壓阻薄膜陣列數據無線快速采集系統設計

經家旺，蔡晉輝，曾九孫

(中國計量大學計量測試工程學院，浙江 杭州 310018)

0 引 言

陣列壓力分布數據采集裝置主要應用于醫療、工業、體育等領域[1-3]，根據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、電容式和應變式，以及間接測量的光學式等不同種類[4]。其中，在動態壓力分布的實時測量方面，電容式和壓阻式的壓力采集技術使用最為廣泛。電容式采集技術精度較高，但受材料和工藝限制導致傳感器較厚，在測量過程中測量值與實際值會因被測表面的負荷面積減小而存在較大偏差[5-7]；壓阻式采集技術采用的傳感器將敏感單元鋪設在薄膜上，具有柔性輕薄的特點，依據壓阻效應，薄膜受壓部分電阻變小，因此，可通過檢測電阻的變化從而計算出所受的外界壓力，簡化后續采集電路的同時也使其具備動態范圍寬、低遲滯、高重復精度等優點[8-10]。

近年來基于壓阻薄膜陣列的應用日益廣泛，其中，曹建國提出將柔性壓阻薄膜作為機器人的電子皮膚，為其實時提供分布式壓力檢測情況[11]；張允泊開發了基于900感應點壓阻薄膜的足底壓力檢測系統，進行人體健康狀態在線分析[12]；胡彬彬則將2 000感應點壓阻薄膜用于船體側壁水壓檢測系統，在線檢測波浪沖擊載荷對船體的影響[13]；而劉少華設計了基于3 600感應點壓阻薄膜的坐姿檢測系統，針對人體坐姿進行實時監測[14]；之后Wan Qilong創新地提出了臀部定位算法，并基于1 024感應點壓阻薄膜研制了坐壓圖像攝制系統實現人體坐姿的在線識別[15]。現有文獻基本偏重于壓阻薄膜的功能性應用，缺乏對實時性的探討，而作為一套在線檢測的采集系統，其動態性能在實際使用中至關重要。

本文針對壓力分布采集系統的實時性進行優化處理，提出一種基于藍牙的壓阻薄膜陣列數據快速采集系統，能夠實現穩定無線傳輸和高實時性功能，具有較高的應用價值。

1 系統設計

采集系統整體設計如圖1所示，壓敏單元受壓產生阻值變化，陣列采集將阻值轉化成電壓進行采集，通過藍牙無線傳輸并在主機上以熱力圖形式動態顯示。

圖1 采集系統整體設計

1.1 壓敏單元

壓敏單元采用60×60陣列式柔性壓阻薄膜作為傳感器，如圖2所示。其由上下兩層聚酯薄膜和中間壓敏半導體涂層組成。兩層薄膜上分別交叉垂直鋪設帶狀導電銀漿，并在重疊部分會形成陣列排布的感應點，感應點在受壓后會導致中間壓敏材料產生變形，進而導致阻值減小[16]。

圖2 60×60陣列式柔性壓阻薄膜

1.2 陣列采集電路

陣列采集架構設計如圖3所示，由行、列選擇電路選通感應點，解耦后電壓信號經調理電路接入單片機進行模數轉換。

圖3 陣列采集架構設計

1.2.1 行列選擇模塊

行選擇模塊部分電路如圖4所示，3-8譯碼器74HC138芯片與8選1模擬電子開關CD4051芯片地址線輸入由單片機控制，二級聯控實現對60行的逐行選通。列選擇模塊部分電路如圖5所示，撥碼開關全斷開則為順序式列選擇電路，原理同行選擇電路一致。

圖4 行選擇模塊部分電路

圖5 列選擇模塊部分電路

1.2.2 解耦模塊

通常利用電阻分壓實現電阻-電壓信號轉換，然而，用于陣列電阻中存在交叉耦合現象，如圖6所示，選擇A行C列時，測量感應點阻值R11，依據串并聯特點，可得下式：

圖6 單元陣列電阻分壓電路圖

式（1）中輸入電壓Uin已知，輸出電壓Uout可測，R0為固定電阻已知，R12、R21和R22作為周邊感應點阻值未知，因此，被檢測感應點阻值無法計算得到，這就是陣列電阻的交叉耦合現象，且該現象隨行列數的增加愈發明顯。

為消除陣列電阻的交叉耦合影響，設計如圖7所示的解耦電路。依據基爾霍夫電流定律（Kirchhoff's current law，KCL）可得輸入端到運放反相端的電流與運放反相端到輸出端的電流大小、方向均一致，因此可得下式：

圖7 單元陣列電阻解耦電路圖

對式（2）等號兩邊乘以R0得：

由式（3）可得，輸出電壓與感應點阻值呈反比關系，不受其他感應點影響。因此，將60列依次接入15片LM324芯片反相端實現解耦。

1.2.3 信號調理模塊

信號處理模塊電路如圖8所示，分為電壓匹配和濾波兩部分，分別實現對電壓信號的縮放與噪聲抑制，其中電壓匹配部分的輸出計算公式如下：

圖8 信號處理模電路圖

式中：Rx——電壓匹配電路中運放反相端輸入電阻；

Ry——電壓匹配電路中運放反饋電阻；

Uout1——電壓匹配電路輸出電壓值。

結合式（3）Uout的計算公式可得：

經實測，感應點阻值R11不低于2 kΩ，且已知Uin為3.3 V。因此，選取R0、Rx和Ry的阻值分別為2 kΩ、150 kΩ和120 kΩ，控制輸出電壓在單片機ADC采集量程內。

1.3 單片機控制

采集系統主程序流程圖如圖9所示，單片機上電開機后，初始化各單元以及定義陣列電壓緩存數組和行、列變量，并通過循環調用采集函數和傳輸函數對壓阻薄膜表面壓力分布進行監測。

圖9 采集系統主程序流程圖

順序式采集函數和全傳輸函數流程如圖10所示，順序式采集數據時，在初始化行、列值后，通過依次判斷行、列值是否在1～60范圍內，雙循環嵌套實現逐行逐列采集，單次采集單個感應點電壓值并存儲；采集完成后開始進行數據傳輸，首先初始化行、列值并發送起始位，再通過依次判斷行、列值是否在1～60范圍內，雙循環嵌套實現3 600個感應點電壓值的有序逐個傳輸后發送停止位完成一次全傳輸。

圖10 采集系統子函數流程圖

1.4 藍牙傳輸

選用HC-05藍牙模塊進行無線傳輸，其電路如圖11所示。通過AT命令配置傳輸波特率，并綁定主從機地址。工作時，由單片機端從機打包串口數據發送到PC端主機并解碼輸出，實現無線傳輸功能。

圖11 藍牙模塊電路圖

1.5 熱力圖顯示

PC端實時顯示程序流程如圖12所示，采用多線程串口同步監聽實現實時顯示功能，主線程監測到顯示標志位為“1”時，進行濾波和異常值剔除處理后刷新熱力圖顯示并將顯示標志位置“0”；從線程調用SELECT（）函數監聽串口，接收到起始位后，將后續數據存儲至B[i][j]直至接收到停止位結束，并將顯示標志位置“1”后繼續監聽。

圖12 實時顯示程序流程圖

2 實時性優化設計

實時性作為采集系統的一項重要指標，其主要影響因素有等待濾波輸出穩定時長以及陣列采集與數據傳輸所需時間，因此，本文對濾波電路進行理論分析選取合適參數，并在順序式采集和全傳輸基礎上進行優化設計，提出并行式采集和有限區域傳輸方案，提高采集效率，縮減傳輸量，進一步提高實時性。

2.1 濾波電路參數合理選取

調理電路中的濾波部分（見圖8）采用一階RC低通濾波電路，RC濾波從頻域分析，用截止頻率fc進行評估。截止頻率處的信號增益為-3 dB，頻率越高衰減越大；截止頻率越低，濾波效果越好。fc計算公式如下：

式中：Rs——濾波電阻；

Cs——濾波電容。

由式（6）可知截止頻率與濾波電阻電容值的乘積呈反比。

RC濾波從時域分析，用時間常數τ進行評估。經過時間τ后輸出電壓到達輸入電壓的0.632倍，經過5τ后，達到0.99倍，時間常數越小，等待輸出穩定時長越短。時間常數τ計算公式如下：

由式（7）可知，時間常數與濾波電阻電容值的乘積呈正比。

綜上所述，采集系統的準確度和實時性相互制約，需選取合適的電阻電容值使二者達到一個較優的平衡點。首先依據頻譜分析確定噪聲帶寬，結合實時性考慮，選取合適的時間常數τ為20 μs，考慮AD采樣阻抗匹配問題，濾波電阻Rs不宜過大，因此，濾波電阻Rs選取2 kΩ，代入式（8）計算得到濾波電容Cs等于10 nF。示波器觀察此時濾波電路輸出電壓波形，達到較好的濾波效果，通過單片機設置定時器延時，AD采集不同延時下的濾波電路輸出電壓值進行測試，結果如圖13所示，在101 μs后輸出電壓值趨于穩定，與理論相符，因此，依據該濾波電路可設置單片機每次行列切換后ADC采集等待時長為100 μs，該延時對系統實時性影響較小。

圖13 濾波電路輸出穩定曲線

2.2 并行式采集優化設計

2.2.1 并行式列選擇電路設計

列選擇模塊電路中的撥碼開關全部閉合即可切換成并行式列選擇電路，其部分示意電路如圖14所示。8片CD4051芯片全部使能，單次同時選通8列，基于解耦電路去除交叉耦合現象，多列之間互不干擾可同步采集。

圖14 部分并行式列選擇電路

2.2.2 并行式采集程序設計

并行式采集函數流程如圖15所示，初始化行、列值后，通過依次判斷行、列值是否在設定值內進行陣列掃描，由并行式電路可知一個列地址單次可同時選通8列，因此，在延時100 μs使ADC端口檢測電壓趨于穩定后，再分別用ADC1的Channel0～Channel7共8個通道進行數據采集并存儲，切換8次列選擇即可完成單行60個感應點的電壓采集并進行下一行采集直至60行采集完成。順序式逐點采集則需進行3 600次行列切換，是并行式的7.5倍。因此，并行式采集方式有效提高了采集效率。

圖15 并行式采集函數流程圖

2.3 有限區域傳輸優化設計

2.3.1 有限區域傳輸原理

有限區域傳輸原理示意圖如圖16所示，假設圖中黑色三角形CDE為受壓區域，確定四個邊界變量Xmin、Xmax、Ymin和Ymax的值，即可完成受壓區域邊界標定。通過傳輸邊界值以及圖中矩形ABCD區域數據即可實現對壓阻薄膜表面壓力分布信息的完全傳達，相比全傳輸方式減少了大量無用數據的傳輸，能有效縮減數據傳輸時間。

圖16 有限傳輸原理示意圖

2.3.2 有限區域傳輸程序設計

有限傳輸函數流程如圖17所示，定義好邊界變量Xmin、Xmax、Ymin和Ymax后，調用邊界標定函數完成對邊界變量的賦值，邊界標定函數流程如圖18所示，為避免噪聲的干擾，先定義一個電壓閾值，并通過依次判斷行、列值是否在1～60范圍內，逐個提取感應點電壓值與閾值進行比較，大于閾值的則為受壓區域內感應點，并依次將該感應點的橫、縱坐標與邊界變量進行比較，若該感應點超出現有邊界，則更新邊界變量值，若在現有邊界內則保持原有邊界變量值并對下一個感應點進行判斷，直至3 600個感應點循環完畢即可結束邊界標定并開始傳輸數據。傳輸時先發送起始位和邊界值，再通過循環索引行、列值均在邊界內的受壓感應點，并逐個發送其電壓值，直至受壓區域內感應點發送完畢后跳出循環并發送停止位完成單次壓阻薄膜表面壓力分布的有限區域傳輸。

圖17 有限傳輸函數流程圖

圖18 邊界標定函數流程圖

3 測試結果

壓力分布采集系統需要能夠快速準確地反映壓阻薄膜表面受壓情況，因此，針對優化后的采集系統進行壓力分布顯示和實時性測試。

3.1 基于坐姿的壓力分布可視化

PC端實時顯示界面通過將采集到的陣列數據進行熱力圖顯示實現對壓力分布的可視化，為驗證該采集系統能夠準確反映壓阻薄膜表面壓力分布情況，基于不同坐姿進行測試，各坐姿下的壓力分布情況如圖19所示，由圖可知該系統采集得到的正坐、左傾、后傾以及蹺二郎腿四種坐姿下的壓力分布符合各自實際受力特征，因此，該系統能夠實現對壓阻薄膜表面壓力分布的準確采集。

圖19 不同坐姿下壓力分布顯示

3.2 實時性測試結果

系統工作過程中采集與傳輸交替進行，通過設置單片機的GPIO口PC13為推挽輸出工作模式，并分別在采集開始與結束時反轉輸出狀態，用數字示波器觀察其電壓，波形如圖20所示，呈現周期性的高低電平變化，高電平期間系統進行數據采集，低電平期間系統進行數據傳輸。因此，利用示波器的光標測量周期內高低電平對應時長即可得到采集與傳輸耗時，完成采集系統實時性的測試。

圖20 采集傳輸耗時示波器檢測界面

基于常規陣列數據采集系統的順序式采集（A1）和數據全傳輸方式（B1），本文提出并行式采集（A2）和有限區域傳輸（B2）優化設計，其中，順序式采集與并行式采集示意圖如圖21所示，數據全傳輸和有限區域傳輸示意圖如圖22所示。由于有限區域傳輸的耗時與受壓區域面積相關，因此，不同個體或坐姿都會導致傳輸優化效果存在一定差異。為可視化實時性優化效果，本文通過在固定測試個體（作者本人）與其坐姿（正坐）情況下選取不同采集傳輸方式兩兩組合進行實時性測試分析，測試結果如表1所示。由表可知，在該情況下，通過并行式采集和有限傳輸方式相比順序式采集和全傳輸方式耗時縮短了約2.5倍。

圖21 順序式采集（A1）與并行式采集（A2）示意圖

圖22 全傳輸（B1）與有限區域傳輸（B2）組幀示意圖

表1 正坐時各采集傳輸方案耗時測試統計表

4 結束語

陣列式柔性壓阻薄膜應用于各種姿態監測，對采集系統的動態性能要求較高，且陣列數據采集系統的實時性和準確性往往相互制約。本文通過理論分析濾波電路，合理選取電路參數，并進行并行式采集和有限傳輸優化設計，提高采集效率與縮減傳輸量，增強采集系統的實時性，且后續可通過增加并行通道數以及利用DMA通訊統籌采集傳輸時間進一步優化采集系統。綜上所述，本文設計的壓力分布采集系統為基于陣列式柔性壓阻薄膜的在線姿態識別研究提供了一種無線、快速、準確的數據采集方案，并可繼續優化進一步提高采集系統的動態性能。