一种基于FlexiForce的多点阵列式压力采集系统
肖雨琳 张立成 杨楠
关键词： FlexiForce; 压力采集; 多路选择; VC++; 薄膜式压力传感器; 放大电路
中图分类号： TN722?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文献标识码： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章编号： 1004?373X（2019）04?0019?04
A multi?point array pressure acquisition system based on FlexiForce
XIAO Yulin， ZHANG Licheng， YANG Nan
（Changan University， Xian 710000， China）
Abstract： A multi?point array acquisition system based on the FlexiForce thin?film pressure sensor is designed. The system can convert the resistance output by the FlexiForce thin?film pressure sensor into voltage signals with a certain amplification. Meanwhile， the system can support the multichannel selection function and realize 8×8 channel pressure acquisition. The VC++ is used to compile for the software interface of the upper computer， so as to display pressure data and image. The data is exported to evaluate and analyze the performance of the whole system. The experimental results show that the voltage value of the system decreases with the increase of pressure， phenomena like jump and mutation do not occur as the pressure increases or decreases steadily， the voltage maintains at 5 V when the pressure is zero， the minimum voltage value maintains at about 1 V， and the calculation results show that all the final errors are below 1%， which meets the error scope of the FleixForce thin?film pressure sensor.
Keywords： FlexiForce; pressure acquisition; multichannel selection; VC++; thin?film pressure sensor; amplifying circuit
压力采集系统广泛应用于医疗、汽车、家居用品、服装、工业检测及科研等领域，综合微电子技术、传感器技术、计算机科学与技术等学科的知识和技术，其发展得力于相关技术的最新发展成就[1]。顺应压力采集系统智能化、网络化、高精度等发展趋势，本文设计一种基于FlexiForce的多点阵列式压力采集系统。系统电路能够将薄膜式压力传感器输出的阻值变化变为电压信号并具有一定的放大作用，同时支持多路选择功能[2]，实现了8×8=64路压力采集，具有实时性强、安装使用方便和性价比高等特点，具有广泛的应用前景和借鉴价值。1 ?系统总体设计
针对薄膜式压力传感器构成的网格阵列，无法使用电桥方式进行电阻与电压信号转换，且多点数据无法同时采集问题，本文的目的在于提供一种基于FlexiForce薄膜式压力传感器多点阵列式压力采集系统 ，包括薄膜式压力传感器、信号驱动板、数字控制模拟电子开关、A/D模块、处理器、USB转TTL模块和电源，系统原理图见图1，各个传感器输出的摸拟信号经过放大调理模/数转换后转换为数字量传送给单片机，运用标定、计算、零点补偿等处理方法处理后，在显示模块显示，同时经过串行接口传送到上位机，实现人机交互。
2 ?系统硬件设计
系统的硬件部分主要由电源电路、单片机MSP430F149、多点网格阵列压力传感器、采样放大电路、多路选择电路和USB转串口電路组成。
2.1 ?薄膜压力传感器A201
电阻式传感器和驱动电路相连，所选电阻式传感器是一种薄膜型[3]，具有纸一样薄的结构，是目前世界上最好的触力/压力测量的传感器，简单易用、准确、成本低、体积小，易于集成在各种运用中。无负载施加时，具有高于5 MΩ的阻抗，在其有效区域施加负载时，电阻值随着负载的增大而变小，从校准图上可以看出，压力与电导近似线性关系，通过最小二乘拟合法得出压力与电导的关系[4]。
2.2 ?电源电路
本系统使用的是3.3 V设计，电源电路的设计方案选择5 V转3.3 V供电的方案，使用LM1117?3.3线性稳压电源进行稳压;5 V供电可以使用PC的USB作为供电线。本电源模块可以在给单片机供电的同时也给其他外设进行供电，方便其他电路的设计。图4为电源电路设计图。
2.3 ?放大电路
信号驱动板集成放大芯片采用通用集成运放LM358，该芯片支持两路电压放大，在薄膜压力传感器将非线性电阻变化转换为电压变化后，通过调节负反馈电阻的大小实现一定比例的增益，将电压信号处理到适合ADC采集的范围内。放大电路采用同相比例放大电路设计，其单路放大[5]原理如图5所示。
根据电路原理，同相放大器主要由反馈电阻Rf和R1组成深度电压串联负反馈，R2为同相端补偿电阻，其取值为R2=R1//Rf。设Ui为输入电压，Uo为放大后的电压输出信号，即图5中的1脚电位，根据运放“虚断路”特点[4]，[iR1=iRf]，即[-u-R1=（u-uo）Rf]，得[u0=1+RfR1u-=1+RfR1ui]。于是同向比例运算电路的电压放大倍数为Auf=1+[RfR1]。输入的电压信号经过平衡电阻由运放同相端进入放大器，输出后并联一个1 mF的电容，滤去高频噪声。
2.4 ?多路选择电路
因为ADC通道数有限，所以需要使用多路选择电路进行循环选择读取多组电压信号[6]，选择电路使用CD4051模拟选通开关，将放大电路的输出端Vout 与数字控制模拟电子开关输入相连，通过CD4051的3个二进制控制输入端以及INH片选端进行选择通道。8片8选1模拟选通开关CD4051的OUT/INx引脚分别输入64个采样电路的输出端，而8片CD4051的公共端COM端分别连接到MSP430单片机的8个12位ADC，通过地址线I_ADDR_x和CD4051的片选引脚INH_x分别选中每一片模拟选通开关的模拟电压输入[7]。CD4051芯片引脚连接如图6所示。
2.5 ?USB转串口
本文所设计的多点网格阵列压力采集系统采集的数据最终将经过处理发送到PC进行显示与储存，单片机与PC通信的方式有很多，但最常用的还是串口通信的方式。MSP430F149单片机内部硬件集成了UART串口通信模块，通过软件调用相关寄存器即可轻松使用UART串口与PC机进行通信[8]，所以本设计采用串口通信的方式将数据回传至PC端。图7为USB转串口与USB接口电路设计图。3 ?系统软件设计
系统软件设计采用模块化结构，采用VC++编程，整个程序由参数配置、数据采集、数据显示、数据存储等子程序模块组成，对压力数据进行多通道采集[9]。
数据采集模块负责采集压力数据，用户先进行参数设置，进行原始数据采集，之后采用USB转串口发送到PC端，显示电压值，绘制压力变化曲线，实现数据实时可视化。同时系统会自动存储数据，对压力数据进行双重备份有效地防止数据丢失。系统还设计专门的界面查看历史数据，如图8所示，根据用户需要，后期可导出到Excel进行分析处理[10]。系统根据每个任务的优先级提供快速响应，保证系统有条不紊的工作。系统软件流程图如图9所示。电压采集图像如图10所示。
4 ?系统测试与分析
本系统经过单点采集模块的设计测试，绘制多点网格阵列式原理图，焊接制板。然后进行程序编写，功能测试，连接各个子模块，反复调试和修改，最终实现8×8路压力采集、图像绘制、数据分析等功能。实验结果表明，系统电压值随着压力的增加而下降，压力平稳增加和降低时不会出现跳跃、突变等现象，零压力时电压保持在5 V，最小电压值保持在1 V左右，经过计算，最终误差均满足FlexiForce薄膜压力传感器1%的误差范围[11]。试验结果数据如表1所示。5 ?結 ?语
本文设计一种基于FlexiForce薄膜式压力传感器多点阵列式压力采集系统。采用A201薄膜压力传感器，设计针对阵列信号处理电路，完成通道选择、A/D转换、放大调理，最终传送给PC机，以采集压力实时变化，分析压力数据。实验结果表明，该系统具有高精度、高灵敏度、实用性强、性价比高等优点，同时可以根据要求改变成不同的形状，应用到汽车、家居用品、服装、工业检测及科研等领域，具有广泛的应用前景和一定的借鉴价值。
参考文献
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LI Guozhu. Design of data acquisition system based on single chip computer and USB interface [J]. Modern electronics technique， 2009， 32（4）： 65?67.
[2] ZANG Yaping， DI Chongan， ZHU Daoben. Flexible suspended gate organic thin?film transistors for multi?functional applications [C]// Proceedings of the 6th International Conference on Nanoscience & Technology. Beijing： [s.n.]， 2015： 355?356.
[3] 宋敬卫，付广春，马献国.基于STM32的多路电压采集研究[J].电子世界，2013（12）：55?56.
SONG Jingwei， FU Guangchun， MA Xianguo. Voltage acquisition research based on STM32 [J]. Electronics world， 2013（12）： 55?56.
[4] 徐科军.传感器的线性度指标综述[J].电气电子教学学报，2016，38（4）：70?71.
XU Kejun. An overview for linearity indexes of sensors [J]. Journal of electrical & electronic education， 2016， 38（4）： 70?71.
[5] YOU Minghui， YU Xinyu， SUN Qixiang， et al. Analysis and design of amplifying circuit resisting temperature disturbance of the food material electric heating equipment [C]// Proceedings of the 4th International Conference on Machinery， Materials and Information Technology Applications. Hampton： Atlantic Press， 2016： 842?845.
[6] 邓重一.基于MPX2100型压力传感器的高精度数据采集系统[J].传感器世界，2005，11（3）：29?33.
DENG Chongyi. Design of high accuracy data collecting system based on MPX2100 type pressure sensor [J]. Sensor world， 2005， 11（3）： 29?33.
[7] 叶洪海，李丽敏.基于单片机的多路数据采集系统的设计与实现[J].佳木斯大学学报（自然科学版），2008，26（4）：545?547.
YE Honghai， LI Limin. Design and realization of multi?channel data acquisition system based on single?chip microcomputer [J]. Journal of Jiamusi University （Natural science edition）， 2008， 26（4）： 545?547.
[8] 郭亨礼，林友德.传感器实用电路[M].上海：上海科学技术出版社，1992.
GUO Hengli， LIN Youde. Practical circuit of sensor [M]. Shanghai： Shanghai Scientific & Technical Publishers， 1992.
[9] 唐德礼，王襄.单片机学习机及编程器的设计与制作[J].现代电子技术，2005，28（12）：117?120.
TANG Deli， WANG Xiang. Designing on single chip microcomputer learning machine and programmer [J]. Modern electronics technique， 2005， 28（12）： 117?120.
[10] 唐国红.基于VC++的单片机编程器软件的设计[J].现代电子技术，2007，30（8）：126?128.
TANG Guohong. The software design of single chip programmer based on VC++ [J]. Modern electronics technique， 2007， 30（8）： 126?128.
[11] 王梦，葛斌，徐明哲，等.基于单片机的多通道足底压力采集系统设计[J].电子科技，2017，30（9）：30?33.
WANG Meng， GE Bin， XU Mingzhe， et al. Design of multi?channel thin film pressure sensor system based on PIC18F4550 platform [J]. Electronic science and technology， 2017， 30（9）： 30?33.
关键词： FlexiForce; 压力采集; 多路选择; VC++; 薄膜式压力传感器; 放大电路
中图分类号： TN722?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文献标识码： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章编号： 1004?373X（2019）04?0019?04
A multi?point array pressure acquisition system based on FlexiForce
XIAO Yulin， ZHANG Licheng， YANG Nan
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Abstract： A multi?point array acquisition system based on the FlexiForce thin?film pressure sensor is designed. The system can convert the resistance output by the FlexiForce thin?film pressure sensor into voltage signals with a certain amplification. Meanwhile， the system can support the multichannel selection function and realize 8×8 channel pressure acquisition. The VC++ is used to compile for the software interface of the upper computer， so as to display pressure data and image. The data is exported to evaluate and analyze the performance of the whole system. The experimental results show that the voltage value of the system decreases with the increase of pressure， phenomena like jump and mutation do not occur as the pressure increases or decreases steadily， the voltage maintains at 5 V when the pressure is zero， the minimum voltage value maintains at about 1 V， and the calculation results show that all the final errors are below 1%， which meets the error scope of the FleixForce thin?film pressure sensor.
Keywords： FlexiForce; pressure acquisition; multichannel selection; VC++; thin?film pressure sensor; amplifying circuit
压力采集系统广泛应用于医疗、汽车、家居用品、服装、工业检测及科研等领域，综合微电子技术、传感器技术、计算机科学与技术等学科的知识和技术，其发展得力于相关技术的最新发展成就[1]。顺应压力采集系统智能化、网络化、高精度等发展趋势，本文设计一种基于FlexiForce的多点阵列式压力采集系统。系统电路能够将薄膜式压力传感器输出的阻值变化变为电压信号并具有一定的放大作用，同时支持多路选择功能[2]，实现了8×8=64路压力采集，具有实时性强、安装使用方便和性价比高等特点，具有广泛的应用前景和借鉴价值。1 ?系统总体设计
针对薄膜式压力传感器构成的网格阵列，无法使用电桥方式进行电阻与电压信号转换，且多点数据无法同时采集问题，本文的目的在于提供一种基于FlexiForce薄膜式压力传感器多点阵列式压力采集系统 ，包括薄膜式压力传感器、信号驱动板、数字控制模拟电子开关、A/D模块、处理器、USB转TTL模块和电源，系统原理图见图1，各个传感器输出的摸拟信号经过放大调理模/数转换后转换为数字量传送给单片机，运用标定、计算、零点补偿等处理方法处理后，在显示模块显示，同时经过串行接口传送到上位机，实现人机交互。
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系统的硬件部分主要由电源电路、单片机MSP430F149、多点网格阵列压力传感器、采样放大电路、多路选择电路和USB转串口電路组成。
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电阻式传感器和驱动电路相连，所选电阻式传感器是一种薄膜型[3]，具有纸一样薄的结构，是目前世界上最好的触力/压力测量的传感器，简单易用、准确、成本低、体积小，易于集成在各种运用中。无负载施加时，具有高于5 MΩ的阻抗，在其有效区域施加负载时，电阻值随着负载的增大而变小，从校准图上可以看出，压力与电导近似线性关系，通过最小二乘拟合法得出压力与电导的关系[4]。
2.2 ?电源电路本系统使用的是3.3 V设计，电源电路的设计方案选择5 V转3.3 V供电的方案，使用LM1117?3.3线性稳压电源进行稳压;5 V供电可以使用PC的USB作为供电线。本电源模块可以在给单片机供电的同时也给其他外设进行供电，方便其他电路的设计。图4为电源电路设计图。
2.3 ?放大电路
信号驱动板集成放大芯片采用通用集成运放LM358，该芯片支持两路电压放大，在薄膜压力传感器将非线性电阻变化转换为电压变化后，通过调节负反馈电阻的大小实现一定比例的增益，将电压信号处理到适合ADC采集的范围内。放大电路采用同相比例放大电路设计，其单路放大[5]原理如图5所示。
根据电路原理，同相放大器主要由反馈电阻Rf和R1组成深度电压串联负反馈，R2为同相端补偿电阻，其取值为R2=R1//Rf。设Ui为输入电压，Uo为放大后的电压输出信号，即图5中的1脚电位，根据运放“虚断路”特点[4]，[iR1=iRf]，即[-u-R1=（u-uo）Rf]，得[u0=1+RfR1u-=1+RfR1ui]。于是同向比例运算电路的电压放大倍数为Auf=1+[RfR1]。输入的电压信号经过平衡电阻由运放同相端进入放大器，输出后并联一个1 mF的电容，滤去高频噪声。
2.4 ?多路选择电路因为ADC通道数有限，所以需要使用多路选择电路进行循环选择读取多组电压信号[6]，选择电路使用CD4051模拟选通开关，将放大电路的输出端Vout 与数字控制模拟电子开关输入相连，通过CD4051的3个二进制控制输入端以及INH片选端进行选择通道。8片8选1模拟选通开关CD4051的OUT/INx引脚分别输入64个采样电路的输出端，而8片CD4051的公共端COM端分别连接到MSP430单片机的8个12位ADC，通过地址线I_ADDR_x和CD4051的片选引脚INH_x分别选中每一片模拟选通开关的模拟电压输入[7]。CD4051芯片引脚连接如图6所示。
2.5 ?USB转串口
本文所设计的多点网格阵列压力采集系统采集的数据最终将经过处理发送到PC进行显示与储存，单片机与PC通信的方式有很多，但最常用的还是串口通信的方式。MSP430F149单片机内部硬件集成了UART串口通信模块，通过软件调用相关寄存器即可轻松使用UART串口与PC机进行通信[8]，所以本设计采用串口通信的方式将数据回传至PC端。图7为USB转串口与USB接口电路设计图。3 ?系统软件设计
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4 ?系统测试与分析
本系统经过单点采集模块的设计测试，绘制多点网格阵列式原理图，焊接制板。然后进行程序编写，功能测试，连接各个子模块，反复调试和修改，最终实现8×8路压力采集、图像绘制、数据分析等功能。实验结果表明，系统电压值随着压力的增加而下降，压力平稳增加和降低时不会出现跳跃、突变等现象，零压力时电压保持在5 V，最小电压值保持在1 V左右，经过计算，最终误差均满足FlexiForce薄膜压力传感器1%的误差范围[11]。试验结果数据如表1所示。5 ?結 ?语
本文设计一种基于FlexiForce薄膜式压力传感器多点阵列式压力采集系统。采用A201薄膜压力传感器，设计针对阵列信号处理电路，完成通道选择、A/D转换、放大调理，最终传送给PC机，以采集压力实时变化，分析压力数据。实验结果表明，该系统具有高精度、高灵敏度、实用性强、性价比高等优点，同时可以根据要求改变成不同的形状，应用到汽车、家居用品、服装、工业检测及科研等领域，具有广泛的应用前景和一定的借鉴价值。
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