CN115996074A - 一种基于多块分布式薄膜压力采集仪的联合数据传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多块分布式薄膜压力采集仪的联合数据传输系统。该系统包括多片压力传感器，多块数据采集板、信号转接板和数据处理设备，其中：多片压力传感器与多块数据采集板一一对应连接，用于感测压力变化产生的电信号；所述多块数据采集板将采集的电信号转换为压力数值矩阵，传输给所述信号转接板，该压力数值矩阵是反映对应压力传感器各压力点的数值信号；所述信号转接板用于控制各数据采集板与数据处理设备之间的数据传输；所述数据处理设备用于对接收的数据进行分析和处理，获得压力变化信息。本发明针对利用多块数据采集板的情况，采用联合数据传输策略控制数据传输方式，在保证传输效率的前提下，显著降低了接线复杂度。

Description

一种基于多块分布式薄膜压力采集仪的联合数据传输系统

技术领域

本发明涉及电子信息技术领域，更具体地，涉及一种基于多块分布式薄膜压力采集仪的联合数据传输系统。

背景技术

近年来，柔性电子技术和微电子技术的迅速发展，带动了分布式薄膜压力传感器的不断革新，分布式薄膜压力传感器的采集点密度和数量也不断提升。

目前，对于需要采集大数量压力采集点的压力薄膜，通常采用行列式的布线方法。这种方式，可以实现用较少的外接线，定位大数量的压力采集点。压力采集点的可定位数量为其压力薄膜行线数和列线数的乘积。然而，由于分布式薄膜压力传感器的制造工艺复杂，开发成本高，定制化的产品价格昂贵。因此，各个厂家会针对性地推出几个标准规格的柔性压力传感器进行大量的生产，以降低产品的价格。对于需要使用面积大和压力感应单元数量大的情况，通常考虑使用多块分布式薄膜压力传感器拼接的方式，即通过购买多块标准规格的分布式薄膜压力传感器来拼接成所需要的形状和大小的分布式薄膜压力传感器。目前，普遍使用的连接方式是将每块行列式薄膜压力传感器的数据采集模块分别通过自带串口接口与电脑的串口接口连接。例如，现有的多块行列式压力薄膜传感器的联合数据传输技术是将多块压力传感器采集仪器与电脑主机的多个串口一对一地进行连接。这种方式接线复杂，不适用于电脑串口接口少的情况，而且由于需要开启多个串口配置，所以其相应的上位机软件开发比单独使用一个串口通信的方式复杂很多。

总之，对现有技术而言，分布式压力薄膜内部分布有多个压力采集点，在不同的施加压力下，压力采集点的电阻值会随之变化。搭建电路将电阻的变化转化为电压的变化，然后对输出的电压信号进行采集和转换就可获得行列式压力薄膜上各个压力点的对应数值。由于行列式压力薄膜制造工艺复杂，很难制造出大面积的高密度行列式压力薄膜。所以，目前对于大面积和高密度的压力检测需求，一般是通过使用多片行列式压力薄膜拼接完成，且每片压力薄膜对应一块数据采集板。传统的多块分布式薄膜压力采集仪的联合数据传输系统是将各个数据采集板的接口分别与电脑主机的多个接口相连。该方法的缺点在于，当需要拼接的压力薄膜片数过多时，会出现外接线路过于复杂、电脑配置数据接口不足的情况。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种基于多块分布式薄膜压力采集仪的联合数据传输系统，该系统包括多片压力传感器，多块数据采集板、信号转接板和数据处理设备，其中：

所述多片压力传感器与所述多块数据采集板一一对应连接，用于感测压力变化产生的电信号；

所述多块数据采集板将采集的电信号转换为压力数值矩阵，传输给所述信号转接板，该压力数值矩阵是反映对应压力传感器各压力点的数值信号；

所述信号转接板用于控制各数据采集板与数据处理设备之间的数据传输；

所述数据处理设备用于对接收的数据进行分析和处理，获得压力变化信息。

与现有技术相比，本发明的优点在于，当数据采集系统中包含多块分布式柔性压力传感器时，数据处理设备只需使用一个串口接口就可以获取来自不同数据采集板的数据，显著减低了系统的接线复杂程度。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。

图1是根据本发明一个实施例的基于多块分布式薄膜压力采集仪的联合数据传输系统的示意图；

图2是根据本发明一个实施例的数据采集板与信号转接板的通信协议示意图；

图3是根据本发明一个实施例的单张分布式柔性薄膜压力传感器的示意图；

图4是根据本发明一个实施例的包含六块分布式压力薄膜采集仪系统的示意图；

图5是根据本发明一个实施例所获得的脚印压力的可视图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

本发明旨在提出一种新的多块行列式压力薄膜采集仪的联合采集系统，该系统采用外加多路数据转接板的方式，将多个数据采集板的接口连接到一块多路数据转接板中。该多路数据转接板会对外接的传输数据通路进行判断裁决，确保每次数据传输过程中只有一个数据接口与电脑主机等数据处理设备相连。

参见图1所示，所提供的基于多块分布式薄膜压力采集仪的联合数据传输系统包括多片压力传感器，多块数据采集板(或称信号采集板)、信号转接板和数据处理设备。其中数据处理设备可以是多种类型，如上位机等计算处理设备。压力传感器可以压力薄膜传感器。为清楚起见，以下以上位机(或称电脑、电脑主机)和行列式柔性压力薄膜传感器为例进行说明。

数据采集板用来获取分布式柔性压力传感器的在不同压力下的电信号变化，并将电信号转化为数据信号，然后通过串口的方式发送给信号转接板。

信号转接板通过串口接口与各个数据采集板相连接，但是信号转接板与上位机之间只使用了一个串口。各个压力传感器与上位机的通信连接的通断通过控制信号转接板中的模拟开关完成。

为了防止不同串口通道信号在同一个信道中传输会产生信号串扰的问题，信号采集板在数据传输过程中，同一时刻，只有一个模拟通道会连通。数据采集板有序地将采集的信号发送给电脑，每次发送一个压力数值矩阵(包含了一片压力采集仪所有压力点的数值信号)。发送完一个压力数值矩阵后，信号转接板的通道切换到下一个数据采集板，如此依次进行。

在一个实施例中，参见图2所示，每块数据采集板中有两个信号提示引脚，分别与信号转接板的两个引脚相连，这两个引脚分别为正在发送信号的提示引脚和允许发送信号的提示引脚，其引脚的高低电平提示用于确定信号转接板中模拟开关的通道的切换。将低电平作为提示引脚的有效状态，当正在发送的提示引脚为低电平时，表示数据采集板正在向信号转接板发送数据，此时打开其对应的串口信号通道，连接数据采集板与电脑的串口之间的通道。当数据采集板的一次数据矩阵发送完成后，正在发送信号引脚的设置为高电平，提示信号采集板关闭当前的串口通道，打开下一个串口通道，并且将连接下一个数据采集板的允许信号发送引脚的设置为延续一段时间的低电平，低电平的持续时间可根据数据传输量、串口波特率等进行设置。当数据采集板检测到允许发送信号引脚处于低电平状态时，便开始发送压力矩阵数据。如此往复进行，利用串口可以快速、有序地实现信号的准确传递。由于在通信端口切换的过程中，模拟开关的切换以及两个信号引脚状态的读取时间只需要几个微妙，所以该数据传输策略可以实现多块数据采集板的联合，快速的实时通信。

应理解的是，也可将高电平作为提示引脚的有效状态，例如，当正在发送的提示引脚为高电平时，表示数据采集板正在向信号转接板发送数据，在这种设置下，数据传输策略类似，在此不再赘述。

需说明的是，在不违背本发明精神和范围的前提下，本领域技术人员可对上述实施例进行适当的改变或变型。例如，除采用串口进行通信外，也可采用串行外设接口(SPI)或集成电路总线(IIC)进行通信。

综上，由于所提供的系统只使用了一个串口接口与电脑连接，所以不仅能够减少外接线路的复杂程度，而且可以减小多块分布式压力薄膜传感器的上位机软件开发工作。这是因为，采用传统的多块压力传感器采集仪器与电脑主机分别通过串口连接的方式，在软件开发的过程中，需要开启多个串口配置，然后分别采取各个串口传输的数据。而在本发明所提出的系统，上位机软件的开发只需要开启一个串口的配置就可以接收多个压力传感器采集仪传输的数据。

为进一步验证本发明的效果，进行了实验。实验中利用了6块分布式压力薄膜传感器，参见图3和图4所示，其中单张分布式柔性薄膜压力传感器包含1024个压力测试单元。实验中，将6块分布式柔性薄膜压力传感器拼接在一起，并连接数据采集仪。数据采集仪通过串口将数据发送到电脑主机。该系统的数据通信的速率主要决定于串口的发送速率设置。实验证明，即使将串口的波特率配置为非常高的速率(如波特率460800)时，数据传输也极少出现乱码的情况。图5为使用该系统获得的脚印压力的可视图。经过实验测量，利用本发明所提供的系统，能够准确、高效的获得脚印压力变化信息。

综上所述，本发明针对多块分布式薄膜压力传感器，通过设计数据采集板与信号转接板之间的通信协议，提供联合数据传输策略。并且，将每块压力传感器的数据采集模块的串口接口分别连接至多路数据转接板中的接口中，然后再将多路数据转接板的一个串口接口与电脑的串口接口相连接。通过这种方式，可以减少多块压力传感器的数据采集板与电脑接线的复杂度，并且由于电脑主机只占用一个串口，对比于采用多个串口分别与数据采集板通信的策略，本发明显著简化了主机上位机软件的开发工作。此外，信号采集仪采用多通道模拟开关，能够实现快速通道切换，保证了数据传输效率。

本发明可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于使处理器实现本发明的各个方面的计算机可读程序指令。

计算机可读存储介质可以是可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。这里所使用的计算机可读存储介质不被解释为瞬时信号本身，诸如无线电波或者其他自由传播的电磁波、通过波导或其他传输媒介传播的电磁波(例如，通过光纤电缆的光脉冲)、或者通过电线传输的电信号。

这里所描述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载到各个计算/处理设备，或者通过网络、例如因特网、局域网、广域网和/或无线网下载到外部计算机或外部存储设备。网络可以包括铜传输电缆、光纤传输、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配卡或者网络接口从网络接收计算机可读程序指令，并转发该计算机可读程序指令，以供存储在各个计算/处理设备中的计算机可读存储介质中。

用于执行本发明操作的计算机程序指令可以是汇编指令、指令集架构(ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、或者以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码，所述编程语言包括面向对象的编程语言—诸如Smalltalk、C++、Python等，以及常规的过程式编程语言—诸如“C”语言或类似的编程语言。计算机可读程序指令可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络—包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。在一些实施例中，通过利用计算机可读程序指令的状态信息来个性化定制电子电路，例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)或可编程逻辑阵列(PLA)，该电子电路可以执行计算机可读程序指令，从而实现本发明的各个方面。

这里参照根据本发明实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本发明的各个方面。应当理解，流程图和/或框图的每个方框以及流程图和/或框图中各方框的组合，都可以由计算机可读程序指令实现。

这些计算机可读程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其它可编程数据处理装置的处理器，从而生产出一种机器，使得这些指令在通过计算机或其它可编程数据处理装置的处理器执行时，产生了实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的装置。也可以把这些计算机可读程序指令存储在计算机可读存储介质中，这些指令使得计算机、可编程数据处理装置和/或其他设备以特定方式工作，从而，存储有指令的计算机可读介质则包括一个制造品，其包括实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的各个方面的指令。

也可以把计算机可读程序指令加载到计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上，使得在计算机、其它可编程数据处理装置或其它设备上执行一系列操作步骤，以产生计算机实现的过程，从而使得在计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上执行的指令实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作。

附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或指令的一部分，所述模块、程序段或指令的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。对于本领域技术人员来说公知的是，通过硬件方式实现、通过软件方式实现以及通过软件和硬件结合的方式实现都是等价的。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种基于多块分布式薄膜压力采集仪的联合数据传输系统，包括多片压力传感器，多块数据采集板、信号转接板和数据处理设备，其中：

所述多片压力传感器与所述多块数据采集板一一对应连接，用于感测压力变化产生的电信号；

所述多块数据采集板将采集的电信号转换为压力数值矩阵，传输给所述信号转接板，该压力数值矩阵是反映对应压力传感器各压力点的数值信号；

所述信号转接板用于控制各数据采集板与数据处理设备之间的数据传输；

所述数据处理设备用于对接收的数据进行分析和处理，获得压力变化信息。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述信号转接板通过串口接口分别与各个数据采集板相连接，并且所述信号转接板与所述数据处理设备之间通过一个串口进行数据传输。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，对于各数据采集板，分别设置第一信号提示引脚和第二信号提示引脚与所述信号转接板的两个引脚连接，其中第一信号提示引脚用于表征数据采集板是否正在发送数据，第二信号提示引脚用于表征是否允许数据采集板向所述数据处理设备发送数据。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述信号转接板根据以下步骤控制所述信号采集板和所述数据处理设备之间的数据传输：

当第一信号提示引脚被设置为低电平时，表示数据采集板正在向信号转接板发送数据，此时打开与该数据采集板对应的串口信号通道，并连接数据采集板与数据处理设备串口之间的通道；

当数据采集板的一次压力数值矩阵发送完成后，将第一信号提示引脚设置为高电平，指示数据采集板关闭当前的串口通道，打开下一个串口通道，并且将连接下一个数据采集板的第二信号提示引脚设置为延续一段时间的低电平。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述压力传感器是行列式柔性传感器，分布有多个压力采集点，每个压力采集点用行列标识进行定位。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述信号转接板和所述数据处理设备之间采用串口方式、串行外设接口SPI或集成电路总线IIC进行通信。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据处理设备是上位机。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据采集板采用多通道模拟开关，实现通道切换。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多片压力传感器设置为六片分布式柔性薄膜压力传感器拼接在一起，每片压力传感器包含1024个压力单元。

10.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，将串口的波特率设置为460800。

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