CN117589363A - 头戴式压力分布检测系统及其压力检测方法 - Google Patents

头戴式压力分布检测系统及其压力检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种头戴式压力分布检测系统及其压力检测方法。其中头戴式压力分布检测系统包括：多个压力传感器接口具有可支持M*N的传感器矩阵接口；驱动调理电路根据对应的压力传感器的量程输出对应等级的电压；列隔离电路进行列隔离控制使得所述传感器矩阵接口中的对应列输出所述电压，其余列接地；行隔离电路将对应的行选中接入到增益电路中；当选中的对应行接入时，增益电路将被选中的对应行的输入信号进行对应等级的放大；电压反向电路将放大后的输入信号反向变成多通道的正向模拟信号；模数转换电路将正向模拟信号转换为数字信号；控制模块对上述接口及电路进行相应的控制。本发明的系统具有较强的适配性。

Description

头戴式压力分布检测系统及其压力检测方法
技术领域
本发明涉及穿戴式设备的技术领域，尤其涉及一种头戴式压力分布检测系统及其压力检测方法。
背景技术
在穿戴式设备中，通常设有多个压力传感器，前期对于这些压力传感器的检测和标定，通常都只能通过压敏纸来获取原始的压力数据，压敏纸的原理特性只能显示整个受力过程中最大力时颜色及余辉显示功能；另一方面压敏纸只能用颜色的深浅来显示压力的大小，无法确切统计实际的压力大小，因而导致原始数据不够准确，从而使得标定结果也不准确。
在穿戴式设备中，尤其是头戴式设备，其压力传感器需要测量头部压力分布并提供相关数据分析，若是原始数据不够准确，则会导致标定结果也不准确。
若是考虑精确检测压力传感器的受力情况，目前面临很多困难，例如，不同的压力传感器的端子数量(也可以称之为触电数量)不同，导致多压力分布检测系统在实现时需要考虑不同类型的端口，并且每一种端口配备相应的电路，从而导致整个系统成本过高，且过于复杂庞大。
因而如何提供一种通用的、适配性强的头戴式压力分布检测系统是业界亟待解决的技术问题。
发明内容
为了解决现有技术中头戴式压力分布检测系统的通用性、适配性较差的技术问题，本发明提出了头戴式压力分布检测系统及其压力检测方法。
本发明提出的头戴式压力分布检测系统，包括：
多个压力传感器接口，用于接入多个相同或不同的压力传感器，所述多个压力传感器接口的多个顶针组成规模为M*N的传感器矩阵网络；
驱动调理电路，所述驱动调理电路将一定的电压范围划分成多个等级，并根据对应的压力传感器的量程输出对应等级的电压；
列隔离电路，当所述驱动调理电路输出对应等级的电压后，所述列隔离电路进行列隔离控制使得所述传感器矩阵网络中的对应列输出所述电压，其余列接地；
行隔离电路，将对应的行选中接入到增益电路中；
增益电路，具有多个放大等级，当选中的对应行接入时，所述增益电路将被选中的对应行的输入信号进行对应等级的放大；
电压反向电路，将放大后的输入信号反向变成多通道的正向模拟信号；
模数转换电路，将所述正向模拟信号转换为数字信号；
控制模块，对上述接口及电路进行相应的控制。
进一步，每个压力传感器接口包括：由m个顶针组成的接口矩阵列器件，由n个顶针组成的接口矩阵行器件。
进一步，所述接口矩阵列器件中的α个顶针复用为压力传感器插入检测接口，M＝m-α
+1，N＝n。
进一步，所述驱动调理电路采用n位DAC芯片将一定的电压范围划分成2n-1个等级。
进一步，所述增益电路采用PGA增益放大芯片配合外围阻容器件实现6个等级当中的一个对被选中的对应行的输入信号进行增益放大。
进一步，所述压力传感器以排布的触点数量不同来区分不同种类的压力传感器。
本发明提出的头戴式压力分布检测系统的压力检测方法，包括：
当检测到压力传感器插入时，根据压力传感器的触点的排布，自动适配传感器矩阵行列大小以及压力传感器阻值的自适应调理；
启动矩阵轮询和模数转换功能开启压力数据的转换采集；并对压力数据进行数据帧封装形成压力数据流，将压力数据流写入到环形缓存区。
进一步，对压力数据进行数据帧封装包括对数据帧进行编码并填充帧ID、计算数据帧长度、获取并添加RTC时间戳、并计算和填充每帧数据帧的校验码。
进一步，压力传感器阻值的自适应调理包括：
步骤10，驱动调理电路产生对应等级的电压；
步骤11，列隔离电路进行列隔离控制选中第x列输出对应等级的电压；
步骤12，行隔离电路选中y行接入到增益电路；
步骤13，增益电路将y行接入的信号进行对应等级的放大，并得到y行接入的信号对应的电流数据的总和；
步骤14，判断电流数据的总和是否小于对应压力传感器的电流最低标准；
若是，则驱动调理电路调节电压的等级，返回步骤10；若否，则完成压力传感器阻值的自适应调理。
进一步，还包括读取环形缓存区内存储的压力数据并进行平衡标定的步骤：
根据压力传感器的量程将压力传感器上的每一个点的压力数据分成M个压强平衡段；
分段读取对应的压力数据，根据标定机对应的压强数据、压力原始数据在平衡过程中拟合出各段的平衡函数曲线，最终得到M-1段的分段函数f(equ)；
头戴式压力分布检测系统根据各分段函数的系数计算压力传感器各点平衡后的数据。
本发明通过本发明研发的压力传感器接口，可以实现不同压力传感器的接入。同时本发明通过驱动调理电路、增益电路等，可以实现压力传感器的自适应调理，因而本发明具有较强的适配性，可以适用于不同种类、不同阻值的压力传感器的压力分布检测。
附图说明
下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明，其中：
图1是本发明一实施例的硬件电路结构示意图。
图2是本发明一实施例的系统结构示意图。
图3是本发明一实施例的压力传感器接口的顶针排布示意图。、
图4是本发明一实施例的流程图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
由此，本说明书中所指出的一个特征将用于说明本发明的一个实施方式的其中一个特征，而不是暗示本发明的每个实施方式必须具有所说明的特征。此外，应当注意的是本说明书描述了许多特征。尽管某些特征可以组合在一起以示出可能的系统设计，但是这些特征也可用于其他的未明确说明的组合。由此，除非另有说明，所说明的组合并非旨在限制。
如图1所示，本发明的头戴式压力分布检测系统，包括压力传感器接口、驱动调理电路、列隔离电路、行隔离电路、增益电路、电压反向电路、模数转换电路、控制模块。
本系统的压力传感器接口具有多个，用于接入多个相同或不同的压力传感器。实际应用时，压力传感器通常都是不同的，也就是说，压力传感器的触点数量和/或触点排布通常都互不相互。为了适配不同的压力传感器，本申请的压力传感器接口采用了顶针阵列接口，每个压力传感器都具有相同数量以及相同排布的顶针阵列，且顶针阵列包括行阵列和列阵列。
多个压力传感器接口的多个顶针组成规模为M*N的传感器矩阵网络。以压力传感器为S个为例，则每个压力传感器接口的列阵列的顶针数量为M/S个，行阵列的顶针数量为N/S个。
驱动调理电路将一定的电压范围划分成多个等级，并根据对应的压力传感器的量程输出对应等级的电压，以适配不同阻值的压力传感器。
列隔离电路用对对应的列进行隔离控制。当驱动调理电路基于对应的压力传感器的阻值，输出对应等级的电压后，列隔离电路基于控制模块的对应控制信号进行列隔离控制，使得传感器矩阵网络中的对应列输出所述电压，其余列接地(高阻对地)。
行隔离电路将对应的行选中接入到增益电路中。
增益电路具有多个放大等级，当选中的对应行接入时，增益电路将被选中的对应行的输入信号进行对应等级的放大。增益电路每次所选中的行的数量，与电压反向电路中的通道数量一致。若是一次不能选中所有行，则按照排列顺序每次选择多行，直至所有的行都被选中过。
电压反向电路将放大后的输入信号反向变成多通道的正向模拟信号。
模数转换电路将正向模拟信号转换为数字信号。
控制模块对上述接口及电路进行相应的控制。
通过上述技术方案，本发明可以实现适配不同的压力传感器，具有强悍的通用性，对于多传感器的检测系统而言，大大降低了系统的制作和生产成本。
在一个具体实施例中，本发明的每个压力传感器接口包括接口矩阵列器件和接口矩阵行器件。其中接口矩阵列器件由m个顶针阵列排布组成。接口矩阵行器件由n个顶针阵列排布组成。压力传感器只需要设置对应的触点就可以接入到该压力传感器接口中。并且压力传感器的触点的数量可以等于或少于压力传感器接口的顶针的数量。在该实施例中，由于本发明把行顶针放置在一起，排布成甄烈师，列顶针放置在一起，也排列成阵列式，与传统的行列矩阵顶针的排布方式不同，从而使得本发明的压力传感器接口可以适配不同的压力传感器，只需要压力传感器按照这种方式去排布自己的行矩阵触点和列矩阵触点，数量上不多于压力传感器接口对应的接口矩阵行/列器件的数量即可，从而提高压力传感器接口的适配度。因而，压力传感器以排布的触点数量不同来区分不同种类的压力传感器。
在一个实施例中，可以将接口矩阵列器件中的α个顶针复用为压力传感器插入检测接口，则M＝m-α+1，N＝n。这种方式相比较于，增加新的插入检测接口成本少，设计更简洁。例如，本领域内技术人员可以在压力传感器接口处设置红外检测装置来检测压力传感器的接入，这会大大增加压力传感器接口的尺寸，且增加了额外的成本。或者是，通过增加专用的顶针来检测压力传感器的插入，这种方式相比较而言也是既增加尺寸又增加成本的方式。
在一个实施例中，驱动调理电路采用n位DAC芯片将一定的电压范围划分成2n-1个等级。例如，驱动条例电路采用8位DAC芯片，则可以将一定的电压范围划分为28-1个等级，即255个等级。
在一个实施例中，增益电路采用PGA增益放大芯片配合外围阻容器件实现6个等级当中的一个对被选中的对应行的输入信号进行增益放大。
相对应的，本发明的头戴式压力分布检测系统的压力检测方法，包括以下步骤。
当检测到压力传感器插入时，根据压力传感器的触点的排布，自动适配传感器矩阵行列大小以及压力传感器阻值的自适应调理；
启动矩阵轮询和模数转换功能开启压力数据的转换采集；并对压力数据进行数据帧封装形成压力数据流，将压力数据流写入到环形缓存区。
上述步骤中，对压力数据进行数据帧封装包括对数据帧进行编码并填充帧ID、计算数据帧长度、获取并添加RTC时间戳、并计算和填充每帧数据帧的校验码。
在一个实施例中，压力传感器阻值的自适应调理包括以下步骤。
步骤10，驱动调理电路产生对应等级的电压；
步骤11，列隔离电路进行列隔离控制选中第x列输出对应等级的电压；
步骤12，行隔离电路选中y行接入到增益电路；
步骤13，增益电路将y行接入的信号进行对应等级的放大，并得到y行接入的信号对应的电流数据的总和；
步骤14，判断电流数据的总和是否小于对应压力传感器的电流最低标准；
若是，则驱动调理电路调节电压的等级，返回步骤10；若否，则完成压力传感器阻值的自适应调理。
在一个实施例中，本发明的多压力分布检测系统的压力检测方法还包括读取环形缓存区内存储的压力数据并进行平衡标定的步骤。
根据压力传感器的量程将压力传感器上的每一个点的压力数据分成M个压强平衡段；
分段读取对应的压力数据，根据标定机对应的压强数据、压力原始数据在平衡过程中拟合出各段的平衡函数曲线，最终得到M-1段的分段函数f(equ)；
多压力分布检测系统根据各分段函数的系数计算压力传感器各点平衡后的数据。
下面以一个具体的头戴式压力分布检测系统为例，来对本发明的多压力分布检测系统进行更加详细的说明。
如图2所示，头戴式压力分布检测系统，用于测量头部压力分布并提供相关数据分析。该系统主要包含硬件系统、嵌入式软件系统、平衡标定系统、软件算法系统和上位机数据分析处理系统五个部分。
硬件系统包含MCU嵌入式系统模块(硬件模块)、五个压力传感器接口(在该实施例中具体采用的是pogopin顶针传感器接口)、电池和充放电管理模块、SD数据存储模块、RTC模块、USB及WIFI数据传输模块。
MCU嵌入式系统模块包含控制模块(也叫主控MCU)、驱动调理电路、AD模数转换电路、LED及按键电路、矩阵行列隔离电路等组成。
驱动调理电路可以根据压力传感器量程自适应调整驱动电路。
如图3所示，在一个具体实施例中，压力传感器接口1包含97个带有行程压缩pogopin顶针。其中53个顶针组成一个整体封装器件，形成接口矩阵列器件11。剩下44个顶针封装成接口矩阵行器件12。
在该实施例中，列接口顶针位于行接口顶针空间下方，顶针向下位移压缩，相反的行接口顶针位移列接口上方，顶针向上位移压缩。两组顶针封装组成一个标准的传感器接口。
其中矩阵列接口第1个顶针与第53个顶针复用为传感器插入检测接口，当压力传感器插入时，传感器将第1和53顶针连通，MCU由此检测传感器插入状态，并点亮LED指示。由此每个pogopin顶针传感器接口可支持52*44行列的矩阵传感器。本系统包含五个此类型的接口，组成一个最大支持260*44的传感器矩阵网络。
该传感器接口相对于其他连接器接口实现更简单、连接更稳定，使用寿命更长、可以频繁和快速方便的更换传感器；另一方面降低了传感器制作生产的工艺难度，降低传感器生产制作成本。
电池和充放电管理模块包含电池、充放电模块、电量指示显示屏和电量数据通信接口，控制模块可通过通信接口获取电量百分比信息，同时设备(即检测系统)开机后显示屏也将实时显示电量百分比和充放电状态。
USB模块包含USB自锁航空插头、USB 2.0HS和USB航插数据线组成，USB最高支持480Mbps速率，该模块可以直接连接上位机获取实时压力数据，或通过此模块读取SD模块中保存的压力数据。
WIFI模块支持WIFI 2.4G和5G频段，WIFI模块与MCU使用SDIO接口通信，控制模块可通过此模块将数据发送给上位机系统，当USB和WIFI同时连接到上位机系统中时，USB模块通信优先级将大于WIFI模块。
SD存储模块可直接将压力数据录制到SD卡中，RTC模块为整个硬件系统提供标准的UTC时间。
系统运行时，控制模块输出一个驱动调理控制数字信号使驱动调理电路产生一个负电压–VDrv,驱动调理电路可控制–VDrv在0～-5V之间分成255个等级输出；同时控制模块驱动列隔离控制，列隔离电路在列隔离控制下将压力传感器接口260*44矩阵中的260列从第1行开始依次选中，以选中第1列为例，输出电压–VDrv，未选中的列此时高阻对地；同理行隔离电路每次8行被选中接入到增益电路。控制模块此时输出数字信号到增益控制端，增益控制端控制增益电路将行输入的信号进行放大，增益电路可由增益控制端使信号进6个等级的放大，例如x1倍放大、x2倍放大、x4倍放大、x8倍放大、x16倍放大、x32倍放大。
被放大后的模拟信号流入到电压反向电路使模拟信号反向变成8通道正向的模拟信号VR1～VR8；VR1～VR8模拟信号流入电流检测电路检测当前传感器在受压情况下的8通道电流I1，AD数模转换将VR1～VR8将模拟信号转换成数字信号K1～K8。至此完成了260*44矩阵8通道压力原始数据的检测。控制模块此时切换列隔离电路依次选择第2列到第260列，共循环260次(从第1列到第260列)完成260*8个传感器点的压力检测,然后控制行隔离电路循环6次完成260*8*6的矩阵传感器网络压力检测，即260*48矩阵传感器网络压力检测，并得到电流数据I1～I8的总和Imax。控制模块此时根据Imax与压力传感器的电流最低标准Imin进行比较；当Imax<Imin时，此时的–VDrv与传感器阻值不匹配，系统将自动增大–VDrv或增大Gx使Imax≥Imin，完成压力传感器传感器阻值的自适应调理。电路调理完成后系统将以调理后的–VDrv和Gx进行该传感器的压力检测，最后控制模块将260*48的矩阵网络裁剪成260*44压力网络。整套硬件电路可以适配–VDrv和Gx 255*6＝1530级电路调理。
整个电路极大的提高了传感器的适应能力，具有强悍的通用性；同时降低了传感器的制作和生产成本。
嵌入式软件系统详细的描述的该系统整体系统调度、线程间数据通信和系统线程运行处理流程。
嵌入式软件系统基于硬件系统基础上，搭载了一套RTOS实时操作系统，该操作系统包含多个线程管理和调度各个硬件模块，最终将硬件系统的模拟压力信号转化为数字压力信号，实现压力数据的数字化；软件系统采集到数字压力数据后运行平衡、校准软件算法，最终将算法处理后的压力数据保存到本地SD卡或者通过USB和WIFI接口传输到上位进行显示和数据分析。
设备上电开机后，首先初始化设备，初始化后启动运行LED、压力数据扫描、USB和WIFI通信、SD存储和上位机命令处理线程。
LED状态指示线程启动后实时等待传感器插入和USB和WIFI数据传输信息，5片传感器配备5个LED状态指示灯，当有传感器正确插入到设备时，该线程将收到传感器插入信号，并点亮对应的LED指示灯，指示用户传感器接入
正常，传感器拔出LED熄灭。同时该线程以同样的处理流程处理USB和WIFI数据通信信号，当上位机与设备进行数据通信时，数据传输LED已固定频率闪烁。
压力数据线程是一个压力数据生产线程，线程启动后先检测传感器的插入状况并通知LED线程。传感器插入后，线程自动适配传感器矩阵行列大小，启动矩阵轮询和模数转换功能开启压力数据的转换采集；并对压力数据进行数据帧封装，在压力帧数据编码并填充帧ID、计算数据帧长度、获取并添加RTC时间戳、并计算和填充没帧压力数据校验码等信息后组装一个完整的压力数据流，并将压力数据写入到环形缓存区。
USB WIFI通信线程主要功能为压力数据消费线程，线程启动后先监测USB插入和WIFI连接状态，当USB插入或上位机连接设备WIFI时，线程开始从环形缓存区读取压力数据流，并根据上位机的通信命令选择是否加载平衡标定算法。原始压力帧数据用于生产平衡校准文件，压强帧数据用于用户测量使用。
SD存储线程为压力数据消费线程，当上位机未连接并需要保存数据时，该线程将从环形缓冲区中读取数据，并保存在本地SD存储卡中，保存的数据可用于设备的平衡校准或者压强测量数据回放与分析。
命令线程用于处理设备与上位机的命令与配置，用于配置和获取设备的基本状态，配置调理压力采集电路的驱动电压、WIFI配置等功能都由该线程实现。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种头戴式压力分布检测系统，其特征在于，包括：
多个压力传感器接口，用于接入多个相同或不同的压力传感器，所述多个压力传感器接口的多个顶针组成规模为M*N的传感器矩阵网络；
驱动调理电路，所述驱动调理电路将一定的电压范围划分成多个等级，并根据对应的压力传感器的量程输出对应等级的电压；
列隔离电路，当所述驱动调理电路输出对应等级的电压后，所述列隔离电路进行列隔离控制使得所述传感器矩阵网络中的对应列输出所述电压，其余列接地；
行隔离电路，将对应的行选中接入到增益电路中；
增益电路，具有多个放大等级，当选中的对应行接入时，所述增益电路将被选中的对应行的输入信号进行对应等级的放大；
电压反向电路，将放大后的输入信号反向变成多通道的正向模拟信号；
模数转换电路，将所述正向模拟信号转换为数字信号；
控制模块，对上述接口及电路进行相应的控制。
2.如权利要求1所述的头戴式压力分布检测系统，其特征在于，每个压力传感器接口包括：
由m个顶针组成的接口矩阵列器件，由n个顶针组成的接口矩阵行器件。
3.如权利要求2所述的头戴式压力分布检测系统，其特征在于，所述接口矩阵列器件中的α个顶针复用为压力传感器插入检测接口，M＝m-α+1，N＝n。
4.如权利要求1所述的头戴式压力分布检测系统，其特征在于，所述驱动调理电路采用n
位DAC芯片将一定的电压范围划分成2n-1个等级。
5.如权利要求1所述的头戴式压力分布检测系统，其特征在于，所述增益电路采用PGA增益放大芯片配合外围阻容器件实现6个等级当中的一个对被选中的对应行的输入信号进行增益放大。
6.如权利要求1所述的头戴式压力分布检测系统，其特征在于，所述压力传感器以排布的触点数量不同来区分不同种类的压力传感器。
7.一种头戴式压力分布检测系统的压力检测方法，其特征在于，包括：
当检测到压力传感器插入时，根据压力传感器的触点的排布，自动适配传感器矩阵行列大小以及压力传感器阻值的自适应调理；
启动矩阵轮询和模数转换功能开启压力数据的转换采集；并对压力数据进行数据帧封装形成压力数据流，将压力数据流写入到环形缓存区。
8.如权利要求7所述的头戴式压力分布检测系统的压力检测方法，其特征在于，对压力数据进行数据帧封装包括对数据帧进行编码并填充帧ID、计算数据帧长度、获取并添加RTC时间戳、并计算和填充每帧数据帧的校验码。
9.如权利要求7所述的头戴式压力分布检测系统的压力检测方法，其特征在于，压力传感器阻值的自适应调理包括：
步骤10，驱动调理电路产生对应等级的电压；
步骤11，列隔离电路进行列隔离控制选中第x列输出对应等级的电压；
步骤12，行隔离电路选中y行接入到增益电路；
步骤13，增益电路将y行接入的信号进行对应等级的放大，并得到y行接入的信号对应的电流数据的总和；
步骤14，判断电流数据的总和是否小于对应压力传感器的电流最低标准；
若是，则驱动调理电路调节电压的等级，返回步骤10；若否，则完成压力传感器阻值的自适应调理。
10.如权利要求7所述的头戴式压力分布检测系统的压力检测方法，其特征在于，还包括读取环形缓存区内存储的压力数据并进行平衡标定的步骤：
根据压力传感器的量程将压力传感器上的每一个点的压力数据分成M个压强平衡段；
分段读取对应的压力数据，根据标定机对应的压强数据、压力原始数据在平衡过程中拟合出各段的平衡函数曲线，最终得到M-1段的分段函数f(equ)；
多压力分布检测系统根据各分段函数的系数计算压力传感器各点平衡后的数据。
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