平衡評估壓力傳感陣列的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

郭立泉， 王計(jì)平， 熊大曦

(1.中國科學(xué)院 蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所，江蘇 蘇州 215163； 2.江蘇省醫(yī)用光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 蘇州 215163)

設(shè)計(jì)與制造

平衡評估壓力傳感陣列的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

郭立泉1,2， 王計(jì)平1,2， 熊大曦1,2

(1.中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所，江蘇蘇州215163；2.江蘇省醫(yī)用光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇蘇州215163)

針對康復(fù)醫(yī)學(xué)中對坐位、站位、臥位等多種精細(xì)壓力分布及壓力平衡評估的需要，采用高密度的壓力傳感陣列作為傳感器，提出了一種超多通道壓力傳感陣列的高速數(shù)據(jù)采集方法，并給出了具體電路實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)對實(shí)時(shí)采集到的壓力傳感陣列數(shù)據(jù)進(jìn)行壓力分布測試，結(jié)果顯示：對于站位(足底)壓力評估的2 288個(gè)傳感陣列單個(gè)壓力墊，系統(tǒng)每秒實(shí)時(shí)采集壓力分布圖100幀以上；對于臥位(平躺)的4個(gè)壓力墊，每秒實(shí)時(shí)采集壓力分布圖25幀以上，均可以動態(tài)實(shí)時(shí)顯示壓力分布的變化，滿足精細(xì)壓力分布檢測和評估系統(tǒng)的需要。

壓力傳感器陣列; 壓力分布; 高速采集; 平衡評估

0 引 言

平衡評估可以有效地了解康復(fù)訓(xùn)練情況和訓(xùn)練效果，從而有針對性地改進(jìn)康復(fù)訓(xùn)練過程，因此，對肢體運(yùn)動功能的患者，具有非常重要的意義[1,2]。

目前,臨床上常用的基于光學(xué)的圖像檢測和識別系統(tǒng)，由于肢體重疊遮擋等原因，在坐位、站位、臥位等體位的壓力分布檢測中，存在較大誤差，無法做到精細(xì)檢測。同時(shí)，光學(xué)檢測系統(tǒng)存在體積大、成本高、空間需求大、使用不方便等缺點(diǎn)[3,4]。

本文提出了一種基于高密度壓力傳感陣列的精細(xì)壓力分布實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)，并給出了具體電路實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)和測試結(jié)果表明：系統(tǒng)可以動態(tài)、實(shí)時(shí)檢測2 288個(gè)以上壓力傳感陣列的壓力分布，實(shí)現(xiàn)精細(xì)壓力分布和平衡評估。

1 系統(tǒng)基本原理

高密度壓力傳感陣列示意如圖1所示，橫向m行傳感器，縱向n列傳感器，共m×n個(gè)壓力傳感點(diǎn)。橫向和縱向的傳感器均由納米力敏性材料均勻印制在基墊上[5]。對于每個(gè)壓力傳感點(diǎn)，壓力變化時(shí)，對應(yīng)的電阻器阻值發(fā)生相應(yīng)變化。因此，通過設(shè)計(jì)高速掃描的數(shù)據(jù)采集電路，實(shí)時(shí)采集各個(gè)壓力傳感點(diǎn)的電阻值，即可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式或?qū)嶒?yàn)擬合公式計(jì)算出各個(gè)壓力傳感點(diǎn)壓力值的大小[6]。

對于坐位(臀部)或站位(足底)的壓力分布檢測系統(tǒng)，采用薄膜式高密度壓力傳感墊，橫向44行，縱向52列，共2 288個(gè)壓力傳感點(diǎn)，壓力墊大小為30 cm×35 cm，壓力傳感點(diǎn)間距為5 mm×5 mm，可以進(jìn)行精細(xì)的壓力分布和平衡分析。對于臥位(平躺)的壓力分布檢測，采用4個(gè)壓力墊拼接組成更大面積的壓力傳感陣列。

圖1 壓力傳感陣列示意

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)框圖如圖2所示，主要包括高速掃描檢測電路、信號調(diào)理電路、高速數(shù)據(jù)采集電路、高速USB通信電路以及數(shù)據(jù)采集與處理程序等幾個(gè)部分。

圖2 壓力傳感陣列高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖

2.2 高速掃描檢測電路

對2 288個(gè)壓力傳感點(diǎn)，必須設(shè)計(jì)高速的通道掃描切換電路，才能實(shí)時(shí)檢測出所有通道的壓力動態(tài)變化。本文運(yùn)用高速模擬開關(guān)組成橫向和縱向高速模擬開關(guān)陣列和，由微控制器STM32的I/O口驅(qū)動開關(guān)進(jìn)行通道選擇，將2 288路壓力信號轉(zhuǎn)換為1路電阻信號，進(jìn)行高速切換檢測，設(shè)計(jì)可大大簡化后續(xù)信號調(diào)理電路和數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)。

高速掃描檢測電路如圖3所示，文中僅只給出了前8路橫向、前8路縱向高速模擬開關(guān)的電路。

圖3 橫向和縱向高速模擬開關(guān)(前8路)

2.3 信號調(diào)理電路

將電阻信號轉(zhuǎn)換為AD檢測范圍內(nèi)的電壓信號，并進(jìn)行信號放大、阻抗匹配等。

為了可以在壓力分布圖上通過不同顏色和分辨能力顯示各個(gè)傳感點(diǎn)的壓力分布，設(shè)計(jì)了如圖4所示的高精度DAC電路。由STM32通過SPI接口控制16位的高精度DAC進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，輸出可調(diào)的穩(wěn)定的電壓，并經(jīng)電壓跟隨器電路進(jìn)行信號調(diào)理，作為電阻采集電路的電壓基準(zhǔn)。根據(jù)實(shí)際壓力信號的強(qiáng)弱，調(diào)節(jié)電壓基準(zhǔn)值，使得最終采集的電壓值和壓力值幅度可以調(diào)節(jié)。

圖4 16位高精度DAC和信號調(diào)理電路

信號調(diào)理電路采用精密電阻器R與壓力傳感點(diǎn)的電阻器R＇ 進(jìn)行電阻分壓，由歐姆定律知R＇=V/(Vref-V)×R。電壓信號與地組成偽差分信號，差分輸入可以使電路只對差模信號放大，而對共模輸入信號只起跟隨作用，使得送到后級的共模抑制比(CMRR)得到提高。同時(shí)，儀表放大電路對信號放大，以提高檢測精度。

2.4 高速數(shù)據(jù)采集電路

高速數(shù)據(jù)采集電路采用16位高精度的同步型高速AD芯片AD7606進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了提高采集速度，AD7606采用并口模式與STM32實(shí)現(xiàn)通信。數(shù)據(jù)采集電路如圖5所示,16位并口數(shù)據(jù)和STM32的PC口相連，AD_OS0，AD_OS1和AD_OS2進(jìn)行采樣平均次數(shù)設(shè)置，可設(shè)置為1～8倍過采樣，以提高測試精度。

圖5 高速數(shù)據(jù)采集電路

采用AD7606內(nèi)部電壓基準(zhǔn)作為AD的基準(zhǔn)電壓，通過程序控制將信號采集范圍設(shè)置為-5～+5 V。實(shí)際采集速度可達(dá)到100 k次/s以上，電壓檢測精度<1 mV，滿足高速高精度信號采集的需要。

2.5 高速USB通信電路

高速USB通信電路采用接口芯片F(xiàn)T232HL進(jìn)行設(shè)計(jì)。FT232HL內(nèi)部集成了USB協(xié)議引擎(可以控制UTMI，處理USB 2.0高速接口的各個(gè)方面)，及整個(gè)USB協(xié)議，可以直接連接FIFO轉(zhuǎn)換為高速USB通信，不需外部程序控制當(dāng)配置為并行FIFO 接口時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)25 MB/s以上，滿足高密度壓力傳感陣列的數(shù)據(jù)輸出需要[7]。

高速USB通信電路如圖6所示，利用FT232HL異步FIFO接口與STM32的FSMC接口相互傳輸數(shù)據(jù)。

圖6 高速USB通信電路

2.6 數(shù)據(jù)采集與處理

對于整個(gè)壓力傳感陣列高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，STM32的數(shù)據(jù)采集和控制程序以及上位機(jī)程序的簡化軟件流程如圖7所示。

圖7 STM32數(shù)據(jù)采集和上位機(jī)程序流程

STM32上電復(fù)位，進(jìn)行系統(tǒng)時(shí)鐘，AD，DA，DO，USB等各項(xiàng)參數(shù)的初始化，并通過USB中斷查詢上位機(jī)指令，一旦收到上位機(jī)開始測量指令，則根據(jù)USB收到的參數(shù)大小設(shè)置參考電壓，然后連續(xù)進(jìn)行通道切換和AD采集，直到2 288個(gè)通道全部切換完成，則通過USB上傳數(shù)據(jù)。

上位機(jī)程序采用LabVIEW編寫，通過調(diào)用提供的動態(tài)鏈接庫DLL可快速讀/寫USB緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)。LabVIEW程序初始化以后，不斷查詢指令，收到開始測量指令，則不斷查詢USB緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，直到數(shù)據(jù)量大于4 576(每個(gè)通道2個(gè)字節(jié)，2 288個(gè)通道共4 576個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù))，開始調(diào)用FT_Read函數(shù)讀取USB緩沖區(qū)的4 576字節(jié)數(shù)據(jù)，通過解析和計(jì)算得到一幀完整的壓力分布圖。如果停止測量，按下按鈕，退出程序，停止上位機(jī)和STM32的數(shù)據(jù)采集。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

由于平衡評估的目的在于壓力分布，與壓力值本身的大小無關(guān)，因此，可以通過測得的電壓分布或計(jì)算的電阻分布直接表征壓力分布，無需專門對系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)壓力傳感陣列高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能，分別對于站位和臥位(平躺)進(jìn)行了測試。站位壓力分布采用1張壓力墊，壓力分布測試結(jié)果如圖8(a)所示；臥位壓力分布采用4張壓力墊，壓力分布測試結(jié)果如圖8(b)所示。當(dāng)壓力變化時(shí)，壓力分布圖隨之變化，每秒采集的完整壓力分布圖均在25幀以上，可以實(shí)時(shí)地顯示壓力的動態(tài)變化。

圖8 壓力分布測試結(jié)果

4 結(jié) 論

提出了一種超多通道壓力傳感陣列的高速數(shù)據(jù)采集方法，并給出具體實(shí)現(xiàn)電路。對于站位和臥位(平躺)壓力分布分別進(jìn)行了測試和實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示：對于2 288個(gè)傳感陣列的單個(gè)壓力墊，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)每秒實(shí)時(shí)采集壓力分布圖100幀以上，4個(gè)壓力墊每秒實(shí)時(shí)采集壓力分布圖25幀以上，可以實(shí)時(shí)地顯示壓力的動態(tài)變化，滿足精細(xì)壓力分布檢測和評估系統(tǒng)的需要，為開發(fā)智能化的精細(xì)平衡評估設(shè)備，提供了參考和依據(jù)。

[1] 林夏妃,丘衛(wèi)紅,竇祖林.腦卒中后平衡功能障礙的研究進(jìn)展[J].中國康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志,2011,26(2):191-194.

[2] Bayouk J F,Boucher J P,Leroux A.Balance training following stroke:Effects of task-oriented exercises with and without altered sensor input[J].Int’l J of Rehabil Res,2006,29(1):51-59.

[3] 楊文璐，王 杰，夏 斌，等.基于kinect的下肢體康復(fù)動作評估系統(tǒng)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2017,36(1)：91-94.

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Designofhigh-speeddataacquisitionsystemforpressuresensorarrayinbalanceassessment*

GUO Li-quan1,2， WANG Ji-ping1,2， XIONG Da-xi1,2

(1.SuzhouInstituteofBiomedicalEngineeringandTechnology,ChineseAcademyofSciences,Suzhou215163,China;2.JiangsuKeyLaboratoryofMedicalOptics,Suzhou215163,China)

Aiming at the needs of rehabilitation medicine and pressure balance assessment in the distribution of pressure on sitting,standing and supine condition,high density pressure sensor array is used and a high speed data acquisition method by multi-channel switch is employed.Data acquired in realtime is processed and showed for test.The result shows that for single pressure pad with 2288 sensors array,above 100 frames of pressure distribution map are displayed dynamically and for 4 pressure pads there above 25 frames,which meet the need of fine pressure distribution detection and evaluation system.

pressure sensor array; pressure distribution; high speed acquisition; balance assessment

10.13873/J.1000—9787(2017)11—0075—03

R 197.3

A

1000—9787(2017)11—0075—03

2016—11—04

蘇州市科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(SS201533,SS201608)

郭立泉(1983-)，男，工學(xué)碩士，助理研究員，主要從事康復(fù)工程及醫(yī)用電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作,E—mail：guolq@sibet.ac.cn。