压阻式柔性压力传感器阵列信号采集系统设计*

2021-09-10李时维李绍成郭晓磊

传感器与微系统 2021年9期

周瑞，李时维，李绍成，郭晓磊

(南京林业大学材料科学与工程学院，江苏南京 210037)

0 引言

近几十年来，随着移动设备、软体机器人、物联网、新材料的发展，具有类似人体皮肤特性(触感、弹性、自愈、可伸缩等)的柔性可穿戴设备倍受关注[1～4]。作为新一代的电子产品，柔性可穿戴设备可以通过与人体结合，实现对人体的感知，实时提供人体健康的相关信息。压阻式柔性触觉传感器，是由压阻式柔性压力传感器构成的阵列，由于其结构简单、成本低、功耗低、信号易采集等优点，已经成为最具吸引力的电子皮肤之一[5～8]。

采用不同功能材料设计的压阻式柔性传感器其阻值范围不同，为了提高信号采集系统的实用性，需要研制一种阻值测量范围较大的信号采集系统，为此，本文基于STM32单片机，采用分档分压与恒流源相结合的方法设计了一种压阻式柔性压力传感器阵列信号采集系统。

1 采集系统方案设计

为了实时采集传感器阵列信号，并且便于信号的处理与分析，本文采用基于下位机和上位机相结合的方式进行信号采集与分析，如图1所示。压阻式柔性压力传感器阵列检测压力信号，下位机对压力信号进行A/D转换与数据采集，上位机通过通信方式接收下位机采集的数据，对其进行处理、分析、显示和保存。

图1 信号采集系统方案

2 采集系统硬件设计

2.1 检测对象

本文研究的信号采集系统是针对结构组成如图2所示的压阻式柔性压力传感器阵列检测需求。该阵列由16个压阻材料薄片构成，每个传感器敏感材料的上面和下面分别与横向导线和纵向导线相接触，并采用聚四氟乙烯薄膜进行封装。

图2 柔性压力传感器阵列结构

2.2 主控芯片选择

为了提高数据采集的实时性，采用STM32F103R8T6作为主控芯片，它是意法半导体(ST)公司研制的基于Cortex—M3内核的32位RISC处理器，拥有64 kB闪存、两个12位模数转换器、一个脉宽调制定时器和一个DMA控制器，并带有多种通信接口。工作频率为72 MHz，是普通51单片机的8倍左右。具有低功耗、高速度、高精度、综合性价比高等优点，能够满足本传感器阵列的数据采集要求。

2.3 选通电路设计

根据传感器阵列检测的实际需求，设计了图3所示的传感器阵列扫描式信号检测系统，行、列检测端均采用模拟开关控制不同的行、列接入电阻检测电路。

图3 4×4传感器阵列信号采集原理

电流在模拟开关的流通是双向的，为保证电路结构的对称性，减少不同类型芯片带来的干扰，本方案采用具有双向导通功能的 ADG1604 芯片作为模拟开关。ADG1604芯片是单刀四掷模拟开关，具有通过电压范围宽、低功耗(<16 nW)、供电电压与通过电压之间轨对轨、导通电阻小、通道建立速度快(<0.4 μs)等优点。

电路的选通是通过STM32控制IO口实现的，具体是通过PA10控制行选通的ADG1604芯片工作，通过控制PA8、PA9输出高低电平来控制行的通断；通过PD2控制列选通的ADG1604芯片工作，通过控制PC11、PC12输出高低电平来控制列的通断；将列选通的ADG1604的D引脚输出接入分档分压电路，将行选通的ADG1604的D引脚接地。

当两个ADG1604工作时，形成串联分压电路，通过采集电阻间的电压值，实现传感器阵列的单点扫描，并将信号输入到电压跟随器以增加输入阻抗，然后输入到STM32的PA1模拟量接口，经过A/D转换模块实现模数转换。

2.4 信号采集电路设计

为了提高信号采集精度，设计了两种阻值测量方法相结合的采集方案：一种方法是采用恒流法测量电阻，另一种方法是采用分压法测量电阻。恒流法适用于电阻较小时使用，分压法适用于电阻较大时使用。为了进一步提高阻值的测量精度，设计了分档分压法。

2.4.1 恒流源电路

采用恒流法测量电阻时，由于电流需要通过 ADG1604芯片，因此，恒流源的驱动电流应小于ADG1604的最大可通过电流315 mA。考虑到在最大电压的限定下，恒流源驱动电流越大，可带动的电阻越小，为此，本系统恒流源驱动电流设定为50 mA。

为了提高恒流源性能，采用电流串联负反馈的结构设计恒定输出的恒流源，其原理图如图4所示。该电路主要由运放、调整管、采样电阻以及基准电压构成，采样电阻电压反馈到运放的反相端，与基准电压进行比较，将误差电压通过放大后输入调整管，使通过采样电阻的电流始终保持恒定，即在负载发生变化后，仍能保持电流恒定。通过式(1)可以计算出输出的恒定电流为50 mA，该电路可以通过修改R3的电阻得到不同的输出电流

图4 恒流源电路原理

I0=2×2.5/R3

(1)

2.4.2 分档分压电路

分档分压法检测电路如图5所示，按 10 倍递减法设置的串联分压标准电阻分别为100,10,1 kΩ电阻三个档次。通过改变串联的电阻值，结合恒流源电路，可以提高传感器的阻值测量范围。

图5 分档分压法检测电路示意

3 采集系统软件设计

3.1 下位机软件

3.1.1 主程序设计

首先进行初始化操作(开启定时器中断；配置GPIO口；初始化ADC，DMA以及串口等)。在完成所有初始化操作后，系统进行一次完整的行列扫描。在扫描过程中，每扫描一个点，进行一次电阻比较与数据采集，对采集到的数据进行初步处理后，通过串行接口将数据发送到上位机。

3.1.2 行列选通程序设计

行列选通程序工作流程如图6所示。在初始化后，对行和列的初始值进行赋值，对第一行和第一列的第一个传感点进行选通检测，以坐标、压力的形式输出行和列信息及相应的阻值。然后依次检测第一行其它列的传感器输出。第一行检测完成后，依次检测第二、三、四行中各列传感器的信号值。系统默认的采样频率为100 Hz，可以通过上位机设置更改采样频率，由于STM32芯片性能限制，最高采样频率不能超过1 MHz。

图6 行列选通程序流程图

3.1.3 A/D转换程序设计

A/D转换程序的工作流程如图7所示。首先进行初始化，然后进行A/D 转换，并将转换后的数据采用DMA传输到存储器上。DMA可以将A/D转换后的数据通过总线传送至内存，减轻CPU的负担，因此，适合连续采样。

图7 A/D采集程序流程图

3.1.4 电阻检测程序设计

电阻检测程序工作流程如图8所示。具体的工作流程如下所述：1)首先将传感器电阻与分压的最大电阻(100 kΩ)进行串联，然后进行A/D转换。对A/D转换后的值U1，采用式(2)计算传感器电阻间的电压，最后，采用式(3)计算传感器的电阻值。2)当测量阻值大于50 kΩ时，测量结果直接作为有效检测，直接输出传感器电阻值。3)当测量阻值在5～50 kΩ之间时，通过选通开关将传感器与10 kΩ电阻串联进行电压采样，然后按照式(2)、式(3)计算电阻值。4)当测量阻值小于等于5 kΩ时，通过选通开关将传感器与1 kΩ电阻串联进行电压采样和电阻计算。测量阻值大于50 Ω时，测量结果直接作为有效检测；测量阻值小于等于50 Ω时，采用恒流源方法测量传感器的电阻值。式(2)、式(3)如下

图8 电阻检测电路流程图

U=3.3×U1/2n

(2)

R=R0×U/(3.3-U)

(3)

式中系数3.3为A/D转换使用的参考电压值；n为A/D转换位数，本文系统n值为12；R0为分压串联电阻阻值。

3.2 上位机软件

3.2.1 上位机软件功能

采用C#软件设计开发的上位机软件功能。主要由以下4个功能模块组成：1)用户管理：当用户为新用户时，需要注册新用户后才能登录，若忘记密码，需要修改密码。2)信号读取：上位机通过串口通信读取下位机信号，需要配置串口通信参数(数据位、停止位、校验位、波特率等)，当参数一致时才能进行数据的收发。3)数据显示：数据可以实时显示，并且能够查看历史数据。4)数据存储：可以将数据存入SqlServer数据库中。

3.2.2 上位机软件工作流程

首先进行初始化，然后与数据库进行连接，从数据库中检测输入的用户名和密码是否正确。信息正确时，打开主界面窗口，设置相关参数，发送指令，与下位机进行通信，接收下位机传送的数据。然后对接收到的数据进行处理、分析和显示，同时将数据存储到SqlServer数据库中。

4 系统性能测试与分析

图9为研制开发的压阻式柔性压力传感器阵列信号采集系统，其性能检测方法与步骤如下：将系列标准电阻分别接入信号采集系统中，得到实际测量的电压值和电阻值。由于电阻值是通过测量的电压计算得到的，因此测量电压的误差直接影响电阻的测量精度，可以根据式(4)计算出串联分压电路的理论电压值，根据式(5)计算出恒流源电路的理论电压值