一種基于FlexiForce的多點陣列式壓力采集系統

肖雨琳 張立成 楊楠

關鍵詞： FlexiForce; 壓力采集; 多路選擇; VC++; 薄膜式壓力傳感器; 放大電路

中圖分類號： TN722?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）04?0019?04

A multi?point array pressure acquisition system based on FlexiForce

XIAO Yulin， ZHANG Licheng， YANG Nan

（Changan University， Xian 710000， China）

Abstract： A multi?point array acquisition system based on the FlexiForce thin?film pressure sensor is designed. The system can convert the resistance output by the FlexiForce thin?film pressure sensor into voltage signals with a certain amplification. Meanwhile， the system can support the multichannel selection function and realize 8×8 channel pressure acquisition. The VC++ is used to compile for the software interface of the upper computer， so as to display pressure data and image. The data is exported to evaluate and analyze the performance of the whole system. The experimental results show that the voltage value of the system decreases with the increase of pressure， phenomena like jump and mutation do not occur as the pressure increases or decreases steadily， the voltage maintains at 5 V when the pressure is zero， the minimum voltage value maintains at about 1 V， and the calculation results show that all the final errors are below 1%， which meets the error scope of the FleixForce thin?film pressure sensor.

Keywords： FlexiForce; pressure acquisition; multichannel selection; VC++; thin?film pressure sensor; amplifying circuit

壓力采集系統廣泛應用于醫療、汽車、家居用品、服裝、工業檢測及科研等領域，綜合微電子技術、傳感器技術、計算機科學與技術等學科的知識和技術，其發展得力于相關技術的最新發展成就[1]。順應壓力采集系統智能化、網絡化、高精度等發展趨勢，本文設計一種基于FlexiForce的多點陣列式壓力采集系統。系統電路能夠將薄膜式壓力傳感器輸出的阻值變化變為電壓信號并具有一定的放大作用，同時支持多路選擇功能[2]，實現了8×8=64路壓力采集，具有實時性強、安裝使用方便和性價比高等特點，具有廣泛的應用前景和借鑒價值。

1 ?系統總體設計

針對薄膜式壓力傳感器構成的網格陣列，無法使用電橋方式進行電阻與電壓信號轉換，且多點數據無法同時采集問題，本文的目的在于提供一種基于FlexiForce薄膜式壓力傳感器多點陣列式壓力采集系統 ，包括薄膜式壓力傳感器、信號驅動板、數字控制模擬電子開關、A/D模塊、處理器、USB轉TTL模塊和電源，系統原理圖見圖1，各個傳感器輸出的摸擬信號經過放大調理模/數轉換后轉換為數字量傳送給單片機，運用標定、計算、零點補償等處理方法處理后，在顯示模塊顯示，同時經過串行接口傳送到上位機，實現人機交互。

2 ?系統硬件設計

系統的硬件部分主要由電源電路、單片機MSP430F149、多點網格陣列壓力傳感器、采樣放大電路、多路選擇電路和USB轉串口電路組成。

2.1 ?薄膜壓力傳感器A201

電阻式傳感器和驅動電路相連，所選電阻式傳感器是一種薄膜型[3]，具有紙一樣薄的結構，是目前世界上最好的觸力/壓力測量的傳感器，簡單易用、準確、成本低、體積小，易于集成在各種運用中。無負載施加時，具有高于5 MΩ的阻抗，在其有效區域施加負載時，電阻值隨著負載的增大而變小，從校準圖上可以看出，壓力與電導近似線性關系，通過最小二乘擬合法得出壓力與電導的關系[4]。

2.2 ?電源電路

本系統使用的是3.3 V設計，電源電路的設計方案選擇5 V轉3.3 V供電的方案，使用LM1117?3.3線性穩壓電源進行穩壓;5 V供電可以使用PC的USB作為供電線。本電源模塊可以在給單片機供電的同時也給其他外設進行供電，方便其他電路的設計。圖4為電源電路設計圖。

2.3 ?放大電路

信號驅動板集成放大芯片采用通用集成運放LM358，該芯片支持兩路電壓放大，在薄膜壓力傳感器將非線性電阻變化轉換為電壓變化后，通過調節負反饋電阻的大小實現一定比例的增益，將電壓信號處理到適合ADC采集的范圍內。放大電路采用同相比例放大電路設計，其單路放大[5]原理如圖5所示。

根據電路原理，同相放大器主要由反饋電阻Rf和R1組成深度電壓串聯負反饋，R2為同相端補償電阻，其取值為R2=R1//Rf。設Ui為輸入電壓，Uo為放大后的電壓輸出信號，即圖5中的1腳電位，根據運放“虛斷路”特點[4]，[iR1=iRf]，即[-u-R1=（u-uo）Rf]，得[u0=1+RfR1u-=1+RfR1ui]。于是同向比例運算電路的電壓放大倍數為Auf=1+[RfR1]。輸入的電壓信號經過平衡電阻由運放同相端進入放大器，輸出后并聯一個1 mF的電容，濾去高頻噪聲。

2.4 ?多路選擇電路

因為ADC通道數有限，所以需要使用多路選擇電路進行循環選擇讀取多組電壓信號[6]，選擇電路使用CD4051模擬選通開關，將放大電路的輸出端Vout 與數字控制模擬電子開關輸入相連，通過CD4051的3個二進制控制輸入端以及INH片選端進行選擇通道。8片8選1模擬選通開關CD4051的OUT/INx引腳分別輸入64個采樣電路的輸出端，而8片CD4051的公共端COM端分別連接到MSP430單片機的8個12位ADC，通過地址線I_ADDR_x和CD4051的片選引腳INH_x分別選中每一片模擬選通開關的模擬電壓輸入[7]。CD4051芯片引腳連接如圖6所示。

2.5 ?USB轉串口

本文所設計的多點網格陣列壓力采集系統采集的數據最終將經過處理發送到PC進行顯示與儲存，單片機與PC通信的方式有很多，但最常用的還是串口通信的方式。MSP430F149單片機內部硬件集成了UART串口通信模塊，通過軟件調用相關寄存器即可輕松使用UART串口與PC機進行通信[8]，所以本設計采用串口通信的方式將數據回傳至PC端。圖7為USB轉串口與USB接口電路設計圖。

3 ?系統軟件設計

系統軟件設計采用模塊化結構，采用VC++編程，整個程序由參數配置、數據采集、數據顯示、數據存儲等子程序模塊組成，對壓力數據進行多通道采集[9]。

數據采集模塊負責采集壓力數據，用戶先進行參數設置，進行原始數據采集，之后采用USB轉串口發送到PC端，顯示電壓值，繪制壓力變化曲線，實現數據實時可視化。同時系統會自動存儲數據，對壓力數據進行雙重備份有效地防止數據丟失。系統還設計專門的界面查看歷史數據，如圖8所示，根據用戶需要，后期可導出到Excel進行分析處理[10]。系統根據每個任務的優先級提供快速響應，保證系統有條不紊的工作。系統軟件流程圖如圖9所示。電壓采集圖像如圖10所示。

4 ?系統測試與分析

本系統經過單點采集模塊的設計測試，繪制多點網格陣列式原理圖，焊接制板。然后進行程序編寫，功能測試，連接各個子模塊，反復調試和修改，最終實現8×8路壓力采集、圖像繪制、數據分析等功能。實驗結果表明，系統電壓值隨著壓力的增加而下降，壓力平穩增加和降低時不會出現跳躍、突變等現象，零壓力時電壓保持在5 V，最小電壓值保持在1 V左右，經過計算，最終誤差均滿足FlexiForce薄膜壓力傳感器1%的誤差范圍[11]。試驗結果數據如表1所示。

5 ?結 ?語

本文設計一種基于FlexiForce薄膜式壓力傳感器多點陣列式壓力采集系統。采用A201薄膜壓力傳感器，設計針對陣列信號處理電路，完成通道選擇、A/D轉換、放大調理，最終傳送給PC機，以采集壓力實時變化，分析壓力數據。實驗結果表明，該系統具有高精度、高靈敏度、實用性強、性價比高等優點，同時可以根據要求改變成不同的形狀，應用到汽車、家居用品、服裝、工業檢測及科研等領域，具有廣泛的應用前景和一定的借鑒價值。

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