CN115628761B

CN115628761B - 一种低功耗抗扰动的电阻式传感器及可穿戴设备

Info

Publication number: CN115628761B
Application number: CN202211205847.4A
Authority: CN
Inventors: 徐向民; 张中梁; 舒琳
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2022-09-30
Filing date: 2022-09-30
Publication date: 2023-10-13
Anticipated expiration: 2042-09-30
Also published as: CN115628761A

Abstract

本发明涉及传感器技术领域，为低功耗抗扰动的电阻式传感器及可穿戴设备。本发明的电阻式传感器包括电阻式传感器阵列、微控制器和多通道模数转换器；电阻式传感器阵列包括多个待测传感器单元和多个已知阻值的精密参考电阻，电阻式传感器阵列设有数字接口；多通道模数转换器用于对电阻式传感器阵列中多个交叉点的电压实行读取并转换为数字量；微控制器用于通过数字接口对电阻式传感器阵列按待测行号进行扫描，输出已预先编程好的电压组合，并根据所述数字量计算每个待测传感器单元的电阻值。本发明不需要严格地设置电源电压参数，扫描精度高，具有更高的准确度与量程，更适用于各种阻值下的低成本可穿戴设备。

Description

一种低功耗抗扰动的电阻式传感器及可穿戴设备

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种低功耗抗扰动的电阻式传感器及可穿戴设备。

背景技术

随着可穿戴设备的发展，使用传感器对信号收集检测的需求越来越大，传感器阵列在采集多维度数据时比单个的传感器单元更具优势，对于N×M格式的传感器阵列中有多个相似参数的传感器单元，常用行-列电极格式设计的传感器阵列，即所有传感器元件的一端连接到列电极，另一端连接到行电极，然而，只要采用行-列电极格式，相邻元件之间就会发生串扰，这使得传感器读取到的数据无法准确反映刺激信号。

二维传感器阵列常用于提取传感区域上的传感变量分布，目前对于传感器阵列的常用读出方法，有***二极管法、***晶体管法、无源积分器法、电压反馈法、零电位法等。但是这些方法为了消除串扰电流都需要引入电阻、晶体管、运算放大器等器件，而对于柔性织物传感器阵列引入上述器件会造成阵列可拉伸性下降、使用者穿戴不舒适、传感器阵列寿命和可靠性下降、电路复杂度和功耗增加等问题，现在还有一些方法可以允许串扰电流在阵列中流动，但会造成一些测量误差，这些方法有关联矩阵法(IMA)、电阻矩阵法(RMA)等，其中RMA由于充分使用了微处理器的片上资源，因此电路复杂度最低，特别适合作为低成本电阻式传感器阵列的读出***，但RMA的计算需确定较准确的电源电压参数，而片上GPIO口不能提供较为理想的电源电压，因此在实际应用中微处理器实际提供的电压不仅会随着传感器阵列感受到的外界刺激变化而产生变化，并且会由于噪声而剧烈波动，环境的温度湿度也会影响电源电压进而影响测量结果的准确度，现有的另一些方法用模数转换器对电源电压进行测量，并带入RMA公式试图解决这个问题，但这不仅因为需要在传感器阵列的每行都添加模数转换器造成大量硬件资源的消耗与复杂度的提升，而且模数转换器的测量精度也会因环境温度以及参考电压的波动影响而产生误差，此外当传感器阵列增添一行时，所需要的模数转换器个数也会增加，造成硬件资源的消耗。

发明内容

有鉴于此，本发明的第一个目的在于提供一种低功耗抗扰动的电阻式传感器，通过将逐行电压扫描模式下传感器阵列中行列导线交叉位置点的电压值带入传感器阻值计算式，在一定程度上消除电流串扰带来的读取误差，运算结果对于阵列中传感器的电阻变化与电源电压波动不敏感，对因环境因素如温度、湿度带来的测量误差也有一定的消除作用。

基于同样的发明构思，本发明的第二个目的在于提供一种可穿戴设备。

本发明的第一个目的可以通过如下技术方案达到：

一种低功耗抗扰动的电阻式传感器，包括电阻式传感器阵列、微控制器和多通道模数转换器，其中：

电阻式传感器阵列包括多个待测传感器单元和多个已知阻值的精密参考电阻，电阻式传感器阵列设有数字接口；

多通道模数转换器用于对电阻式传感器阵列中多个交叉点的电压实行读取并转换为数字量；

微控制器用于通过数字接口对电阻式传感器阵列按待测行号进行扫描，输出已预先编程好的电压组合，并根据多通道模数转换器所转换的数字量计算每个待测传感器单元的电阻值；

所述交叉点的电压为传感器阵列的行列导线交叉点的电压。

进一步的，电阻式传感器阵列包括由N个已知阻值的精密参考电阻和M×N个待测传感器单元组成的M+1行N列的电阻阵列；其中，电阻阵列的第一行为1×N个已知阻值的精密参考电阻，电阻阵列的2到M+1行为M×N个待测传感器单元。

进一步的，电阻式传感器阵列的每一行设有数字接口，每一行的数字接口与微控制器上的一个I/O口相连接。

进一步的，微控制器通过数字接口对电阻式传感器阵列进行扫描，输出已预先编程好的电压组合，并根据多通道模数转换器所转换的数字量计算每个待测传感器单元的电阻值，包括以下步骤：

构造电压组合矩阵，包括第一激励电压向量e₁，M个第二激励电压向量{e₂₁，e₃₁，...，e_(m+1)1}，M个第三激励电压向量{e₂₂，e₃₂，...，e_(m+1)2}，其中，第一激励电压向量、第二激励电压向量和第三激励电压向量均为M+1维向量，M个第二激励电压向量与M行待测传感器单元一一对应，M个第三激励电压向量与M行待测传感器单元一一对应；

测量单行待测传感器单元阻值，具体为：将电压组合矩阵中的第一激励电压向量、第二激励电压向量、第三激励电压向量分别输入电阻阵列，通过多通道模数转换器读取待测行交叉点的电压，并求解KCL方程得到的算式，计算单行待测传感器单元阻值；

重复迭代测量，直到每一行的待测传感器单元阻值均测量完成。

进一步的，测量单行待测传感器单元阻值，包括以下步骤：

将第一激励电压向量e₁输出至电阻阵列的M+1行，通过多通道模数转换器读取待测行中的N个交叉点的电压，得到第一测量电压集合

根据待测行号i，将待测行对应的第二激励电压向量e_i1输出至电阻阵列的M+1行，通过多通道模数转换器读取待测行中的N个交叉点的电压，得到待测行对应的第二测量电压集合

根据待测行号i，将待测行对应的第三激励电压向量e_i2输出至电阻阵列的M+1行，通过多通道模数转换器读取待测行中的N个交叉点的电压，得到待测行对应的第三测量电压集合

根据第一测量电压集合待测行对应的第二测量电压集合/>待测行对应的第三测量电压集合/>求解KCL方程得到的算式，计算得到待测行中待测传感器单元阻值。

进一步的，第一激励电压向量e₁的表达式为：

e₁＝[0，1，...，1]^T

式中，第s个元素表示对第s行输出的电压，1代表输出高电平，0代表输出低电平。

进一步的，第i行对应的第二激励电压向量e_i1的表达式为：

e_i1＝[1，p₂，...，p_i，...，p_m+1]^T

式中，第s个元素表示对第s行输出的电压，p_i的值为0，e_i1中其它元素的值为1，1代表输出高电平，0代表输出低电平；

第i行对应的第三激励电压向量e_i2的表达式为：

e_i2＝[0，p₂，...，p_i，...，p_m+1]^T

式中，第s个元素表示对第s行输出的电压，p_i的值为0，e_i2中其它元素的值为1，1代表输出高电平，0代表输出低电平。

进一步的，根据第一测量电压集合待测行对应的第二测量电压集合/>待测行对应的第三测量电压集合/>计算得到待测行中待测传感器单元阻值，具体为：

第一测量电压集合可表示为：

其中，v₁₁，v₁₂，…，v_1n分别为通过多通道模数转换器读取待测行中的第1,2,…,n个交叉点的电压；

待测行对应的第二测量电压集合可表示为：

其中，v_i1，v_i2，…，v_in分别为通过多通道模数转换器读取待测行中的第1,2,…,n个交叉点的电压；

待测行对应的第三测量电压集合可表示为：

其中，分别为通过多通道模数转换器读取待测行中的第1,2,…,n个交叉点的电压；

计算得到电阻阵列中第i行的n个待测传感器单元的阻值：

其中，R_1j(1≤j≤n)为第j列的已知阻值的精密参考电阻。

进一步的，重复迭代测量，直到每一行的待测传感器单元阻值均测量完成，得到待测传感器单元阻值计算表达式为：

其中，R_1j(1≤j≤n)为第j列的已知阻值的精密参考电阻。

本发明的第二个目的可以通过如下技术方案达到：

一种可穿戴设备，包括传感器，信号发送单元与上位机，其中：

传感器为上述的低功耗抗扰动的电阻式传感器；

信号发送单元用于将低功耗抗扰动的电阻式传感器中微处理器计算得到的每个待测传感器单元的电阻值传输至上位机；

上位机包括信号接收单元与显示单元，其中：

信号接收单元用于接收信号发送单元传输的每个待测传感器单元的电阻值数据，并进行处理；

显示单元用于显示信号接收单元处理后的电阻值数据。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

(1)本发明提供的传感器对电阻阵列的尺寸和阻值没有要求，能够实现任意M×N的电阻阵列的高精度读取，在不提高电路复杂度的基础上，有效地消除了微处理器的输入电阻干扰及串扰误差。

(2)本发明充分考虑了柔性可穿戴设备的应用场景，因无需二极管、晶体管等器件植入阵列，可有效保证柔性阵列的可伸展性、有效延长柔性传感器的使用寿命、拓展传感器阵列的使用场景、有效降低了柔性传感器阵列的制造难度与成本。

(3)本发明相较于传统使用有源器件隔绝串扰旁路的方法可靠性更高，功耗更低，成本更低，传统方法需要给三极管或运算放大器等有源器件供电，这些器件不仅有其固有使用寿命而且还需要额外的功耗，本发明所用方法无需有源器件，可有效延长传感器阵列的使用寿命并降低传感器阵列读出***的功耗与成本。

(4)本发明相较于一般基于解KCL方程方法的传感器，本发明提供的传感器因为不用设置电源电压参数，对于微处理器提供的非理想电源，测量结果更准确，量程更大。同时，在多通道模数转换器精度相同情况下，由于本发明计算表达式对两种扫描方式下读取到的电压的独特运算方式，本发明提供的传感器相较基于其它解KCL方程方法的传感器误差更小。

(5)本发明采用增加或改变扫描电压组合并配合算法运算的方式避免了对传感器阵列的每行都添加模数转换器，有效降低了计算误差与硬件成本。

附图说明

图1为本发明实施例1中传感器示意图；

图2为本发明实施例1中电阻式传感器阵列的硬件连接图；

图3为本发明实施例1中微处理器的I/O口输出控制结构图；

图4为本发明实施例1中微处理器的***结构；

图5为本发明实施例1与基于电阻矩阵法的传感器在16个接近1M电阻值下的测量结果对比图；

图6为本发明实施例1与基于电阻矩阵法的传感器在16个差距较大的电阻值下的测量结果对比图；

图7为本发明实施例1与基于电阻矩阵法的传感器在五种不同电阻值阵列下的测量结果对比图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图1所示，本实施例提供了一种低功耗抗扰动的电阻式传感器，包括电阻式传感器阵列、微控制器和多通道模数转换器，其中：

如图2所示，电阻式传感器阵列包括由4个已知阻值的精密参考电阻和4×4个待测传感器单元组成的5行4列的电阻阵列；其中，电阻阵列的第一行为1×4个已知阻值的精密参考电阻，电阻阵列的2到5行为4×4个待测传感器单元。

多通道模数转换器用于对电阻式传感器阵列中多个特定位置的电压实行读取并转换为数字量；

如图3和图4所示，微控制器用于通过数字接口对电阻式传感器阵列进行扫描，输出已预先编程好的电压组合，并根据多通道模数转换器所转换的数字量计算每个待测传感器单元的电阻值。

电阻式传感器阵列的每一行设有数字接口，每一行的数字接口与微控制器上的一个I/O口相连接。特定位置的电压指的是电阻式传感器阵列中待测行号的行列导线交叉点电压。

本实施例中，微控制器通过数字接口对电阻式传感器阵列进行扫描，输出已预先编程好的电压组合，并根据多通道模数转换器所转换的数字量计算每个待测传感器单元的电阻值，包括以下步骤：

S10、构造电压组合矩阵。

本实施例中，电压组合矩阵包括第一激励电压向量e₁，4个第二激励电压向量{e₂₁，e₃₁，e₄₁，e₅₁}，4个第三激励电压向量{e₂₂，e₃₂，e₄₂，e₅₂}，其中，第一激励电压向量、第二激励电压向量和第三激励电压向量均为5维向量，4个第二激励电压向量与4行待测传感器单元一一对应，4个第三激励电压向量与4行待测传感器单元一一对应；

本实施例中，第一激励电压向量e₁的表达式为：

e₁＝[0，1，1，1，1]^T

第i行对应的第二激励电压向量e_i1的表达式为：

e_i1＝[1，p₂，...，p_i，...，p₅]^T

第i行对应的第三激励电压向量e_i2的表达式为：

e_i2＝[0，p₂，...，p_i，...，p₅]^T

S20、测量单行待测传感器单元阻值，具体为：

S21、将第一激励电压向量e₁输出至电阻阵列的5行，通过多通道模数转换器读取待测行中的4个交叉点的电压，得到第一测量电压集合可表示为：

其中，v₁₁，v₁₂，v₁₃，v₁₄分别为通过多通道模数转换器读取待测行中的第1,2,3,4个交叉点的电压；

S22、根据待测行号i，将待测行对应的第二激励电压向量e_i1输出至电阻阵列的M+1行，通过多通道模数转换器读取待测行中的N个交叉点的电压，得到待测行对应的第二测量电压集合可表示为：

其中，v_i1，v_i2，v_i3，v_i4分别为通过多通道模数转换器读取待测行中的第1,2,3,4个交叉点的电压；

S23、根据待测行号i，将待测行对应的第三激励电压向量e_i2输出至电阻阵列的M+1行，通过多通道模数转换器读取待测行中的N个交叉点的电压，得到待测行对应的第三测量电压集合可表示为：

其中，分别为通过多通道模数转换器读取待测行中的第1,2,3,4个交叉点的电压；

根据第一测量电压集合待测行对应的第二测量电压集合/>待测行对应的第三测量电压集合/>求解KCL方程得到的算式，计算得到待测行中待测传感器单元阻值，具体表达式为：

其中，R_1j(1≤j≤n)为第j列的已知阻值的精密参考电阻。

本步骤中，由于传感器单元阻值计算表达式是关于同一通道，两种扫描方式下的电压进行运算，由于扫描间隔短，可认为两种扫描方式的环境温度湿度近似相等，因此本步骤的运算方式会抵消部分因温度湿度导致的误差，使得计算结果更不受环境的影响。

其中，交叉点指的是传感器阵列的行导线连接传感器后与列导线的交点，即交叉点的电压指的是传感器阵列的行列导线交叉点电压，亦即传感器阵列的列导线上电压。

S30、重复步骤S20，进行迭代测量，直到每一行的待测传感器单元阻值均测量完成，得到待测传感器单元阻值计算表达式为：

其中，R_1j(1≤j≤n)为第j列的已知阻值的精密参考电阻。

为使本实施例的有益效果更加清楚，使用可调电阻代替本实施例中的待测传感器电阻，并分别使用本实施例的低功耗抗扰动的电阻式传感器，与基于电阻矩阵法进行测量的传感器进行性能对比，具体操作如下：

分别根据本实施例与电阻矩阵法，进行微处理器GPIO口的输出输入模式与电压的配置，在程序中编写访问DMA的代码，配置微处理器的串口波特率为115200，然后在微处理器程序中分别按两种待比较方法对从DMA读到的数据进行计算，并使用“#”、“！”两种符号作为计算结果的起始与结束符号，通过串口函数发送。

在上位机中使用python设置串口包中的波特率以及其它通信协议，在对读取到的数据依据微处理器发送格式进行检查并去除掉被干扰的数据后，将数据保存在表格中。

持续对电阻阵列进行扫描，分别得到500个结果后取平均，对于阵列中的电阻值差距比较小的情况附图5所示，可以看出本实施例的测量结果与真实电阻值十分接近。在计算误差时将本实施例的测量结果与基于电阻矩阵法的传感器测量结果按误差运算表达式:对误差进行计算，运算表达式中R_calculate是通过计算方法得到的计算结果，R_truth是电阻未接入电路时测得的真实电阻值。计算结果显示电阻矩阵法的测量结果对于16个可调电阻阻值差距比较小的情况的平均计算误差为1.17793658125％，而本实施例的测量结果对16个电阻的平均计算误差为0.16030959375％，而对于阵列中的电阻值差距比较大的情况如图6所示，电阻矩阵法的测量结果对于16个电阻的平均误差为11.5886100625％，本实施例的测量结果的16个电阻的平均误差为4.17841573125％。

为了进一步验证本实施例相较于基于电阻矩阵法的传感器可适用于不同阻值的传感器阵列并且具有更大测量范围，在相同的参考电阻阻值设置下，将16个可调电阻阻值分别变为原来的50％、75％、100％、125％、150％，并分别统计两种传感器在变化阵列电阻后的平均测量误差。结果如图7所示，由图可知本实施例允许阵列中的传感器变化范围更大，更适用于各种阻值的传感器阵列。

本实施例的传感器相比于基于RMA的传感器同样具有更优的性能。使用三组对照实验进行性能验证：第一组从16个电阻中随机选一个并将其阻值变为原来的30％，第二组从16个电阻中随机选两个(位于不同行不同列)并将其阻值变为原来的30％，第三组：从16个电阻中随机选两个(位于同行或同列)并将其阻值变为原来的30％，每组重复10次并分别将误差取平均后，可得基于RMA的传感器在阻值变为原来的30％的可调电阻上的测量结果误差为24.38797％，而本实施例的传感器的测量结果误差为5.2554475％。

经过串扰测试后，本实施例的变异系数最大值不超过2.6％，并且都集中在0附近，因此，本实施例提供的传感器相较于现有技术，具有更小的误差，和更强的抗电源电压扰动能力。

综上所述，本实施例提供的传感器对电阻阵列的尺寸和阻值没有要求，能够实现任意M×N的电阻阵列的高精度读取，在不提高电路复杂度的基础上，有效地消除了微处理器的输入电阻干扰及串扰误差；本实施例充分考虑了柔性可穿戴设备的应用场景，因无需二极管、晶体管等器件植入阵列，可有效保证柔性阵列的可伸展性、有效延长柔性传感器的使用寿命、拓展传感器阵列的使用场景、有效降低了柔性传感器阵列的制造难度与成本；本实施例相较于传统使用有源器件隔绝串扰旁路的方法可靠性更高，功耗更低，成本更低，传统方法需要给三极管或运算放大器等有源器件供电，这些器件不仅有其固有使用寿命而且还需要额外的功耗，本发明所用方法无需有源器件，可有效延长传感器阵列的使用寿命并降低传感器阵列读出***的功耗与成本；本实施例相较于一般基于解KCL方程方法的传感器，本实施例提供的传感器因为不用设置电源电压参数，对于微处理器提供的非理想电源，测量结果更准确，量程更大；同时，在多通道模数转换器精度相同情况下，由于本实施例计算表达式对两种扫描方式下读取到的电压的独特运算方式，本发明提供的传感器相较基于其它解KCL方程方法的传感器误差更小；本实施例采用增加或改变扫描电压组合并配合算法运算的方式避免了对传感器阵列的每行都添加模数转换器，有效降低了计算误差与硬件成本。

实施例2：

传感器为本发明实施例1所述的低功耗抗扰动的电阻式传感器；

上位机包括信号接收单元与显示单元，其中：

显示单元用于显示信号接收单元处理后的电阻值数据。

显然，上述所述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本发明不限于上述实施例的细节，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims

1.一种低功耗抗扰动的电阻式传感器，其特征在于，包括电阻式传感器阵列、微控制器和多通道模数转换器，其中：

所述交叉点的电压为传感器阵列的行列导线交叉点的电压；

电阻式传感器阵列包括由N个已知阻值的精密参考电阻和M×N个待测传感器单元组成的M+1行N列的电阻阵列；其中，电阻阵列的第一行为1×N个已知阻值的精密参考电阻，电阻阵列的2到M+1行为M×N个待测传感器单元；

电阻式传感器阵列的每一行设有数字接口，每一行的数字接口与微控制器上的一个I/O口相连接；

微控制器通过数字接口对电阻式传感器阵列进行扫描，输出已预先编程好的电压组合，并根据多通道模数转换器所转换的数字量计算每个待测传感器单元的电阻值，包括以下步骤：

构造电压组合矩阵，包括第一激励电压向量e₁，M个第二激励电压向量{e₂₁,e₃₁,…,e_(m+1)1}，M个第三激励电压向量{e₂₂,e₃₂,…,e_(m+1)2}，其中，第一激励电压向量、第二激励电压向量和第三激励电压向量均为M+1维向量，M个第二激励电压向量与M行待测传感器单元一一对应，M个第三激励电压向量与M行待测传感器单元一一对应；

重复迭代测量，直到每一行的待测传感器单元阻值均测量完成；

测量单行待测传感器单元阻值，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的低功耗抗扰动的电阻式传感器，其特征在于，第一激励电压向量e₁的表达式为：

e₁＝[0,1,...,1]^T

式中，1代表输出高电平，0代表输出低电平。

3.根据权利要求2所述的低功耗抗扰动的电阻式传感器，其特征在于，第i行对应的第二激励电压向量e_i1的表达式为：

e_i1＝[1,p₂，…,p_i，…,p_m+1]^T

式中，p_i的值为0，e_i1中其它元素的值为1，1代表输出高电平，0代表输出低电平；

第i行对应的第三激励电压向量e_i2的表达式为：

e_i2＝[0,p₂，…,p_i,…,p_m+1]^T

式中，p_i的值为0，e_i2中除第1个元素和p_i之外的其它元素的值为1，1代表输出高电平，0代表输出低电平。

4.根据权利要求3所述的低功耗抗扰动的电阻式传感器，其特征在于，根据第一测量电压集合待测行对应的第二测量电压集合/>待测行对应的第三测量电压集合/>计算得到待测行中待测传感器单元阻值，具体为：

第一测量电压集合可表示为：

其中，v₁₁，v₁₂,…,v_1n分别为通过多通道模数转换器读取待测行中的第1,2,…,n个交叉点的电压；

待测行对应的第二测量电压集合可表示为：

其中，v_i1，v_i2,…,v_in分别为通过多通道模数转换器读取待测行中的第1,2,…,n个交叉点的电压；

待测行对应的第三测量电压集合可表示为：

计算得到电阻阵列中第i行的n个待测传感器单元的阻值：

其中，R_1j为第j列的已知阻值的精密参考电阻，1≤j≤n。

5.根据权利要求4所述的低功耗抗扰动的电阻式传感器，其特征在于，重复迭代测量，直到每一行的待测传感器单元阻值均测量完成，得到待测传感器单元阻值计算表达式为：

其中，R_1j为第j列的已知阻值的精密参考电阻，1≤j≤n。

6.一种可穿戴设备，其特征在于，包括传感器，信号发送单元与上位机，其中：

传感器为根据权利要求1-5任意一项所述的低功耗抗扰动的电阻式传感器；

上位机包括信号接收单元与显示单元，其中：

显示单元用于显示信号接收单元处理后的电阻值数据。