基于单片机的多通道足底压力采集系统设计

王 梦，葛 斌，徐明哲，石仝雨

(上海理工大学 医疗器械与食品学院，上海 200093)

基于单片机的多通道足底压力采集系统设计

王 梦，葛 斌，徐明哲，石仝雨

(上海理工大学 医疗器械与食品学院，上海 200093)

设计了一种基于PIC18F4550的多通道FlexiForce薄膜压力传感器平台。选用PIC公司的超低功耗单片机PIC18F4550作为主控芯片，结合FlexiForce薄膜压力传感器和多通道信号采集，实时采集多个通路的压力传感器数据。采用 VC++ 编写的上位机软件图形界面，在此界面上显示实验所得数据。通过对该系统性能进行实验分析，平稳上升加压分析，结果中没有出现明显的跳跃、突变，显示的牛顿值随着压力值的上升而上升；零压力稳定性，软件显示的最大值为1 N，平均值为0.23 N；固定压力值检测，误差都满足FlexiForce薄膜压力传感器的1%误差范围。

单片机；多通道；薄膜压力传感器

相对于采用传统的金属丝或者硅扩散方式的压力传感器，FLexiForce薄膜压力传感器具有体积小、功耗低等特点。FLexiForce薄膜压力传感器的工作原理是薄膜敏感材料的压阻力效应。一方面在应变力的作用，FLexiForce薄膜压力传感器的几何形状发生变化，引起材料的电阻值发生变化；另一方面材料的晶格变形改变了材料中电子的自由程，导致材料的电阻率发生变化。本文设计的系统将这种电阻值的变化转化成FLexiForce薄膜压力传感器的输出电压值发生相应的改变。本文采用基于PIC18F4550平台的FlexiForce的A101型FLexiForce薄膜压力传感器，通过USB通讯协议，实现多通道数据的实时采集传输。

1 设计思路

由于PIC18F4550系列的单片机的接口信号均为数字信号，为了使用该型单片机获取压力、重量等非电信号的数据，必须将FLexiForce薄膜压力传感器所受到的压力信号先转换为电流或电压信号输出；另外，第一次转换后得到的电流或电压信号输出信号是模拟信号，因此还需要进行A/D转换，以满足该型单片机接口的需要；最后，通过USB接口输出相关数据，实现数据实时显示。

1.1 PIC18F4550单片机

PICl8F4550由美国PIC公司设计，内置EEPROM，所采用的程序存储器是Flash型；在A/D转换模块上，这款单片机的分辨率为10 bit；另外该系列单片机采取了内置的通用串行总线通信模块，该通讯模块遵循USB 2.0 规范，同时支持USB2.0协议中的低速和全速通信；该型单片机还设计了单片机的片内收发器和稳压电路，同时也支持外部收发器。因此对于开发者而言该单片机使用更加方便。本方案直接采用PIC4550的USB接口来完成USB信号的传输[1-2]。

1.2 FLexiForce薄膜压力传感器

Flexi Force薄膜压力传感器的内部结构主要由两层衬底组成，衬底的主要材料是聚脂纤维薄膜。通过在薄膜层上覆盖一种特殊的导体材料，然后在导体材料表面添加一层对压力敏感的压力墨水，最后使用粘合材料将两层衬底压在一起，形成一个完整的传感器。压力墨水外显示的银边表示对压力敏感的区域，在该敏感区域外围有两根引出导线，输入到外围电路中。

电路中FlexiForce薄膜压力传感器可以看作电路中的一个可变电阻。当没有压力负载时，FlexiForce薄膜压力传感器呈高阻状态(电阻值>5 MΩ)，当有压力负载时，电阻下降。本文中通过数模转换电路使传感器受到的压力载荷和相应的电阻值对应。

2 系统组成及工作原理

本文设计的足底压力采集系统基于PIC18F4550微处理器，系统包含压力传感器、信号调理模块，数据采集和处理模块、USB通信模块和上位机显示界面。系统结构框如图1所示。

图1 系统结构框

整个多通道压力测量系统由PIC18F4550微处理器控制，具体的工作过程如下：安装在检测部位的压力传感器，对压力数据进行感知与测量；传感器将受到的压力数据转化为电信号输出；输出的电信号由信号调理模块进行放大和调理，然后通过微处理器的A/D转换模块转换为数字量；微处理器将转换后得到的数据送到传输模块；传输模块将转换后的信号通过USB通信的方式传输给上位机，实现数据与曲线的实时显示，并可用于后续分析处理[3-4]。

2.1 PIC微处理器模块

压力信号的采集过程由微处理器控制，通过微处理器的A/D转换模块将模拟量转换为数字量，便于上位机进行后续处理。项目采用自带USB通讯模块的PIC18F4550增强型芯片，该微处理器简洁轻便，可以直接通过线路与外接模块相连接。微处理器的系统设计框图如图2 所示。

图2 微处理器的系统设计框图

2.2 通讯系统

通讯系统是为了保证压力数据能够被采集与实时监测，使用USB数据通信模块将数据从单片机的USB数据传输模块传送到上位机的数据处理系统。本实验的USB传输部分选用PIC18F4550自带的USB通信模块，该模块可实现USB信号的实时接收与发送，将从PIC18F4550微处理器采集的数据实时接收并发送给上位机。通过D-、D+、GND、VCC与上位机USB接口的相应连接线相连，并将数据打包发送，能够实现实时接收数据并在上位机进行实时显示。

本文采用PIC18F4550芯片，其自带USB 功能控制器，遵循USB2.0规范，同时支持16个endpoint端点，1 kB USB Flash缓存,集成USB收发器，无需外部电阻。USB和单片机通过USB状态和中断寄存器相连接，将需要发送的数据通过数个数据端点，传输到界面，并且通过数据传输的相关控制符来调节USB接口的数据传输，上位机得到的相关数据，最终输出相应的压力值[5-7,10]。

2.3 信号调理模块

在本论文中涉及的FLexiForce薄膜压力传感器由于输出的信号较为微弱，在单片机采集电信号之前需要将电信号进行放大和滤波等预电信号处理。在本实验中所采用的电信号调理和放大电路，针对FLexiForce薄膜压力传感器输出信号特点和后续的A/D转换模块的特点将输出的信号进行信号调理及放大，然后将处理过的信号输入单片机[8-9]。输入信号通过MCP6044的二级调制、放大，将受到的压力值转化成为0～5 V的电压值，最终输入单片机的A/D接口，读取相应的数值，单片机向上位机发送0～1 024数值，上位机读取数值，和标准曲线相对应读取相应的数值[10-11]。

2.4 压力信号数据处理

试验使用(艾德堡)HLA HLB压力测试机(量程0～1 000 N)。实验中对FLexiForce薄膜压力传感器施加相应的压力值，将上位机得到的数值和相应的输入压力值制作成压力传感器的标准曲线。重复进行3组平行实验，每条标准曲线的采样点数量超过15个，每个采样点数值取平均值。

图3 压力值标准曲线

由此得到标准曲线为

y= 0.000 2x2+ 0.777 1x

(1)

R2=0.993 1

(2)

2.5 下位机软件模块

基于PIC18F4550的数据采集系统能够实时感知穿戴者的足底压力变化情况，并通过A/D 转换将其转化为数字量，该数字量由通讯模块传输到上位机。通过参考对应的标准曲线，将输入的A/D值转化成牛顿值，并且在图标上显示出来。上位机的主要任务是协调管理下位机和实验数据分析、存储和显示[12]。上位机的所有数据读入和显示功能通过C++进行编程实现，具体软件流程如图4所示。

图4 软件流程图

数据采集界面的主要功能是：(1)实现上位机通过USB接口传输模块接收PIC18F4550微处理器传送的数据；(2)根据系统需求设定显示界面、设定相关参数，检测和压力检测点序号，通过触发程序完成压力采集过程；(3)能够直观地显示压力的的波形数据，并将采集到的数据存入指定的位置，保存相关数据文件。界面如图5所示。

3 系统性能分析

为验证整套采集系统的正确性。现将硬件系统与上位机连接，并通过USB接口进行上下位机联合调试，检测压力传感器参数的准确性。本实验涉及平稳上升加压、零压力稳定性、固定压力值3种基本检测。上述运动均为压力监测的基本状态，基于压力监测需求，描述与之相关的压力变化特征。在本次实验过程中，使用FlexiForce的A101型FLexiForce薄膜压力传感器采集压力信号，采样频率为50 Hz；使用PIC18F4550微控制器控制信号采集和A/D 转换；并通过USB传输模块传给上位机，即将薄膜压力值的变化情况在上位机上实时显示。最后，通过将本次实验结果与已知实验数据对比，检测系统的数据准确性和稳定性。

3.1 平稳上升加压实验

试验采用量程为0～1 000 N的(艾德堡)HLA HLB压力测试机。每固定时间间隔，将压力值调高100 N，施加在FLexiForce薄膜压力传感器上，压力达到最大值后结束实验。通过检测本次试验数据的值，查看是否有阶跃、突变等，检测软件系统是否稳定。实验结果如图6所示。

根据图6所示实验结果分析可知：本实验数据稳定，没有出现明显的跳跃、突变；软件显示的牛顿值随着压力值的上升而上升。

3.2 零压力测试实验

薄膜传感器上不加载任何压力，并放置1 min。通过软件记录其读取的压力值，根据读数计算其压力平均值。测试结果为：在薄膜传感器上不加载外力时，软件显示的最大值为1N，平均值为0.23 N。参照压力传感器说明书，本实验采用的FLexiForce薄膜压力传感器在量程范围内有1%的误差，实验获得的数值符合其位于量程的1%误差内。

3.3 固定压力测试实验

实验采用多个压力测试点，在FLexiForce薄膜压力传感器上施加相应的压力，分别是10 N，20 N，50 N，100 N，200 N，300 N，500 N，800 N，1 000 N。将本实验中计算器获取的平均值，用SPSS 17.0软件进行处理。软件获得的数据如表1所示，表中得到的压力值采用x±s表示，单位为N。

表1 固定压力测试实验结果数据

根据实验的数据，可以明显看到，实验系统的稳定性比较好，测得数据的误差均满足FLexiForce薄膜压力传感器的1%误差范围。

4 结束语

针对现有缺乏多通道的压力传感器检测系统，本文提出了多通道压力采集系统基于PIC18F4550单片机进行设计，采用FLexiForce薄膜压力传感器并通过USB的中断通讯模式，实现了多通道压力数据的实时采集和传输，同时采用VC++设计了相应的软件界面，实现了压力数据的实时显示和保存。通过实验证实，本系统具有多通道、实时、稳定性高的特点，工作灵活可靠，具有良好的应用前景。

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Design of Multi-channel Thin Film Pressure Sensor System Based on PIC18F4550 Platform

WANG Meng，GE Bin，XU Mingzhe，SHI Tongyu

(School of Medical Instrument and Food Engineering, University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

This paper designed a multi-channel thin film pressure sensor system based on PIC18F4550 platform. The thin film pressure sensor has the characteristics of small volume and low power consumption, etc. Multi-channel system can pressure sensor at the same time to collect pressure sensor signals and pressure values. This article chooses the PIC (Texas instruments) company’s low power consumption MCU PIC18F4550 single-chip microcomputer as the master control chip, combined with the thin film pressure sensor and multi-channel signal acquisition, real-time acquisition of multi-channel pressure sensor data. Adopted the PC software of VC + + write a graphical interface, the interface shows the experiment data. Experiment analyzed the performance of the system, steadily rising pressure analysis, the results did not appear obvious jump, mutations, according to the Newton’s value with the pressure value of the rise and rise; Zero pressure stability, the software shows that the maximum value of 1 Newton, with a mean of 0.23 N; Fixed pressure value detection, error all meet the 1% error range Flexi Force thin film pressure sensor.

MCU; multi-channel; thin film pressure sensor

2016- 11- 15

王梦(1992-)，女，硕士研究生。研究方向：生物医学工程。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.09.009

TP274+.2

A

1007-7820(2017)09-030-04