平衡评估压力传感阵列的高速数据采集系统设计*

郭立泉， 王计平， 熊大曦

(1.中国科学院 苏州生物医学工程技术研究所，江苏 苏州 215163； 2.江苏省医用光学重点实验室，江苏 苏州 215163)

设计与制造

平衡评估压力传感阵列的高速数据采集系统设计*

郭立泉1,2， 王计平1,2， 熊大曦1,2

(1.中国科学院苏州生物医学工程技术研究所，江苏苏州215163；2.江苏省医用光学重点实验室，江苏苏州215163)

针对康复医学中对坐位、站位、卧位等多种精细压力分布及压力平衡评估的需要，采用高密度的压力传感阵列作为传感器，提出了一种超多通道压力传感阵列的高速数据采集方法，并给出了具体电路实现和系统设计。实验对实时采集到的压力传感阵列数据进行压力分布测试，结果显示：对于站位(足底)压力评估的2 288个传感阵列单个压力垫，系统每秒实时采集压力分布图100帧以上；对于卧位(平躺)的4个压力垫，每秒实时采集压力分布图25帧以上，均可以动态实时显示压力分布的变化，满足精细压力分布检测和评估系统的需要。

压力传感器阵列; 压力分布; 高速采集; 平衡评估

0 引 言

平衡评估可以有效地了解康复训练情况和训练效果，从而有针对性地改进康复训练过程，因此，对肢体运动功能的患者，具有非常重要的意义[1,2]。

目前,临床上常用的基于光学的图像检测和识别系统，由于肢体重叠遮挡等原因，在坐位、站位、卧位等体位的压力分布检测中，存在较大误差，无法做到精细检测。同时，光学检测系统存在体积大、成本高、空间需求大、使用不方便等缺点[3,4]。

本文提出了一种基于高密度压力传感阵列的精细压力分布实时检测系统，并给出了具体电路实现。实验和测试结果表明：系统可以动态、实时检测2 288个以上压力传感阵列的压力分布，实现精细压力分布和平衡评估。

1 系统基本原理

高密度压力传感阵列示意如图1所示，横向m行传感器，纵向n列传感器，共m×n个压力传感点。横向和纵向的传感器均由纳米力敏性材料均匀印制在基垫上[5]。对于每个压力传感点，压力变化时，对应的电阻器阻值发生相应变化。因此，通过设计高速扫描的数据采集电路，实时采集各个压力传感点的电阻值，即可根据经验公式或实验拟合公式计算出各个压力传感点压力值的大小[6]。

对于坐位(臀部)或站位(足底)的压力分布检测系统，采用薄膜式高密度压力传感垫，横向44行，纵向52列，共2 288个压力传感点，压力垫大小为30 cm×35 cm，压力传感点间距为5 mm×5 mm，可以进行精细的压力分布和平衡分析。对于卧位(平躺)的压力分布检测，采用4个压力垫拼接组成更大面积的压力传感阵列。

图1 压力传感阵列示意

2 系统设计

2.1 总体设计

系统框图如图2所示，主要包括高速扫描检测电路、信号调理电路、高速数据采集电路、高速USB通信电路以及数据采集与处理程序等几个部分。

图2 压力传感阵列高速数据采集系统框图

2.2 高速扫描检测电路

对2 288个压力传感点，必须设计高速的通道扫描切换电路，才能实时检测出所有通道的压力动态变化。本文运用高速模拟开关组成横向和纵向高速模拟开关阵列和，由微控制器STM32的I/O口驱动开关进行通道选择，将2 288路压力信号转换为1路电阻信号，进行高速切换检测，设计可大大简化后续信号调理电路和数据采集电路的设计。

高速扫描检测电路如图3所示，文中仅只给出了前8路横向、前8路纵向高速模拟开关的电路。

图3 横向和纵向高速模拟开关(前8路)

2.3 信号调理电路

将电阻信号转换为AD检测范围内的电压信号，并进行信号放大、阻抗匹配等。

为了可以在压力分布图上通过不同颜色和分辨能力显示各个传感点的压力分布，设计了如图4所示的高精度DAC电路。由STM32通过SPI接口控制16位的高精度DAC进行D/A转换，输出可调的稳定的电压，并经电压跟随器电路进行信号调理，作为电阻采集电路的电压基准。根据实际压力信号的强弱，调节电压基准值，使得最终采集的电压值和压力值幅度可以调节。

图4 16位高精度DAC和信号调理电路

信号调理电路采用精密电阻器R与压力传感点的电阻器R＇ 进行电阻分压，由欧姆定律知R＇=V/(Vref-V)×R。电压信号与地组成伪差分信号，差分输入可以使电路只对差模信号放大，而对共模输入信号只起跟随作用，使得送到后级的共模抑制比(CMRR)得到提高。同时，仪表放大电路对信号放大，以提高检测精度。

2.4 高速数据采集电路

高速数据采集电路采用16位高精度的同步型高速AD芯片AD7606进行设计。为了提高采集速度，AD7606采用并口模式与STM32实现通信。数据采集电路如图5所示,16位并口数据和STM32的PC口相连，AD_OS0，AD_OS1和AD_OS2进行采样平均次数设置，可设置为1～8倍过采样，以提高测试精度。

图5 高速数据采集电路

采用AD7606内部电压基准作为AD的基准电压，通过程序控制将信号采集范围设置为-5～+5 V。实际采集速度可达到100 k次/s以上，电压检测精度<1 mV，满足高速高精度信号采集的需要。

2.5 高速USB通信电路

高速USB通信电路采用接口芯片FT232HL进行设计。FT232HL内部集成了USB协议引擎(可以控制UTMI，处理USB 2.0高速接口的各个方面)，及整个USB协议，可以直接连接FIFO转换为高速USB通信，不需外部程序控制当配置为并行FIFO 接口时，数据传输率达25 MB/s以上，满足高密度压力传感阵列的数据输出需要[7]。

高速USB通信电路如图6所示，利用FT232HL异步FIFO接口与STM32的FSMC接口相互传输数据。

图6 高速USB通信电路

2.6 数据采集与处理

对于整个压力传感阵列高速数据采集系统，STM32的数据采集和控制程序以及上位机程序的简化软件流程如图7所示。

图7 STM32数据采集和上位机程序流程

STM32上电复位，进行系统时钟，AD，DA，DO，USB等各项参数的初始化，并通过USB中断查询上位机指令，一旦收到上位机开始测量指令，则根据USB收到的参数大小设置参考电压，然后连续进行通道切换和AD采集，直到2 288个通道全部切换完成，则通过USB上传数据。

上位机程序采用LabVIEW编写，通过调用提供的动态链接库DLL可快速读/写USB缓冲区的数据。LabVIEW程序初始化以后，不断查询指令，收到开始测量指令，则不断查询USB缓冲区的数据个数，直到数据量大于4 576(每个通道2个字节，2 288个通道共4 576个字节数据)，开始调用FT_Read函数读取USB缓冲区的4 576字节数据，通过解析和计算得到一帧完整的压力分布图。如果停止测量，按下按钮，退出程序，停止上位机和STM32的数据采集。

3 实验结果与分析

由于平衡评估的目的在于压力分布，与压力值本身的大小无关，因此，可以通过测得的电压分布或计算的电阻分布直接表征压力分布，无需专门对系统进行标定。

为了验证所设计压力传感阵列高速数据采集系统的性能，分别对于站位和卧位(平躺)进行了测试。站位压力分布采用1张压力垫，压力分布测试结果如图8(a)所示；卧位压力分布采用4张压力垫，压力分布测试结果如图8(b)所示。当压力变化时，压力分布图随之变化，每秒采集的完整压力分布图均在25帧以上，可以实时地显示压力的动态变化。

图8 压力分布测试结果

4 结 论

提出了一种超多通道压力传感阵列的高速数据采集方法，并给出具体实现电路。对于站位和卧位(平躺)压力分布分别进行了测试和实验，结果显示：对于2 288个传感阵列的单个压力垫，该数据采集系统每秒实时采集压力分布图100帧以上，4个压力垫每秒实时采集压力分布图25帧以上，可以实时地显示压力的动态变化，满足精细压力分布检测和评估系统的需要，为开发智能化的精细平衡评估设备，提供了参考和依据。

[1] 林夏妃,丘卫红,窦祖林.脑卒中后平衡功能障碍的研究进展[J].中国康复医学杂志,2011,26(2):191-194.

[2] Bayouk J F,Boucher J P,Leroux A.Balance training following stroke:Effects of task-oriented exercises with and without altered sensor input[J].Int’l J of Rehabil Res,2006,29(1):51-59.

[3] 杨文璐，王 杰，夏 斌，等.基于kinect的下肢体康复动作评估系统[J].传感器与微系统，2017,36(1)：91-94.

[4] 赵小川,罗庆生,韩定玲.机器人多传感器信息融合研究综述[J].传感器与微系统,2008,27(8):1-4.

[5] 王 锋,韩俊博,焦国太.基于柔性薄膜传感器的翼面攻角测试研究[J].中北大学学报,2013,34(6):673-677.

[6] 方 科,李欣欣,杨志刚,等.压电式能量获取装置的研究现状[J].传感器与微系统,2006,25(10):7-9.

[7] 王 曙,向歆夷,林培群,等.基于FT2232H的高速数据采集系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2013(10):50-53.

Designofhigh-speeddataacquisitionsystemforpressuresensorarrayinbalanceassessment*

GUO Li-quan1,2， WANG Ji-ping1,2， XIONG Da-xi1,2

(1.SuzhouInstituteofBiomedicalEngineeringandTechnology,ChineseAcademyofSciences,Suzhou215163,China;2.JiangsuKeyLaboratoryofMedicalOptics,Suzhou215163,China)

Aiming at the needs of rehabilitation medicine and pressure balance assessment in the distribution of pressure on sitting,standing and supine condition,high density pressure sensor array is used and a high speed data acquisition method by multi-channel switch is employed.Data acquired in realtime is processed and showed for test.The result shows that for single pressure pad with 2288 sensors array,above 100 frames of pressure distribution map are displayed dynamically and for 4 pressure pads there above 25 frames,which meet the need of fine pressure distribution detection and evaluation system.

pressure sensor array; pressure distribution; high speed acquisition; balance assessment

10.13873/J.1000—9787(2017)11—0075—03

R 197.3

A

1000—9787(2017)11—0075—03

2016—11—04

苏州市科技计划资助项目(SS201533,SS201608)

郭立泉(1983-)，男，工学硕士，助理研究员，主要从事康复工程及医用电子系统设计工作,E—mail：guolq@sibet.ac.cn。