基于傳感器陣列的壓力分布數(shù)據(jù)快速采集系統(tǒng)設(shè)計

劉穎 王坤 宋明輝 章浩偉

摘 要：針對非平面上的壓力分布數(shù)據(jù)采集需求，設(shè)計一種基于柔性薄膜壓力傳感器陣列的快速壓力分布采集系統(tǒng)。以人體皮膚為實驗采集對象，設(shè)計由柔性薄膜壓力傳感器陣列為測量傳感器、STM32芯片為主控的嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，再通過優(yōu)化的并行式采集電路和統(tǒng)籌式采集算法，實現(xiàn)壓力分布數(shù)據(jù)的快速采集。以單通道式（A1）與并行式（A2）采集電路，以及順序式（B1）與統(tǒng)籌式（B2）軟件算法為測試條件，壓力分布數(shù)據(jù)的總共采集時間分別是26.722s（A1+B1）、12.165s（A1+B2）、0.498s（A2+B1）、0.187s（A2+B2）。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以快速、準(zhǔn)確地完成針對包括肢體皮膚在內(nèi)的非平面上壓力分布數(shù)據(jù)的采集。

關(guān)鍵詞：壓力傳感器陣列;數(shù)據(jù)采集;柔性薄膜;非平面壓力分布

DOI：10. 11907/rjdk. 182722 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

中圖分類號：TP319文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2019）008-0123-04

Design of Pressure Distribution Rapid Acquisition System Based on Sensor Array

LIU Ying，WANG Kun，SONG Ming-hui，ZHANG Hao-wei

（College of Medical Instrument and Food Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China）

Abstract：？Aiming at the demand of non-planar pressure distribution data acquisition， a fast pressure distribution acquisition system based on flexible membrane pressure sensor array was designed. Taking the human skin as the experimental collection object， we design the embedded flexible data acquisition system with the flexible film pressure sensor array as the measurement sensor and STM32 chip， and the collection of fast pressure distribution is realized by the optimized parallel acquisition circuit and the integrated acquisition algorithm. The single-channel （A1）， parallel （A2） acquisition circuits， and the sequential （B1） and coordinated （B2） software algorithms are the test conditions. The total acquisition time of the pressure distribution data is 26.722s （A1+B1）， 12.165s （A1+B2）， 0.498s （A2+B1）， 0.187s （A2+B2）， respectively. The acquisition system designed in this paper can quickly and accurately complete the pressure distribution acquisition on non-planar including limb skin.

Key Words： pressure sensor array; data acquisition; flexible film; non-planar pressure distribution

基金項目：微創(chuàng)勵志創(chuàng)新基金資助項目（YS30810155）

作者簡介：劉穎（1980-），女，博士，上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院副教授、碩士生導(dǎo)師，研究方向為生物醫(yī)學(xué)工程;王坤（1992-），男，上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院碩士研究生，研究方向為生物醫(yī)學(xué)工程。

0 引言

壓力分布數(shù)據(jù)采集裝置主要應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)學(xué)、科研等領(lǐng)域[1-4]，雖然國內(nèi)外各種壓力數(shù)據(jù)采集設(shè)備形態(tài)各異，但主要根據(jù)壓力傳感器敏感單元的物理特性，可分為直接測量的壓阻式、電容式和應(yīng)變式，以及間接測量的光學(xué)式等不同種類[5-6]。其中，壓阻式和電容式壓力采集技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，能夠?qū)崟r測量動態(tài)的壓力分布[5];電容式采集技術(shù)精度較高，但由于材料和工藝限制導(dǎo)致傳感器較厚，從而在測量過程中會減小被測表面的負荷面積，使測量值與實際值存在較大偏差[7-10];電阻式采集技術(shù)可以將敏感單元放置在薄膜上[11-13]，利用其力阻特性，即在受壓后可產(chǎn)生相應(yīng)電阻值，并直接得到相應(yīng)電壓信號，從而有效簡化了測量方案[14]，在實現(xiàn)傳感器柔性陣列的同時，具有較低的遲滯以及較好的重復(fù)精度[15]。

當(dāng)前壓阻式柔性薄膜壓力傳感器陣列的主要結(jié)構(gòu)是在兩片很薄的聚酯薄膜上分別鋪設(shè)若干行與若干列帶狀導(dǎo)體，中間是壓敏半導(dǎo)體材料涂層，大量橫向?qū)w和縱向?qū)w的交叉點即形成壓力感應(yīng)點陣列。當(dāng)外力作用于這些感應(yīng)點上時，半導(dǎo)體阻值會隨外力變化而變化，由此反映感應(yīng)點壓力值。本文采用動態(tài)性能優(yōu)良，且成本較低的壓阻式48*48柔性薄膜壓力傳感器陣列進行實驗設(shè)計。

然而，壓力傳感器必須配合性能優(yōu)良的采集電路和控制系統(tǒng)，才能具有良好的測量性能[16]。針對現(xiàn)有壓力分布數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的不足，本文設(shè)計一種基于壓阻式柔性壓力薄膜傳感器陣列與單片機控制平臺的采集系統(tǒng)，主要方案是通過地址線控制譯碼器選擇出傳感器陣列的Y列，以及通過地址線控制模擬通道選擇器選擇出傳感器陣列的X行，并將第X行Y列壓力敏感點的阻值通過電阻匹配電路轉(zhuǎn)換成電壓信號;然后通過電壓匹配電路將電壓信號放大到單片機模擬數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter，ADC）的輸入電壓范圍，經(jīng)過模數(shù)信號轉(zhuǎn)換與數(shù)值換算得到該點壓力值;最后通過變換地址將整個傳感器陣列全部采集完畢，將采集數(shù)據(jù)通過串口上傳至上位機進行處理。本文設(shè)計的快速壓力分布數(shù)據(jù)采集方案成本低、體積小、易于實現(xiàn)，而且能夠滿足特殊表面上的壓力分布數(shù)據(jù)采集需求，具有較高的應(yīng)用價值。

1 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

本文設(shè)計了一種基于柔性薄膜壓力傳感器陣列的壓力分布采集系統(tǒng)，通過并行式采集電路和統(tǒng)籌式采集算法，實現(xiàn)了對非平面上壓力分布數(shù)據(jù)進行快速采集的實際需求，克服了現(xiàn)有壓力分布數(shù)據(jù)采集裝置采集面積小、分辨率低以及動態(tài)性能差等缺點，大大提高了采集系統(tǒng)的實用性。另一方面，本文提出的軟硬件采集系統(tǒng)設(shè)計方案，配合不同的壓力傳感器陣列，可以滿足不同領(lǐng)域的特殊采集需求。

1.1 控制單元硬件電路設(shè)計

數(shù)據(jù)采集部分中的硬件電路結(jié)構(gòu)框架如圖1所示，電路中的電源模塊為整個系統(tǒng)供電，供電電壓為穩(wěn)壓后的5V與降壓后的3.3V，其中3.3V為單片機系統(tǒng)供電，5V為壓力傳感器陣列的驅(qū)動電路提供穩(wěn)定的激勵電壓。以ARM？Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103單片機為主控芯片，在實驗中用到了芯片內(nèi)部外設(shè)中的ADC1、串口1和串口2等硬件資源。其中傳感器電阻值通過電阻匹配電路轉(zhuǎn)換成電壓信號，再由單片機通過ADC1將電壓值模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號存儲到數(shù)組變量中，從而完成一個點的壓力值采集。單片機通過串口1與觸摸屏連接，實現(xiàn)整個系統(tǒng)運行過程中的參數(shù)錄入與顯示，并通過串口2將處理后的壓力數(shù)據(jù)上傳至計算機，通過Matlab軟件將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成壓力分布云圖，以便直觀地對實驗數(shù)據(jù)進行分析。

1.2 壓力敏感單元硬件電路設(shè)計

壓力敏感單元采用48*48柔性薄膜壓力傳感器陣列，配合信號處理電路實現(xiàn)對整個面上壓力敏感點的壓力數(shù)據(jù)采集，硬件結(jié)構(gòu)框架如圖2所示。

圖2 壓力敏感單元硬件結(jié)構(gòu)框架

其中Y列通道選擇電路由74HC154譯碼器構(gòu)成，通過單片機的通用輸入輸出接口（General Purpose Input Output，GPIO）實現(xiàn)74HC154譯碼器的地址線控制，其中48個列通道至少需要3個4-16線譯碼器，3個譯碼器共用4根地址線，還至少需要兩根地址線進行片選，所以Y通道選擇器電路總共需要至少6根地址線進行通道選擇。譯碼器芯片會將選中的通道置零，其余未選中通道置高電平。但是本文設(shè)計的需求是將選中的通道置高電平，其余未選中的通道置高阻態(tài)，這就需要在譯碼器芯片和壓力傳感器陣列之間增加一個由SN74HC05漏極開路反向器芯片構(gòu)成的反向高阻電路，從而實現(xiàn)在采集某行某列的敏感點電阻值時，該行其它列的敏感點不會對采樣數(shù)值產(chǎn)生干擾。X行通道選擇電路由CD74HC4067模擬通道選擇器芯片構(gòu)成，通過單片機的GPIO實現(xiàn)模擬通道選擇芯片的地址線控制，其中48行的通道選擇至少需要3個16通道的模擬通道選擇器芯片，3個16通道的模擬通道選擇器共用4根地址線。電阻匹配電路如圖3（a）所示，下拉電阻阻值計算公式如下：

[Vout=Vcc×R0R0+RX]? （1）

其中，Vin是單片機ADC的輸入電壓，Vcc是電阻匹配電路供電電壓5V，R0是下拉匹配電阻阻值，Rx是傳感器阻值。通過實驗測量，傳感器阻值與壓力的關(guān)系如圖3（b）所示。為了方便測試校準(zhǔn)，此處壓力用質(zhì)量（單位g）等效代替。觀察發(fā)現(xiàn)壓力在5g～50g范圍內(nèi)線性度較好，對應(yīng)壓強范圍約為2kPa～20kPa。通過合適的下拉匹配電阻，對匹配后的電壓值與壓力進行數(shù)值分析，如圖3（c）所示。

通過選取合適的匹配電阻阻值，使電壓值與壓力在某區(qū)間內(nèi)近似線性相關(guān)。匹配電阻R0的阻值選擇3kΩ，經(jīng)過線性擬合得到壓力與電壓值關(guān)系式（R2=0.959 1）如下：

[U=0.0581×F+0.347? （5F50）]? ? ? ? ?（2）

其中，F(xiàn)是選中敏感點上施加的壓力值，單位為g;U是經(jīng)過電阻匹配電路得到的分壓值，單位為V。

最后在電壓匹配電路中，通過OP07運算放大器實現(xiàn)電壓的比例放大。運算放大器一方面對上級電路的阻抗接近無窮大，即輸入電流接近于零，可以提高電阻匹配電路的測量精度，另一方面可以提高對下級電路的帶負載能力。電阻匹配電路的輸出電壓值范圍為0～2.5V，而單片機ADC的輸入電壓范圍為Vref-～Vref+，在此芯片上等于0～3.3V。所以電壓匹配電路需要通過集成運放OP07的比例放大電路，實現(xiàn)將電壓放大1.3倍。

1.3 單片機控制程序設(shè)計

根據(jù)硬件電路設(shè)計方案，順序式單片機控制程序主要流程如圖4所示。

圖4 順序式單片機控制主要程序流程

2 軟硬件優(yōu)化設(shè)計

為了保證采樣系統(tǒng)的準(zhǔn)確性及其動態(tài)性能，通過并行式硬件電路和統(tǒng)籌式軟件算法實現(xiàn)快速采樣。并行式硬件電路采用3個模擬通道選擇器芯片配合3組獨立的電阻匹配電路和運算放大器電路加以實現(xiàn)，然后并行傳輸模擬信號至單片機端PA0、PA1和PA2的3個GPIO，即ADC1的Channel0、Channel1和Channel2共3個通道。3個通道在規(guī)則通道組上使用單次轉(zhuǎn)換掃描模式進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再通過直接存儲器存取（Direct Memory Access， DMA）方式存儲到變量數(shù)組中。每次掃描完3組通道都會產(chǎn)生一次中斷，在中斷處理函數(shù)中改變模擬通道選擇器芯片的地址值，從而實現(xiàn)對行列地址的快速采集。

另一方面，為了追求采樣結(jié)果的準(zhǔn)確性，即采樣值最大限度接近實際值，往往采用在一段時間內(nèi)對某一點多次采樣求平均的方法。但如果在傳感器陣列中的每個敏感點都采用該方案，會導(dǎo)致整個系統(tǒng)的時延非常高，從而顯著影響采樣系統(tǒng)動態(tài)性能。所以在軟件控制方面采用統(tǒng)籌式采樣算法，可以通過設(shè)置1ms的系統(tǒng)節(jié)拍實現(xiàn)對標(biāo)準(zhǔn)時基的計數(shù)。定時器1設(shè)定每1ms進入中斷處理函數(shù)完成時基計數(shù)，定時器2設(shè)定每10ms進入中斷處理函數(shù)，從而實現(xiàn)每個敏感點的采樣間隔都為10ms，并在間隔期間統(tǒng)籌完成對其它敏感點的數(shù)據(jù)采集。根據(jù)統(tǒng)籌式算法特點，可以將采樣間隔時間從順序式算法中的1ms延長到10ms，使得到的平均值準(zhǔn)確度更高。優(yōu)化后的統(tǒng)籌式采樣算法流程如圖5-圖7所示。

圖5 統(tǒng)籌式采樣算法主函數(shù)流程

圖6 統(tǒng)籌式采樣算法中斷函數(shù)流程

圖7 統(tǒng)籌式采樣算法子函數(shù)流程

3 測試結(jié)果

3.1 基于模型的壓力分布檢測結(jié)果

采用基于充氣氣囊對曲面肢體加壓的模型（見圖8（a））進行壓力分布檢測，單片機通過串口將采集到的數(shù)據(jù)上傳到計算機，然后通過Matlab軟件對二位數(shù)組進行cubic插值處理，再轉(zhuǎn)換成偽彩圖如圖8（b）所示。

圖8 非平面加壓模型與壓力分布云圖

3.2 不同優(yōu)化方案性能對比

采用單通道式與并行式采集電路，以順序式與統(tǒng)籌式軟件算法為測試條件，壓力分布數(shù)據(jù)采集時間如表1所示。

表1 不同測試條件下采集時間

4 結(jié)語

在各種數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集速度與準(zhǔn)確性往往是兩個相互制約的性能指標(biāo)，在ADC采樣過程中亦是如此。不論在硬件層面上通過延長轉(zhuǎn)換時間，以及在軟件層面上根據(jù)適當(dāng)?shù)牟蓸娱g隔多次采樣求平均值等方式，都是為了能進一步提高采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。但這些方式往往會降低采集速度，該現(xiàn)象在采樣點較少的情況下容易被忽略，而在類似本文的陣列式傳感器數(shù)據(jù)采集中，對采集系統(tǒng)的動態(tài)性能有較高要求的情況下，該因素則無法被忽略。

因此，在不降低采樣數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的前提下，需要通過軟硬件優(yōu)化以大幅提高采樣效率，從而提升采集速度。本文通過并行式采集電路與統(tǒng)籌式軟件算法，相對于順序式單通道采集方案的耗時縮短了143倍，從而大大提高了準(zhǔn)確性和實時性，而且該方案可根據(jù)需求進一步優(yōu)化統(tǒng)籌策略以及增加并行通道數(shù)量，采集性能仍具有較大提升空間。另外，在本文設(shè)計的基于傳感器陣列的數(shù)據(jù)采集硬件模型基礎(chǔ)上，還可通過μC/OSIII或FreeRTOS等嵌入式實時操作系統(tǒng)進一步提高采樣效率，進而提高采樣的準(zhǔn)確性與實時性。同時，可以通過優(yōu)化的上位機軟件完成對數(shù)據(jù)的自動處理與分析，提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷性。綜上所述，本文設(shè)計的基于傳感器陣列的壓力分布數(shù)據(jù)快速采集系統(tǒng)針對包括肢體皮膚在內(nèi)的非平面上壓力分布數(shù)據(jù)的采集需求，提供了一種快速、準(zhǔn)確的測量方案，并可根據(jù)實際情況對系統(tǒng)進行優(yōu)化改進，以進一步提高采集系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與實時性。

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（責(zé)任編輯：黃 ?。?/p>