CN109186837A - 臀部压力分布成像系统 - Google Patents

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王佳
罗旋
魏廷存
郑然�
魏晓敏
胡永才
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    • G01L5/0028—Force sensors associated with force applying means
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
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    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
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Abstract

本发明公开了一种臀部压力分布成像系统，用于解决现有压力分布测量系统精度差的技术问题。技术方案是包括传感器阵列，还包括选通电路、参比可调电阻‑电压转换电路、ADC、FPGA、数字缓冲器和USB接口。所述的传感器阵列将人体臀部压力线性转换为电阻值，选通电路逐一选取每个传感器，参比可调电阻‑电压转换电路通过参比测量，将电阻值转换为电压值；ADC将该电压值转换为数字信号；FPGA对该数字信号添加传感器标识位。同时，将该标识位作为选通信号经过数字缓冲器输入到选通电路。处理后的数字信号通过USB接口传输给上位机。由于采用电阻参比测量方式，降低了导通电阻和寄生电阻电容对测量压力值的影响，提高了测量精度。

Description

臀部压力分布成像系统
技术领域
本发明涉及一种压力分布测量系统，特别是涉及一种臀部压力分布成像系统。
背景技术
参照图5。文献“多点传感阵列的体压分布测量系统设计[J].杨丽丽,皮喜田,彭承琳,等.传感器与微系统,2008,27(8):97-99.”公开了一种多点传感阵列的体压分布测量系统。该系统采用64个压力传感器将人体臀部压力转换为电阻值，由多路模拟开关依次选通传感器，经过信号调理电路输出到ADC转换为数字信号。单片机对数字信号处理后通过RS-232接口输出到计算机。
文献公开的测量系统存在以下不足：
1、压力传感器经过多路模拟开关和信号调理电路后直接连接到ADC。而模拟开关具有导通电阻，信号走线上存在寄生电阻电容，因此测量压力值的精度低。
2、处理电路较为简单，未考虑压力传感器之间存在的个体差异，压力图像的一致性差。压力和电压之间的转换比例固定，允许测量的压力值的动态范围小。
3、采用RS-232接口传输数据，不利于系统的小型化和压力数据的高速传输。
发明内容
为了克服现有压力分布测量系统精度差的不足，本发明提供一种臀部压力分布成像系统。该系统包括传感器阵列，还包括选通电路、参比可调电阻-电压转换电路、ADC、FPGA、数字缓冲器和USB接口。所述的传感器阵列将人体臀部压力线性转换为电阻值，选通电路逐一选取每个传感器，参比可调电阻-电压转换电路通过参比测量，将电阻值转换为电压值，并提供驱动能力；ADC将该电压值转换为数字信号；FPGA对该数字信号添加传感器标识位。同时，将该标识位作为选通信号经过数字缓冲器输入到选通电路。处理后的数字信号通过USB接口传输给上位机，完成压力数据的采集。由于采用电阻参比测量方式，降低了导通电阻和寄生电阻电容对测量压力值的影响，提高了测量精度。所有传感器的电阻值和同一个电阻值进行参比测量，提高了压力图像的一致性。将参比电阻器设置为可调节，增大了动态范围。采用USB接口进行数据的输出，减小了系统的体积，提高了数据传输的速度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种臀部压力分布成像系统，其特点是包括传感器阵列，还包括选通电路、参比可调电阻-电压转换电路、ADC、FPGA、数字缓冲器和USB接口。所述的传感器阵列将人体臀部压力线性转换为电阻值，选通电路逐一选取每个传感器，参比可调电阻-电压转换电路通过参比测量，将电阻值转换为电压值，并提供驱动能力；ADC将该电压值转换为数字信号；FPGA对该数字信号添加传感器标识位。同时，将该标识位作为选通信号经过数字缓冲器输入到选通电路。处理后的数字信号通过USB接口传输给上位机，完成压力数据的采集。
所述传感器阵列由MF01-N-221-A04压阻式贴片传感器组成。
所述传感器阵列是10×10阵列。
所述选通电路由16个8选1模拟多路选择器实现。
所述ADC的型号是12bit AD9226。
本发明的有益效果是：该系统包括传感器阵列，还包括选通电路、参比可调电阻-电压转换电路、ADC、FPGA、数字缓冲器和USB接口。所述的传感器阵列将人体臀部压力线性转换为电阻值，选通电路逐一选取每个传感器，参比可调电阻-电压转换电路通过参比测量，将电阻值转换为电压值，并提供驱动能力；ADC将该电压值转换为数字信号；FPGA对该数字信号添加传感器标识位。同时，将该标识位作为选通信号经过数字缓冲器输入到选通电路。处理后的数字信号通过USB接口传输给上位机，完成压力数据的采集。由于采用电阻参比测量方式，降低了导通电阻和寄生电阻电容对测量压力值的影响，提高了测量精度。所有传感器的电阻值和同一个电阻值进行参比测量，提高了压力图像的一致性。将参比电阻器设置为可调节，增大了动态范围。采用USB接口进行数据的输出，减小了系统的体积，提高了数据传输的速度。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
附图说明
图1是本发明臀部压力分布成像系统的框图。
图2是图1中传感器阵列的排布示意图。
图3是图1中选通电路示意图。
图4是图1中参比可调电阻-电压转换电路的工作原理图。
图5是背景技术体压分布测量系统的框图。
具体实施方式
以下实施例参照图1～4。
本发明臀部压力分布成像系统包括传感器阵列、选通电路、参比可调电阻-电压转换电路、ADC、FPGA、USB接口和数字缓冲器。传感器阵列将人体臀部压力转换为电阻值。每个传感器均连接到选通电路，由其根据选通信号逐一选取连接到后接的参比可调电阻-电压转换电路输入端。该电路将电阻值转换为电压值。然后输入到ADC转换为数字信号。通过FPGA对数字信号添加传感器标识位后，发送给USB接口。最后由上位机接收数据保存到计算机。选通信号由FPGA产生，由数字缓冲器提高信号驱动能力后输入到选通电路。
本实施例选用Alpha公司生产的MF01-N-221-A04压阻式贴片传感器组成传感器阵列，其具有感压面积小、精度高、适合贴于光滑表面的特点。为了实现高分辨率成像，采用100个传感器组成10×10阵列。按照人体工程学，阵列排布为矩形，从而实现主要臀部压力点的测量。
选通电路由16个8选1模拟多路选择器实现，共分为3级，实现100个传感器的逐一选取到输出端。7位选通信号MUX<6:0>由FPGA中的一个7位计数器实现。为了实现传感器阵列的循环选取，当计数到100时，将所有位数清零，重新计数。选通信号通过一个7位数字缓冲器连接到选通电路，从而减小信号线寄生电阻电容的影响，提高测量精度。
参比可调电阻-电压转换电路由一个参比电阻R1和模拟缓冲器组成。压力传感器由可变电阻Rs,j表示，VCC为传感器电源电压。后接一个模拟缓冲器电路得到输出电压Vout。其表达式为：输出电压由电源电压和电阻Rs,j与R1之比决定，实现了参比测量，降低了选通电路中模拟开关导通电阻的影响。模拟缓冲器增强了电路的带负载能力，避免信号走线寄生电阻和电容对压力数据造成影响，提高了精度。传感器阵列共用一个电阻R1，降低了由传感器之间个体差异造成的影响，提高了压力图像的一致性。参比电阻R1设计为可调节电阻器，根据受测者的体重调节其大小，增大了测量压力值的动态范围。
本实施例采用Analog Device公司生产的12bit AD9226将电阻转换后的电压值转换为代表压力数据的数字信号，输出给FPGA。为了能够将压力数据与传感器位置进行对应方便后续成像，采用FPGA在每个压力数据前增加7位标识位。该标识位与选通信号完全相同，从而保证数据标识的正确性。
处理后的数据由USB接口输出到上位机。USB接口的物理体积较小，传输速度快，因此减小了系统的体积，提高了数据传输速度。
上位机由C++语言编程实现，具有人机交互界面，可支持检测USB、数据传输、格式转换等操作。由于上位机读取的数据为二进制格式，所以本发明将其转换为2进制、10进制和16进制并以ASCII码方式存储，从而提高压力数据的可读性，方便后续压力成像。

Claims (5)

1.一种臀部压力分布成像系统，包括传感器阵列，其特征在于：还包括选通电路、参比可调电阻-电压转换电路、ADC、FPGA、数字缓冲器和USB接口；所述的传感器阵列将人体臀部压力线性转换为电阻值，选通电路逐一选取每个传感器，参比可调电阻-电压转换电路通过参比测量，将电阻值转换为电压值，并提供驱动能力；ADC将该电压值转换为数字信号；FPGA对该数字信号添加传感器标识位；同时，将该标识位作为选通信号经过数字缓冲器输入到选通电路；处理后的数字信号通过USB接口传输给上位机，完成压力数据的采集。
2.根据权利要求1所述的臀部压力分布成像系统，其特征在于：所述传感器阵列由MF01-N-221-A04压阻式贴片传感器组成。
3.根据权利要求1或2所述的臀部压力分布成像系统，其特征在于：所述传感器阵列是10×10阵列。
4.根据权利要求1所述的臀部压力分布成像系统，其特征在于：所述选通电路由16个8选1模拟多路选择器实现。
5.根据权利要求1所述的臀部压力分布成像系统，其特征在于：所述ADC的型号是12bitAD9226。
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