平衡評估壓力傳感陣列的高速數據采集系統設計*

郭立泉， 王計平， 熊大曦

(1.中國科學院 蘇州生物醫學工程技術研究所，江蘇 蘇州 215163； 2.江蘇省醫用光學重點實驗室，江蘇 蘇州 215163)

設計與制造

平衡評估壓力傳感陣列的高速數據采集系統設計*

郭立泉1,2， 王計平1,2， 熊大曦1,2

(1.中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所，江蘇蘇州215163；2.江蘇省醫用光學重點實驗室，江蘇蘇州215163)

針對康復醫學中對坐位、站位、臥位等多種精細壓力分布及壓力平衡評估的需要，采用高密度的壓力傳感陣列作為傳感器，提出了一種超多通道壓力傳感陣列的高速數據采集方法，并給出了具體電路實現和系統設計。實驗對實時采集到的壓力傳感陣列數據進行壓力分布測試，結果顯示：對于站位(足底)壓力評估的2 288個傳感陣列單個壓力墊，系統每秒實時采集壓力分布圖100幀以上；對于臥位(平躺)的4個壓力墊，每秒實時采集壓力分布圖25幀以上，均可以動態實時顯示壓力分布的變化，滿足精細壓力分布檢測和評估系統的需要。

壓力傳感器陣列; 壓力分布; 高速采集; 平衡評估

0 引 言

平衡評估可以有效地了解康復訓練情況和訓練效果，從而有針對性地改進康復訓練過程，因此，對肢體運動功能的患者，具有非常重要的意義[1,2]。

目前,臨床上常用的基于光學的圖像檢測和識別系統，由于肢體重疊遮擋等原因，在坐位、站位、臥位等體位的壓力分布檢測中，存在較大誤差，無法做到精細檢測。同時，光學檢測系統存在體積大、成本高、空間需求大、使用不方便等缺點[3,4]。

本文提出了一種基于高密度壓力傳感陣列的精細壓力分布實時檢測系統，并給出了具體電路實現。實驗和測試結果表明：系統可以動態、實時檢測2 288個以上壓力傳感陣列的壓力分布，實現精細壓力分布和平衡評估。

1 系統基本原理

高密度壓力傳感陣列示意如圖1所示，橫向m行傳感器，縱向n列傳感器，共m×n個壓力傳感點。橫向和縱向的傳感器均由納米力敏性材料均勻印制在基墊上[5]。對于每個壓力傳感點，壓力變化時，對應的電阻器阻值發生相應變化。因此，通過設計高速掃描的數據采集電路，實時采集各個壓力傳感點的電阻值，即可根據經驗公式或實驗擬合公式計算出各個壓力傳感點壓力值的大小[6]。

對于坐位(臀部)或站位(足底)的壓力分布檢測系統，采用薄膜式高密度壓力傳感墊，橫向44行，縱向52列，共2 288個壓力傳感點，壓力墊大小為30 cm×35 cm，壓力傳感點間距為5 mm×5 mm，可以進行精細的壓力分布和平衡分析。對于臥位(平躺)的壓力分布檢測，采用4個壓力墊拼接組成更大面積的壓力傳感陣列。

圖1 壓力傳感陣列示意

2 系統設計

2.1 總體設計

系統框圖如圖2所示，主要包括高速掃描檢測電路、信號調理電路、高速數據采集電路、高速USB通信電路以及數據采集與處理程序等幾個部分。

圖2 壓力傳感陣列高速數據采集系統框圖

2.2 高速掃描檢測電路

對2 288個壓力傳感點，必須設計高速的通道掃描切換電路，才能實時檢測出所有通道的壓力動態變化。本文運用高速模擬開關組成橫向和縱向高速模擬開關陣列和，由微控制器STM32的I/O口驅動開關進行通道選擇，將2 288路壓力信號轉換為1路電阻信號，進行高速切換檢測，設計可大大簡化后續信號調理電路和數據采集電路的設計。

高速掃描檢測電路如圖3所示，文中僅只給出了前8路橫向、前8路縱向高速模擬開關的電路。

圖3 橫向和縱向高速模擬開關(前8路)

2.3 信號調理電路

將電阻信號轉換為AD檢測范圍內的電壓信號，并進行信號放大、阻抗匹配等。

為了可以在壓力分布圖上通過不同顏色和分辨能力顯示各個傳感點的壓力分布，設計了如圖4所示的高精度DAC電路。由STM32通過SPI接口控制16位的高精度DAC進行D/A轉換，輸出可調的穩定的電壓，并經電壓跟隨器電路進行信號調理，作為電阻采集電路的電壓基準。根據實際壓力信號的強弱，調節電壓基準值，使得最終采集的電壓值和壓力值幅度可以調節。

圖4 16位高精度DAC和信號調理電路

信號調理電路采用精密電阻器R與壓力傳感點的電阻器R＇ 進行電阻分壓，由歐姆定律知R＇=V/(Vref-V)×R。電壓信號與地組成偽差分信號，差分輸入可以使電路只對差模信號放大，而對共模輸入信號只起跟隨作用，使得送到后級的共模抑制比(CMRR)得到提高。同時，儀表放大電路對信號放大，以提高檢測精度。

2.4 高速數據采集電路

高速數據采集電路采用16位高精度的同步型高速AD芯片AD7606進行設計。為了提高采集速度，AD7606采用并口模式與STM32實現通信。數據采集電路如圖5所示,16位并口數據和STM32的PC口相連，AD_OS0，AD_OS1和AD_OS2進行采樣平均次數設置，可設置為1～8倍過采樣，以提高測試精度。

圖5 高速數據采集電路

采用AD7606內部電壓基準作為AD的基準電壓，通過程序控制將信號采集范圍設置為-5～+5 V。實際采集速度可達到100 k次/s以上，電壓檢測精度<1 mV，滿足高速高精度信號采集的需要。

2.5 高速USB通信電路

高速USB通信電路采用接口芯片FT232HL進行設計。FT232HL內部集成了USB協議引擎(可以控制UTMI，處理USB 2.0高速接口的各個方面)，及整個USB協議，可以直接連接FIFO轉換為高速USB通信，不需外部程序控制當配置為并行FIFO 接口時，數據傳輸率達25 MB/s以上，滿足高密度壓力傳感陣列的數據輸出需要[7]。

高速USB通信電路如圖6所示，利用FT232HL異步FIFO接口與STM32的FSMC接口相互傳輸數據。

圖6 高速USB通信電路

2.6 數據采集與處理

對于整個壓力傳感陣列高速數據采集系統，STM32的數據采集和控制程序以及上位機程序的簡化軟件流程如圖7所示。

圖7 STM32數據采集和上位機程序流程

STM32上電復位，進行系統時鐘，AD，DA，DO，USB等各項參數的初始化，并通過USB中斷查詢上位機指令，一旦收到上位機開始測量指令，則根據USB收到的參數大小設置參考電壓，然后連續進行通道切換和AD采集，直到2 288個通道全部切換完成，則通過USB上傳數據。

上位機程序采用LabVIEW編寫，通過調用提供的動態鏈接庫DLL可快速讀/寫USB緩沖區的數據。LabVIEW程序初始化以后，不斷查詢指令，收到開始測量指令，則不斷查詢USB緩沖區的數據個數，直到數據量大于4 576(每個通道2個字節，2 288個通道共4 576個字節數據)，開始調用FT_Read函數讀取USB緩沖區的4 576字節數據，通過解析和計算得到一幀完整的壓力分布圖。如果停止測量，按下按鈕，退出程序，停止上位機和STM32的數據采集。

3 實驗結果與分析

由于平衡評估的目的在于壓力分布，與壓力值本身的大小無關，因此，可以通過測得的電壓分布或計算的電阻分布直接表征壓力分布，無需專門對系統進行標定。

為了驗證所設計壓力傳感陣列高速數據采集系統的性能，分別對于站位和臥位(平躺)進行了測試。站位壓力分布采用1張壓力墊，壓力分布測試結果如圖8(a)所示；臥位壓力分布采用4張壓力墊，壓力分布測試結果如圖8(b)所示。當壓力變化時，壓力分布圖隨之變化，每秒采集的完整壓力分布圖均在25幀以上，可以實時地顯示壓力的動態變化。

圖8 壓力分布測試結果

4 結 論

提出了一種超多通道壓力傳感陣列的高速數據采集方法，并給出具體實現電路。對于站位和臥位(平躺)壓力分布分別進行了測試和實驗，結果顯示：對于2 288個傳感陣列的單個壓力墊，該數據采集系統每秒實時采集壓力分布圖100幀以上，4個壓力墊每秒實時采集壓力分布圖25幀以上，可以實時地顯示壓力的動態變化，滿足精細壓力分布檢測和評估系統的需要，為開發智能化的精細平衡評估設備，提供了參考和依據。

[1] 林夏妃,丘衛紅,竇祖林.腦卒中后平衡功能障礙的研究進展[J].中國康復醫學雜志,2011,26(2):191-194.

[2] Bayouk J F,Boucher J P,Leroux A.Balance training following stroke:Effects of task-oriented exercises with and without altered sensor input[J].Int’l J of Rehabil Res,2006,29(1):51-59.

[3] 楊文璐，王 杰，夏 斌，等.基于kinect的下肢體康復動作評估系統[J].傳感器與微系統，2017,36(1)：91-94.

[4] 趙小川,羅慶生,韓定玲.機器人多傳感器信息融合研究綜述[J].傳感器與微系統,2008,27(8):1-4.

[5] 王 鋒,韓俊博,焦國太.基于柔性薄膜傳感器的翼面攻角測試研究[J].中北大學學報,2013,34(6):673-677.

[6] 方 科,李欣欣,楊志剛,等.壓電式能量獲取裝置的研究現狀[J].傳感器與微系統,2006,25(10):7-9.

[7] 王 曙,向歆夷,林培群,等.基于FT2232H的高速數據采集系統設計[J].單片機與嵌入式系統應用,2013(10):50-53.

Designofhigh-speeddataacquisitionsystemforpressuresensorarrayinbalanceassessment*

GUO Li-quan1,2， WANG Ji-ping1,2， XIONG Da-xi1,2

(1.SuzhouInstituteofBiomedicalEngineeringandTechnology,ChineseAcademyofSciences,Suzhou215163,China;2.JiangsuKeyLaboratoryofMedicalOptics,Suzhou215163,China)

Aiming at the needs of rehabilitation medicine and pressure balance assessment in the distribution of pressure on sitting,standing and supine condition,high density pressure sensor array is used and a high speed data acquisition method by multi-channel switch is employed.Data acquired in realtime is processed and showed for test.The result shows that for single pressure pad with 2288 sensors array,above 100 frames of pressure distribution map are displayed dynamically and for 4 pressure pads there above 25 frames,which meet the need of fine pressure distribution detection and evaluation system.

pressure sensor array; pressure distribution; high speed acquisition; balance assessment

10.13873/J.1000—9787(2017)11—0075—03

R 197.3

A

1000—9787(2017)11—0075—03

2016—11—04

蘇州市科技計劃資助項目(SS201533,SS201608)

郭立泉(1983-)，男，工學碩士，助理研究員，主要從事康復工程及醫用電子系統設計工作,E—mail：guolq@sibet.ac.cn。