安全且适应性强的机械系统发展的基础。虽然基于应变计的力感测的基本原理相对简单，但其实际应用存在若干挑战，必须谨慎解决以确保可靠性。一个关键问题是惠斯通桥电路的正确偏置和连接，这对于产生可用的差分输出信号至关重要。由于应变计变形的特性，该输出通常相对于偏置电压非常小，因此极易受到电噪声的影响。这种噪声可以通过附近电子系统的电容或电感耦合引入，尤其是在高积分密度的环境中。随着机械和电子系统的不断发展，集成通常与执行器共址，并在信号传输和电源时共用共用总线，进一步复杂化了噪声管理和信号完整性。为了在所有工作条件和系统状态下保持准确且一致的性能，需要最先进的接口设备。该装置必须在与中央控制单元保持稳健通信的同时，能够高水平放大弱
NCV7192 已被专门设计，以满足当今日益复杂且电气噪声环境的需求。其设计特点包括低噪声放大器和高品质、多功能输出驱动器，使其非常适合精密力传感应用。该器件支持两种不同的输出模式：可以将测量数据输出为连续的模拟电压，也可以输出为数字 SENT（单沿半字传输）信号，为集成到各种控制系统中提供了灵活性。这种标准协议在现代系统中尤为重要，因为传感器和执行器通常密集布置，并且常共享用于通信和电源的中央线束。因此，保持信号完整性和准确性显得尤为关键。SENT（单沿半字传输）协议，根据 SAE J2716 标准，是一种单向、低成本、高分辨率的数字通信协议，主要用于汽车传感器到 ECU 的数据传输。以下是其信号形态、成本优势及电磁兼容 (EMC) 特点的概述：
• 信号形态与编码SENT 使用脉宽调制（PWM）将数据编码为半字（4 位一组）。每个半字的传输方式如下：♦ 固定宽度低电平脉冲（通常以“刻度”数表示，持续时间范围为 3 到 90 个刻度）♦ 随后为可变宽度高电平脉冲，总下降沿间隔时间范围为 12 到 27 个刻度，表示的数值从 0 到 15每个消息帧都以一个 56 个计时脉冲的同步/校准脉冲开始，使接收器能够确定计时脉冲的时间并适应高达 ±25% 的时钟变化。典型的 SENT 消息包括一个状态半字节、最多 6 个数据半字节（总共 24 位）、一个 CRC 半字节以及一个可选的暂停脉冲以标准化消息间隔。• 成本效率SENT 设计以硬件高效为目标：♦ 仅需三根线 V）和接地。♦ 由于其对时钟变化的容忍度，可使用低成本 RC 振荡器运行。♦ 避免了复杂收发器或双向通信的需求，降低了系统复杂性。♦ 无需 ADC，因为它能将数字数据直接从智能传感器传输到通用微控制器的数字输入。• 电磁兼容性（EMC）SENT 对电磁干扰具有很强的抗干扰能力，原因包括：♦ 信号过阻尼过渡（上升/下降时间比 PWM 长），降低高频发射。♦ 使用脉宽编码而非基于边沿的编码，使其对噪声不敏感。♦ 单向传输，避免了双向协议的复杂性和潜在 EMC 问题。这些特性使 SENT 特别适合苛刻的汽车环境，例如具有高 EMI 水平的发动机舱。本文件旨在指导读者完成从概念到实现的完整设计周期，目标是使用 NCV7192 作为核心组件实现顶级力传感器解决方案。
步骤 2：电气连接 将传感器桥的四个端子按如下方式连接到 NCV7192 接口： • SN（Sensor North，桥正电源端子） • SS（Sensor South，桥负电源端子） • SE（Sensor East，负输入端子） • SW（Sensor West，正输入端子） 确保 SN 与 SS 之间的总阻抗为 1 k 或以上，以保证正常操作和信号完整性。为了利用完整的诊断标志，需要将连接接到 SS，而不是接地。
步骤 3：电源去耦 在以下引脚上安装去耦电容： • VCC（电源电压）到 GND • OUT（输出信号）到 GND 使用高品质、寄生特性低的陶瓷电容器，以最小化噪声、提高稳定性并增强防静电能力。
步骤 4：信号估算和增益配置 估算桥的最大预期输出信号，包括过应变条件的裕量。根据该估算，确定合适的增益设置，并在 NCV7192 的非易失性存储器（NVM）中进行配置。
步骤 5：信号采集和数字处理 模拟放大后，信号由内部 ADC 采样。DSP 部分补偿非线性和温度变化。如有必要，可进行额外的数字放大以优化信号分辨率，并将输出信号放大到最大动态范围。
步骤 6：输出信号配置 根据系统架构和通信需求，定义所需的输出模式——模拟电压或 SENT（单边拾取传输）： • 模拟输出：提供最快响应，仅受 ADC 采样速率限制 • SENT 输出：提供数字通信，更新速率较慢，取决于所选的传输速率 如果可接受或需要降低响应速度，可启用 DSP 内可配置的数字低通滤波器以平滑输出信号。使用灵敏度非常低的应变计时，DSP 低通滤波器也可帮助降低噪声。根据需求，模拟输出可加载额外的滤波器。
步骤7：传感器校准与系统集成 根据目标应用的具体要求校准传感器。模块的编程可以通过其输出进行，无论配置了何种输出模式。校准完成后，将传感器集成到最终系统组件中。步骤8：最终连接与抗干扰考虑 就电源和输出连接而言，传感器到控制器单元的连接可以达到几米长度。对于向同一控制器单元提供信号的多个传感器，应保持传感器与接收控制单元之间的三信号连接，以维持抗干扰能力，并充分利用传感器的全部电磁兼容（EMC）性能。图2中对此进行了说明。
本示例的目标是演示：• 一个简单但精确的力感测系统• 在0−10 kg范围内可实现的精度• 使用低灵敏度惠斯通桥的噪声性能• 当惠斯通桥灵敏度低于数据手册建议值时，NCV7192的表现
本设计中的称重传感器（SEN-21669 − SparkFun Electronics）使用四个应变计组成完整的惠斯通电桥。其总电阻为1 kΩ，数据手册中标称灵敏度为1 ±0.1 mV/Vbdr。在我们的实验中，实测灵敏度为1.071 mV/Vbdr，仅使用了ADC输入范围的22%。通过数字信号处理（DSP）校准系数，可以在数字域中恢复满量程分辨率。带有SENT的系统原理图如图4所示，带有模拟输出的系统原理图如图5所示。模拟输出通路采用了一个简单的RC低通滤波器，由510欧电阻和100 nF电容组成，截止频率为3.12 kHz。该滤波器能够抑制高频噪声，同时保留较快的阶跃响应。如果不需要亚毫秒响应，进一步降低截止频率可以提高噪声性能和电磁干扰（EMI）抗扰能力。
对于数字输出，SENT接口直接将校准的重量代码传递给主微控制器。当需要同时进行温度测量时，我们建议使用外部NTC传感器。这种方法实现了优越的温度精度，特别是在低电阻桥中。
为了通过SENT输出测量性能，设备经过校准，使得0 kg对应代码50，10 kg对应代码4050。一个实际的物理负载被连接到钩子上。结果如表1所示：
对于使用模拟输出的性能测量，设备的比率输出被校准为：0 kg时10%，10 kg时90%。设备提供了一个精确的5.000 V电压源。表2详细列出了结果：
SENT 噪声在 700 帧上使用 3 µs 的滴答时间进行评估。噪声性能在没有任何负载的情况下测量，或通过外部高值电阻不平衡桥梁，避免了悬挂重量带来的机械噪声对结果的影响。电气噪声是主要关注点。表 3 和图 7 展示了结果。
噪声结果表明，使用低灵敏度桥时，噪声显著影响未滤波信号。我们建议对低电平输入进行一些DSP滤波。如果使用高灵敏度（需要较低模拟前增益）的惠斯登桥，噪声变得微不足道。
步响应仅针对模拟输出进行捕获，因为模拟输出提供近乎瞬时的信号变化，而SENT帧涉及慢速数字编码，导致更高的延迟（一个包含温度的3 μs-SENT帧约为800 μs长，而95 μs的模拟采样周期）。测量使用了图9中的输入电路；图5中的3.12 kHz输出滤波器影响最小。此测试说明在需要高带宽时可用的响应时间，即使负载传感器本身不需要高带宽。
NCV7192 的集成到力传感器（称重秤）架构中展示了出色的性能，验证了其在精密传感应用中的适用性。通过仔细选择最佳组件并配置系统以实现最小噪声和最大信号完整性，所得到的力传感器可以实现卓越的精度。在这个参考设计中，我们配对了低灵敏度的桥接，低于数据表推荐值，仍然实现了 0.09% 或更好的精度。这种高水平的准确性，加上 NCV7192 的强大信号处理能力和紧凑的占地面积，使其能够无缝集成到多样化的传感器和执行器生态系统中。无论是在汽车、工业还是机器人环境中部署，该解决方案都提供了可扩展性、可靠性和成本效益，使其成为下一代传感平台的有力选择。
