基于柔性傳感器陣列信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

尹錫軒 李榮彬 郭偉東 牛鑫蕊 胡正發(fā)

關(guān)鍵詞：柔性傳感器；STM32單片機(jī)；信號(hào)采集；卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

0 引言

在現(xiàn)代科技領(lǐng)域，柔性傳感器具有靈活性強(qiáng)、適應(yīng)性好、輕量化、低成本、易于集成、多功能性、低功耗和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等諸多優(yōu)點(diǎn)，使其逐漸成為各種應(yīng)用中的重要組成部分。特別是柔性壓力傳感器在醫(yī)療、人機(jī)交互、工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)器人技術(shù)、智能穿戴等領(lǐng)域展示出了巨大的應(yīng)用潛力[1-5]。然而，有效地采集和分析柔性壓力傳感器陣列所產(chǎn)生的復(fù)雜信號(hào)仍然是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

為此，本文設(shè)計(jì)基于柔性壓力傳感器陣列的信號(hào)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜環(huán)境下的壓力分布進(jìn)行準(zhǔn)確且實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)與分析。通過(guò)該系統(tǒng)，可以獲取到關(guān)于物體表面壓力分布的高分辨率信息，為人機(jī)交互、健康監(jiān)測(cè)、運(yùn)動(dòng)分析等領(lǐng)域提供數(shù)據(jù)支持。

1 采集系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由外置的柔性壓力傳感器模塊、信號(hào)采集器（下位機(jī)模塊）、上位機(jī)模塊和數(shù)據(jù)分析模塊四部分組成。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

柔性壓力傳感器通常由柔性材料制成，能夠感知和測(cè)量外部施加的壓力。它們能夠靈活地安裝在各種曲面或不規(guī)則表面上，用于監(jiān)測(cè)和記錄壓力變化[6-9]。在本系統(tǒng)中，柔性壓力傳感器模塊負(fù)責(zé)采集實(shí)時(shí)的壓力數(shù)據(jù)，以便后續(xù)的分析和處理。信號(hào)采集器模塊是連接到柔性壓力傳感器的硬件設(shè)備，負(fù)責(zé)接收傳感器模塊傳來(lái)的數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)或其他可處理的形式。該模塊包括模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC） 電路、信號(hào)放大電路、濾波電路等，用于將傳感器采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。信號(hào)采集器模塊將數(shù)字信號(hào)傳輸給上位機(jī)模塊進(jìn)行進(jìn)一步處理和分析。上位機(jī)是用于接收、處理和顯示從信號(hào)采集器模塊傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)的軟件部分，使用戶能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和分析壓力數(shù)據(jù)。上位機(jī)模塊可以提供圖形化的界面、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能、實(shí)時(shí)顯示以及數(shù)據(jù)導(dǎo)出等功能，以滿足用戶的需求。數(shù)據(jù)分析模塊負(fù)責(zé)對(duì)從上位機(jī)模塊接收到的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理、分析和挖掘。其主要目的是從大量的壓力數(shù)據(jù)中提取有用的信息，并為用戶提供洞察力和決策支持。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 采集對(duì)象

系統(tǒng)的采集對(duì)象是一個(gè)集成了16個(gè)柔性壓力傳感器單元的4×4陣列柔性壓力傳感器。每個(gè)傳感器單元由上下層柔性電極板和中間壓敏材料組成，形成了一個(gè)靈活而敏感的結(jié)構(gòu)。這種設(shè)計(jì)使得每個(gè)傳感器單元能夠獨(dú)立地感知并測(cè)量其所在位置的壓力變化，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)表面壓力的高精度探測(cè)。當(dāng)受到壓力作用時(shí)，中間的壓敏材料會(huì)產(chǎn)生變形，導(dǎo)致傳感器單元的電阻隨之變化。這種電阻的變化隨著壓力的增加而減少，通過(guò)柔性導(dǎo)線連接到信號(hào)采集器模塊，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)軟件進(jìn)行進(jìn)一步處理和分析。其陣列結(jié)構(gòu)如圖2所示：

2.2 信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用STM32F103R8T6作為主控芯片。STM32F103R8T6搭載了ARM Cortex-M3內(nèi)核，這個(gè)處理器核心性能穩(wěn)定可靠，能夠提供足夠的計(jì)算能力和處理速度，滿足信號(hào)采集與分析系統(tǒng)的需求。同時(shí)，該芯片內(nèi)置64KB Flash存儲(chǔ)器和20KB SRAM，這提供了足夠的存儲(chǔ)空間，可以用于存儲(chǔ)采集到的數(shù)據(jù)以及執(zhí)行程序。其電路設(shè)計(jì)原理框圖如圖3所示：

在這個(gè)設(shè)計(jì)中，選用CD4051B八選一模擬開(kāi)關(guān)電路實(shí)現(xiàn)4×4傳感器陣列檢測(cè)。STM32芯片通過(guò)控制CD4051B的使能端和地址選擇端所連接的IO口輸出高電平或低電平，從而控制傳感器陣列行的通斷。每行所連接的傳感器單元通過(guò)CD4051B 的選擇端與STM32相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定傳感器單元的選擇。而各列則通過(guò)串聯(lián)電阻與所通行形成串聯(lián)分壓電路，將傳感器單元受到的壓力轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)。這些電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬開(kāi)關(guān)電路后，傳入STM32進(jìn)行模擬到數(shù)字（AD） 轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)通過(guò)串口通信傳輸至上位機(jī)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)陣列點(diǎn)的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)。通過(guò)這種設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)表面的多個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行高效、精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和處理提供了可靠的基礎(chǔ)。

3 上位機(jī)軟件

上位機(jī)軟件在柔性壓力傳感器陣列信號(hào)采集與分析系統(tǒng)中扮演著重要角色，能夠?qū)崟r(shí)把接收的數(shù)據(jù)顯示在用戶界面上。為了實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)的通信，上位機(jī)必須與下位機(jī)匹配波特率、數(shù)據(jù)位、停止位等串口通信參數(shù)。這一步驟的順利完成是保證數(shù)據(jù)傳輸正常進(jìn)行的關(guān)鍵。一旦連接成功，上位機(jī)將開(kāi)始接收來(lái)自下位機(jī)的數(shù)據(jù)流。在上位機(jī)的用戶界面中，這些數(shù)據(jù)以4×4陣列的形式實(shí)時(shí)顯示。這種顯示方式使用戶能夠直觀地了解整個(gè)傳感器陣列的壓力分布情況，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和處理提供了基礎(chǔ)，其界面示意圖如圖4所示。

此外，為了更好地管理和利用這些數(shù)據(jù)，上位機(jī)軟件還可以將接收到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在預(yù)先設(shè)置好的數(shù)據(jù)庫(kù)中。這樣一來(lái)，用戶不僅可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，還可以對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行回溯和分析，從而更好地理解系統(tǒng)的運(yùn)行情況，并做出相應(yīng)的優(yōu)化和改進(jìn)措施。總體使用流程如圖5所示。

4 采集系統(tǒng)在平整度檢測(cè)上的應(yīng)用

在工業(yè)生產(chǎn)和制造過(guò)程中，表面平整度的重要性不可忽視。無(wú)論是汽車外殼、飛機(jī)機(jī)身、電子設(shè)備外殼還是建筑物墻面，表面平整度都直接關(guān)系到產(chǎn)品的外觀質(zhì)量和功能性能。然而，傳統(tǒng)的平整度檢測(cè)方法往往存在諸多局限性，如耗費(fèi)大量人力和時(shí)間、無(wú)法實(shí)時(shí)反饋等問(wèn)題。針對(duì)這些挑戰(zhàn)，基于柔性壓力傳感器陣列信號(hào)采集與分析系統(tǒng)成為一種創(chuàng)新解決方案。該系統(tǒng)將柔性壓力傳感器陣列布置在待檢測(cè)的表面上，通過(guò)信號(hào)采集與分析技術(shù)實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為平面受力的熱力圖，以圖像的形式突出壓力分布的特征。轉(zhuǎn)換效果如圖6所示。

當(dāng)柔性傳感器貼合面較為平整時(shí)，各個(gè)傳感器單元受到的力較為均勻分布，因此生成的熱力圖在整體上呈現(xiàn)出顏色較為一致的特征，如圖（a） 和（b） 所示。而當(dāng)貼合面存在不平整或凹凸的情況時(shí)，各個(gè)傳感器單元所受到的力會(huì)出現(xiàn)不均勻分布，導(dǎo)致熱力圖中出現(xiàn)明顯的顏色差異，如圖（c） 至（f） 所示。在熱力圖中，數(shù)據(jù)的數(shù)值大小決定了顏色的深淺程度，類似于記錄溫度時(shí)的原理，即記錄到的壓力數(shù)值越大，對(duì)應(yīng)的顏色越深；而數(shù)值越小，則顏色越淺。這種可視化方式能夠直觀地反映出貼合面的平整度或凹凸程度，為進(jìn)一步分析和處理提供了重要參考。

為了提高判斷效率和節(jié)省生產(chǎn)過(guò)程中的人力成本，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行平整度檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)。該方法具有更高的客觀性和準(zhǔn)確性。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠通過(guò)大量數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)到復(fù)雜的特征和模式，自主提取信息進(jìn)行判斷，避免了人為主觀因素的影響，提高平整度檢測(cè)的精度和效率，為生產(chǎn)過(guò)程提供更可靠的質(zhì)量控制保障。

由于壓力分布熱力圖的圖像結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，特征較為突出明顯，與字符圖像類似，在此選用LeNet作為訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)模型。相較于其他深層網(wǎng)絡(luò)模型，LeNet網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而有效（深度較淺/模型復(fù)雜度較為簡(jiǎn)單），具有較好的特征提取能力，且能夠避免深層網(wǎng)絡(luò)模型因模型復(fù)雜度過(guò)高記住訓(xùn)練數(shù)據(jù)的所有細(xì)節(jié)而無(wú)法泛化到新數(shù)據(jù)上，進(jìn)而出現(xiàn)過(guò)擬合使模型可靠性降低，預(yù)測(cè)能力大打折扣的問(wèn)題，適用于對(duì)平整度進(jìn)行判斷。

通過(guò)卷積層提取原始圖像的特征，隨后利用池化層來(lái)減少特征圖的尺寸，降低特征圖的空間分辨率，以增強(qiáng)輸入圖像的平移不變性。在本次網(wǎng)絡(luò)的池化層中，采用了最大池化的方式，其原理如圖7所示。

通過(guò)多次線性變換、非線性變化和回歸計(jì)算，提取出對(duì)應(yīng)類別特征向量的特征值，最后輸出兩個(gè)分類的概率。采集到了2300組未測(cè)試的數(shù)據(jù)在訓(xùn)練好的模型上進(jìn)行驗(yàn)證，正確率達(dá)到了92.8%。

5 總結(jié)

基于柔性壓力傳感器陣列信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)合LeNet神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)平整度檢測(cè)，是將傳感器技術(shù)與深度學(xué)習(xí)相融合的創(chuàng)新工程。該系統(tǒng)以柔性壓力傳感器陣列為核心，實(shí)時(shí)采集目標(biāo)表面的壓力分布數(shù)據(jù)，通過(guò)LeNet神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析和判斷，以快速準(zhǔn)確地檢測(cè)表面平整度。柔性傳感器陣列具備高靈敏度和靈活性，能夠準(zhǔn)確感知表面壓力分布，為系統(tǒng)提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。LeNet神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為關(guān)鍵算法，能夠自動(dòng)學(xué)習(xí)并提取壓力數(shù)據(jù)中的特征，從而有效評(píng)估表面的平整度。系統(tǒng)設(shè)計(jì)還充分考慮了數(shù)據(jù)預(yù)處理、模型訓(xùn)練和評(píng)估等環(huán)節(jié)，通過(guò)歸一化處理、噪聲濾除等手段提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，優(yōu)化LeNet網(wǎng)絡(luò)參數(shù)以提高檢測(cè)性能。綜合而言，這一系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)表面平整度的快速準(zhǔn)確檢測(cè)，還具備廣泛的應(yīng)用前景，可在工業(yè)生產(chǎn)和制造領(lǐng)域提升生產(chǎn)效率、優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)。