CN106595720B - 基于双反馈法的阻性传感阵列线性读出电路及其读出方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双反馈法的阻性传感阵列线性读出电路。所述读出电路包括：行多路选择器、列多路选择器、扫描控制器、负恒流源、电压采样装置以及第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器；所述负恒流源的输出端连接第一运算放大器的反相输入端，第一运算放大器的同相输入端与第二运算放大器的同相输入端连接后接地，第二运算放大器的反相输入端与第二运算放大器的输出端连接，第三运算放大器的反相输入端与第三运算放大器的输出端连接；电压采样装置用于对第三运算放大器的输出端电压、第一运算放大器的输出端电压进行检测。本发明还公开了上述读出电路的读出方法。相比现有技术，本发明具有更快检测速度和更高检测精度。

Description

基于双反馈法的阻性传感阵列线性读出电路及其读出方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种阻性传感阵列线性读出电路及其读出方法。

背景技术

阵列式传感装置就是将具有相同性能的多个传感元件，按照二维阵列的结构组合在一起，它可以通过检测聚焦在阵列上的参数变化，改变或生成相应的形态与特征。这个特性被广泛应用于生物传感、温度触觉和基于红外传感器等的热成像等方面。

阻性传感阵列被广泛应用于红外成像仿真系统、力触觉感知与温度触觉感知。以温度触觉为例，由于温度觉感知装置中涉及热量的传递和温度的感知，为得到物体的热属性，装置对温度测量精度和分辨率提出了较高的要求，而为了进一步得到物体不同位置材质所表现出的热属性，则对温度觉感知装置提出了较高的空间分辨能力要求。

阻性传感阵列的质量或分辨率是需要通过增加阵列中的传感器的数量来增加的。然而，当传感器阵列的规模加大，对所有元器件的信息采集和信号处理就变得困难。一般情况下，要对一个M×N阵列的所有的阻性传感器的进行逐个访问，而每个阻性传感器具有两个端口，共需要2×M×N根连接线。这种连接方式不仅连线复杂，而且每次只能选定单个待测电阻，扫描速度慢，周期长，效率低。为降低器件互连的复杂性，可以引入共用行线与列线的二维阵列，将扫描控制器与单个运算放大电路和多路选择器结合，降低器件互连的复杂性，但是实现输出电压随待测电阻变化呈现线性变化是需要攻克的一道难题。

关于电阻式传感阵列的检测研究，2006年R.S.Saxena等人提出了基于红外热成像的阵列检测技术，测试结构是基于电阻传感网络配置，基于电阻的线性与齐次性使用补偿网络定理和叠加网络定理开发了该电阻网络的理论模型。使用16×16阵列网络热辐射计阵列验证，仅使用32个引脚，已经证实，该模型针对器件损坏或器件值的微小变化都可以有效分辨，它具有一定精度，但是在检测速度上依然存在技术缺陷。2009年Y.J.Yang等人提出了一个32×32阵列的温度和触觉传感阵列，用于机械手臂的人造皮肤，在阵列网络中加入多路选择器，行选择与列选择速度大大加快，最大检测速率能够达到每秒3000个传感单元，但该阵列的检测每次也只能检测单个待测单元，检测效率成为最大的技术瓶颈。

一篇中国发明专利(CN201110148963.2)公开了一种阵列式温度触觉传感装置，采用电阻传感阵列实现温度触觉的传感，其反馈驱动隔离电路将待测电阻所在行的电压经行选择器后的端电压VSG反馈回非选定行线与列线，虽然对精度有一定程度改善，但并未在检测速度上有所突破。另有中国发明专利CN201410183065《一种增强电压反馈的阻性传感阵列的检测电路》，它在专利CN201110148963.2的基础上将扫描控制器、反馈电路、行多路选择器及列多路选择器结合，其中反馈电路由单个运算放大器及分压电路组成，分压电路中电阻R₁与电阻R₂选用特定阻值的电阻，将电阻R₁与电阻R₂的比值限定为R₁∶R₂＝R_r∶R_s，其中，R_r表示行多路选择器的通道内阻，R_s表示采样电阻。该方法虽然可以有效减小待测电阻的相邻列电阻和列多路选择器的内阻对被测电阻测量的干扰，显著提高其测量精度，但依然每次只能选定单个待测电阻，所以在检测速度上，还需要更进一步的改进提高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种具有更快检测速度和更高检测精度的基于双反馈法的阻性传感阵列线性读出电路及其读出方法。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

基于双反馈法的阻性传感阵列线性读出电路，所述阻性传感阵列是由共用行线和列线的M×N个敏感阻性单元构成的二维传感阵列；所述读出电路包括：行多路选择器、列多路选择器、扫描控制器、负恒流源、电压采样装置以及第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器；所述负恒流源的输出端连接第一运算放大器的反相输入端，第一运算放大器的同相输入端与第二运算放大器的同相输入端连接后接地，第二运算放大器的反相输入端与第二运算放大器的输出端连接，第三运算放大器的反相输入端与第三运算放大器的输出端连接；所述列多路选择器可在扫描控制器控制下令所述阻性传感阵列中任一列线与第三运算放大器的同相输入端连通或者与第二运算放大器的输出端连通；所述行多路选择器可在扫描控制器控制下令阻性传感阵列中任一奇数行行线与第一运算放大器的输出端连通或者与第三运算放大器的输出端，同时令阻性传感阵列中任一偶数行行线与第一运算放大器的反相输入端连通或者与第三运算放大器的输出端连通；电压采样装置用于对第三运算放大器的输出端电压、第一运算放大器的输出端电压进行检测。

或者采用以下技术方案：

基于双反馈法的阻性传感阵列线性读出电路，所述阻性传感阵列是由共用行线和列线的M×N个敏感阻性单元构成的二维传感阵列；所述读出电路包括：行多路选择器、列多路选择器、扫描控制器、恒压源、电阻、电压采样装置以及第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器；所述电阻的一端连接第一运算放大器的反相输入端，电阻的另一端接地，第一运算放大器的同相输入端、第二运算放大器的同相输入端均与所述恒压源连接，第二运算放大器的反相输入端与第二运算放大器的输出端连接，第三运算放大器的反相输入端与第三运算放大器的输出端连接；所述列多路选择器可在扫描控制器控制下令所述阻性传感阵列中任一列线与第三运算放大器的同相输入端连通或者与第二运算放大器的输出端连通；所述行多路选择器可在扫描控制器控制下令阻性传感阵列中任一奇数行行线与第一运算放大器的输出端连通或者与第三运算放大器的输出端，同时令阻性传感阵列中任一偶数行行线与第一运算放大器的反相输入端连通或者与第三运算放大器的输出端连通；电压采样装置用于对第三运算放大器的输出端电压、第一运算放大器的输出端电压进行检测。

优选地，所述行多路选择器、列多路选择器分别包括M、N个二选一双向模拟开关，行多路选择器的M个二选一双向模拟开关的公共输入/输出端与阻性传感阵列的M根行线一一对应连接，列多路选择器的N个二选一双向模拟开关的公共输入/输出端与阻性传感阵列的N根列线一一对应相连；行多路选择器中对应于阻性传感阵列偶数行行线的每个二选一双向模拟开关的其中一个独立输入/输出端同时与第一运算放大器的反相输入端连接，行多路选择器中对应于阻性传感阵列奇数行行线的每个二选一双向模拟开关的其中一个独立输入/输出端同时与第一运算放大器的输出端连接，行多路选择器中每个二选一双向模拟开关的另一个独立输入/输出端同时与第三运算放大器的输出端连接，列多路选择器中各二选一双向模拟开关的其中一个独立输入/输出端同时连接第二运算放大器的输出端，列多路选择器中各二选一双向模拟开关的另一个独立输入/输出端同时连接第三运算放大器的同相输入端；行多路选择器与列多路选择器中所有二选一双向模拟开关的控制端均与扫描控制器连接。

优选地，所述电压采样装置包括与第三运算放大器的输出端连接的第一模数转换器，以及与第一运算放大器的输出端连接的第二模数转换器。

进一步地，所述读出电路还包括减法电路，用于获得第三运算放大器的输出端与第一运算放大器的输出端之间的差值电压。

如上第一种技术方案所述读出电路的读出方法，包括以下步骤：

步骤1：扫描控制器控制行多路选择器选中阻性传感阵列的第p个奇数行，具体是使该奇数行行线与第一运算放大器的输出端连通，其余奇数行行线与第三运算放大器的输出端连通；

步骤2：扫描控制器控制行多路选择器选中阻性传感阵列的第q个偶数行，具体是使该偶数行行线与第一运算放大器的反相输入端连通，其余偶数行行线与第三运算放大器的输出端连通；

步骤3：扫描控制器控制列多路选择器选中阻性传感阵列的第j列，具体是使该列列线与第三运算放大器的同相输入端连通，其余列列线与第二运算放大器的输出端连通；

步骤4：通过电压采样装置检测此时第三运算放大器的输出端电压V₁、第一运算放大器的输出端电压V₂，并利用下式得到所述阻性传感阵列中第j列第p个奇数行和第j列第q个偶数行上的两个敏感阻性单元的电阻值R_pj、R_qj：

R_pj＝(V₂-V₁)/I_set

R_qj＝V₁/I_set

式中，I_set为所述负恒流源的输出电流。

如上第二种技术方案所述读出电路的读出方法，包括以下步骤：

步骤1：扫描控制器控制行多路选择器选中阻性传感阵列的第p个奇数行，具体是使该奇数行行线与第一运算放大器的输出端连通，其余奇数行行线与第三运算放大器的输出端连通；

步骤2：扫描控制器控制行多路选择器选中阻性传感阵列的第q个偶数行，具体是使该偶数行行线与第一运算放大器的反相输入端连通，其余偶数行行线与第三运算放大器的输出端连通；

步骤3：扫描控制器控制列多路选择器选中阻性传感阵列的第j列，具体是使该列列线与第三运算放大器的同相输入端连通，其余列列线与第二运算放大器的输出端连通；

步骤4：通过电压采样装置检测此时第三运算放大器的输出端电压V₁、第一运算放大器的输出端电压V₂，并利用下式得到所述阻性传感阵列中第j列第p个奇数行和第j列第q个偶数行上的两个敏感阻性单元的电阻值R_pj、R_qj：

R_pj＝(V₂-V₁)/I_set

R_qj＝(V₁-V_set)/I_set

式中，V_set为所述恒压源的输出电压，R_set为所述电阻的阻值。

相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：

一、本发明是针对阵列电阻的检测需要，在不破坏阻性传感器阵列结构及不中断该传感器阵列正常工作的前提下，对同一列某奇数行、偶数行对应的两个电阻同时检测，提高了检测速度。

二、本发明通过增设恒流源，实现了对同一列某奇数行、偶数行对应的两个电阻同时检测，并保证两个电阻单元读取的电压值和所测电阻单元的阻值之间均呈线性关系。

三、通过本发明所设计的电路，实现待测电阻所在列其他电阻以及待测偶数行其他电阻的两端电压相同，有效抑制了这些电阻对待测电阻测量的干扰。

四、本发明采用双反馈双单元电路，在确保测量精度的前提下，减少了器件间连线的数量，在一定程度上降低了电路的成本。

附图说明

图1是共用行线与列线的阻性传感器阵列的示意图；

图2是本发明的一个具体实施实例的电路示意图；

图3是检测待测阻性敏感单元时阻性传感器阵列的区域划分示意图；

图4是本发明读出电路工作时与待测阻性敏感单元所在阻性传感器同列的电路示意图；

图5是本发明读出电路工作时与待测阻性敏感单元所在阻性传感器阻性同行的电路示意图；

图6是本发明读出电路工作时非选定行非选定列阻性传感器阵列的电路示意图；

图7是本发明读出电路工作时的简化电路示意图；

图8显示了本发明读出电路的另一实例；

图9为本发明读出电路的再一个实例。

具体实施方式

本发明所针对的阻性传感阵列为M×N个敏感阻性单元所构成的二维阻性传感阵列。如图1所示，该阻性传感阵列按照共用行、列线的方式二维连接，M为行数，N为列数。每列阻性敏感单元右端相连，共有N根列线；每行阻性敏感单元左端相连，共有M根行线；阵列中的每个电阻都有唯一行线与列线的组合。按照这样的方式将所有阻性敏感单元按照M×N的二维结构进行分布，只需要M+N根连线数目即可保证任何一个特定的电阻通过控制行线和列线的相应组合被唯一访问。处于第i行第j列的电阻用R_ij表示，其中i＝1、2、…、M，j＝1、2、…、N。

为了克服现有技术不足，本发明针对图1所示阻性传感阵列提出了一种基于双反馈法的阻性传感阵列线性读出电路及其读出方法，可单次检测同列某奇数行和偶数行两个电阻值，并且实现读取的电压值随待测阻性传感阵列单元的阻值呈线性变化；同时，可有效抑制待测偶数行所在的行电阻与待测电阻所在列的列电阻对待测电阻串扰问题。

本发明读出电路包括：行多路选择器、列多路选择器、扫描控制器、负恒流源、电压采样装置以及第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器；所述负恒流源的输出端连接第一运算放大器的反相输入端，第一运算放大器的同相输入端与第二运算放大器的同相输入端连接后接地，第二运算放大器的反相输入端与第二运算放大器的输出端连接，第三运算放大器的反相输入端与第三运算放大器的输出端连接；所述列多路选择器可在扫描控制器控制下令所述阻性传感阵列中任一列线与第三运算放大器的同相输入端连通或者与第二运算放大器的输出端连通；所述行多路选择器可在扫描控制器控制下令阻性传感阵列中任一奇数行行线与第一运算放大器的输出端连通或者与第三运算放大器的输出端，同时令阻性传感阵列中任一偶数行行线与第一运算放大器的反相输入端连通或者与第三运算放大器的输出端连通；电压采样装置用于对第三运算放大器的输出端电压、第一运算放大器的输出端电压进行检测。

上述读出电路的读出方法包括以下步骤：

步骤1：扫描控制器控制行多路选择器选中阻性传感阵列的第p个奇数行，具体是使该奇数行行线与第一运算放大器的输出端连通，其余奇数行行线与第三运算放大器的输出端连通；

步骤2：扫描控制器控制行多路选择器选中阻性传感阵列的第q个偶数行，具体是使该偶数行行线与第一运算放大器的反相输入端连通，其余偶数行行线与第三运算放大器的输出端连通；

步骤3：扫描控制器控制列多路选择器选中阻性传感阵列的第j列，具体是使该列列线与第三运算放大器的同相输入端连通，其余列列线与第二运算放大器的输出端连通；

步骤4：通过电压采样装置检测此时第三运算放大器的输出端电压V₁、第一运算放大器的输出端电压V₂，并利用下式得到所述阻性传感阵列中第j列第p个奇数行和第j列第q个偶数行上的两个敏感阻性单元的电阻值R_pj、R_qj：

R_pj＝(V₂-V₁)/I_set

R_qj＝V₁/I_se

式中，I_set为所述负恒流源的输出电流。

为了便于公众理解，下面以一个优选实施例来对本发明技术方案进行详细说明。

本实施例中的传感装置结构如图2所示。该传感装置包括M×N阻性传感器阵列4及线性读出电路；其中线性读出电路包括：运算放大器1、运算放大器2、运算放大器3、行多路选择器5、列多路选择器6、扫描控制器7。本实施例中的行多路选择器5、列多路选择器6分别由M、N个二选一双向模拟开关(例如最常见的可控单刀双掷开关)构建，各二选一双向模拟开关的控制端与扫描控制器7连接并受其控制。

如图2所示，假设M为偶数(M为奇数时检测原理相同)，奇数行由二选一双向模拟开关的公共输入/输出端e_ri端(i＝1、3、5…、M-1)与阻性传感器阵列奇数行共有行线一一对应连接，二选一双向模拟开关的其中一个独立输入/输出端a_r1、a_r2、…、a_r(M/2)端与运算放大器1输出端相连，另一个独立输入/输出端b_r1、b_r2、…、b_r(M/2)端与运算放大器3的输出相连；偶数行由二选一双向模拟开关的公共输入/输出端e_ri端(i＝2、4、6…、M)与阻性传感器阵列偶数行共有行线一一对应连接，二选一双向模拟开关的其中一个独立输入/输出端c_r1、c_r1、…、c_r(M/2)与运算放大器3的输出相连，另一个独立输入/输出端d_r1、d_r1、…、d_r(M/2)端与运算放大器3反向输入端相连。列多路选择器6的N个二选一双向模拟开关的公共输入/输出端c_cj端与阻性传感器阵列的N条共用列线一一对应连接，这N个二选一双向模拟开关的其中一个独立输入/输出端a_c1、a_c2、…、a_cN端与运算放大器2输出端相连，另一个独立输入/输出端b_c1、b_c2、…、b_cN与运算放大器3同向输入端相连。

扫描控制器7输出扫描控制信号，控制多路选择器内端口的连接方式，其中，奇数行控制信号控制奇数行多路选择器5的e_ri端与a_ri端或是与b_ri端相连，偶数行控制信号控制偶数行多路选择器5的e_ri端与c_ri端或是与d_ri端相连；列控制信号控制列多路选择器6的c_cj端与a_cj端或是与b_cj端相连。阻性传感器中的阻性敏感单元可将各自所处位置的待测物理量的变化转换为相应电阻阻值变化，根据欧姆定律，通过电压采集通道采集的电压反应出来。扫描控制器7通过列控制信号控制列多路选择器6选定第j列，通过行控制信号控制行多路选择器选定第i(i为奇数)和p(p为偶数)行，其行列交叉处的电阻被选定，选定电阻分别记为R_ij、R_pj为被测对象，扫描控制器7同时通过奇数行和偶数行控制信号控制行多路选择器5选定二选一双向模拟开关的公共输入/输出端e_ri与二选一双向模拟开关的独立输入/输出端a_ri接通，二选一双向模拟开关的公共输入/输出端e_rp与二选一双向模拟开关的独立输入/输出端d_rp接通，其余奇数行e_r端b_r端接通，偶数行e_r端与c_r端接通；扫描控制器7通过列控制信号控制被选电阻所在列选定二选一双向模拟开关的公共输入/输出端c_cj端与二选一双向模拟开关的独立输入/输出端b_cj端接通，其余列二选一双向模拟开关的公共输入/输出端c_c端与二选一双向模拟开关的独立输入/输出端a_c端接通。通过对扫描控制器7编程，可以通过奇数行、偶数行控制信号控制行多路选择器5、列控制信号控制列多路选择器4，实现对所有待测电阻快速巡检扫描。假设该阻性复合传感器阵列为M×N，即M行N列，扫描以列为单位，依次按行进行检测。若从第1列开始，通过奇数、偶数行控制信号控制第一行行多路选择器2和第二行行多路选择器2，选取R₁₁和R₂₁为被测对象，接着通过奇数、偶数行控制信号控制第三行行多路选择器2和第四行行多路选择器2，选取R₃₁和R₄₁为被测对象，依次下去，直至扫描到第M行和第M+1行，选取R_M1和R_(M+1)1为被测对象。当第1列上的所有电阻单元扫描完成，接着扫描第2列，对该列的扫描顺序和对第1列的扫描顺序相同，以此类推，直至第N列上的所有阻性敏感单元扫描完成，结束一轮完整的扫描。

如图2所示，运算放大器1(AMP1)和运算放大器2(AMP2)的同相输入端接地，运算放大器1(AMP1)反向输入端与电阻R_set的一端相连，电阻R_set的另一端接负电源-V_set，运算放大器1(AMP1)输出端与ADC2端连接；运算放大器2(AMP2)反向输入端与输出端相连，同时与列多路选择器的独立输入/输出端a_cj端接通；ADC1端作为运算放大器3(AMP3)反向输入和输出，同时连接到行多路选择器独立输入/输出端b_r和c_r端，运算放大器3(AMP3)同向输入端与列多路选择器的独立输入/输出端b_cj端接通。

图3显示了在检测待测敏感阻性单元时阻性传感器阵列的区域划分，该图以阵列中位于第一列中第一行和第二行R₁₁和R₂₁作为待测阻性敏感单元为例，此时阻性敏感单元R₁₁独立端所在行1的e_r1端与a_r1端相连，a_r1端的电压值为采集电压ADC2的电压值，阻性敏感单元R₂₁独立端所在行1的e_r2端与d_r1端相连，d_r1端与运算放大器1反向输入端相连，电压值为0V。待测阻性敏感单元R₁₁和R₂₁的另一端相连接，所在列1共用列线与c_c1端相连，c_c1端的电压值为测试电压V_c1，阻性敏感单元独立端所在列1的c_c1端与b_r1端相连，此时测试电压V_c1即为采集电压ADC1的电压值V₁。本发明可对这两个待测阻性敏感单元同时进行扫描，通过待测阻性敏感单元R₁₁和R₂₁所在的阻性传感器将阻性传感器阵列分为4个区域：

1)1区：待测阻性敏感单元R₁₁和R₂₁位于第一列中第一行和第二行的阻性传感器内，此时阻性敏感单元R₁₁独立端所在行1的e_r1端与a_r1端相连，a_r1端的电压值为采集电压ADC2的电压值，阻性敏感单元R₂₁独立端所在行1的e_r2端与d_r1端相连，d_r1端与第一运算放大器反向输入端相连，电压值为0V。待测阻性敏感单元R₁₁和R₂₁的另一端相连接，所在列1共用列线与c_c1端相连，c_c1端的电压值为测试电压V_c1，阻性敏感单元独立端所在列1的c_c1端与b_r1端相连，此时测试电压V_c1即为采集电压ADC1的电压值V₁。

2)2区：与待测阻性敏感单元R₁₁和R₂₁所在阻性传感器在同一列的非待测的相邻行阻性传感器，共(M-2)个阻性传感器，该(M-2)个非待测的相邻阻性传感器共用列线为待测阻性敏感单元R₁₁和R₂₁的列线，列1的共用列线与c_c1端相连，c_c1端的电压值为测试电压V_c1，由于这些阻性复合传感器的行线未被选中，对于未被选中的奇数行行线，将其表示为行p，对应的e_rp端与b_rp端相连，b_rp端的电压值为运算放大器3同向输入端电压，对于未被选中偶数行行线，将其表示为行q，对应的e_rq端与c_rq端相连，c_rq端的电压值为运算放大器3同向输入端电压，对于未被选中的阻性敏感单元，阻性敏感单元独立端所在列1的c_c1端与b_r1端相连，此时测试电压V_c1即为运算放大器3同向输入端电压；可以得出结论，2区的阻性敏感单元两端电压相同，没有电流通过，有效抑制了这些电阻对待测电阻R₁₁和R₂₁测量的干扰。

3)3区：与待测阻性敏感单元R₁₁和R₂₁所在阻性传感器在同一行的非待测的相邻列阻性传感器，共(2N-2)个阻性传感器，由于阻性传感器阵列共用行线，该(2N-2)个非待测的相邻列阻性传感器的行线为待测阻性敏感单元R₁₁和R₂₁所在阻性传感器行线(第一行和第二行)，第一行共用行线与e_r1端相连，e_r1端与a_r1端相连，a_r1端的电压值为电压采集通道ADC2采集的电压值，第二行共用行线与e_r2端与d_r1端相连,d_r1端的电压值为运算放大器2输出电压值,等于0V。由于这些阻性复合传感器的列线未被选中，将这些未选中的列线表示为列j，将所在列的共用列线c_cj端与a_cj端接通，此时a_cj端电压值为运算放大器2输出电压值，等于0V；可以得出结论第二行阻性敏感单元两端电压值相同，无电流流过，有效抑制了这些电阻对待测电阻R₁₁和R₂₁测量的干扰。

4)4区：行线与列线均未被选中的阻性传感器区域，共(M-2)×(N-1)个阻性复合传感器，由于这些阻性传感器的行线与列线均未被选中，其所在列j共用列线c_cj端与a_cj端相连，此时a_cj端电压值为运算放大器2输出电压值，等于0V；其所在奇数行p的共用行线e_rp端与b_rp端相连，b_rp端的电压值为运算放大器3同向输入端电压，对于未被选中偶数行行线，将其表示为行q，对应的e_rq端与c_rq端相连，c_rq端的电压值为运算放大器3同向输入端电压；

现以阵列中位于第一列中第一行和第二行R₁₁和R₂₁作为待测阻性敏感单元为例，图4为本发明电路工作时与待测阻性敏感单元所在的阻性传感器同列的电路示意图。由图4可知，阻性敏感单元R₁₁和R₂₁所在的阻性传感器的列电压为测试电压V_c1，R₁₁独立端所在第1行的行电压为电压采集通道ADC2采集的电压值，R₂₁独立端所在第2行的行电压为运算放大器1反向输入端的电压值，等于0V，待测阻性敏感单元同列的未选中的行阻性敏感单元行电压的电压值为运算放大器3同向输入端电压，列电压的电压值为测试电压V_c1，即为运算放大器3同向输入端电压，待测阻性敏感单元同列的未选中的行阻性敏感单元两端电压相同，2区的所有阻性传感器内的阻性敏感单元上的电流都为0。1区的待测阻性敏感单元R₁₁和R₂₁由于各自两端存在电势差，所以有电流经过，这两个阻性敏感单元构成串联回路，所以I₁₁＝I₂₁。

图5为本发明电路工作时与待测阻性敏感单元所在的阻性传感器同行的电路示意图。图5仍以阵列中位于第一列中第一行和第二行R₁₁和R₂₁作为待测阻性敏感单元为例，阻性敏感单元R₁₁和R₂₁所在的阻性传感器的列电压为测试电压V_c1，R₁₁独立端所在第1行的行电压为电压采集通道ADC2采集的电压值，R₂₁独立端所在第2行的行电压为运算放大器1反向输入端的电压值，等于0V；因为同行的阻性传感器共用行线(第一行和第二行)，所以非选定列的阻性传感器的第1行的行电压为电压采集通道ADC2采集的电压值，第2行的行电压为运算放大器1反向输入端的电压值，等于0V，非选定列的阻性传感器的列电压为运算放大器2输出电压值，等于0V。在电路工作时，1区的待测阻性敏感单元R₁₁和R₂₁由于各自两端存在电势差，所以有电流经过，这两个阻性敏感单元构成串联回路，所以I₁₁＝I₂₁。位于3区的阻性传感器内的第一行阻性敏感单元由于行电压为电压采集通道ADC2采集的电压值，列电压为0V，因为V₂≠0V，所以该区的阻性传感器内每个阻性敏感单元都有电流流过，且电流会比较大；位于3区的阻性传感器内的第二行阻性敏感单元两端电压均为0V，所以无电流流过。

图6为在本发明电路工作时非选定行及非选定列阻性传感器阵列的电路示意图。非选定行非选定列阻性复合传感器阵列即4区，共(M-2)×(N-1)个阻性传感器。奇数行行电压的电压值为运算放大器3同向输入端电压，偶数行行电压的电压值为运算放大器3同向输入端电压，列电压电压值为运算放大器2输出电压值，等于0V，所以该区每个阻性敏感单元两端电压不同，都存在电势差，所以每个电阻都有电流通过，形成回路。

图7为本发明电路工作时的简化电路示意图。由简化后的电路可明显看出，在电路工作时，待测阻性敏感单元R₁₁和R₂₁和预设电阻R_set构成串联回路，且有I₁₁＝I₂₁＝V_set/R_set，故有V₂-V₁＝I₁₁R₁₁，V_c1＝I₂₁R₂₁且(V₂－V₁)为R₁₁两端电压，V₁为R₂₁两端电压。推广到一般情况，本发明电路每次扫描选定某列j某奇数行p行、偶数行q行上的阻性传感单元，通过奇数行控制信号选定独立端e_rp端与独立端a_rp端接通，通过偶数行控制信号选定独立端e_rq端与独立端d_rp端接通，通过列控制信号选定独立端c_cj端与独立端b_rj端接通。从而R_pj、R_qj被选定为待测阻性敏感单元，其中，待测阻性敏感单元R_pj的独立端所在行电压为测试电压V₂，列电压的电压值为V₁，待测阻性敏感单元为R_qj的独立端所在行q的行电压为0V，列电压的电压值为V₁其中(V₂－V₁)为阻性敏感单元R_pj两端电压，V₁为R_qj两端电压，预设电阻R_set电阻已知的情况下，易求得待测阻性敏感单元R_pj、R_qj的阻值：

I_set·R_set＝V_set

R_pj＝(V₂-V₁)/I_set

R_qj＝V₁/I_set

根据上述分析可知，对于传感器阵列每次可以读取同列任意奇数、偶数行两个阻性传感单元的电阻值，并且读取的电压值随待测阻性传感器阵列单元的阻值呈线性变化。

图8显示了本发明读出电路的另一实例。如图8所示，其基本结构与图2类似，区别在于将恒压源接入第一运算放大器同向输入端，第一运算放大器反相端接电阻R_set，电阻另一端接地。图8电路相比图2电路不需要负电源供电，可实现线性读出电路单电源供电，减少电路成本。其基本原理与图2相同，计算阻性传感阵列中第j列第p个奇数行和第j列第q个偶数行上的两个敏感阻性单元的电阻值R_pj、R_qj，具体按照以下公式：

R_pj＝(V₂-V₁)/I_set

R_qj＝(V₁-V_set)/I_set

式中，V_set为所述恒压源的输出电压，R_set为所述电阻的阻值。

图9为本发明读出电路的再一个实例。如图9所示，其基本结构与图2类似，区别在于增加了一个减法电路，用于直接获得第三运算放大器的输出端与第一运算放大器的输出端之间的差值电压。本实施例中的减法电路包括运算放大器4，V₂通过一个电阻R₁接运算放大器的同相输入端，运算放大器的同相输入端同时通过一个电阻R₂(R₂＝R₁)接地，V₁通过一个电阻R₃(R₃＝R₁)接运算放大器的反相输入端，运算放大器的反相输入端同时通过一个电阻R₄(R₄＝R₁)接运算放大器的输出端；其有益效果是，实现V₂与V₁差值的输出，记作V₃，则V₃与奇数行待测阻性单元电阻值呈完全的线性关系。

此外，上述行、列为相对概念，本领域技术人员完全可以将之互换，行、列多路选择器以及电压反馈驱动电路等部件的具体实现也可采用各种现有或将有技术；本领域技术人员应知，基于本发明思路的类似此种简单变形仍为本发明技术方案所涵盖。

Claims (10)

1.基于双反馈法的阻性传感阵列线性读出电路，所述阻性传感阵列是由共用行线和列线的M×N个敏感阻性单元构成的二维传感阵列；其特征在于，所述读出电路包括：行多路选择器、列多路选择器、扫描控制器、负恒流源、电压采样装置以及第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器；所述负恒流源的输出端连接第一运算放大器的反相输入端，第一运算放大器的同相输入端与第二运算放大器的同相输入端连接后接地，第二运算放大器的反相输入端与第二运算放大器的输出端连接，第三运算放大器的反相输入端与第三运算放大器的输出端连接；所述列多路选择器可在扫描控制器控制下令所述阻性传感阵列中任一列线与第三运算放大器的同相输入端连通或者与第二运算放大器的输出端连通；所述行多路选择器可在扫描控制器控制下令阻性传感阵列中任一奇数行行线与第一运算放大器的输出端连通或者与第三运算放大器的输出端，同时令阻性传感阵列中任一偶数行行线与第一运算放大器的反相输入端连通或者与第三运算放大器的输出端连通；电压采样装置用于对第三运算放大器的输出端电压、第一运算放大器的输出端电压进行检测。

2.如权利要求1所述读出电路，其特征在于，所述行多路选择器、列多路选择器分别包括M、N个二选一双向模拟开关，行多路选择器的M个二选一双向模拟开关的公共输入/输出端与阻性传感阵列的M根行线一一对应连接，列多路选择器的N个二选一双向模拟开关的公共输入/输出端与阻性传感阵列的N根列线一一对应相连；行多路选择器中对应于阻性传感阵列偶数行行线的每个二选一双向模拟开关的其中一个独立输入/输出端同时与第一运算放大器的反相输入端连接，行多路选择器中对应于阻性传感阵列奇数行行线的每个二选一双向模拟开关的其中一个独立输入/输出端同时与第一运算放大器的输出端连接，行多路选择器中每个二选一双向模拟开关的另一个独立输入/输出端同时与第三运算放大器的输出端连接，列多路选择器中各二选一双向模拟开关的其中一个独立输入/输出端同时连接第二运算放大器的输出端，列多路选择器中各二选一双向模拟开关的另一个独立输入/输出端同时连接第三运算放大器的同相输入端；行多路选择器与列多路选择器中所有二选一双向模拟开关的控制端均与扫描控制器连接。

3.如权利要求1所述读出电路，其特征在于，所述电压采样装置包括与第三运算放大器的输出端连接的第一模数转换器，以及与第一运算放大器的输出端连接的第二模数转换器。

4.如权利要求1所述读出电路，其特征在于，所述读出电路还包括减法电路，用于获得第三运算放大器的输出端与第一运算放大器的输出端之间的差值电压。

5.基于双反馈法的阻性传感阵列线性读出电路，所述阻性传感阵列是由共用行线和列线的M×N个敏感阻性单元构成的二维传感阵列；其特征在于，所述读出电路包括：行多路选择器、列多路选择器、扫描控制器、恒压源、电阻、电压采样装置以及第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器；所述电阻的一端连接第一运算放大器的反相输入端，电阻的另一端接地，第一运算放大器的同相输入端、第二运算放大器的同相输入端均与所述恒压源连接，第二运算放大器的反相输入端与第二运算放大器的输出端连接，第三运算放大器的反相输入端与第三运算放大器的输出端连接；所述列多路选择器可在扫描控制器控制下令所述阻性传感阵列中任一列线与第三运算放大器的同相输入端连通或者与第二运算放大器的输出端连通；所述行多路选择器可在扫描控制器控制下令阻性传感阵列中任一奇数行行线与第一运算放大器的输出端连通或者与第三运算放大器的输出端，同时令阻性传感阵列中任一偶数行行线与第一运算放大器的反相输入端连通或者与第三运算放大器的输出端连通；电压采样装置用于对第三运算放大器的输出端电压、第一运算放大器的输出端电压进行检测。

6.如权利要求5所述读出电路，其特征在于，所述行多路选择器、列多路选择器分别包括M、N个二选一双向模拟开关，行多路选择器的M个二选一双向模拟开关的公共输入/输出端与阻性传感阵列的M根行线一一对应连接，列多路选择器的N个二选一双向模拟开关的公共输入/输出端与阻性传感阵列的N根列线一一对应相连；行多路选择器中对应于阻性传感阵列偶数行行线的每个二选一双向模拟开关的其中一个独立输入/输出端同时与第一运算放大器的反相输入端连接，行多路选择器中对应于阻性传感阵列奇数行行线的每个二选一双向模拟开关的其中一个独立输入/输出端同时与第一运算放大器的输出端连接，行多路选择器中每个二选一双向模拟开关的另一个独立输入/输出端同时与第三运算放大器的输出端连接，列多路选择器中各二选一双向模拟开关的其中一个独立输入/输出端同时连接第二运算放大器的输出端，列多路选择器中各二选一双向模拟开关的另一个独立输入/输出端同时连接第三运算放大器的同相输入端；行多路选择器与列多路选择器中所有二选一双向模拟开关的控制端均与扫描控制器连接。

7.如权利要求5所述读出电路，其特征在于，所述电压采样装置包括与第三运算放大器的输出端连接的第一模数转换器，以及与第一运算放大器的输出端连接的第二模数转换器。

8.如权利要求5所述读出电路，其特征在于，所述读出电路还包括减法电路，用于获得第三运算放大器的输出端与第一运算放大器的输出端之间的差值电压。

9.如权利要求1～4任一项所述读出电路的读出方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：扫描控制器控制行多路选择器选中阻性传感阵列的第p个奇数行，具体是使该第p个奇数行行线与第一运算放大器的输出端连通，其余奇数行行线与第三运算放大器的输出端连通；

步骤2：扫描控制器控制行多路选择器选中阻性传感阵列的第q个偶数行，具体是使该第q个偶数行行线与第一运算放大器的反相输入端连通，其余偶数行行线与第三运算放大器的输出端连通；

步骤3：扫描控制器控制列多路选择器选中阻性传感阵列的第j列，具体是使该第j列列线与第三运算放大器的同相输入端连通，其余列列线与第二运算放大器的输出端连通；

步骤4：通过电压采样装置检测此时第三运算放大器的输出端电压V₁、第一运算放大器的输出端电压V₂，并利用下式得到所述阻性传感阵列中第j列第p个奇数行和第j列第q个偶数行上的两个敏感阻性单元的电阻值R_pj、R_qj：

R_pj＝(V₂-V₁)/I_set

R_qj＝V₁/I_set

式中，I_set为所述负恒流源的输出电流。

10.如权利要求5～8任一项所述读出电路的读出方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：扫描控制器控制行多路选择器选中阻性传感阵列的第p个奇数行，具体是使该第p个奇数行行线与第一运算放大器的输出端连通，其余奇数行行线与第三运算放大器的输出端连通；

步骤2：扫描控制器控制行多路选择器选中阻性传感阵列的第q个偶数行，具体是使该第q个偶数行行线与第一运算放大器的反相输入端连通，其余偶数行行线与第三运算放大器的输出端连通；

步骤3：扫描控制器控制列多路选择器选中阻性传感阵列的第j列，具体是使该第j列列线与第三运算放大器的同相输入端连通，其余列列线与第二运算放大器的输出端连通；

步骤4：通过电压采样装置检测此时第三运算放大器的输出端电压V₁、第一运算放大器的输出端电压V₂，并利用下式得到所述阻性传感阵列中第j列第p个奇数行和第j列第q个偶数行上的两个敏感阻性单元的电阻值R_pj、R_qj：

R_pj＝(V₂-V₁)/I_set

R_qj＝(V₁-V_set)/I_set

式中，V_set为所述恒压源的输出电压，R_set为所述电阻的阻值。