刘颖 王坤 宋明辉 章浩伟

摘 要：针对非平面上的压力分布数据采集需求，设计一种基于柔性薄膜压力传感器阵列的快速压力分布采集系统。以人体皮肤为实验采集对象，设计由柔性薄膜压力传感器阵列为测量传感器、STM32芯片为主控的嵌入式数据采集系统，再通过优化的并行式采集电路和统筹式采集算法，实现压力分布数据的快速采集。以单通道式（A1）与并行式（A2）采集电路，以及顺序式（B1）与统筹式（B2）软件算法为测试条件，压力分布数据的总共采集时间分别是26.722s（A1+B1）、12.165s（A1+B2）、0.498s（A2+B1）、0.187s（A2+B2）。测试结果表明，该系统可以快速、准确地完成针对包括肢体皮肤在内的非平面上压力分布数据的采集。

关键词：压力传感器阵列;数据采集;柔性薄膜;非平面压力分布

DOI：10. 11907/rjdk. 182722 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

中图分类号：TP319文献标识码：A 文章编号：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：微创励志创新基金资助项目（YS30810155）

作者简介：刘颖（1980-），女，博士，上海理工大学医疗器械与食品学院副教授、硕士生导师，研究方向为生物医学工程;王坤（1992-），男，上海理工大学医疗器械与食品学院硕士研究生，研究方向为生物医学工程。

0 引言

压力分布数据采集装置主要应用于工业、医学、科研等领域[1-4]，虽然国内外各种压力数据采集设备形态各异，但主要根据压力传感器敏感单元的物理特性，可分为直接测量的压阻式、电容式和应变式，以及间接测量的光学式等不同种类[5-6]。其中，压阻式和电容式压力采集技术应用最为广泛，能够实时测量动态的压力分布[5];电容式采集技术精度较高，但由于材料和工艺限制导致传感器较厚，从而在测量过程中会减小被测表面的负荷面积，使测量值与实际值存在较大偏差[7-10];电阻式采集技术可以将敏感单元放置在薄膜上[11-13]，利用其力阻特性，即在受压后可产生相应电阻值，并直接得到相应电压信号，从而有效简化了测量方案[14]，在实现传感器柔性阵列的同时，具有较低的迟滞以及较好的重复精度[15]。

当前压阻式柔性薄膜压力传感器阵列的主要结构是在两片很薄的聚酯薄膜上分别铺设若干行与若干列带状导体，中间是压敏半导体材料涂层，大量横向导体和纵向导体的交叉点即形成压力感应点阵列。当外力作用于这些感应点上时，半导体阻值会随外力变化而变化，由此反映感应点压力值。本文采用动态性能优良，且成本较低的压阻式48*48柔性薄膜压力传感器阵列进行实验设计。

然而，压力传感器必须配合性能优良的采集电路和控制系统，才能具有良好的测量性能[16]。针对现有压力分布数据采集系统的不足，本文设计一种基于压阻式柔性压力薄膜传感器阵列与单片机控制平台的采集系统，主要方案是通过地址线控制译码器选择出传感器阵列的Y列，以及通过地址线控制模拟通道选择器选择出传感器阵列的X行，并将第X行Y列压力敏感点的阻值通过电阻匹配电路转换成电压信号;然后通过电压匹配电路将电压信号放大到单片机模拟数字信号转换器（Analog to Digital Converter，ADC）的输入电压范围，经过模数信号转换与数值换算得到该点压力值;最后通过变换地址将整个传感器阵列全部采集完毕，将采集数据通过串口上传至上位机进行处理。本文设计的快速压力分布数据采集方案成本低、体积小、易于实现，而且能够满足特殊表面上的压力分布数据采集需求，具有较高的应用价值。

1 系统软硬件设计

本文设计了一种基于柔性薄膜压力传感器阵列的压力分布采集系统，通过并行式采集电路和统筹式采集算法，实现了对非平面上压力分布数据进行快速采集的实际需求，克服了现有压力分布數据采集装置采集面积小、分辨率低以及动态性能差等缺点，大大提高了采集系统的实用性。另一方面，本文提出的软硬件采集系统设计方案，配合不同的压力传感器阵列，可以满足不同领域的特殊采集需求。

1.1 控制单元硬件电路设计

数据采集部分中的硬件电路结构框架如图1所示，电路中的电源模块为整个系统供电，供电电压为稳压后的5V与降压后的3.3V，其中3.3V为单片机系统供电，5V为压力传感器阵列的驱动电路提供稳定的激励电压。以ARM？Cortex-M3内核的STM32F103单片机为主控芯片，在实验中用到了芯片内部外设中的ADC1、串口1和串口2等硬件资源。其中传感器电阻值通过电阻匹配电路转换成电压信号，再由单片机通过ADC1将电压值模拟信号转换成数字信号存储到数组变量中，从而完成一个点的压力值采集。单片机通过串口1与触摸屏连接，实现整个系统运行过程中的参数录入与显示，并通过串口2将处理后的压力数据上传至计算机，通过Matlab软件将数据转换成压力分布云图，以便直观地对实验数据进行分析。

1.2 压力敏感单元硬件电路设计

压力敏感单元采用48*48柔性薄膜压力传感器阵列，配合信号处理电路实现对整个面上压力敏感点的压力数据采集，硬件结构框架如图2所示。

图2 压力敏感单元硬件结构框架

其中Y列通道选择电路由74HC154译码器构成，通过单片机的通用输入输出接口（General Purpose Input Output，GPIO）实现74HC154译码器的地址线控制，其中48个列通道至少需要3个4-16线译码器，3个译码器共用4根地址线，还至少需要两根地址线进行片选，所以Y通道选择器电路总共需要至少6根地址线进行通道选择。译码器芯片会将选中的通道置零，其余未选中通道置高电平。但是本文设计的需求是将选中的通道置高电平，其余未选中的通道置高阻态，这就需要在译码器芯片和压力传感器阵列之间增加一个由SN74HC05漏极开路反向器芯片构成的反向高阻电路，从而实现在采集某行某列的敏感点电阻值时，该行其它列的敏感点不会对采样数值产生干扰。X行通道选择电路由CD74HC4067模拟通道选择器芯片构成，通过单片机的GPIO实现模拟通道选择芯片的地址线控制，其中48行的通道选择至少需要3个16通道的模拟通道选择器芯片，3个16通道的模拟通道选择器共用4根地址线。电阻匹配电路如图3（a）所示，下拉电阻阻值计算公式如下：

[Vout=Vcc×R0R0+RX]  （1）

其中，Vin是单片机ADC的输入电压，Vcc是电阻匹配电路供电电压5V，R0是下拉匹配电阻阻值，Rx是传感器阻值。通过实验测量，传感器阻值与压力的关系如图3（b）所示。为了方便测试校准，此处压力用质量（单位g）等效代替。观察发现压力在5g～50g范围内线性度较好，对应压强范围约为2kPa～20kPa。通过合适的下拉匹配电阻，对匹配后的电压值与压力进行数值分析，如图3（c）所示。

通过选取合适的匹配电阻阻值，使电压值与压力在某区间内近似线性相关。匹配电阻R0的阻值选择3kΩ，经过线性拟合得到压力与电压值关系式（R2=0.959 1）如下：

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

其中，F是选中敏感点上施加的压力值，单位为g;U是经过电阻匹配电路得到的分压值，单位为V。

最后在电压匹配电路中，通过OP07运算放大器实现电压的比例放大。运算放大器一方面对上级电路的阻抗接近无穷大，即输入电流接近于零，可以提高电阻匹配电路的测量精度，另一方面可以提高对下级电路的带负载能力。电阻匹配电路的输出电压值范围为0～2.5V，而单片机ADC的输入电压范围为Vref-～Vref+，在此芯片上等于0～3.3V。所以电压匹配电路需要通过集成运放OP07的比例放大电路，实现将电压放大1.3倍。

1.3 单片机控制程序设计

根据硬件电路设计方案，顺序式单片机控制程序主要流程如图4所示。

图4 顺序式单片机控制主要程序流程

2 软硬件优化设计

为了保证采样系统的准确性及其动态性能，通过并行式硬件电路和统筹式软件算法实现快速采样。并行式硬件电路采用3个模拟通道选择器芯片配合3组独立的电阻匹配电路和运算放大器电路加以实现，然后并行传输模拟信号至单片机端PA0、PA1和PA2的3个GPIO，即ADC1的Channel0、Channel1和Channel2共3个通道。3个通道在规则通道组上使用单次转换扫描模式进行模数转换，再通过直接存储器存取（Direct Memory Access， DMA）方式存储到变量数组中。每次扫描完3组通道都会产生一次中断，在中断处理函数中改变模拟通道选择器芯片的地址值，从而实现对行列地址的快速采集。

另一方面，为了追求采样结果的准确性，即采样值最大限度接近实际值，往往采用在一段时间内对某一点多次采样求平均的方法。但如果在传感器阵列中的每个敏感点都采用该方案，会导致整个系统的时延非常高，从而显著影响采样系统动态性能。所以在软件控制方面采用统筹式采样算法，可以通过设置1ms的系统节拍实现对标准时基的计数。定时器1设定每1ms进入中断处理函数完成时基计数，定时器2设定每10ms进入中断处理函数，从而实现每个敏感点的采样间隔都为10ms，并在间隔期间统筹完成对其它敏感点的数据采集。根据统筹式算法特点，可以将采样间隔时间从顺序式算法中的1ms延长到10ms，使得到的平均值准确度更高。优化后的统筹式采样算法流程如图5-图7所示。

图5 统筹式采样算法主函数流程

图6 统筹式采样算法中断函数流程

图7 统筹式采样算法子函数流程

3 测试结果

3.1 基于模型的压力分布检测结果

采用基于充气气囊对曲面肢体加压的模型（见图8（a））进行压力分布检测，单片机通过串口将采集到的数据上传到计算机，然后通过Matlab软件对二位数组进行cubic插值处理，再转换成伪彩图如图8（b）所示。

图8 非平面加压模型与压力分布云图

3.2 不同优化方案性能对比

采用单通道式与并行式采集电路，以顺序式与统筹式软件算法为测试条件，压力分布数据采集时间如表1所示。

表1 不同测试条件下采集时间

4 结语

在各种数据采集硬件系统中，数据采集速度与准确性往往是两个相互制约的性能指标，在ADC采样过程中亦是如此。不论在硬件层面上通过延长转换时间，以及在软件层面上根据适当的采样间隔多次采样求平均值等方式，都是为了能进一步提高采集数据的准确性。但这些方式往往会降低采集速度，该现象在采样点较少的情况下容易被忽略，而在类似本文的阵列式传感器数据采集中，对采集系统的动态性能有较高要求的情况下，该因素则无法被忽略。

因此，在不降低采样数据准确性的前提下，需要通过软硬件优化以大幅提高采样效率，从而提升采集速度。本文通过并行式采集电路与统筹式软件算法，相对于顺序式单通道采集方案的耗时缩短了143倍，从而大大提高了准确性和实时性，而且该方案可根据需求进一步优化统筹策略以及增加并行通道数量，采集性能仍具有较大提升空间。另外，在本文设计的基于传感器阵列的数据采集硬件模型基础上，还可通过μC/OSIII或FreeRTOS等嵌入式实时操作系统进一步提高采样效率，进而提高采样的准确性与实时性。同时，可以通过优化的上位机软件完成对数据的自动处理与分析，提高数据采集系统的便捷性。综上所述，本文设计的基于传感器阵列的压力分布数据快速采集系统针对包括肢体皮肤在内的非平面上压力分布数据的采集需求，提供了一种快速、准确的测量方案，并可根据实际情况对系统进行优化改进，以进一步提高采集系统的准确性与实时性。

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（责任编辑：黄 健）