CN114878033A - 一种矩阵式压力分布测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种矩阵式压力分布测量系统及方法，所述系统包括主控模块、压阻网络、与所述压阻网络相连接的列驱动模块和行扫描模块，所述压阻网络包括矩阵式压阻传感器和设置于所述矩阵式压阻传感器一侧的定值电阻列，所述主控模块，用于控制所述列驱动模块和所述行扫描模块对所述压阻网络进行扫描，并根据所述矩阵式压阻传感器无负载时每一行的定值电阻的测量误差计算出相应行的误差补偿系数，并根据所述误差补偿系数对所述矩阵式压阻传感器有负载时各个压力采集点的阻值进行补偿。采用本发明的技术方案，可提高测量的精确性。
Description
技术领域
本发明涉及压力测量领域，尤其涉及一种矩阵式压力分布测量系统及方法。
背景技术
压阻式压力分布检测方案主要用于足压检测、坐压检测等场景。现有压力分布检测设计方案大致可归类成两种，一种是使用单点压力检测传感器拼接成检测面；另一种是使用行列式的压力传感器网格，通过行列选通测量检测面的压力分布。
单点传感器拼接方案例如专利《一种基于足底压力的智能传感鞋步态分析》(申请公开号CN 108013878 A)所示单脚使用25个压力传感器，各压力传感器分布在足底固定位置；此方案存在着压力传感器密度低，单个压力传感器至少需要2个接线端子，无法做到大面积高密度的缺点。
实用新型专利《一种可阻止串扰的阵列式压敏电阻传感器》(201921952994.1)提供了一种在每一个压阻单元串联一个二极管；此方法在原理上可以提高系统的测量精度，减少压阻网络之间的串扰，但是该设计方法一是不适用与行列数目大的、传感器密度高的压力分布检测系统，二是该方法不具有可行性；以64*64的压力网格阵列为列，按此方法将需要4096个二极管，将二极管装配在硬质PCB和柔性的FPC三明治等压力网格上会使检测面测试点与二极管不在同一平面，导致无法正常接触测量，同时这种装配工艺目前来说是比较难以实现的；若要做到每平方厘米25个传感器点，则需要在每平方厘米上装配25个二极管，显然这是不太可能实现的方案。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术存在的缺陷，提供一种矩阵式压力分布测量系统及方法，以解决现有技术中的矩阵式压力分布测量系统存在串扰而导致的检测精度不高的技术问题。
本发明实施例中，提供了一种矩阵式压力分布测量系统，其包括：
主控模块、压阻网络、与所述压阻网络相连接的列驱动模块和行扫描模块；
所述压阻网络包括矩阵式压阻传感器和设置于所述矩阵式压阻传感器一侧的定值电阻列，所述矩阵式压阻传感器包括多个采集行、与所述多个采集行相垂直的驱动列，所述多个驱动列和所述多个采集行的重叠处形成多个压力采集点，所述定值电阻列具有与所述矩阵式压阻传感器的采集行数量相同的定值电阻，每一个定值电阻的一端都通过一个外置的驱动列与所述列驱动模块相连接，另一端与所述矩阵式压阻传感器中相应行的采集行相连接；
所述列驱动模块，用于控制每一个驱动列的电压以对相应的驱动列进行选择，当任意一驱动列被选择时，该驱动列的电压被设置为驱动电压，未被选择的驱动列的电压被设置为接地电压；
所述行扫描模块，用于测量每一采集行的电压；
所述主控模块，用于控制所述列驱动模块和所述行扫描模块对所述压阻网络进行扫描，并根据所述矩阵式压阻传感器无负载时每一行的定值电阻的测量误差计算出相应行的误差补偿系数，并根据所述误差补偿系数对所述矩阵式压阻传感器有负载时该行的各个压力采集点的阻值进行补偿。
本发明实施例中，所述主控模块根据所述矩阵式压阻传感器无负载时每一行的定值电阻的测量误差计算出相应行的误差补偿系数，包括：
根据所述矩阵式压阻传感器无负载时测量得到的每一行的定值电阻的阻值与真实阻值的比值计算出每一行的误差补偿系数。
本发明实施例中，根据所述误差补偿系数对所述矩阵式压阻传感器有负载时该行各个压力采集点的阻值进行补偿，包括：
根据定值电阻列被选择时，测量得到的电压值计算出定值电阻所在行中压力采集点并联后的总阻值，并采用该行的误差补偿系数对该行的总阻值进行补偿；
根据所述矩阵式压阻传感器的每列选择时，分别测量得到该行的电压值计算出该行中各个压力采集点阻值的比例关系；
根据补偿后该行的总阻值和各个压力采集点阻值的比例关系计算出该行的各个压力采集点的阻值。
本发明实施例中，所述的矩阵式压力分布测量系统还包括连接于所述列驱动模块和所述压阻网络之间的DDR接口以及连接于所述行扫描模块和所述压阻网络之间的DDR接口。
本发明实施例中，所述列驱动模块采用CPLD逻辑芯片实现。
本发明实施例中，所述行扫描模块包括运算放大器和与所述运算放大器相连接的多个模拟开关。
本发明实施例中，所述的矩阵式压力分布测量系统还包括上位机设备和数据传输模块，所述上位机设备通过数据传输模块与所述主控模块相连接。
本发明实施例中，还提供了一种上述的矩阵式压力分布测量系统的测量方法，其包括：
在所述矩阵式压阻传感器无负载时对所述压阻网络进行扫描，并根据所述矩阵式压阻传感器无负载时每一行的定值电阻的测量误差计算出该行的误差补偿系数；
在所述矩阵式压阻传感器有负载时对所述压阻网络进行扫描，获取每个点的扫描数据；
根据每一行的误差补偿系数对所述矩阵式压阻传感器有负载时该行的各个压力采集点的阻值进行补偿。
本发明实施例中，根据所述矩阵式压阻传感器无负载时每一行的定值电阻的测量误差计算出相应行的误差补偿系数，包括：
根据所述矩阵式压阻传感器无负载时测量得到的每一行的定值电阻的阻值与真实阻值的比值计算出每一行的误差补偿系数。
本发明实施例中，根据所述误差补偿系数对所述矩阵式压阻传感器有负载时各个压力采集点的阻值进行补偿，包括：
根据定值电阻列被选择时，测量得到的电压值计算出定值电阻所在行中压力采集点并联后的总阻值，并采用该行的误差补偿系数对该行的总阻值进行补偿；
根据所述矩阵式压阻传感器的每列选择时，分别测量得到该行的电压值计算出该行中各个压力采集点阻值的比例关系；
根据补偿后该行的总阻值和各个压力采集点阻值的比例关系计算出该行的各个压力采集点的阻值。
与现有技术相比较，本发明的矩阵式压力分布测量系统及方法，为矩阵式压阻传感器配置一个定值电阻列，为矩阵式压阻传感器的每一行都配置了一个定值电阻，通过无按压时对所述定值电阻的测量值来计算测量误差系数，并将所述测量误差系数对每一行的采集点进行数据补偿，提高了每一行压力点的数据采集精度，可对整机系统在不同环境温湿度，不同使用场景对采集数据进行实时的补偿，提高了整机系统压力数据采集精准度；另外，使用DDR接口链接压力网络传感器与主控板，将固定电阻列布置与DDR接口转接板中，一方面DDR接口可以方便、快捷、拆装传感器，降低了用户的使用要求，提高了整体效率；另一方面不限制压力网格传感器的设计生产形态，可将压力网格传感器设计成柔性，硬质，织物等不同的形态，降低了整个压力采集系统的生产要求和成本，方便分布式压力传感器可运用到更多的智能领域。
附图说明
图1是本发明实施例的矩阵式压力分布测量系统的结构示意图。
图2是本发明实施例的压阻网络进行测量时的等效电路图。
图3是本发明实施例中一行电阻进行测量时的等效电路图。
图4是本发明实施例的矩阵式压力分布测量系统的测量过程的流程图。
具体实施方式
如图1所示，本发明实施例中，提供了一种矩阵式压力分布测量系统，其包括主控模块1、压阻网络2、列驱动模块3、行扫描模块4、列驱动接口5、行扫描接口6、数据传输模块7及上位机设备8。所述列驱动模块3通过所述列驱动接口5与所述压阻网络2相连接。所述行扫描模块4通过所述行扫描接口6与所述压阻网络2相连接。所述主控模块1分别与所述列驱动模块3、所述行扫描模块4相连接。所述上位机设备8通过所述数据传输模块7与所述主控模块1相连接。
所述主控模块1采用MCU芯片SM3000，为国微集团研发设计的Cortex-M4内核的专用芯片，其有4路16位ADC，每路ADC包含4个内部通道和16个外部通道，使用BGA封装可拓展到140个IO；系统设计使用4路16位ADC，每路ADC使用一个通道。所述主控模块1主要负责ADC数据的采集、压阻网络的行列选中控制、压力数据帧算法处理及数据传输处理。
所述压阻网络2由矩阵式压阻传感器21和定值电阻列22组成。所述矩阵式压阻传感器21是一种行列交错的压力采集点网格，在行列交错点处可将施加的压力转换成电阻值。所述矩阵式压阻传感器的设计可根据产品的需求设计成硬质PCB、柔性FPC、织物、三明治、玻璃电镀等形态。
一并如图2所示，所述矩阵式压阻传感器21包括多个采集行211、与所述多个采集行相垂直的驱动列212，所述多个驱动列212和所述多个采集行211的重叠处形成多个压力采集点，每一个压力采集点可视为一个随按压力度变化的可变电阻。所述定值电阻列22具有与所述矩阵式压阻传感器的采集行数量相同的定值电阻，每一个定值电阻的一端都通过一个外置的驱动列与所述列驱动模块3相连接，另一端与所述矩阵式压阻传感器21中相应行的采集行相连接。
所述列驱动模块3，用于控制所述压阻网络2每一驱动列的电压，当任意一驱动列被选择时，该驱动列的电压被设置为驱动电压，未被选择的驱动列的电压被设置为接地，即电压为零。需要说明的是，当所述压阻网络2的驱动列数量较小时，可以采用MCU的IO直接进行列驱动；当压阻网络2的驱动列较多，MCU的IO不够时，所述列驱动模块3采用逻辑芯片CPLD来对MCU芯片的IO进行扩展，从而实现对所述堤中路网络2的列进行驱动。
所述行扫描模块4，用于在所述列驱动模块3对每一列进行驱动时，测量每一采集行的电压，所述采集行的电压被用于计算所述矩阵式压阻传感器21被按压时每一个压力采集点的阻值。
本发明实施例中，所述列驱动模块3和所述压阻网络2之间通过DDR接口相连接。所述行扫描模块4和所述压阻网络2之间通过DDR接口相连接。与所述列驱动模块3相连接的DDR接口分别与每个驱动列相连接，与所述行扫描模块4相连接的DDR接口分别与每个采集行相连接。DDR接口可使用260pi n DDR接口作为压力传感器接口，采用DDR接口可以快速的拆装所述传感器矩阵式传感器21。
本发明实施例中，所述行扫描模块4包括四个模拟开关和一个运算放大器。每个模拟开关具有一个采样电阻，与压力传感器网络形成分压电路，一路输入到后代的运算放大器中对采样电阻端的电压进行运算放大，最终接入到所述主控模块1中电压值进行数字AD转换，形成压力网络数据帧。每个模拟开关一次可以选中一行，四个模拟开关一次可选中四行。当驱动列选中时采集四个压力点数据，将四行的每一列压力点数据采集完成后，通过所述主控模块1控制所述四个模拟开关选中下4行。所述运算放大器的主要作用是将选中的行上的电压进行放大，放大后在接入到所述主控模块1中的ADC进行阻值与电压值压力值得换算。所述主控模块1的四个ADC通道按照ADC1_0,ADC2_0,ADC3_0,ADC4_0,ADC1_1,ADC2_1,ADC3_1,ADC4_1…ADC1_n,ADC2_n,ADC3_n,ADC4_n的排列顺序接入到压阻网络行中。
所述上位机设备8通过所述数据传输模块7与所述主控模块1相连接。所述数据传输模块主要用于将所述主控模块1采集的数据传输给所述上位机设备，其可使用并不局限于USB、WIFI、4G等模块。
所述上位机设备8，可根据客户的需求选择智能平板、PC电脑，其主要功能为安装压力分析采集软件，利用该软件对系统采集的压阻数据进行分析，根据压阻传感器压阻特性进行压力压强数据的转换和压力分布数据的分析处理。
如图2所示，所述压力采集点可被等效为一个可变电阻，未被按压时，其阻值为无穷大，其在列扫描线和采集行之间相当于断路。所述压力采集点被按压时，其具有一定的阻值，且阻值与按压的力度成反比，相当于其所在的驱动列和采集行之间通过所述可变电阻导通。Ra、Rb、Rc、Rd……分别为所述行扫描模块4的采样电阻，用于获取所述采集行的电压。
如图3所示，以某一行的六个压力采集点(等效为可变电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6)被按压时对定值电阻R0进行扫描时该行的电路示意图，其中，RA为采样电阻。对其它电阻进行扫描时，在所述电路示意图中，被扫描的电阻与R0的位置互换。
当采样R0数据时ADC采样数据为Xk,电压为Vk,R0的阻值为K，12位ADC最大采样数据为a＝4096；2k采样电阻的阻值为b，驱动电压为U。r1//r2//r3//r4//r5//r6(//表示电阻并联)总阻值R总。
则可列出方程：
根据基尔霍夫第一定律(KCL)可得到方程：
由方程②③可得到：
由方程②③④可得到：
(r为r1或r2、r3、r4、r5、r6的阻值，xr为采样r时ADC的采样数据)。
因此，由固定电阻列可得到矩阵式压阻网络同一行所有受力采集点的总电阻R总，由R总和压阻薄膜的线性特性可得同行所有压力点的总压力；由方程⑤可得同行中不同采集点的阻值与固定电阻的比例关系，由总压力值和比例关系可以将总压力值按比例关系分配到同行的各采集点中。
当整个矩阵式网络没有受力时，只有第一列固定电阻列有采集数据，网络中同行的电路关系为固定电阻与采样电阻串联，且二者阻值都已知，则可得由实际采样值Xk，计算固定电阻K的计算值K’,K’与实际K值之间的差值为整个系统受使用环境、场景，系统本身损耗误差值进行补偿，根据K’与K的比值可得到网格中同一行的补偿系数C，在计算同一行R总时带入补偿系数C就行数据的补偿修正，在标定校准中还可计算不同压力下的补偿系数C，提高整体采集数据的准确性，与可靠性。
如图4所示，采用本发明的矩阵式压力分布测量系统的压力测量过程如下：
当用户链接设备开始采集数据时，软件系统首先会检测采集器与与DDR接口是否链接安装，若已安装，状态指示灯点亮，若未安装，状态指示灯灭，软件系统发出“压力采集器为连接”提示命令；
设备安装完成后系统开始采集单帧压力数据，首先系统会自动按3所描述的步骤采集一帧没有压力按压的空帧数据BUFFER1，当空帧数据采集完成后，状态指示灯开始以200HZ的频率开始闪烁，用户只有在状态指示灯开始闪烁后才可以开始测量压力；
然后开始进行单帧数据采集：
软件系统首先会通过所述主控模块1控制选中传感器整列的第一列，并使能驱动电压，再通过所述主控模块1控制四个模拟开关使四路ADC接入传感器整列的第1-4行，此时就可得到前四行的第一列数据；当第一列数据采集完成后，再选中下一列并驱动，前四行的所有列数据都驱动完成即可完成前四行的压力数据采集。采集完前四行数据后继续采集第5-8行的数据，然后重复驱动列的选中配置，采集完当前四行压力数据；如此循环往复，直到所述压阻网络2的所有行列数据采集完成，单帧原始数据的采集及完成；
用户单帧原始数据采集完成后，系统将将提取空帧数据组BUFF1第一列固定电阻的采样值数组A0与用户数据第一列定值电阻的采样值数组A1计算系统每一行的实时补偿系数数组C，然后通过数组A1和补偿系数数组C分别计算压力网络每一行的总阻值数组R总，得到总阻值后根据方程⑤分别计算每行中各点的阻值；至此矩阵压力传感器的单帧阻值数据处理完成；
单帧阻值压力数据处理完成后，系统将会对单帧数据进行压缩处理并通过所述数据传输模块7将数据流传输到上位机或者云服务器中，或者以固定数据格式录制保存与本地FLASH设备中，并开始采集下一帧压阻数据，直到用户暂停数据采集，状态指示灯由闪烁变为常亮状态；
所述上位机设备8获取到压阻数据流后根据压阻传感器的压阻特性函数将压阻帧数据转换成压力压强帧数据，进行压力数据流2D、3D显示，压力数据分布分析等处理。
综上所述，本发明的矩阵式压力分布测量系统及方法，为矩阵式压阻传感器配置一个定值电阻列，为矩阵式压阻传感器的每一行都配置了一个定值电阻，通过无按压时对所述定值电阻的测量值来计算测量误差系数，并将所述测量误差系数对每一行的采集点的阻值进行数据补偿，提高了每一行压力点的数据采集精度，可对整机系统在不同环境温湿度，不同使用场景对采集数据进行实时的补偿，提高了整机系统压力数据采集精准度；另外，使用DDR接口链接压力网络传感器与主控板，将固定电阻列布置与DDR接口转接板中，一方面DDR接口可以方便、快捷、拆装传感器，降低了用户的使用要求，提高了整体效率；另一方面不限制压力网格传感器的设计生产形态，可将压力网格传感器设计成柔性，硬质，织物等不同的形态，降低了整个压力采集系统的生产要求和成本，方便分布式压力传感器可运用到更多的智能领域。
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)
1.一种矩阵式压力分布测量系统，其特征在于，包括：
主控模块、压阻网络、与所述压阻网络相连接的列驱动模块和行扫描模块；
所述压阻网络包括矩阵式压阻传感器和设置于所述矩阵式压阻传感器一侧的定值电阻列，所述矩阵式压阻传感器包括多个采集行、与所述多个采集行相垂直的驱动列，所述多个驱动列和所述多个采集行的重叠处形成多个压力采集点，所述定值电阻列具有与所述矩阵式压阻传感器的采集行数量相同的定值电阻，每一个定值电阻的一端都通过一个外置的驱动列与所述列驱动模块相连接，另一端与所述矩阵式压阻传感器中相应行的采集行相连接；
所述列驱动模块，用于控制每一个驱动列的电压以对相应的驱动列进行选择，当任意一驱动列被选择时，该驱动列的电压被设置为驱动电压，未被选择的驱动列的电压被设置为接地电压；
所述行扫描模块，用于测量每一采集行的电压；
所述主控模块，用于控制所述列驱动模块和所述行扫描模块对所述压阻网络进行扫描，并根据所述矩阵式压阻传感器无负载时每一行的定值电阻的测量误差计算出相应行的误差补偿系数，并根据所述误差补偿系数对所述矩阵式压阻传感器有负载时该行的各个压力采集点的阻值进行补偿。
2.如权利要求1所述的矩阵式压力分布测量系统，其特征在于，所述主控模块根据所述矩阵式压阻传感器无负载时每一行的定值电阻的测量误差计算出相应行的误差补偿系数，包括：
根据所述矩阵式压阻传感器无负载时测量得到的每一行的定值电阻的阻值与真实阻值的比值计算出每一行的误差补偿系数。
3.如权利要求2所述的矩阵式压力分布测量系统，其特征在于，根据所述误差补偿系数对所述矩阵式压阻传感器有负载时该行各个压力采集点的阻值进行补偿，包括：
根据定值电阻列被选择时，测量得到的电压值计算出定值电阻所在行中压力采集点并联后的总阻值，并采用该行的误差补偿系数对该行的总阻值进行补偿；
根据所述矩阵式压阻传感器的每列选择时，分别测量得到该行的电压值计算出该行中各个压力采集点阻值的比例关系；
根据补偿后该行的总阻值和各个压力采集点阻值的比例关系计算出该行的各个压力采集点的阻值。
4.如权利要求1所述的矩阵式压力分布测量系统，其特征在于，还包括连接于所述列驱动模块和所述压阻网络之间的DDR接口以及连接于所述行扫描模块和所述压阻网络之间的DDR接口。
5.如权利要求4所述的矩阵式压力分布测量系统，其特征在于，所述列驱动模块采用CPLD逻辑芯片实现。
6.如权利要求4所述的矩阵式压力分布测量系统，其特征在于，所述行扫描模块包括运算放大器和与所述运算放大器相连接的多个模拟开关。
7.如权利要求1所述的矩阵式压力分布测量系统，其特征在于，还包括上位机设备和数据传输模块，所述上位机设备通过数据传输模块与所述主控模块相连接。
8.一种如权利要求1所述的矩阵式压力分布测量系统的测量方法，其特征在于，包括：
在所述矩阵式压阻传感器无负载时对所述压阻网络进行扫描，并根据所述矩阵式压阻传感器无负载时每一行的定值电阻的测量误差计算出该行的误差补偿系数；
在所述矩阵式压阻传感器有负载时对所述压阻网络进行扫描，获取每个点的扫描数据；
根据每一行的误差补偿系数对所述矩阵式压阻传感器有负载时该行的各个压力采集点的阻值进行补偿。
9.如权利要求8所述的矩阵式压力分布测量系统的测量方法，其特征在于，根据所述矩阵式压阻传感器无负载时每一行的定值电阻的测量误差计算出相应行的误差补偿系数，包括：
根据所述矩阵式压阻传感器无负载时测量得到的每一行的定值电阻的阻值与真实阻值的比值计算出每一行的误差补偿系数。
10.如权利要求9所述的矩阵式压力分布测量系统的测量方法，其特征在于，根据所述误差补偿系数对所述矩阵式压阻传感器有负载时各个压力采集点的阻值进行补偿，包括：
根据定值电阻列被选择时，测量得到的电压值计算出定值电阻所在行中压力采集点并联后的总阻值，并采用该行的误差补偿系数对该行的总阻值进行补偿；
根据所述矩阵式压阻传感器的每列选择时，分别测量得到该行的电压值计算出该行中各个压力采集点阻值的比例关系；
根据补偿后该行的总阻值和各个压力采集点阻值的比例关系计算出该行的各个压力采集点的阻值。
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