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摘 要：当前，热触觉的研究越来越受到重视。本文使用双重热源代替单热源，建立二阶温度模型，来复现手指接触到多种不同物质时的温度变化情况。本装置以TI公司的双核芯片OMAP-L138为主控制器，该芯片由ARM9-AM1808和DSP-C6748构成。双核之间通过DSPLINK进行相互通信。比之单热源系统，双重热源系统具有更好的升降温速率和抗干扰性，能更好的复现热触觉。
关键词：热触觉；双重热源；双核系统；抗干扰性
一、 引言
自从人们发明了电视、电话等工具之后，远地方之间的通信变得越来越方便。然而，在目前的通信工程中，只能传输音频和视觉信息，而触觉、嗅觉和味觉都还不能够被传输[1]。触觉作为第三种多媒体信息载体，实现它的传输以进一步增强通信的真实感越来越有必要。热触觉是在接触过程中产生的温度觉，主要是指当皮肤接触到物体时，由于温度觉感受器的温度变化所引起的温度觉变化而产生的感觉。实现热触觉的复现可以帮助人们区分不同热属性的物体，体验到在虚拟环境下逼真的冷热感，还可以帮助人们合理地规避极端冷或极端热的危险，实现导航功能。
本文针对热触觉的以上功能，研制了一种新型的复合帕尔贴热触觉复现装置。该装置以手指接触到不同热属性的物质，其表面温度变化理论模型为原理，通过在半导体制冷器表面产生一定的温度波形来实现温度触觉的复现。
二、 温度复现模型
一般情况下，手指皮肤的温度处于25 ℃到36 ℃的范围内，通常要比周围环境中遇到的物体的温度要高。当手指皮肤和物体接触时，两者之间所发生的热交互是瞬态变化的，实质为热流量从温度高的手指传导到温度低的物体上，表现形式为温度的变化[2]。热量通过接触界面从手指流向物体，而接触界面对热量的流动具有一定的阻碍作用，我们将这种阻碍能力定义为接触热阻。
三、 复合帕尔贴热触觉复现装置
复合帕尔贴热触觉复现装置主要由电源模块、微控制器模块、温度测量模块、双层帕尔贴模块和制冷制热切换模块组成。电源模块为系统的其他模块提供所需的电压。微控制器模块负责整个装置状态的控制以及数据量的读取和处理，并最终给出所需的控制量，是整个系统装置的核心部分。温度測量模块负责测量手指温度、上层帕尔贴温度和下层帕尔贴温度。双层帕尔贴模块作为装置的双重热源，均具有升温和降温的功能，并且流经它们的电流被微控制器所控制着。制冷制热切换模块负责控制双层帕尔贴模块，包括启动、制冷、制热和关闭。
（一）微控制器
由于热触觉对于计算量有着很高的要求，并且温度瞬间变化具有很强的敏感性，这就要求系统控制器能够实时读取温度值，并且对这些数据快速计算处理，给出控制参数。我们考虑使用ARM+DSP的双核芯片来作为系统的主控制器。OMAP-L138就是这样一款低功耗，兼具DSP的高数字信号处理性能和精简指令计算机（RISC）技术的双核处理器[4]。其中ARM上运行Linux操作系统，负责非实时性的任务，本系统中即是负责人机交互、读取传感器测得的数据、向DSP发送数据等任务；DSP上运行DSP/BIOS操作系统，负责高强度的数据实时处理计算，本系统中即是循环地接收从ARM传来的数据，进行计算处理。双核之间通过DSPLINK进行相互通信。
核心板的尺寸为55mm*33mm，额定输入电压为5V，额定输入电流为280mA，额定功率只为1.4W。
（二）温度传感电路
由于手指与上层帕尔贴、上层帕尔贴与下层帕尔贴之间都是紧密接触，所以需要接触式温度传感器来测量温度，本文选择自制的薄膜式铂丝电阻温度传感器来测量温度。
铂电阻在0℃的标称电阻值是100Ω，其稳定性和线性都比较好，可以工作在-200℃至650℃的范围。其电阻阻值与温度的变化关系为： （9）
其中α=0.00392，R0为100Ω（在0℃的电阻值），T为摄氏温度。
两个铂丝电阻与另外两个高精度的100Ω的电阻形成桥路，差动放大后的输出电压经AD620AN调理放大后，交由与主板相连的AD7606进行数据的采集，最后由主板计算出温度的大小。
（三）帕尔贴
帕尔贴，又称半导体制冷片，是一种热电转换装置。当有电流经过时，除了产生焦耳热之后，它的一端会制冷，另一端会制热，这种现象被称为帕尔贴效应。制冷端吸收的热量为。其中分别代表单位时间帕尔贴冷端吸收的热量、塞贝克系数、流经帕尔贴的电流和帕尔贴热端的温度。
双层帕尔贴的连接方式类似于并联，上层帕尔贴的制热端与下层帕尔贴的制冷端用导热硅胶黏合在一起，并与其中放置一个铂丝温度传感器。与并联不同的是，两层帕尔贴分别有着不同的输入电流。
（四）制冷制热切换装置
我们使用TA7257P来实现帕尔贴制冷制热切换，其功能特性[5]：
1.TA7257P为全桥式结构的电流电动机控制器，具有正转、反转、停止及刹车功能；
2.操作电压范围6V～18V；
3.输出平均电流可达1.5A，峰值电流可达4.5A；
四、 实验
我们选取的复现的物质包括铝、不锈钢、大理石、陶瓷、有机玻璃、纸板和泡沫。复合帕尔贴装置复现这些不同热属性物质的温度波形的过程如下：温度传感器每隔200ms测量一次上层帕尔贴表面温度，并将测量值发送给双核处理器OMAP-L138，DSP-C6748按所需产生波形的要求，计算出测得值与理论值之间的差值，从而进一步计算出控制量电流I的大小。根据控制量电流I的大小调节帕尔贴两端的电压的有效值，控制帕尔贴的升降温速率，从而达到上层帕尔贴表面输出所需温度波形的目的。
五、 结束语
本论文研发的复合帕尔贴虚拟环境热触觉复现装置的软硬件设计合理，数据采集正确，算法可靠，能够很好地复现多种不同材料的热触觉。
参考文献：
[1] 杨文珍， 高曙明， 万华根，等. 基于人手指力学特性的虚拟手接触力生成[J]. 浙江大学学报：工学版， 2009， 42（12）：2145-2150.
[2] 吴剑进. 温度触觉复现装置的研制与应用[D]：[硕士学位论文]. 南京：东南大学仪器科学与工程学院，2011.
关键词：热触觉；双重热源；双核系统；抗干扰性
一、 引言
自从人们发明了电视、电话等工具之后，远地方之间的通信变得越来越方便。然而，在目前的通信工程中，只能传输音频和视觉信息，而触觉、嗅觉和味觉都还不能够被传输[1]。触觉作为第三种多媒体信息载体，实现它的传输以进一步增强通信的真实感越来越有必要。热触觉是在接触过程中产生的温度觉，主要是指当皮肤接触到物体时，由于温度觉感受器的温度变化所引起的温度觉变化而产生的感觉。实现热触觉的复现可以帮助人们区分不同热属性的物体，体验到在虚拟环境下逼真的冷热感，还可以帮助人们合理地规避极端冷或极端热的危险，实现导航功能。
本文针对热触觉的以上功能，研制了一种新型的复合帕尔贴热触觉复现装置。该装置以手指接触到不同热属性的物质，其表面温度变化理论模型为原理，通过在半导体制冷器表面产生一定的温度波形来实现温度触觉的复现。
二、 温度复现模型
一般情况下，手指皮肤的温度处于25 ℃到36 ℃的范围内，通常要比周围环境中遇到的物体的温度要高。当手指皮肤和物体接触时，两者之间所发生的热交互是瞬态变化的，实质为热流量从温度高的手指传导到温度低的物体上，表现形式为温度的变化[2]。热量通过接触界面从手指流向物体，而接触界面对热量的流动具有一定的阻碍作用，我们将这种阻碍能力定义为接触热阻。
三、 复合帕尔贴热触觉复现装置
复合帕尔贴热触觉复现装置主要由电源模块、微控制器模块、温度测量模块、双层帕尔贴模块和制冷制热切换模块组成。电源模块为系统的其他模块提供所需的电压。微控制器模块负责整个装置状态的控制以及数据量的读取和处理，并最终给出所需的控制量，是整个系统装置的核心部分。温度測量模块负责测量手指温度、上层帕尔贴温度和下层帕尔贴温度。双层帕尔贴模块作为装置的双重热源，均具有升温和降温的功能，并且流经它们的电流被微控制器所控制着。制冷制热切换模块负责控制双层帕尔贴模块，包括启动、制冷、制热和关闭。
（一）微控制器
由于热触觉对于计算量有着很高的要求，并且温度瞬间变化具有很强的敏感性，这就要求系统控制器能够实时读取温度值，并且对这些数据快速计算处理，给出控制参数。我们考虑使用ARM+DSP的双核芯片来作为系统的主控制器。OMAP-L138就是这样一款低功耗，兼具DSP的高数字信号处理性能和精简指令计算机（RISC）技术的双核处理器[4]。其中ARM上运行Linux操作系统，负责非实时性的任务，本系统中即是负责人机交互、读取传感器测得的数据、向DSP发送数据等任务；DSP上运行DSP/BIOS操作系统，负责高强度的数据实时处理计算，本系统中即是循环地接收从ARM传来的数据，进行计算处理。双核之间通过DSPLINK进行相互通信。
核心板的尺寸为55mm*33mm，额定输入电压为5V，额定输入电流为280mA，额定功率只为1.4W。
（二）温度传感电路
由于手指与上层帕尔贴、上层帕尔贴与下层帕尔贴之间都是紧密接触，所以需要接触式温度传感器来测量温度，本文选择自制的薄膜式铂丝电阻温度传感器来测量温度。
铂电阻在0℃的标称电阻值是100Ω，其稳定性和线性都比较好，可以工作在-200℃至650℃的范围。其电阻阻值与温度的变化关系为： （9）
其中α=0.00392，R0为100Ω（在0℃的电阻值），T为摄氏温度。
两个铂丝电阻与另外两个高精度的100Ω的电阻形成桥路，差动放大后的输出电压经AD620AN调理放大后，交由与主板相连的AD7606进行数据的采集，最后由主板计算出温度的大小。
（三）帕尔贴
帕尔贴，又称半导体制冷片，是一种热电转换装置。当有电流经过时，除了产生焦耳热之后，它的一端会制冷，另一端会制热，这种现象被称为帕尔贴效应。制冷端吸收的热量为。其中分别代表单位时间帕尔贴冷端吸收的热量、塞贝克系数、流经帕尔贴的电流和帕尔贴热端的温度。
双层帕尔贴的连接方式类似于并联，上层帕尔贴的制热端与下层帕尔贴的制冷端用导热硅胶黏合在一起，并与其中放置一个铂丝温度传感器。与并联不同的是，两层帕尔贴分别有着不同的输入电流。
（四）制冷制热切换装置
我们使用TA7257P来实现帕尔贴制冷制热切换，其功能特性[5]：
1.TA7257P为全桥式结构的电流电动机控制器，具有正转、反转、停止及刹车功能；
2.操作电压范围6V～18V；
3.输出平均电流可达1.5A，峰值电流可达4.5A；
四、 实验
我们选取的复现的物质包括铝、不锈钢、大理石、陶瓷、有机玻璃、纸板和泡沫。复合帕尔贴装置复现这些不同热属性物质的温度波形的过程如下：温度传感器每隔200ms测量一次上层帕尔贴表面温度，并将测量值发送给双核处理器OMAP-L138，DSP-C6748按所需产生波形的要求，计算出测得值与理论值之间的差值，从而进一步计算出控制量电流I的大小。根据控制量电流I的大小调节帕尔贴两端的电压的有效值，控制帕尔贴的升降温速率，从而达到上层帕尔贴表面输出所需温度波形的目的。
五、 结束语
本论文研发的复合帕尔贴虚拟环境热触觉复现装置的软硬件设计合理，数据采集正确，算法可靠，能够很好地复现多种不同材料的热触觉。
参考文献：
[1] 杨文珍， 高曙明， 万华根，等. 基于人手指力学特性的虚拟手接触力生成[J]. 浙江大学学报：工学版， 2009， 42（12）：2145-2150.
[2] 吴剑进. 温度触觉复现装置的研制与应用[D]：[硕士学位论文]. 南京：东南大学仪器科学与工程学院，2011.