壓阻式柔性壓力傳感器陣列信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

周 瑞，李時(shí)維，李紹成，郭曉磊

(南京林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

0 引 言

近幾十年來(lái)，隨著移動(dòng)設(shè)備、軟體機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)、新材料的發(fā)展，具有類似人體皮膚特性(觸感、彈性、自愈、可伸縮等)的柔性可穿戴設(shè)備倍受關(guān)注[1～4]。作為新一代的電子產(chǎn)品，柔性可穿戴設(shè)備可以通過(guò)與人體結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體的感知，實(shí)時(shí)提供人體健康的相關(guān)信息。壓阻式柔性觸覺(jué)傳感器，是由壓阻式柔性壓力傳感器構(gòu)成的陣列，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、功耗低、信號(hào)易采集等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為最具吸引力的電子皮膚之一[5～8]。

采用不同功能材料設(shè)計(jì)的壓阻式柔性傳感器其阻值范圍不同，為了提高信號(hào)采集系統(tǒng)的實(shí)用性，需要研制一種阻值測(cè)量范圍較大的信號(hào)采集系統(tǒng)，為此，本文基于STM32單片機(jī)，采用分檔分壓與恒流源相結(jié)合的方法設(shè)計(jì)了一種壓阻式柔性壓力傳感器陣列信號(hào)采集系統(tǒng)。

1 采集系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

為了實(shí)時(shí)采集傳感器陣列信號(hào)，并且便于信號(hào)的處理與分析，本文采用基于下位機(jī)和上位機(jī)相結(jié)合的方式進(jìn)行信號(hào)采集與分析，如圖1所示。壓阻式柔性壓力傳感器陣列檢測(cè)壓力信號(hào)，下位機(jī)對(duì)壓力信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集，上位機(jī)通過(guò)通信方式接收下位機(jī)采集的數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行處理、分析、顯示和保存。

圖1 信號(hào)采集系統(tǒng)方案

2 采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 檢測(cè)對(duì)象

本文研究的信號(hào)采集系統(tǒng)是針對(duì)結(jié)構(gòu)組成如圖2所示的壓阻式柔性壓力傳感器陣列檢測(cè)需求。該陣列由16個(gè)壓阻材料薄片構(gòu)成，每個(gè)傳感器敏感材料的上面和下面分別與橫向?qū)Ь€和縱向?qū)Ь€相接觸，并采用聚四氟乙烯薄膜進(jìn)行封裝。

圖2 柔性壓力傳感器陣列結(jié)構(gòu)

2.2 主控芯片選擇

為了提高數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性，采用STM32F103R8T6作為主控芯片，它是意法半導(dǎo)體(ST)公司研制的基于Cortex—M3內(nèi)核的32位RISC處理器，擁有64 kB閃存、兩個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、一個(gè)脈寬調(diào)制定時(shí)器和一個(gè)DMA控制器，并帶有多種通信接口。工作頻率為72 MHz，是普通51單片機(jī)的8倍左右。具有低功耗、高速度、高精度、綜合性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足本傳感器陣列的數(shù)據(jù)采集要求。

2.3 選通電路設(shè)計(jì)

根據(jù)傳感器陣列檢測(cè)的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了圖3所示的傳感器陣列掃描式信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，行、列檢測(cè)端均采用模擬開(kāi)關(guān)控制不同的行、列接入電阻檢測(cè)電路。

圖3 4×4傳感器陣列信號(hào)采集原理

電流在模擬開(kāi)關(guān)的流通是雙向的，為保證電路結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，減少不同類型芯片帶來(lái)的干擾，本方案采用具有雙向?qū)üδ艿?ADG1604 芯片作為模擬開(kāi)關(guān)。ADG1604芯片是單刀四擲模擬開(kāi)關(guān)，具有通過(guò)電壓范圍寬、低功耗(<16 nW)、供電電壓與通過(guò)電壓之間軌對(duì)軌、導(dǎo)通電阻小、通道建立速度快(<0.4 μs)等優(yōu)點(diǎn)。

電路的選通是通過(guò)STM32控制IO口實(shí)現(xiàn)的，具體是通過(guò)PA10控制行選通的ADG1604芯片工作，通過(guò)控制PA8、PA9輸出高低電平來(lái)控制行的通斷；通過(guò)PD2控制列選通的ADG1604芯片工作，通過(guò)控制PC11、PC12輸出高低電平來(lái)控制列的通斷；將列選通的ADG1604的D引腳輸出接入分檔分壓電路，將行選通的ADG1604的D引腳接地。

當(dāng)兩個(gè)ADG1604工作時(shí)，形成串聯(lián)分壓電路，通過(guò)采集電阻間的電壓值，實(shí)現(xiàn)傳感器陣列的單點(diǎn)掃描，并將信號(hào)輸入到電壓跟隨器以增加輸入阻抗，然后輸入到STM32的PA1模擬量接口，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。

2.4 信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

為了提高信號(hào)采集精度，設(shè)計(jì)了兩種阻值測(cè)量方法相結(jié)合的采集方案：一種方法是采用恒流法測(cè)量電阻，另一種方法是采用分壓法測(cè)量電阻。恒流法適用于電阻較小時(shí)使用，分壓法適用于電阻較大時(shí)使用。為了進(jìn)一步提高阻值的測(cè)量精度，設(shè)計(jì)了分檔分壓法。

2.4.1 恒流源電路

采用恒流法測(cè)量電阻時(shí)，由于電流需要通過(guò) ADG1604芯片，因此，恒流源的驅(qū)動(dòng)電流應(yīng)小于ADG1604的最大可通過(guò)電流315 mA?？紤]到在最大電壓的限定下，恒流源驅(qū)動(dòng)電流越大，可帶動(dòng)的電阻越小，為此，本系統(tǒng)恒流源驅(qū)動(dòng)電流設(shè)定為50 mA。

為了提高恒流源性能，采用電流串聯(lián)負(fù)反饋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)恒定輸出的恒流源，其原理圖如圖4所示。該電路主要由運(yùn)放、調(diào)整管、采樣電阻以及基準(zhǔn)電壓構(gòu)成，采樣電阻電壓反饋到運(yùn)放的反相端，與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，將誤差電壓通過(guò)放大后輸入調(diào)整管，使通過(guò)采樣電阻的電流始終保持恒定，即在負(fù)載發(fā)生變化后，仍能保持電流恒定。通過(guò)式(1)可以計(jì)算出輸出的恒定電流為50 mA，該電路可以通過(guò)修改R3的電阻得到不同的輸出電流

圖4 恒流源電路原理

I0=2×2.5/R3

(1)

2.4.2 分檔分壓電路

分檔分壓法檢測(cè)電路如圖5所示，按 10 倍遞減法設(shè)置的串聯(lián)分壓標(biāo)準(zhǔn)電阻分別為100,10,1 kΩ電阻三個(gè)檔次。通過(guò)改變串聯(lián)的電阻值，結(jié)合恒流源電路，可以提高傳感器的阻值測(cè)量范圍。

圖5 分檔分壓法檢測(cè)電路示意

3 采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)軟件

3.1.1 主程序設(shè)計(jì)

首先進(jìn)行初始化操作(開(kāi)啟定時(shí)器中斷；配置GPIO口；初始化ADC，DMA以及串口等)。在完成所有初始化操作后，系統(tǒng)進(jìn)行一次完整的行列掃描。在掃描過(guò)程中，每掃描一個(gè)點(diǎn)，進(jìn)行一次電阻比較與數(shù)據(jù)采集，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理后，通過(guò)串行接口將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)。

3.1.2 行列選通程序設(shè)計(jì)

行列選通程序工作流程如圖6所示。在初始化后，對(duì)行和列的初始值進(jìn)行賦值，對(duì)第一行和第一列的第一個(gè)傳感點(diǎn)進(jìn)行選通檢測(cè)，以坐標(biāo)、壓力的形式輸出行和列信息及相應(yīng)的阻值。然后依次檢測(cè)第一行其它列的傳感器輸出。第一行檢測(cè)完成后，依次檢測(cè)第二、三、四行中各列傳感器的信號(hào)值。系統(tǒng)默認(rèn)的采樣頻率為100 Hz，可以通過(guò)上位機(jī)設(shè)置更改采樣頻率，由于STM32芯片性能限制，最高采樣頻率不能超過(guò)1 MHz。

圖6 行列選通程序流程圖

3.1.3 A/D轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)

A/D轉(zhuǎn)換程序的工作流程如圖7所示。首先進(jìn)行初始化，然后進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)采用DMA傳輸?shù)酱鎯?chǔ)器上。DMA可以將A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過(guò)總線傳送至內(nèi)存，減輕CPU的負(fù)擔(dān)，因此，適合連續(xù)采樣。

圖7 A/D采集程序流程圖

3.1.4 電阻檢測(cè)程序設(shè)計(jì)

電阻檢測(cè)程序工作流程如圖8所示。具體的工作流程如下所述：1)首先將傳感器電阻與分壓的最大電阻(100 kΩ)進(jìn)行串聯(lián)，然后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。對(duì)A/D轉(zhuǎn)換后的值U1，采用式(2)計(jì)算傳感器電阻間的電壓，最后，采用式(3)計(jì)算傳感器的電阻值。2)當(dāng)測(cè)量阻值大于50 kΩ時(shí)，測(cè)量結(jié)果直接作為有效檢測(cè)，直接輸出傳感器電阻值。3)當(dāng)測(cè)量阻值在5～50 kΩ之間時(shí)，通過(guò)選通開(kāi)關(guān)將傳感器與10 kΩ電阻串聯(lián)進(jìn)行電壓采樣，然后按照式(2)、式(3)計(jì)算電阻值。4)當(dāng)測(cè)量阻值小于等于5 kΩ時(shí)，通過(guò)選通開(kāi)關(guān)將傳感器與1 kΩ電阻串聯(lián)進(jìn)行電壓采樣和電阻計(jì)算。測(cè)量阻值大于50 Ω時(shí)，測(cè)量結(jié)果直接作為有效檢測(cè)；測(cè)量阻值小于等于50 Ω時(shí)，采用恒流源方法測(cè)量傳感器的電阻值。式(2)、式(3)如下

圖8 電阻檢測(cè)電路流程圖

U=3.3×U1/2n

(2)

R=R0×U/(3.3-U)

(3)

式中 系數(shù)3.3為A/D轉(zhuǎn)換使用的參考電壓值；n為A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)，本文系統(tǒng)n值為12；R0為分壓串聯(lián)電阻阻值。

3.2 上位機(jī)軟件

3.2.1 上位機(jī)軟件功能

采用C#軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的上位機(jī)軟件功能。主要由以下4個(gè)功能模塊組成：1)用戶管理：當(dāng)用戶為新用戶時(shí)，需要注冊(cè)新用戶后才能登錄，若忘記密碼，需要修改密碼。2)信號(hào)讀取：上位機(jī)通過(guò)串口通信讀取下位機(jī)信號(hào)，需要配置串口通信參數(shù)(數(shù)據(jù)位、停止位、校驗(yàn)位、波特率等)，當(dāng)參數(shù)一致時(shí)才能進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。3)數(shù)據(jù)顯示：數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)顯示，并且能夠查看歷史數(shù)據(jù)。4)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：可以將數(shù)據(jù)存入SqlServer數(shù)據(jù)庫(kù)中。

3.2.2 上位機(jī)軟件工作流程

首先進(jìn)行初始化，然后與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行連接，從數(shù)據(jù)庫(kù)中檢測(cè)輸入的用戶名和密碼是否正確。信息正確時(shí)，打開(kāi)主界面窗口，設(shè)置相關(guān)參數(shù)，發(fā)送指令，與下位機(jī)進(jìn)行通信，接收下位機(jī)傳送的數(shù)據(jù)。然后對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析和顯示，同時(shí)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SqlServer數(shù)據(jù)庫(kù)中。

4 系統(tǒng)性能測(cè)試與分析

圖9為研制開(kāi)發(fā)的壓阻式柔性壓力傳感器陣列信號(hào)采集系統(tǒng)，其性能檢測(cè)方法與步驟如下：將系列標(biāo)準(zhǔn)電阻分別接入信號(hào)采集系統(tǒng)中，得到實(shí)際測(cè)量的電壓值和電阻值。由于電阻值是通過(guò)測(cè)量的電壓計(jì)算得到的，因此測(cè)量電壓的誤差直接影響電阻的測(cè)量精度，可以根據(jù)式(4)計(jì)算出串聯(lián)分壓電路的理論電壓值，根據(jù)式(5)計(jì)算出恒流源電路的理論電壓值

圖9 采集系統(tǒng)實(shí)物

U2=3.3R/(R0+R)

(4)

U3=R×0.05

(5)

式中R為標(biāo)準(zhǔn)電阻，R0為分壓電阻。

對(duì)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果為：電壓檢測(cè)誤差在1 %以內(nèi)，系統(tǒng)測(cè)量的電阻值與實(shí)際電阻值的誤差也在1 %以內(nèi)。表明本系統(tǒng)信號(hào)檢測(cè)精度較高，滿足傳感器性能檢測(cè)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于STM32單片機(jī)，采用分檔分壓和恒流源相結(jié)合的方法研制了一種壓阻式柔性壓力傳感器陣列信號(hào)采集卡；基于C#語(yǔ)言和串口通信技術(shù)設(shè)計(jì)了上位計(jì)算機(jī)信號(hào)讀取與分析系統(tǒng)。本信號(hào)采集與分析系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好，檢測(cè)精度高，滿足觸覺(jué)傳感檢測(cè)要求，具有較好的實(shí)際應(yīng)用前景。