基于LabVIEW的足底压力测量系统研究

【作 者】李炜，邱宏，徐江，何际平

1 华中科技大学控制科学与工程系，图像信息处理与智能控制教育部重点实验室，武汉，430074

2 华中科技大学同济医学院康复医学科，武汉，430074

基于LabVIEW的足底压力测量系统研究

【作 者】李炜1，邱宏1，徐江2，何际平1

1 华中科技大学控制科学与工程系，图像信息处理与智能控制教育部重点实验室，武汉，430074

2 华中科技大学同济医学院康复医学科，武汉，430074

介绍了一种基于LabVIEW的足底压力测量系统。文中给出了系统整体硬件设计和系统软件设计方案，并利用LabVIEW软件编写了足底压力显示界面，实现了足底压力信号的实时波形显示、数据保存、波形回放等功能。实验结果显示，该系统测试结果与正常步态的变化趋势一致，符合人体工程学理论，说明系统测得的数据可靠。本系统测量结果直观形象，为足底压力提供了一种可靠的检测平台，也可为测力鞋垫系统的设计提供借鉴。

足底压力测量；PVDF压电薄膜；信号调理电路：LabVIEW

人体在正常运动过程中，必然产生脚与地面的直接接触，产生足底压力。人体足底压力的分布反映了有关足的结构、功能及整个身体姿态控制等相关情况。当人产生运动功能障碍或足部产生病变时，足底压力和压强的分布都会发生相应的改变。因此，对不同运动状态下足底压力及相关时间参数进行测量，并对测量结果进行数据分析，可获取人体在运动状态下的生理、病理力学参数及技能参数等信息，以及不同状态下足底压力的分布特征和模式。这对临床医学诊断、疾患程度测定、术后有效评价、生物力学、康复治疗、体育训练和功能鞋的研制等均有重要意义。

目前，常见的足底压力测量仪器主要有三种：测力台、测力板和测力鞋垫系统。三种仪器各有其优点，测力台可测3维方向上的受力，测力板可测多种参数，测力鞋垫较之测力台和测力板则具有更好的灵活性，不受测试运动范围和地点的限制。测力鞋垫系统是这3种测量仪器中最先进的一种，其鞋内装置可连续记录行进中的足底压力，获取多个步态数据。国外的测力鞋垫系统已研制得较为成熟，如美国的F-scan系统[2]、德国的Novel Pedar-X[3]系统和比利时的RSscan[4]系统等。国内起步较晚，还未推出系统化产品，但也进行了大量研究，如2000年韦启航等人设计的足底压力测量系统[5]，2002年袁刚等人研制的足底压力分布系统[6]等。

在测力鞋垫系统研制中，选取合适的压力传感器极为重要，一般要求该传感器既薄又软，能粘贴于足底而又不对人体产生异物感，特别还要求其具有极快的时间响应和宽的频响范围，以满足动态测试的需要。本研究的测力鞋垫系统采用PVDF压电薄膜作为足底压力测量传感器，通过设计相应的硬件电路，将足底压力转换成相应的电压值，并在以LabVIEW编写的软件平台下实时显示对应的数据和波形。实验结果显示，该系统工作稳定，能直观反映足底压力的变化，获取的数据还可加以保存，以方便进一步的分析。

1 PVDF压电薄膜传感器

聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜是一种新兴的高分子材料，日本的H.Kawai于1969年发现其在高温高压下极化后可产生压电性。经过几十年的研究，PVDF从理论、实验到实际应用开发都得到了迅速发展，目前已在测试领域获得了广泛应用。PVDF材质量轻、柔性好、强度大、耐力学冲击、耐腐蚀和可任意裁剪分割；对于机械应力或应变的变化具有响应速度快、频响范围宽等优点，粘贴在被测物体上，对原结构几乎不产生影响；特别是其压电电压常数高，在同等受力条件下，输出电压比压电陶瓷高10倍，因此十分适合用作测量应力和应变的传感元件[7,8]。

PVDF测量应力和应变主要利用了PVDF薄膜横向变形输出电荷的原理，但因PVDF压电薄膜电容较小，当其受外力作用时所产生的电荷很难长时间保持，因此更适于动态测量[7,9]。

容器。当PVDF压电薄膜受力后，其输出电荷与外力有如下关系：

其中，qi为薄膜单位面积输出的电荷；σj为薄膜承受的应力；Fi为薄膜承受的外力；Qi为薄膜总的输出电荷；dij为薄膜的压电应变常数。

本系统选用的PVDF压电薄膜传感器直径为5 mm，厚度为50 μm±5%，压电常数d33=(21±1)pC/N ,具有较好的电荷灵敏度。

2 系统的硬件设计

2.1 系统总体结构与功能

系统硬件主要由信号调理、单片机以及串口通讯三大模块组成。其中，信号调理模块又包括电荷放大、低通滤波、工频陷波和电平转换4个子模块。

当PVDF压电传感器受到外界压力作用后，产生电荷信号，经电荷放大器转换为电压信号，该电压信号通过低通滤波电路和工频陷波电路滤除噪声，再经电平转换电路转换以得到适合于单片机处理的模拟信号。该模拟信号经单片机内部A/D采样转换成数字信号，再由TTL信号转RS232信号电路转换，即与PC机建立串口通信。PC机上自行设计的LabVIEW软件平台可实时读取串口数据，并以波形方式同步显示。硬件设计总体框图如图1所示。

图1 硬件设计总体框图Fig.1 The System structure scheme

2.2 电荷放大电路

PVDF是一种电荷性传感器，受到外界压力作用时会产生相应的电荷，但电荷量不能直接测量，必须经电荷放大器转换为电压信号才能进行采集。此外，PVDF还具有高达1TΩ的内阻，导致其产生的电信号很微弱。因此，系统设计的电荷放大器主要有两个作用：一是将微弱电荷信号转换为电压信号并放大；二是阻抗变换，把PVDF压电薄膜的高阻抗输入变为低阻抗输出，以提高前置级带负载的能力。系统选用OPA606来实现这两种功能。OPA606是一款高阻抗的精密运算放大器，其输入阻抗高达1013Ω，输入失调电流仅1 pA，输入失调电压仅300 mV，频带宽达13 MHz，是一种性能十分优越的运算放大器，很适合用作微弱信号的放大级。电荷放大电路如图2所示。

图2 电荷放大电路Fig. 2 Charge amplifier circuit

2.3 低通滤波和电压放大

由于人体98%的足底压力信号频率低于10 Hz，99%的足底压力信号频率低于15 Hz[5]，故低通滤波器的截止频率可选在20～30 Hz之间。本系统通过一个二阶低通巴特沃斯滤波器来滤除噪声，其截止频率约为28 Hz。对于电压放大电路，选用一片LM358及若干电阻即可实现。LM358是一款高增益、高带宽、低温漂、低功耗的双路运算放大器，其输入失调电流仅2 nA，频率带宽 1.1 MHz，直流电压增益100 dB，非常适合用于电压放大。低通滤波和电压放大电路如图3所示。

2.4 工频陷波

经示波器观测，PVDF压电传感器极易受电磁干扰，其中50 Hz 和150 Hz干扰最为明显，经二阶低通巴特沃斯滤波器滤波仍然还是混有工频噪声，因此需要设计工频陷波器以滤除该种干扰。双T型陷波电路对工频及其倍频信号有很好的滤除作用，故系统以NE5532作为核心器件，并选用精度较高的聚苯乙烯电容和金属膜电阻，搭建效果良好的双T型陷波电路，如图4所示。图中R6、R7的作用是引入负反馈以改善选频作用。

图3 低通滤波和电压放大电路Fig.3 Low pass filter and voltage amplifier circuit

图4 50 Hz陷波电路Fig.4 50 Hz notch filter circuit

2.5 电平转换

PVDF压电薄膜传感器在受压或压力消失时，会产生大小相等、方向相反的电荷灵敏度，即正负电荷信号都有可能产生，其对应的电压亦会随着施力、施力的消失而围绕零电压上下波动[10]。而MSP430F2274单片机内部A/D的输入为单极性电压，只能对大于零的模拟量进行采样转换，且其转换的电压范围为0V～3.3 V，因此需搭建电平转换电路和比例缩小电路，以使PVDF传感器的输出与A/D转换的电压范围相匹配，达到不丢失PVDF产生的任何信号的目的。电平转换电路如图5所示，为一反相加法电路，输入电压经该电路后将被抬高+5 V，信号量则缩小了四分之一。这样输入A/D的电压范围就变为0 V～2.5 V，可采样到全部数据。

2.6 A/D采集

本系统选用MSP430F2274处理器实现信号的A/D转换。MSP430F2274是TI公司出品的16位低功耗高效率处理器，其典型工作电流仅250 μA，特别是其内部含有一个10位的A/D，A/D转换速率最大可达200 ksps。因此，只需对单片机写入A/D采样程序即可。A/D采样流程图如图6所示。

图 5 电平转换电路Fig.5 Voltage raised circuit

图6 A/D采集程序流程图Fig.6 A/D conversion flowchart

2.7 TTL转RS232串口通信电路

系统选用MAX232实现TTL信号转换成RS232信号，以与计算机建立串口通信。该电路简单实用，只需在MAX232外围相应位置连接若干100 nF的电容即可。

3 基于LabVIEW的人机交互设计

LabVIEW是实验室虚拟仪器工作平台(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)的简称，是美国国家仪器公司(National Instruments)推出的一种基于图形开发、调试和运行程序的集成化环境。一个基于LabVIEW的系统往往采用层次化结构设计，可由一个或多个虚拟仪器(简称VI)组成，用户可以把创建的VI程序当作子程序调用，以创建更复杂的程序。LabVIEW还拥有庞大的函数和子程序库以及特定的应用程序库代码，能帮助用户处理复杂的信号和数据，并可生成独立运行的可执行文件[11]。

本系统设计的VI主要功能是实现PC机通过串口接收单片机传送的数据。根据系统需要首先将串口初始化，设置波特率为115200b/s，数据位8位，1位停止位，无奇偶校验位。当串口打开后，PC机即开始与单片机通讯，并以多种形式在前面板实时同步显示接收的数据，用户可通过选项卡进行界面切换查看。系统还可将获取的数据以. txt文件格式进行保存，保存的数据可还原成波形在波形图表栏中回放。整个数据的读取、显示过程由循环结构控制，每种特定功能的控制，如“清显示端口”、“串口开启”、“停止”、“保存数据”、“数据回放”则由事件结构实现。系统设计的VI前面板如图7所示，对应程序框图如图8所示。

图7 前面板图示Fig.7 Application interface

图8 G语言程序框图Fig.8 G language program

4 系统测试

4.1 运动任务设计

运动任务采用组块设计，运动模式分为行走和跑步两种。每一次测试要求被试者进行2个组块的运动实验，每一组块均为静息-运动-静息-运动，共4个时相，每一时相持续30s。组块内运动时相采用同一运动任务，要求被试者行走时频率为1 Hz，跑步时频率为2 Hz。静息时相要求被试者静止站立，平静呼吸。组块间插入60 s静息。

4.2 测试方法与结果记录

将PVDF压电薄膜传感器粘贴于被试者脚跟处，并将其导线端接入本系统。被试者按照设计的运动任务，在室内跑步机上开始运动。采集数据，观察LabVIEW前面板上的数据显示及波形显示，并予以记录和保存。试验中被试者在行走和跑步两种运动模式下产生的足底压力波形图分别如图9和图10所示。

图9 被试者在行走模式下足底压力波形图Fig.9 Plantar pressure waveform of walking mode

图10 被试者在跑步模式下足底压力波形图Fig.10 Plantar pressure waveform of running mode

人体正常行走的步态周期从开始到结束依次经历脚跟着地、脚掌右侧着地、脚尖着地、脚跟抬起、脚掌右侧抬起、脚掌左侧抬起和脚尖抬起进入摆动相8个过程。当脚跟开始着地时，系统将检测到压力信号，且压力大小随着人体着力点施加至右侧而从零逐渐增加到最大值；当脚跟开始抬起时，压力大小又随着人体着力点的改变而逐渐减小到最小值。这一过程随着人体步态的重复而不断重复。图9所示波形与这一人体工程学理论基本一致。图10的测试结果表明，人体在跑步模式下足底压力的产生频率要高于行走时的频率，且压力的极值也较之后者大，这与人体工程学理论也基本一致。

5 结论

基于LabVIEW的足底压力测量系统能够实时显示足底压力的变化，且测试结果与正常步态的变化趋势一致，符合人体工程学理论，说明系统测得的数据较为可靠。本系统功能多样，使用方便，测量结果直观形象，为足底压力提供了一种可靠的检测平台，也可为测力鞋垫系统的设计提供借鉴。

[1] 王兰美, 郭业民, 潘志国. 人体足底压力分布研究与应用[J]. 机械制造与研究, 2005, 34(1): 35-37.

[2] http://www.tekscan.com/medical/system-fscan1.htm

[3] Winter.D.A. The biomechanical and motor control of human gait[M].Waterloo:Universty of Waterloo Press,1991.

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[5] 韦启航, 陆文莲, 傅祖芸. 人体步态分析系统-足底压力测量系统的研制[J]. 中国生物医学工程学报, 2000, 19(1): 32-40.

[6] 袁刚, 张木勋, 张建华. 足底压力分布测量系统及临床应用[J]. 中国康复, 2003, 18(1): 22-25.

[7] 杜彦良, 宋颖, 孙宝臣.PVDF压电薄膜结构检测传感器应用研究[J]. 石家庄铁道学院学报, 2006, 19(1): 1-4.

[8] 赵东生. PVDF压电薄膜制作传感器的理论研究[J]. 计算机测量与控制, 2005, 13(7): 748-750.

[9] 具典淑, 周智, 欧进萍. PVDF压电薄膜的应变传感特性研究[J]. 功能材料, 2004, 4(35): 450-456.

[10] 马秀娟, 王礼立. PVDF压电计在低应力下的动态标定[J]. 宁波大学学报 ,2005, 18(4): 435-438.

[11] Jeffrey Travis, Jim Kring. LabVIEW大学使用教程[M]. 乔瑞萍,译. 北京: 电子工业出版社, 2008.

The Research in a Foot Pressure Measuring System Based on LabVlEW

【 Writers 】Li Wei1, Qiu Hong1, Xu Jiang2, He Jiping1
1 Department of Control Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China
2 Tongji Medical College, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China

plantar pressure measurement, PVDF piezoelectric-film, signal processing circuit, LabVIEW

TP274；R197.39

A

10.3969/j.isnn.1671-7104.2011.01.005

1671-7104(2011)01-0019-05

2010-09-16

国家自然科学基金项目: (60905024), 华中科技大学自主创新基金。

李炜，E-mail:liwei0828@mail.hust.edu.cn

【 Abstract 】This paper presents a system of foot pressure measuring system based on LabVIEW. The designs of hardware and software system are figured out. LabVIEW is used to design the application interface for displaying plantar pressure. The system can realize the plantar pressure data acquisition, data storage, waveform display, and waveform playback. It was also shown that the testing results of the system were in line with the changing trend of normal gait, which conformed to human system engineering theory. It leads to the demonstration of system reliability. The system gives vivid and visual results, and provides a new method of how to measure foot-pressure and some references for the designof Insole System.