CN111289157A - 一种通过压阻传感阵列测量压力分布的电路和方法 - Google Patents

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CN111289157A CN202010379722.8A CN202010379722A CN111289157A CN 111289157 A CN111289157 A CN 111289157A CN 202010379722 A CN202010379722 A CN 202010379722A CN 111289157 A CN111289157 A CN 111289157A
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Abstract

本发明公开了一种通过压阻传感阵列测量压力分布的电路，它属于压力测量技术领域，包括：压阻传感阵列，所述压阻传感阵列由
Figure 100004_DEST_PATH_IMAGE001
阵列分布的的压阻传感器
Figure 810722DEST_PATH_IMAGE002
组成；反向模拟选通模块；正向模拟选通模块；控制器；模数转换器；压阻传感器
Figure 164343DEST_PATH_IMAGE002
的一端与扫描端口
Figure 100004_DEST_PATH_IMAGE003
连接，另一端与采样端口
Figure 510005DEST_PATH_IMAGE004
连接，压阻传感器
Figure 36801DEST_PATH_IMAGE002
与采样端口
Figure 964133DEST_PATH_IMAGE004
之间均设有可控三态门
Figure 100004_DEST_PATH_IMAGE005
；压阻传感器
Figure 285393DEST_PATH_IMAGE002
连接有标称电阻
Figure 321613DEST_PATH_IMAGE006
；本发明通过控制器可以使反向模拟选通模块的扫描端口和正向模拟选通模块的采样端口与压阻传感阵列中的压阻传感器连通，可以简单快速的计算压阻传感器的压力，形成基于压阻传感器位置的压力分布映射，扫描采样速度高，测量误差小，结构简单易实现，成本低，功耗低，适用于工业化应用和推广。

Description

一种通过压阻传感阵列测量压力分布的电路和方法
技术领域
本发明涉及压力测量技术领域，具体涉及一种通过压阻传感阵列测量压力分布的电路和方法。
背景技术
随着大数据和高速运算技术的发展，人工智能在各个领域也获得了更深刻和更广泛的应用和发展，一套完整的人工智能***或应用包含对数据的获取运算、认知理解和动作反馈，***设备获取数据的广度、精度和速度在很大程度上决定了***的智能化程度。对于智能设备，数据的获取基本依靠各种各样的传感器，例如光传感器、压传感器、力感器、气体传感器等，多种传感器更好的协同合作，可以提高数据获取的广度，提升智能设备感知信息的能力，由众多的融合或单一品类的传感器组成的传感器阵列的结构和传感器数据采样电路的设计，则会直接影响着数据获取的精度和速度，进而影响智能设备的性能和实时应用效果。
压阻传感器阵列可以测量物体之间接触力的大小、位置，跟踪力度分布的变换情况，可以有效地协助智能设备自动感知和获取力度信息，提高设备的智能化程度。本发明针对压阻传感器阵列的结构特征，提出了一种简单、易实现、速度快、误差小的测量电路和该电路的工作时序步骤。本发明通过严格的时序，控制电路中的关键元器件快速进入稳定状态，同时完成电压的扫描采样，从而计算出每一个传感点的电阻值，进而得到整个压力传感阵列覆盖区域的压力分布和变化情况。
发明内容
对于现有技术中所存在的问题，本发明提供的一种通过压阻传感阵列测量压力分布的电路和方法，可以测量压阻传感阵列的压力分布，扫描采样速度高，测量误差小，结构简单易实现，成本低，功耗低，适用于工业化应用和推广。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一方面，本发明提供了一种通过压阻传感阵列测量压力分布的电路，包括：
压阻传感阵列，所述压阻传感阵列由
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
阵列分布的的压阻传感器
Figure 277073DEST_PATH_IMAGE002
组成，其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
为行数，
Figure 823592DEST_PATH_IMAGE004
为列数，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 669188DEST_PATH_IMAGE006
；
反向模拟选通模块，所述反向模拟选通模块上设有反向模拟选通控制端口、电压输入端口和
Figure 211028DEST_PATH_IMAGE003
个扫描端口
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure 116667DEST_PATH_IMAGE005
；
正向模拟选通模块，所述正向模拟选通模块上设有正向模拟选通控制端口、输出端口和
Figure 416062DEST_PATH_IMAGE004
个采样端口
Figure 3032DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 664957DEST_PATH_IMAGE006
；
控制器，所述控制器分别与所述反向模拟选通控制端口和所述正向模拟选通控制端口连接；
模数转换器，所述模数转换器的输入端与所述输出端口连接，所述模数转换器的输出端与所述控制器连接；
所述压阻传感器
Figure 210339DEST_PATH_IMAGE002
的一端与所述扫描端口
Figure 324926DEST_PATH_IMAGE007
连接，所述压阻传感器
Figure 777904DEST_PATH_IMAGE002
的另一端与所述采样端口
Figure 169702DEST_PATH_IMAGE008
连接，所述压阻传感器
Figure 10619DEST_PATH_IMAGE002
与所述采样端口
Figure 487868DEST_PATH_IMAGE008
之间均设有可控三态门
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE009
，所述可控三态门
Figure 478958DEST_PATH_IMAGE009
均与所述控制器连接；所述压阻传感器
Figure 849896DEST_PATH_IMAGE002
连接有标称电阻
Figure 737081DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 560680DEST_PATH_IMAGE006
。
作为一种优选的技术方案，所述压阻传感器
Figure 558723DEST_PATH_IMAGE002
与所述扫描端口
Figure 784168DEST_PATH_IMAGE007
之间均设有二极管。
作为一种优选的技术方案，所述可控三态门
Figure 842254DEST_PATH_IMAGE009
均与地线连接。
作为一种优选的技术方案，所述标称电阻
Figure 418729DEST_PATH_IMAGE010
的阻值不大于
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE011
，其中
Figure 158146DEST_PATH_IMAGE012
为一个所述压阻传感器
Figure 238098DEST_PATH_IMAGE002
在无压力状态下的静态电阻值。
作为一种优选的技术方案，所述反向模拟选通控制端口和所述正向模拟选通控制端口均包括控制字和/或使能端，所述控制器通过所述反向模拟选通控制端口使所述电压输入端口与一个所述扫描端口
Figure 732664DEST_PATH_IMAGE007
连通，所述控制器通过所述正向模拟选通控制端口使所述输出端口与一个所述采样端口
Figure 530856DEST_PATH_IMAGE008
连通。
第二方面，本发明提供了一种通过压阻传感阵列测量压力分布的电路，包括以下步骤：
步骤A1，所述控制器控制所述反向模拟选通模块的所述电压输入端口选通输出至第
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE013
个所述扫描端口
Figure 401860DEST_PATH_IMAGE007
，所述控制器控制所述正向模拟选通模块的第
Figure 477263DEST_PATH_IMAGE014
个所述采样端口
Figure 267365DEST_PATH_IMAGE008
选通输出至所述输出端口，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 693798DEST_PATH_IMAGE016
；
步骤A2，所述控制器设置所述三态门
Figure 634072DEST_PATH_IMAGE009
的工作状态，使与选通的所述采样端口
Figure 563982DEST_PATH_IMAGE008
连接的所述三态门
Figure 259405DEST_PATH_IMAGE009
处于高阻态，其他所述三态门均处于低阻态；
步骤A3，所述正向模拟选通模块选通所述采样端口
Figure 907556DEST_PATH_IMAGE008
的模拟电压输出给所述模拟数字转换器；
步骤A4，所述模拟数字转换器将数字信号发送至所述控制器，完成所述压阻传感器
Figure 651521DEST_PATH_IMAGE002
的压力值的数字化采样，并存储数据；
步骤A5，使
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE017
，所述正向模拟选通模块选通输出至第
Figure 967096DEST_PATH_IMAGE014
个所述采样端口
Figure 99000DEST_PATH_IMAGE008
，重复步骤A2-A4，直至完成一列所述压阻传感器的电阻值的采样；
步骤A6，使
Figure 968867DEST_PATH_IMAGE018
，所述反向模拟选通模块选通输出至第
Figure 844419DEST_PATH_IMAGE013
个所述采样端口
Figure 748921DEST_PATH_IMAGE007
，重复步骤A1-A5，完成所述压阻传感阵列中所有的所述压阻传感器的电阻值的采样；
步骤A7，根据所述压阻传感器的压力与电阻的映射关系，计算每个所述压阻传感器的压力值；重复步骤A1-A6，实现对所述压阻传感器的压力变化的实时动态追踪。
本发明的有益效果表现在：
1、本发明通过控制器可以使反向模拟选通模块的扫描端口和正向模拟选通模块的采样端口与压阻传感阵列中的每一个压阻传感器连通，可以简单快速的测量压阻传感阵列中每一个压阻传感器的实时电阻值，基于压阻传感器的压力电阻映射关系，可以计算每个压阻传感器的压力，形成基于每个压阻传感器位置的压力分布映射，扫描采样速度高，测量误差小，结构简单易实现，成本低，功耗低，适用于工业化应用和推广。
2、本发明通过可控三态门增加了电路放电通道，提升了放电速度，在保证测量精度的前提下，可以提高扫描频率和测量速度，保证测量的实时性。
3、本发明通过标称电阻可以保证对压阻传感器的阻值的测量的准确度。
4、本发明通过压阻传感器与扫描端口之间的二极管可以起到静电防护的作用。
附图说明
图1为本发明中压阻传感阵列的结构示意图。
图2为本发明中的压阻传感器的压力电阻映射关系示意图。
图3为本发明中压阻传感阵列中的电路图。
图4为本发明的功能框图。
图5为本发明在测量压阻传感器时的等价电路图。
图6为本发明一种实施例的电路图。
图中：1-压阻传感阵列、11-压阻传感器、2-反向模拟选通模块、21-反向模拟选通控制端口、22-电压输入端口、23-扫描端口、3-正向模拟选通模块、31-正向模拟选通控制端口、311-控制字、312-使能端、32-输出端口、33-采样端口、4-控制器、5-模数转换器、6-可控三态门、61-可控三态门总线、7-标称电阻、8-二极管。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
第一方面，请参照图1-5，本发明提供了一种通过压阻传感阵列测量压力分布的电路，包括：
压阻传感阵列1，压阻传感阵列1由
Figure 520568DEST_PATH_IMAGE020
阵列分布的的压阻传感器11
Figure 940048DEST_PATH_IMAGE022
组成，其中，
Figure 229078DEST_PATH_IMAGE024
为行数，
Figure 112720DEST_PATH_IMAGE026
为列数，
Figure 196214DEST_PATH_IMAGE028
，
Figure 571832DEST_PATH_IMAGE030
；
反向模拟选通模块2，反向模拟选通模块2上设有反向模拟选通控制端口21、电压输入端口22和
Figure 523607DEST_PATH_IMAGE024
个扫描端口23
Figure 644843DEST_PATH_IMAGE032
，
Figure 961555DEST_PATH_IMAGE028
；
正向模拟选通模块3，正向模拟选通模块3上设有正向模拟选通控制端口31、输出端口32和
Figure 27731DEST_PATH_IMAGE026
个采样端口33
Figure 455301DEST_PATH_IMAGE034
，
Figure 47957DEST_PATH_IMAGE030
；
控制器4，控制器4分别与反向模拟选通控制端口21和正向模拟选通控制端口31连接；
模数转换器5，模数转换器5的输入端与输出端口32连接，模数转换器5的输出端与控制器4连接；
压阻传感器11
Figure 738832DEST_PATH_IMAGE022
的一端与扫描端口23
Figure 89042DEST_PATH_IMAGE032
连接，压阻传感器11
Figure 382620DEST_PATH_IMAGE022
的另一端与采样端口33
Figure 970727DEST_PATH_IMAGE034
连接，压阻传感器11
Figure 957138DEST_PATH_IMAGE022
与采样端口33
Figure 263485DEST_PATH_IMAGE034
之间均设有可控三态门6
Figure 360754DEST_PATH_IMAGE036
，可控三态门6
Figure 803368DEST_PATH_IMAGE036
均与控制器4连接，具体的，控制器4通过可控三态门总线61分别与可控三态门6
Figure 960680DEST_PATH_IMAGE036
连接；压阻传感器11
Figure 488745DEST_PATH_IMAGE022
连接有标称电阻7
Figure DEST_PATH_IMAGE038
，
Figure 796229DEST_PATH_IMAGE030
，标称电阻7均接地。
需要说明的是，如图1所示，压阻传感阵列1中的压阻传感器11共有
Figure 155666DEST_PATH_IMAGE024
行
Figure 483879DEST_PATH_IMAGE026
列，呈规则的矩形阵列分布，当然，在其他实施例中，压阻传感阵列1也可以以其他形式分布（其内部的压阻传感器11以阵列的形式编号即可），为了达到良好的测试效果，压阻传感器11应均匀分布；如图2所示，单个压阻传感器11的电阻会随着施加在其上的压力的增加而减小，其中，压阻传感器11没有受到压力时，压阻传感器11的阻值为
Figure DEST_PATH_IMAGE040
，当压阻传感器11受到的压力不同时，其阻值也会不同，根据该映射关系，通过测量压阻传感器11的实时阻值即可反推出此时压阻传感器11受到的压力，进一步的，通过测量压阻传感阵列1中的所有压阻传感器11的值计即可推算出压阻传感阵列1的覆盖区域的压力分布情况；如图3所示，压阻传感阵列1的电路包括
Figure 233661DEST_PATH_IMAGE024
行行电路和
Figure 672732DEST_PATH_IMAGE026
列列电路，
Figure 89938DEST_PATH_IMAGE024
行行电路依次与
Figure 589053DEST_PATH_IMAGE024
个扫描端口23连接，
Figure 91709DEST_PATH_IMAGE026
列列电路依次与
Figure 334472DEST_PATH_IMAGE026
个采样端口33连接，电压阻传感器11
Figure 871764DEST_PATH_IMAGE022
一端与第
Figure DEST_PATH_IMAGE042
个扫描端口23
Figure 948304DEST_PATH_IMAGE032
连接，另一端与第
Figure DEST_PATH_IMAGE044
个采样端口33
Figure 203836DEST_PATH_IMAGE034
连接，
Figure 250289DEST_PATH_IMAGE026
列列电路上均连接有标称电阻7。
在上述实施例的基础上，请参照图4和图6，压阻传感器11
Figure 642088DEST_PATH_IMAGE022
与扫描端口23
Figure 748584DEST_PATH_IMAGE032
之间均设有二极管8，二极管8可以起到静电防护的作用。
在上述实施例的基础上，请参照图4和图6，可控三态门6
Figure 960254DEST_PATH_IMAGE036
均与地线连接。
在上述实施例的基础上，标称电阻7
Figure 544819DEST_PATH_IMAGE038
的阻值不大于
Figure DEST_PATH_IMAGE046
，其中
Figure 322282DEST_PATH_IMAGE040
为一个压阻传感器11
Figure 209466DEST_PATH_IMAGE022
在无压力状态下的静态电阻值。
在上述实施例的基础上，请参照图6，反向模拟选通控制端口21和正向模拟选通控制端口31均包括控制字和/或使能端，控制器4通过反向模拟选通控制端口21使电压输入端口22与一个扫描端口23
Figure 33066DEST_PATH_IMAGE032
连通，控制器4通过正向模拟选通控制端口31使输出端口32与一个采样端口33
Figure 31109DEST_PATH_IMAGE034
连通。
第二方面，本发明提供了一种通过压阻传感阵列1测量压力分布的电路，包括以下步骤：
步骤A1，控制器4控制反向模拟选通模块2的电压输入端口22选通输出至第
Figure 522133DEST_PATH_IMAGE042
个扫描端口23
Figure 845798DEST_PATH_IMAGE032
，控制器4控制正向模拟选通模块3的第
Figure 156694DEST_PATH_IMAGE044
个采样端口33
Figure 958428DEST_PATH_IMAGE034
选通输出至输出端口32，
Figure DEST_PATH_IMAGE048
，
Figure DEST_PATH_IMAGE050
；具体的，反向模拟选通模块2可以包括一个或多个反向芯片，以保证所有反向芯片的支持的最大选通通道数不小于
Figure 382587DEST_PATH_IMAGE024
，同样的，正向模拟选通模块3可以包括一个或多个正向芯片，以保证所有正向芯片的支持的最大选通通道数不小于
Figure 408312DEST_PATH_IMAGE026
；进一步的，电压输入端口22的输入电压不大于模数转换器5的采样饱和电压，最优的，输入电压与采样饱和电压相同，可以到达更高的精度和更大的动态范围；
步骤A2，控制器4设置三态门
Figure 144187DEST_PATH_IMAGE036
的工作状态，使与选通的采样端口33
Figure 749611DEST_PATH_IMAGE034
连接的三态门
Figure 949649DEST_PATH_IMAGE036
处于高阻态，其他三态门均处于低阻态；三态门可以将暂时未使用的采样端口33接地，增加了电路放电通道，提升了放电速度，在保证测量精度的前提下，可以提高扫描频率和测量速度，保证测量的实时性；
步骤A3，正向模拟选通模块3选通采样端口33
Figure 83958DEST_PATH_IMAGE034
的模拟电压输出给模拟数字转换器；
步骤A4，模拟数字转换器将数字信号发送至控制器4，完成压阻传感器11
Figure 369446DEST_PATH_IMAGE022
的压力值的数字化采样，并存储数据；
步骤A5，使
Figure DEST_PATH_IMAGE052
，正向模拟选通模块3选通输出至第
Figure 716244DEST_PATH_IMAGE044
个采样端口33
Figure 770788DEST_PATH_IMAGE034
，重复步骤A2-A4，直至完成一列压阻传感器11的压力值的采样；
步骤A6，使
Figure DEST_PATH_IMAGE054
，反向模拟选通模块2选通输出至第
Figure 279261DEST_PATH_IMAGE042
个采样端口33
Figure 52045DEST_PATH_IMAGE032
，重复步骤A1-A5，完成压阻传感阵列1中所有的压阻传感器11的压力值的采样；
步骤A7，根据压阻传感器11的压力与电阻的映射关系，计算压阻传感器11的压力值，重复步骤A1-A6，实现对压阻传感器11的压力变化的实时动态追踪。
本发明的具体实施方式如下：
如图4所示，控制器4通过反向模拟选通控制端口21（以控制字为例）控制反向模拟选通模块2将电压输入端口22的电压选通输出至
Figure DEST_PATH_IMAGE056
-
Figure DEST_PATH_IMAGE058
中的其中一个扫描端口23上（通常从
Figure 468114DEST_PATH_IMAGE056
开始），电压输入端口22的输入电压，根据模数转换器5的动态电压范围确定，在常见的实施例中，动态电压范围一般在3.3-12V之间，控制器4通过改变反向模拟选通控制端口21的控制字，可以将电压输入端口22的信号轮流输出至扫描端口23
Figure 49268DEST_PATH_IMAGE056
-
Figure 587697DEST_PATH_IMAGE058
上，完成对压阻传感阵列1的行扫描；其中，压阻传感器11
Figure 457564DEST_PATH_IMAGE022
与扫描端口23
Figure 67537DEST_PATH_IMAGE032
之间均设有二极管8以隔离，以防止静电通过扫描端口23进入到压阻传感阵列1的电路内部，造成静电击穿，起到静电防护的作用。
同理的，控制器4通过正向模拟选通控制端口31（以控制字为例）控制正向模拟选通模块3将
Figure DEST_PATH_IMAGE060
-
Figure DEST_PATH_IMAGE062
个采样端口33上的模拟电压信号依次选通输出至模数转换器5，完成对压阻传感阵列1中每个压阻传感器11的分压采样。其中，每个采样端口33均通过一个可控三态门6接地，控制器4通过调节可控三态门6的转态控制采样端口33的状态为接地快速放电状态还是分压采样状态。模数转换器5将接收到的模拟电压信号转化为数字信号并发送至控制器4。
控制器4可以为单片机或FPGA，控制器4对本申请中的各电子元器件的控制时序如下：
步骤B1，控制器4控制反向模拟选通模块2选通扫描端口23
Figure 644143DEST_PATH_IMAGE056
，此时，
Figure 946948DEST_PATH_IMAGE056
的输出等于电压输入端口22的输入电压，其他的扫描端口23
Figure DEST_PATH_IMAGE064
-
Figure 835270DEST_PATH_IMAGE058
无电压输出，处于悬空断路状态；
步骤B2，控制器4控制与采样端口33
Figure 124300DEST_PATH_IMAGE060
连接的可控三态门6
Figure DEST_PATH_IMAGE066
处于高阻态，其他的可控三态门6
Figure DEST_PATH_IMAGE068
-
Figure DEST_PATH_IMAGE070
均处于低阻态，即使采样端口33
Figure 352150DEST_PATH_IMAGE060
通过标准电阻7接地，其他的采样端口33
Figure DEST_PATH_IMAGE072
-
Figure 232381DEST_PATH_IMAGE062
均通过低阻态的可控三态门6直接接地；
步骤B3，控制器4控制正向模拟选通模块3选通采样端口33
Figure 201474DEST_PATH_IMAGE060
，此时，模数转换器5可以接收采样端口33
Figure 294195DEST_PATH_IMAGE060
输出的模拟电压信号并转化为数字信号发送至控制器4；
步骤B4，控制器4接收并存储数字信号，并通过该数值信号计算出压阻传感阵列1中
Figure DEST_PATH_IMAGE074
的电阻值；
步骤B5，依次循环步骤B2-B4，其中，步骤2中，依次设置与采样端口33
Figure 438868DEST_PATH_IMAGE072
-
Figure 83476DEST_PATH_IMAGE062
连接的可控三态门6
Figure 415232DEST_PATH_IMAGE068
-
Figure 170698DEST_PATH_IMAGE070
为高阻态，其他可控三态门6为低阻态；步骤3中，依次选通采样端口33
Figure 904299DEST_PATH_IMAGE072
-
Figure 454229DEST_PATH_IMAGE062
；在步骤4中可以依次获取压阻传感阵列1中第一行的压阻传感器11
Figure DEST_PATH_IMAGE076
-
Figure DEST_PATH_IMAGE078
的电阻值；
步骤B6，依次循环步骤B1-B5，其中，步骤1中，依次选通扫描端口23
Figure 210964DEST_PATH_IMAGE064
-
Figure 770121DEST_PATH_IMAGE058
，从而将电压输入端口22的电压施加至压阻传感阵列1的第2-
Figure 154966DEST_PATH_IMAGE024
行，即可依次获取压阻传感阵列1第2-
Figure 16743DEST_PATH_IMAGE024
行的压阻传感器11的电阻值；
步骤B7，控制器4根据压力电阻映射关系和每个压阻传感器11的电阻值，可以计算出压阻传感阵列1上的压力分布；重复步骤B1-B6，可以实现对压阻传感阵列1中每个压阻传感器11的实时动态追踪，跟踪压阻传感阵列1上的压力的动态变化。
需要说明的，反向模拟选通模块2和正向模拟选通模块3均可以包括一个或多个芯片，以满足反向模拟选通模块2支持的扫描端口23的数目不小于
Figure 385407DEST_PATH_IMAGE024
，正向模拟选通模块3支持的采样端口33的数目不小于
Figure 482676DEST_PATH_IMAGE026
为准；电压输入端口22的输入电压不大于模数转换器5的采样饱和电压，为了达到更高精度和更大的动态范围，电压输入端口22的输入电压一般选择与模数转换器5的采样饱和电压相同；通过可控三态门6将暂时未被使用的采样端口33接地，相当于增加了放电通道，提升了放电速度，在保证测量精度的前提下，可以提高采样端口33的扫描频率和测量速度，保证测量的实时性，相较于不使用可控三态门6时，仅使暂时未被使用的采样端口33处于悬空状态，会降低采样端口33在扫描转换过程中的放电速度，增加了电路进入稳定状态的时间，从而影响到测量速度的提升。
其中，在完成步骤B1至B3时，本发明的电路的等价电路如图5所示，图5中的虚线区域内的部分为压阻传感阵列1自身的行列交叉结构形成的干扰电阻
Figure DEST_PATH_IMAGE080
，其中
Figure 722027DEST_PATH_IMAGE080
的阻值的量级为
Figure DEST_PATH_IMAGE082
，此时，采样端口33处的采样电压为
Figure DEST_PATH_IMAGE084
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE086
为电压输入端口22的输入电压，
Figure DEST_PATH_IMAGE088
为标称电阻7的阻值，
Figure DEST_PATH_IMAGE090
为
Figure 833334DEST_PATH_IMAGE088
与
Figure 486032DEST_PATH_IMAGE080
的并联阻值，具体的，
Figure DEST_PATH_IMAGE092
，在本发明中，
Figure 793517DEST_PATH_IMAGE088
的阻值应满足
Figure DEST_PATH_IMAGE094
，即
Figure DEST_PATH_IMAGE096
，此时
Figure DEST_PATH_IMAGE098
，采样端口33处的采样电压为
Figure DEST_PATH_IMAGE100
，从而可以推导出
Figure 231583DEST_PATH_IMAGE074
的阻值为
Figure DEST_PATH_IMAGE102
，为了保证
Figure 989758DEST_PATH_IMAGE074
的测量准确度，在本发明中，应满足
Figure DEST_PATH_IMAGE104
，即可保证测量的
Figure 975348DEST_PATH_IMAGE074
的阻值的测量误差小于1%。
在本申请的一个具体实施例中，如图6所示，在本实施例中，压阻传感阵列1为压力传感薄膜，压力传感薄膜设为16行32列，共有512个压阻传感器11，压阻传感器11均设为柔性薄膜压力传感器，压力传感薄膜在无压力的状态下，压力传感薄膜的行列端口之间的电阻接近无穷大，可以近似的认为是断路状态，当体重为70千克的人站在压力传感薄膜上时，与人的足底接触的柔性薄膜压力传感器的阻值处于千欧量级，
Figure 392554DEST_PATH_IMAGE088
的阻值设为30千欧。
反向模拟选通模块2和正向模拟选通模块3均为最大支持16路模拟选通接口的集成电路，因此，在本实施例中设有一个反向模拟选通模块2和两个正向模拟选通模块3，反向模拟选通模块2的16个扫描端口23通过二极管8依次与压阻传感器11的16个行接口连接，两个反向模拟选通模块2的32个采样端口33依次与压阻传感器11的32个列接口连接；具体的，控制器4通过一个4位的控制字311
Figure DEST_PATH_IMAGE106
控制反向模拟选通模块2上的电压输入端口22与16个扫描端口23中的一个连通，例如，当控制字311为
Figure DEST_PATH_IMAGE108
时，反向模拟选通模块2上的电压输入端口22与第6行的扫描端口23
Figure DEST_PATH_IMAGE110
连通；控制器4通过一个4位的控制字311
Figure DEST_PATH_IMAGE112
及两个正向模拟选通模块3上的使能端312
Figure DEST_PATH_IMAGE114
，
Figure DEST_PATH_IMAGE116
，控制从32个采样端口33中的一个向模数转换器5发送模拟信号，具体的，当正向模拟选通模块3上的使能端312
Figure DEST_PATH_IMAGE118
时，该正向模拟选通模块3为休眠状态；当正向模拟选通模块3上的使能端312
Figure DEST_PATH_IMAGE120
时，该正向模拟选通模块3为工作状态；控制器4通过控制对应的某个采样端口33的正向模拟选通模块3的使能端312
Figure 48926DEST_PATH_IMAGE120
，并使控制字311
Figure 676216DEST_PATH_IMAGE112
与该采样端口33对应即可开通该采样端口33。
控制器4通过开关控制字设置可控三态门6
Figure 794345DEST_PATH_IMAGE036
的状态为高电平或者低电平，具体的，开关控制字设为32bit，从最低位（LSB）至最高位（MSB）分别对应可控三态门6
Figure 190691DEST_PATH_IMAGE066
-
Figure DEST_PATH_IMAGE122
的状态，例如，当某个可控三态门6对应的开关控制字中的数值为0时，该可控三态门6为高阻态，相应的，与该可控三态门6对应的采样端口33的输出为低电平；相反的，当某个可控三态门6对应的开关控制字中的数值为1时，该可控三态门6为低阻态，相应的，与该可控三态门6对应的采样端口33的输出为高电平。例如，当十六进制的开关控制字为oxFFFFFFFA时，对应的二进制为1111,1111,1111,1010，此时，LSB0和LSB2的数值为0，即此时，可控三态门6
Figure 267232DEST_PATH_IMAGE066
和
Figure DEST_PATH_IMAGE124
为高阻态，其他的可控三态门6均为低阻态。
在本实施例中，控制器4设为单片机，单片机对各电子元器件的具体控制时序如下：
步骤C1，单片机设置控制字
Figure DEST_PATH_IMAGE126
，通过反向模拟选通模块2将5V的输出电压选通至压力传感薄膜的第一行扫描端口23
Figure 726026DEST_PATH_IMAGE056
；
步骤C2，单片机通过总线设置开关控制字为oxFFFFFFFE，使与采样端口33
Figure 647846DEST_PATH_IMAGE060
连接的可控三态门6处于高阻态，其他的可控三态门6
Figure 614982DEST_PATH_IMAGE068
-
Figure 216864DEST_PATH_IMAGE070
均处于低阻态；
步骤C3，单片机设置
Figure DEST_PATH_IMAGE128
，使第一正向模拟选通模块3处于工作状态，第二正向模拟选通模块3休眠，单片机设置控制字311
Figure DEST_PATH_IMAGE130
，控制第一正向模拟选通模块3选通压力传感薄膜的采样端口33
Figure 614479DEST_PATH_IMAGE060
，模数转换器5接收采样端口33
Figure 719838DEST_PATH_IMAGE060
输出的模拟电压信号并转化为数字信号发送至单片机；
步骤C4，单片机接收并存储数字信号，并通过该数值信号计算出压力传感薄膜中
Figure 403760DEST_PATH_IMAGE074
的电阻值；
步骤C5，依次循环步骤C2-C4，其中，步骤2中，单片机通过可控三态门总线61依次设置开关控制字为oxFFFFFFFD，oxFFFFFFFC，…，ox7FFFFFFF，依次使与采样端口33
Figure 368305DEST_PATH_IMAGE072
，
Figure DEST_PATH_IMAGE132
，…，
Figure DEST_PATH_IMAGE134
连接的可控三态门6
Figure 428665DEST_PATH_IMAGE068
，
Figure 529476DEST_PATH_IMAGE124
，…，
Figure DEST_PATH_IMAGE136
处于高阻态；在步骤3中，依次设置与采样端口33
Figure 384300DEST_PATH_IMAGE072
，
Figure 695195DEST_PATH_IMAGE132
，…，
Figure 496929DEST_PATH_IMAGE134
对应的控制字311
Figure DEST_PATH_IMAGE138
，然后单片机设置
Figure DEST_PATH_IMAGE140
，使第一正向模拟选通模块3休眠，第二正向模拟选通模块3处于工作状态，再依次设置与采样端口33
Figure DEST_PATH_IMAGE142
，
Figure DEST_PATH_IMAGE144
，…，
Figure DEST_PATH_IMAGE146
对应的控制字311
Figure DEST_PATH_IMAGE148
；在步骤4中可以依次获压力传感薄膜中第一行的32个柔性薄膜压力传感器的电阻值；
步骤C6，依次循环步骤C1-C5，其中，步骤1中，单片机依次设置与扫描端口23
Figure 655509DEST_PATH_IMAGE064
，
Figure DEST_PATH_IMAGE150
，…，
Figure DEST_PATH_IMAGE152
对应的控制字311
Figure DEST_PATH_IMAGE154
，将5V的的输出电压依次选通至压力传感薄膜的第2行至第16行的扫描端口23；循环步骤C5，即可依次获取压力传感薄膜中第2-16行的中的各个柔性薄膜压力传感器的电阻值；
步骤C7，单片机根据压力电阻映射关系和每个柔性薄膜压力传感器的电阻值，可以计算出每个柔性薄膜压力传感器处的压力值信息，从而就可以绘制出压力传感薄膜上的压力分布图谱；重复步骤C1-C6，可以实现对压力传感薄膜中每个柔性薄膜压力传感器的实时动态追踪，实现对压力传感薄膜上的压力的动态跟踪和分析应用。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种通过压阻传感阵列测量压力分布的电路，包括:
压阻传感阵列，所述压阻传感阵列由
Figure DEST_PATH_IMAGE001
阵列分布的的压阻传感器
Figure 764130DEST_PATH_IMAGE002
组成，其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为行数，
Figure 921442DEST_PATH_IMAGE004
为列数，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 121610DEST_PATH_IMAGE006
；
反向模拟选通模块，所述反向模拟选通模块上设有反向模拟选通控制端口、电压输入端口和
Figure 84887DEST_PATH_IMAGE003
个扫描端口，
Figure 444324DEST_PATH_IMAGE005
；
正向模拟选通模块，所述正向模拟选通模块上设有正向模拟选通控制端口、输出端口和
Figure 585587DEST_PATH_IMAGE004
个采样端口
Figure DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure 256740DEST_PATH_IMAGE006
；
控制器，所述控制器分别与所述反向模拟选通控制端口和所述正向模拟选通控制端口连接；
模数转换器，所述模数转换器的输入端与所述输出端口连接，所述模数转换器的输出端与所述控制器连接；
其特征在于，所述压阻传感器的一端与所述扫描端口
Figure 899074DEST_PATH_IMAGE008
连接，所述压阻传感器
Figure 253963DEST_PATH_IMAGE002
的另一端与所述采样端口
Figure 690760DEST_PATH_IMAGE007
连接，所述压阻传感器
Figure 380368DEST_PATH_IMAGE002
与所述采样端口
Figure 560813DEST_PATH_IMAGE007
之间均设有可控三态门
Figure DEST_PATH_IMAGE009
，所述可控三态门
Figure 504630DEST_PATH_IMAGE009
均与所述控制器连接；所述压阻传感器
Figure 112328DEST_PATH_IMAGE002
连接有标称电阻
Figure 289232DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 7789DEST_PATH_IMAGE006
。
2.根据权利要求1所述的一种通过压阻传感阵列测量压力分布的电路，其特征在于，所述压阻传感器
Figure 337270DEST_PATH_IMAGE002
与所述扫描端口
Figure 115871DEST_PATH_IMAGE008
之间均设有二极管。
3.根据权利要求1所述的一种通过压阻传感阵列测量压力分布的电路，其特征在于，所述可控三态门
Figure 780070DEST_PATH_IMAGE009
均与地线连接。
4.根据权利要求1所述的一种通过压阻传感阵列测量压力分布的电路，其特征在于，所述标称电阻
Figure 302318DEST_PATH_IMAGE010
的阻值不大于
Figure DEST_PATH_IMAGE011
，其中
Figure 955148DEST_PATH_IMAGE012
为一个所述压阻传感器
Figure 29283DEST_PATH_IMAGE002
在无压力状态下的静态电阻值。
5.根据权利要求1所述的一种通过压阻传感阵列测量压力分布的电路，其特征在于，所述反向模拟选通控制端口和所述正向模拟选通控制端口均包括控制字和/或使能端，所述控制器通过所述反向模拟选通控制端口使所述电压输入端口与一个所述扫描端口
Figure 790566DEST_PATH_IMAGE008
连通，所述控制器通过所述正向模拟选通控制端口使所述输出端口与一个所述采样端口
Figure 991871DEST_PATH_IMAGE007
连通。
6.一种通过压阻传感阵列测量压力分布的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A1，控制器控制反向模拟选通模块的电压输入端口选通输出至第
Figure DEST_PATH_IMAGE013
个扫描端口
Figure 748474DEST_PATH_IMAGE008
，所述控制器控制正向模拟选通模块的第
Figure 868877DEST_PATH_IMAGE014
个采样端口
Figure 523980DEST_PATH_IMAGE007
选通输出至输出端口，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 981507DEST_PATH_IMAGE016
；
步骤A2，所述控制器设置三态门
Figure 999141DEST_PATH_IMAGE009
的工作状态，使与选通的所述采样端口
Figure 431391DEST_PATH_IMAGE007
连接的所述三态门
Figure 167265DEST_PATH_IMAGE009
处于高阻态，其他所述三态门均处于低阻态；
步骤A3，所述正向模拟选通模块选通所述采样端口
Figure 959641DEST_PATH_IMAGE007
的模拟电压输出给模拟数字转换器；
步骤A4，所述模拟数字转换器将数字信号发送至所述控制器，完成压阻传感器
Figure 97361DEST_PATH_IMAGE002
的压力值的数字化采样，并存储数据；
步骤A5，使
Figure DEST_PATH_IMAGE017
，所述正向模拟选通模块选通输出至第
Figure 903774DEST_PATH_IMAGE014
个所述采样端口
Figure 251579DEST_PATH_IMAGE007
，重复步骤A2-A4，直至完成一列所述压阻传感器的电阻值的采样；
步骤A6，使
Figure 723012DEST_PATH_IMAGE018
，所述反向模拟选通模块选通输出至第
Figure 715239DEST_PATH_IMAGE013
个所述采样端口
Figure 489291DEST_PATH_IMAGE008
，重复步骤A1-A5，完成压阻传感阵列中所有的所述压阻传感器的电阻值的采样；
步骤A7，根据所述压阻传感器的压力与电阻的映射关系，计算所述压阻传感器的压力值，重复步骤A1-A6，实现对所述压阻传感器的压力变化的实时动态追踪。
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GR01 Patent grant
PE01 Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right

Denomination of invention: A circuit and method for measuring pressure distribution through a piezoresistive sensing array

Effective date of registration: 20230905

Granted publication date: 20200925

Pledgee: Shandong Gaomi rural commercial bank Limited by Share Ltd.

Pledgor: SHANDONG HUAHUI HOME TECHNOLOGY CO.,LTD.

Registration number: Y2023980055344

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