CN111289801B - 一种二维电阻阵列读出电路、方法及系统 - Google Patents

一种二维电阻阵列读出电路、方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种二维电阻阵列读出电路、方法及系统，采用不同频率且频率值互为质数的多路交流电压源，通过计算可同时获得所有电阻的阻值，同时本发明不需要行/列选择器、控制行/列选择器的扫描控制器，避免了选择器导通电阻和扫描控制器内阻对测量精度的影响。

Description

一种二维电阻阵列读出电路、方法及系统
技术领域
本发明涉及一种二维电阻阵列读出电路、方法及系统，属于电路技术领域。
背景技术
机器人触觉是机器人非视觉传感系统(触觉、力觉、滑觉、接近觉、热觉等)中最重要的一种，它可以测量物体表面的轮廓、纹理、硬度、粗糙度等对目标身份识别有重要价值的参数。触觉还可以为视觉等其他传感系统提供辅助信息，以提高机器人整体的环境感知能力。机器人触觉的研究起步较晚，触觉传感器的设计与制造技术尚不完善，与此相应触觉信息的处理方法也受到了忽视。国外从20世纪80年代初对触觉传感器及其信息处理方法开始了系统研究，我国在90年代也展开了研究工作。以往触觉信息的处理方法大多从信号降噪的角度出发，对触觉单元信息之间的关联性研究较少，而研究这种关联性的内在规律对触觉系统性能提高有着重要意义。
阵列式传感技术作为一种高选择性、测试方法灵活、易于实现仪器微型化和集成化的分析技术，具有对大尺寸物体表面特性进行识别和检测的优点。阵列式传感器已取得了一系列的研究成果，但是在理论和技术仍有许多问题尚未解决，例如，阵列式传感器的阵列之间的交叉干扰、传感器的稳定性和重现性等问题都有待进一步解决。
阻性传感阵列的分辨率是需要通过增加阵列中传感器的数量来提高的，当传感器阵列的规模增大，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规模的阵列传感器进行逐个检测，每个传感器有两个端口，共需要2×M×N根连接线。共用行线与列线的二维阵列可以降低器件互连的复杂性，但同时阵列网络的互串效应和多路选择器对检测精度带来了不确定性；将扫描控制器与电阻采样电路和多路选择器结合，虽然可以实现被测阻性传感器的单个选定检测，但是这仅仅是理想状态下的与阵列中其他阻性传感器的虚拟隔离，如果想屏蔽掉待测阻性传感器所在公共行线与列线的多路选择器内阻以及其他相邻阻性传感器引起的干扰，就需要在阵列的每一行每一列都设置扫描控制器和电阻采样电路，因此仅仅在扫描控制器与电阻采样电路的控制下，阻性传感阵列的检测电路无法同时达到较低的器件互连复杂度与较高的传感器检测精度。
图1所示，是基于共用行线与列线的二维电阻阵列传统读出电路的示意图。包括列多路选择器1、共用行线和共用列线的二维电阻阵列2、行多路选择器3、扫描控制器4及测量电路5。二维电阻阵列2包括分别作为共用行线和共用列线的两组正交线路及按照M×N的二维结构分布的电阻单元阵列，阵列中的各个电阻单元一端连接相应的行线，另一端连接相应的列线，处于第i行、第j列的电阻单元用Rij(i＝1…M，j＝1…N)表示，其中，M为行数，N为列数，电阻单元Rij的一端与行多路选择器3的yri端相连接，电阻单元Rij的另一端与列多路选择器1的xcj端连接，行多路选择器3的br1、br2、…、brM端口与测量电路5中运算放大器的反相输入端相连，即运算放大器的反相输入端为测量电路5的输入端，测量电路5中运算放大器的同相输入端接地线，运算放大器的反相输入端和输出端之间连接反馈电阻，扫描控制器4输出行、列扫描控制信号，列扫描控制信号控制列多路选择器1，行扫描控制信号控制行多路选择器3。
图1中的读出电路存在以下缺点：1、无法同时测量所有电阻；2、选择器导通电阻和扫描控制器内阻影响测量精度。
发明内容
本发明提供了一种二维电阻阵列读出电路、方法及系统，解决了背景技术中披露的问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种二维电阻阵列读出电路，包括交流电源组、二维电阻阵列、测量电路组和信号分析单元；
交流电源组输出N个不同频率且频率值互为质数的电压，交流电源组的N个电压输出端分别连接二维电阻阵列的N个共用列线，测量电路组中M个测量电路的输入端分别连接二维电阻阵列的M个共用行线，M个测量电路的输出端均连接信号分析单元；
信号分析单元用以获取M个测量电路的输出电压和交流电源组的输出电压，对各测量电路的输出电压进行快速傅里叶变换，获得N个不同频率点的电压信号幅值，基于交流电源组的输出电压和快速傅里叶变换后获得的电压信号幅值，计算二维电阻阵列的各电阻阻值。
一种二维电阻阵列读出方法，包括，
获取二维电阻阵列读出电路中M个测量电路的输出电压和交流电源组的输出电压；
对各测量电路的输出电压进行快速傅里叶变换，获得N个不同频率点的电压信号幅值；
基于交流电源组的输出电压和快速傅里叶变换后获得的电压信号幅值，计算二维电阻阵列的各电阻阻值。
一种二维电阻阵列读出系统，包括，
采集模块：获取二维电阻阵列读出电路中M个测量电路的输出电压和交流电源组的输出电压；
快速傅里叶变换模块：对各测量电路的输出电压进行快速傅里叶变换，获得N个不同频率点的电压信号幅值；
电阻计算模块：基于交流电源组的输出电压和快速傅里叶变换后获得的电压信号幅值，计算二维电阻阵列的各电阻阻值。
一种二维电阻阵列读出电路，包括交流电源组、二维电阻阵列、测量电路组、信号处理电路集和信号分析单元；
交流电源组输出N个不同频率且频率值互为质数的电压，交流电源组的N个电压输出端分别连接二维电阻阵列的N个共用列线，测量电路组中M个测量电路的输入端分别连接二维电阻阵列的M个共用行线；
信号处理电路集包括M个信号处理电路组，每个信号处理电路组包括并联的N个信号处理电路，M个信号处理电路组的输入端分别连接M个测量电路输出端，信号处理电路组接收所连测量电路的输出电压，输出N个不同频率点的电压信号幅值，所有信号处理电路均连接信号分析单元；
信号分析单元用以获取电压信号幅值和交流电源组的输出电压，基于交流电源组的输出电压和电压信号幅值，计算二维电阻阵列的各电阻阻值。
一种二维电阻阵列读出方法，包括，
获取二维电阻阵列读出电路中所有信号处理电路输出的电压信号幅值和交流电源组的输出电压；
基于交流电源组的输出电压和M个信号分析电路组输出的电压信号幅值，计算二维电阻阵列的各电阻阻值。
一种二维电阻阵列读出系统，包括，
采集模块：获取二维电阻阵列读出电路中所有信号处理电路输出的电压信号幅值和交流电源组的输出电压；
电阻计算模块：基于交流电源组的输出电压和电压信号幅值，计算二维电阻阵列的各电阻阻值。
本发明所达到的有益效果：本发明采用不同频率且频率值互为质数的多路交流电压源，通过计算可同时获得所有电阻的阻值，同时本发明不需要行/列选择器、控制行/列选择器的扫描控制器，避免了选择器导通电阻和扫描控制器内阻对测量精度的影响。
附图说明
图1为现有二维电阻阵列读出电路图；
图2为本发明实施例1的电路图；
图3为本发明实施例2的电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图2所示，一种二维电阻阵列读出电路，包括交流电源组6、M×N二维电阻阵列2、测量电路组7和信号分析单元。
交流电源组6有N个电压输出端，N个电压输出端分别输出N个不同频率且频率值互为质数的电压，交流电源组6的N个电压输出端分别连接二维电阻阵列2的N个共用列线。
M×N二维电阻阵列2结构与图1中的一致，第i行第j列的电阻单元用Rij表示，i∈[1,M]，j∈[1,N]，电阻单元的一端与共用列线连接，另一端与共用行线连接，同一行的电阻单元连接同一共用行线，同一列的电阻单元连接同一共用行线。
测量电路组7包括M个测量电路，测量电路的结构与图其中的一致，包括运算放大器和反馈电阻，反馈电阻的两端分别连接运算放大器的反相输入端和输出端。运算放大器反相输入端为测量电路的输入端，运算放大器的输出端为测量电路的输出端，M个测量电路的运算放大器反相输入端分别连接二维电阻阵列2的M个共用行线，M个测量电路的运算放大器同相输入端接地，M个测量电路的输出端均连接信号分析单元。
交流电源组6输出N个不同频率的电压，第j个电压ucj作用于第j列电阻单元R1j、R2j、…、RMj后分别输入到M个运算放大器的反相输入端，同时分别作用于M个运算放大器的反馈电阻，由于N路电压的频率不同且频率值互为质数，M个运算放大器中的任一个放大器的输出电压为N个交流电压的叠加值，即放大器的输出电压分别为u1、u2、…、uM，ui为N个交流电压的叠加值，对输出电压进行快速傅立叶变换后，可以得到不同频率点及其电压幅值Vij，结合交流电源组6输出的电压幅值，可同时精确测量出N二维电阻阵列2中每个电阻阻值。
信号分析单元用以获取M个测量电路的输出电压和交流电源组的输出电压，对各测量电路的输出电压进行快速傅里叶变换，获得N个不同频率点的电压信号幅值，基于交流电源组的输出电压和快速傅里叶变换后获得的电压信号幅值，计算二维电阻阵列的各电阻阻值。
信号分析单元包括处理器，为常见的MCU，M个测量电路的输出端分别通过M个A/D转换器连接处理器。
一种二维电阻阵列读出方法，包括以下步骤：
步骤1，获取二维电阻阵列2读出电路中M个测量电路的输出电压和交流电源组6的输出电压。
步骤2，对各测量电路的输出电压进行快速傅里叶变换，获得N个不同频率点的电压信号幅值。
步骤3，基于交流电源组6的输出电压和快速傅里叶变换后获得的电压信号幅值，计算二维电阻阵列2的各电阻阻值。
定义交流电源组6输出的第j个电压ucj＝Vcj cos(ωjt)，其中，Vcj为交流电源组6输出的第j个频率点的电压幅值，ωj为角频率；
则第i个测量电路的输出电压ui表示为，
Figure BDA0002381935690000071
其中，Rij为二维电阻阵列2第i行第j列的电阻阻值，RLi为第i个测量电路的反馈电阻阻值。
ui为N个不同频率点电压信号的叠加信号，因此对其进行快速傅立叶变换后，可以得到N个不同频率点的电压信号幅值，
Figure BDA0002381935690000072
其中，Vij为ui经过快速傅里叶变换后得到的第j个频率点的电压幅值；
根据上式可得电阻阻值计算公式为，
Figure BDA0002381935690000081
其中，Vij、Vcj和RLi均为已知，则可根据上述公式获得Rij。
一种二维电阻阵列读出系统，为上述方法相对应的软件程序系统，包括，
采集模块：获取二维电阻阵列2读出电路中M个测量电路的输出电压和交流电源组6的输出电压。
快速傅里叶变换模块：对各测量电路的输出电压进行快速傅里叶变换，获得N个不同频率点的电压信号幅值。
电阻计算模块：基于交流电源组6的输出电压和快速傅里叶变换后获得的电压信号幅值，计算二维电阻阵列2的各电阻阻值。
在图2的实施例中，获取电压信号幅值的过程是在软件程序中实现的，也可通过适当的电路实现，因此可对图2中的电路进行相应的改进，具体如图3所示(图3中省去了信号处理电路集8连接信号分析单元，即MCU)，一种二维电阻阵列读出电路，包括交流电源组6、二维电阻阵列2、测量电路组7、信号处理电路集8和信号分析单元。
其中，交流电源组6、二维电阻阵列2、测量电路组7的结构均与图2中的一样，连接结构也一样，信号分析单元也为MCU。
增设的信号处理电路集8包括M个信号处理电路组，每个信号处理电路组包括并联的N个信号处理电路，M个信号处理电路组的输入端分别连接M个测量电路输出端，信号处理电路组接收所连测量电路的输出电压，输出N个不同频率点的电压信号幅值，所有信号处理电路均连接信号分析单元，信号分析单元用以获取电压信号幅值和交流电源组的输出电压，基于交流电源组的输出电压和电压信号幅值，计算二维电阻阵列的各电阻阻值。
信号处理电路包括依次连接的带通滤波器和A/D转换器，带通滤波器的输入端连接测量电路输出端。通过带通滤波器和A/D转换器获得不同频率点的电压信号幅值。
一种二维电阻阵列读出方法，其具体原理与图2中的类似，包括以下步骤：
步骤1，获取二维电阻阵列2读出电路中所有信号处理电路输出的电压信号幅值和交流电源组6的输出电压；
步骤2，基于交流电源组6的输出电压和M个信号分析电路组输出的电压信号幅值，计算二维电阻阵列2的各电阻阻值。
电阻阻值计算公式为：
Figure BDA0002381935690000091
其中，Rij为二维电阻阵列2第i行第j列的电阻阻值，，Vcj为交流电源组6输出的第j个频率点的电压幅值，RLi为第i个测量电路的反馈电阻阻值，Vij为第i个信号处理电路组中第j个信号处理电路输出的电压幅值。
一种二维电阻阵列读出系统，为上述方法相对应的软件程序系统，该系统相较于前面实施例中的系统省略了快速傅里叶变换模块，具体包括，
采集模块：获取二维电阻阵列2读出电路中所有信号处理电路输出的电压信号幅值和交流电源组6的输出电压；
电阻计算模块：基于交流电源组6的输出电压和电压信号幅值，计算二维电阻阵列2的各电阻阻值。
本发明采用不同频率且频率值互为质数的多路交流电压源，通过计算可同时获得所有电阻的阻值，同时本发明不需要行/列选择器、控制行/列选择器的扫描控制器，避免了选择器导通电阻和扫描控制器内阻对测量精度的影响。
一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行二维电阻阵列读出方法。
一种计算设备，包括一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行二维电阻阵列读出方法中的指令。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种二维电阻阵列读出电路，其特征在于：包括交流电源组、二维电阻阵列、测量电路组和信号分析单元；
交流电源组输出N个不同频率且频率值互为质数的电压，交流电源组的N个电压输出端分别连接二维电阻阵列的N个共用列线，测量电路组中M个测量电路的输入端分别连接二维电阻阵列的M个共用行线，M个测量电路的输出端均连接信号分析单元；
信号分析单元用以获取M个测量电路的输出电压和交流电源组的输出电压，对各测量电路的输出电压进行快速傅里叶变换，获得N个不同频率点的电压信号幅值，基于交流电源组的输出电压和快速傅里叶变换后获得的电压信号幅值，计算二维电阻阵列的各电阻阻值。
2.一种二维电阻阵列读出方法，其特征在于：包括，
获取权利要求1所述的二维电阻阵列读出电路中M个测量电路的输出电压和交流电源组的输出电压；
对各测量电路的输出电压进行快速傅里叶变换，获得N个不同频率点的电压信号幅值；
基于交流电源组的输出电压和快速傅里叶变换后获得的电压信号幅值，计算二维电阻阵列的各电阻阻值。
3.一种二维电阻阵列读出系统，其特征在于：包括，
采集模块：获取权利要求1所述的二维电阻阵列读出电路中M个测量电路的输出电压和交流电源组的输出电压；
快速傅里叶变换模块：对各测量电路的输出电压进行快速傅里叶变换，获得N个不同频率点的电压信号幅值；
电阻计算模块：基于交流电源组的输出电压和快速傅里叶变换后获得的电压信号幅值，计算二维电阻阵列的各电阻阻值。
4.一种二维电阻阵列读出电路，其特征在于：包括交流电源组、二维电阻阵列、测量电路组、信号处理电路集和信号分析单元；
交流电源组输出N个不同频率且频率值互为质数的电压，交流电源组的N个电压输出端分别连接二维电阻阵列的N个共用列线，测量电路组中M个测量电路的输入端分别连接二维电阻阵列的M个共用行线；
信号处理电路集包括M个信号处理电路组，每个信号处理电路组包括并联的N个信号处理电路，M个信号处理电路组的输入端分别连接M个测量电路输出端，信号处理电路组接收所连测量电路的输出电压，输出N个不同频率点的电压信号幅值，所有信号处理电路均连接信号分析单元；
信号分析单元用以获取电压信号幅值和交流电源组的输出电压，基于交流电源组的输出电压和电压信号幅值，计算二维电阻阵列的各电阻阻值。
5.一种二维电阻阵列读出方法，其特征在于：包括，
获取权利要求4所述的二维电阻阵列读出电路中所有信号处理电路输出的电压信号幅值和交流电源组的输出电压；
基于交流电源组的输出电压和M个信号分析电路组输出的电压信号幅值，计算二维电阻阵列的各电阻阻值。
6.一种二维电阻阵列读出系统，其特征在于：包括，
采集模块：获取权利要求4所述的二维电阻阵列读出电路中所有信号处理电路输出的电压信号幅值和交流电源组的输出电压。
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