阻性傳感器陣列測試方法的多軟件聯合仿真系統*

何賞賞,吳劍鋒*,趙新剛,王 琦

(1.東南大學儀器科學與工程學院,南京 210096;2.機器人學國家重點實驗室(中國科學院沈陽自動化研究所),沈陽 110016)

帶光敏[1]、溫敏[2-3]、壓敏[4]、濕敏[5]等功能的阻性傳感器陣列(RSA),具有空間分辨率高、穩定性高、成本低、易實現等優點,其已被廣泛應用于觸覺傳感[6]、電子皮膚[7]、人體健康監護[8]、機器人[9]、可穿戴設備[10]等領域。共用行列線方式使得大量阻性傳感器可以集成在一個RSA中,優化了其陣列結構并減少了其測試連線數目。

RSA的性能依賴于其自身的制備技術,包括傳感器的設計、所采用的材料和實現工藝。王璐珩[5]設計了一種新型濕敏傳感器,其采用的差分結構提高了濕度檢測的靈敏度,同時也減小了滯后誤差;黃英等[11]利用柔性基底材料、力敏材料和溫敏材料設計了柔性三維力、溫度傳感陣列,能夠準確實現三維力與溫度的檢測;張正勇等人[12]則利用MEMS技術實現了觸覺傳感器陣列的柔性化,可實現90°以上的彎曲變形。

此外,RSA的性能也與其測試方法性能緊密關聯。采用共用行列線方式的陣列結構雖然能夠降低傳感單元的互連復雜度,但同時也帶來了串擾誤差和讀取速率問題。常用的RSA測試方法如二極管插入法[9]和晶體管插入法[7]可減小串擾誤差,讀出速率快,但其電路復雜度較高且插入的器件引入了額外誤差;電壓反饋法[13]和零電勢法[14]測量精度較高、電阻值量程大,但其讀取速率較慢;此外還有RMA(Resistance Matrix Approach)[10]、關聯矩陣法[8]等。RSA測試方法的性能好壞可以從測量精度、讀出速率、電路復雜度、電阻值量程、適用的陣列規模、功耗成本等方面進行評估。

RSA測試方法的性能分析可通過理論分析、電路仿真軟件分析、實物分析3種方式[15]實現。其中,理論分析適用于RSA測試方法設計的初始階段,通過數學建模來快速分析出影響測試方法性能的因素,但其分析結果并不直觀;實物分析能夠更加系統地獲取測試方法的性能,結果真實可靠,但會消耗較多的電子元器件而增加硬件成本;電路仿真軟件分析兼具電路理論分析和實物仿真分析的優點,一方面能夠獲取較為可信的結果,另一方面也能降低電子元器件成本,因此具有一定的可取性。針對電壓反饋法[13]、零電勢法[14]等測試方法,由于其采集的數據可直接反映傳感器單元的阻值,因此通過電路仿真軟件分析即可評估其基本性能;但對于一些測試方法,如RMA[10]、關聯矩陣法[8]等,其需要先采集多組數據而后聯合求解才能得到傳感單元的阻值,純粹的電路仿真軟件分析則需要大量的額外手動數據計算而存在明顯的局限性。

LabVIEW具有優良的圖形化界面開發與控制功能,MATLAB具有強大的數據處理功能,Multisim具有高效的電路設計及電路仿真功能,且相互間的混合編程[16-17]往往能夠利用各自的優勢。因此,為了快速評估RSA測試方法的性能,本文設計了由LabVIEW、MATLAB和Multisim 3個軟件聯合編程實現的多軟件聯合仿真系統。本文的框架如下:首先,在介紹聯合仿真系統的整體框架設計的基礎上,結合聯合仿真系統界面對聯合仿真系統功能進行詳細描述。其次,介紹了RSA的兩種典型測試方法RMA和IRMA(Improved RMA)。而后基于該聯合仿真系統和4×4的阻性陣列實物系統設計仿真實驗和實物驗證實驗。最后,對比仿真結果和實物系統結果進而對RMA和IRMA的性能進行評估。

1 聯合仿真系統

基于LabVIEW、MATLAB、Multisim這3種軟件,本文設計了一個針對RSA測試方法的多軟件聯合仿真系統,以實現對RSA測試方法基本性能的快速評估,其設計框圖如圖1所示。

圖1 聯合仿真系統設計框圖

LabVIEW作為控制中心,與MATLAB和Multisim均為雙向交互關系。與Multisim的交互主要利用LabVIEW的LabVIEW Multisim Connectivity Toolkit附加工具包,交互內容包括對RSA測試電路的加載或刷新、元器件參數的修改、驅動仿真以及測試點數據的采集。LabVIEW驅動Multisim中的RSA電路開始運行后,每個測試點的數據由LabVIEW采集并以二維數據(時間+浮點型數據)形式保存至本地excel文件中。與MATLAB的交互主要利用MATLAB script節點實現,LabVIEW使用ActiveX技術執行該節點,進而啟動一個MATLAB進程,因此LabVIEW可以很方便執行在節點中寫入的MATLAB命令。LabVIEW將從本地讀取excel文件傳給MATLAB處理計算,計算結果為陣列中傳感器單元的電阻值,LabVIEW獲取該結果并以txt文件形式保存至本地。

聯合仿真系統的LabVIEW界面如圖2所示,主要包括電路加載顯示、仿真參數設置和仿真控制及狀態顯示等區域。其中,電路加載顯示區域主要實現LabVIEW與Multisim的連接、電路文件的選擇、電路圖的加載或刷新顯示,電路輸入端口、輸出端口和元器件列表的枚舉;仿真參數設置區域實現元器件的顯示與修改、輸出電平路徑、輸出文件路徑、ADC采樣精度設置等功能;仿真控制及狀態顯示區域則實現仿真的控制,并顯示當前采樣端口。仿真時,界面顯示仿真正在運行,且顯示當前正在采集的通道口,當所有通道口都采集完畢,經計算后仿真自動結束。

圖2 聯合仿真系統界面設計

圖3 聯合仿真系統的運行流程

聯合仿真系統的運行流程如圖3所示。首先,LabVIEW與Multisim進行連接,連接成功后選擇正確的電路文件打開。打開成功后,系統界面將顯示相應的RSA測試電路圖,并在右上側列表中枚舉了電路中所有的輸入端口、輸出端口以及元器件列表。其次,設置數據處理時的等效ADC精度等參數以及RSA測試電路的輸入電平文件路徑和仿真結果的輸出文件路徑,當對元器件參數進行修改時,則電路圖也會刷新。根據使用者設定的參數,LabVIEW將驅動Multisim中的測試電路進行仿真,同時采集測試點數據并保存至本地。采集的數據將由LabVIEW傳入MATLAB中進行處理與計算,相應的計算結果則返回至LabVIEW,并由其保存至輸出文件。一輪仿真結束后,可重新設置參數進行下一輪的仿真,否則結束仿真。

該聯合仿真系統主要用于RSA測試方法的基本性能,如測試方法的適用電阻值量程、測量精度、相鄰元素(與待測阻性傳感器單元同行、同列、非同行非同列的單元)等參數。根據需要評估的性能,設計實驗并確定自變量和因變量及其相應的取值,仿真時通過設置相應元器件的值,聯合仿真系統會將每次仿真后的電阻值結果以txt文件形式保存至本地,進而可以根據電阻值結果對相應影響因素進行分析。

2 RSA測試方法

RMA是一種通過建立電阻矩陣方程來求解陣列中傳感單元阻值的測試方法,其優點在于僅需要引入少量標準電阻即可消除串擾誤差帶來的影響,其設計簡單、復雜度低、易于實現。

圖4 測試方法原理圖

如圖4所示,RMA測試方法主要包括m×n的RSA、n個已知阻值的參考電阻(Rj,j=1,2,…n)、(m+1)個輸入端口(pi,i=0,1,…m)以及n個與列線相連的ADC通道。其中,輸入端口的電平為0(GND)或1(VCC),連接在輸入端口與陣列間的(m+1)個電阻r代表電路激勵信號的輸出內阻,RMA測試方法將內阻r忽略為0,但實際系統中往往通過微控制器的IO端口來驅動陣列。

作者對STC12C5A56S2微控制器IO端口進行了測試,如圖5為其IO端口輸出高電平和低電平時的U-I特性曲線,可得到其出高等效輸出電阻和出低等效輸出電阻分別約為65 Ω和20 Ω;作者還對STM32F103RBT6微控制器IO端口內阻的特性進行了測試,得到其出高時的等效輸出電阻、出低時的等效輸出電阻均約為20 Ω。由此可見微控制器的輸出電阻r不為0,從而導致RSA行線上的實際電壓并不等于理想的輸入端電壓,最終影響RMA的讀取精度。

圖5 STC12C5A56S2微控制器IO端口的U-I特性曲線

為了消除微控制器IO端口輸出內阻的影響,作者提出了一種改進的RMA(IRMA),如圖4所示。在IRMA中,在內阻r存在的基礎上在行線端額外增設m個ADC采樣通道,并將參考電阻行的輸入端口直接與VCC相連,故相應RSA測試電路共有m個輸入端口以及(m+n)個輸出端口。

針對IRMA測試方法,當掃描某行傳感單元時,該行的電平設為0(GND),其余行的電平設為1(VCC),并同時記錄(m+n)個ADC通道的電壓值。掃描第1行時,輸入電平可用e1=(0,1,…,1)T表示,掃描第i行時,輸入電平可用ei=(1,…,0,…,1)T表示,其中i=1,2,…m。

根據掃描后采集的數據,可得到陣列中任意一列m個傳感單元的電阻值Rij(i=1,2,…m)的表達式如式(1)所示。

(1)

式中:j表示列號(j=1,2,…n),Rj、Aj、bj分別如式(2)～式(4)所示,Vrij表示掃描第j行時第i行的行電壓,Vcij表示掃描第j行時第i列的列電壓,bj向量中的Rj表示第j列參考電阻的電阻值,其中(i=1,2,…,m,j=1,2,…,n)。

(2)

(3)

(4)

對比可知:RMA和IRMA的共同點在于它們都需要利用一次完整掃描的數據來列舉方程并求解,這意味著掃描過程中采集的數據并不能直接代表阻性陣列中傳感單元的電阻值。在對其性能進行評估時,需要先采集多組數據而后聯合計算得到RSA中各個傳感單元的阻值,但常規的仿真需要手動進行大量數據記錄與復雜計算,這將大大增加RSA測試方法仿真的人力消耗。因此,本文利用設計的多軟件聯合仿真系統對這兩種測試方法的性能進行評估。

3 實驗及結果

上節以RSA典型測試方法電阻矩陣法RMA[10]為例,在分析其局限性后進一步提出了改進的RMA(IRMA)。本節利用該聯合仿真系統和相應搭建的實物系統,對兩種測試方法的基本性能進行評估,一方面對聯合仿真系統準確性的進行驗證,另一方面對RMA和IRMA的基本性能進行比較分析。

首先,需要在Multisim中分別搭建對應RMA和IRMA的測試電路,以下每個實驗部分均會介紹相應阻性陣列的設計,相應的電平輸入方式和采集通道在上節中均已介紹。Multisim測試電路采用直流電源作為電路輸入,需要采集數據的通道處放置測試電極作為輸出。由此聯合仿真系統可以加載相應的Multisim測試電路,獲取電路中的輸入輸出和元器件編號,最終驅動電路進行仿真并將當前陣列中所有單元的電阻值以txt文件保存至本地,進而進行誤差分析。同時,本文搭建了相應測試方法的4×4阻性陣列實物系統,與聯合仿真系統的結果進行比較。

聯合仿真系統實驗和實物實驗中,阻性陣列設計如下:陣列規模為4×4,第1行至第4行的電阻阻值分別為2 kΩ、3.9 kΩ、8.2 kΩ、20 kΩ,參考電阻為4.7 kΩ。聯合仿真系統實驗中采用5 V直流電平來驅動電路,數據采集的等效ADC精度為12位,根據其IO端口U-I曲線,輸出內阻設定為30 Ω。實物系統中利用STC12C5A56S2單片機來驅動陣列并采集數據,其內嵌有8通道10位高速ADC。

3.1 微控制器IO端口輸出內阻的影響

在Multisim測試電路中,設定當前待測單元的阻值處于2 kΩ～20 kΩ之間,每個IO端口的輸出內阻均相同且為r,仿真時r的取值范圍為1 Ω～100 Ω。

對聯合仿真系統的輸出結果進行誤差分析后得到輸出內阻影響的仿真實驗結果如圖6所示。隨著微控制器IO端口輸出內阻r的增大,IRMA的測量誤差較小且整體保持平穩,RMA的測量誤差較大且波動劇烈。可見,r取值較大對RMA測量誤差的影響大,而這將限制RMA的適用阻值量程,而r取值較大對IRMA測量誤差的影響可忽略,這表明IRMA較RMA具有更好的測量精度以及更大的阻值量程。

圖6 IO端口輸出內阻對RMA和IRMA測量精度的影響

3.2 電阻值量程和測量精度

為分析對比RMA和IRMA的適用阻值量程,本實驗以阻性陣列中位于第3行、第2列的電阻R32為當前待測單元,其阻值變化范圍分別為0.1 kΩ～128 kΩ(仿真)、0.1 kΩ～99 kΩ(實物),仿真實驗與實物實驗得到的當前待測單元的測量誤差結果如圖7所示。

圖7 IRMA和RMA阻值量程的仿真與實測結果

如圖7所示,曲線表明IRMA的仿真結果與實測結果在整個量程范圍內一致,而RMA的實物實驗得到的誤差略大于仿真結果,但整體誤差趨勢相同。其中,IRMA在0.1 kΩ～128 kΩ范圍內的測量誤差幾乎保持穩定,而RMA的測量誤差隨著待測電阻的增大有著明顯的變化,逐步從正向減小再往反向增大,只在一定的阻值量程范圍內具有可接受的誤差。因此,IRMA較RMA具有更大的阻值量程,表明微控制器IO端口輸出內阻的確對RMA的測量精度產生不可忽略的影響,進而體現出IRMA相較于RMA的優越性。

圖8 RMA和IRMA相鄰元素影響的仿真與實物結果

3.3 相鄰傳感單元的影響

RSA中的行相鄰單元、列相鄰單元以及非相鄰單元等三類非當前被測單元都會影響當前待測單元的阻值測量精度。本實驗中,以陣列中位于第3行第2列的電阻R32為當前待測單元,R32的行相鄰單元R33、列相鄰單元R22、非相鄰單元R21在0.1 kΩ～128 kΩ(仿真)、0.1 kΩ～99 kΩ(實物)范圍內變化。

如圖8(a)、圖8(b)、圖8(c)所示,同行電阻影響的仿真與實測結果近乎一致,同列電阻和非同行非同列電阻的仿真與實測結果具有相同的誤差趨勢以及相近的誤差范圍。可見,聯合仿真系統的仿真結果能夠有效給出相鄰元素對RMA和IRMA測試精度的影響規律。

從圖8(a)可知,同行電阻的變化對RMA待測電阻的測量誤差有顯著影響,而IRMA待測電阻的測量誤差均保持在±1%范圍內;從圖8(b)、圖8(c)可知,同列電阻和非同行非同列電阻的變化對RMA和IRMA測量誤差的影響均不大,IRMA的測量誤差一般在-0.5%～0.75%范圍內波動,而RMA的測量誤差則在-1.5%～-1%范圍內波動,但RMA較IRMA的整體誤差偏大。

3.4 討論

本文實現的多軟件聯合仿真系統對RSA測試方法進行仿真時,一次仿真結束,在參數設置區域修改某個參數的值后即可進行再一次仿真。在本文實驗中需要變化的參數及其變化值的個數有限,但在所需設置參數較多且其變化值個數增多的情況下,仿真的速率就會受到影響。為了實現更加自動化的仿真,可對該聯合仿真系統進行進一步優化,將一次仿真實驗中自變量變化的參數值輸入,并記錄在文件中,由聯合仿真系統讀入本次實驗的所有變化值,一次性完成仿真,進而提高仿真效率。

本文的實驗以4×4阻性陣列為例,對RMA和IRMA的性能進行評估,但隨著阻性陣列規模的增大,仿真的運行時間也會受到影響。規模的增大導致RMA和IRMA所需采樣的電極數增加,從而增加了仿真時間,且對IRMA的影響尤其嚴重。同樣,這也會影響其他測試方法的仿真。這將是接下來的工作中要解決的問題。

另外,RSA測試方法的性能不僅僅包括本文實驗中評估的性能,為了實現更全面的評估,作者將針對RSA測試方法的適用規模、抗空間干擾能力等進行分析,進而完善聯合仿真系統的功能。

4 結論

為了評估RSA測試方法的性能,本文設計了由LabVIEW、MATLAB和Multisim 3個軟件混合編程實現的聯合仿真系統。為了驗證聯合仿真系統的準確性,首先,以RSA典型測試方法RMA為例,在分析其局限性后進一步提出了IRMA,其次,利用聯合仿真系統和搭建的4×4阻性陣列實物系統,分別對基于RMA和IRMA的阻性陣列測試電路的性能進行評估以及驗證;結果表明,聯合仿真系統得出的結果與實物系統的結果具有較好的一致性,同時也驗證了IRMA較RMA具有更高的測量精度以及更大的阻值量程。因此,該聯合仿真系統能夠對 RSA測試方法的基本性能進行有效地評估,尤其適用于需要先采集多組數據而后聯合計算得到各個傳感單元阻值的RSA測試方法。