一种适用于薄膜压力传感器阵列的解耦方法及其应用

1.本发明属于电子电路设计领域，涉及一种适用于薄膜压力传感器阵列的解耦方法及其应用。


背景技术：

2.在人们日常的工作场景和学习场景中，坐姿是最为常见的姿势。如今人们的伏案时间普遍较长，不正确的坐姿则会对人们的身体产生极大的危害。坐姿数据是生物识别中的行为特征的一种，随着人工智能，机器学习等领域的发展，通过提取坐姿数据的特征可以反映更多信息。例如根据坐姿数据特征判断坐姿是否正确，如果用户是学生，还可以将坐姿数据结合具身认知理论判断座位上学生的学习状态等。在进行相关应用之前，首先需要提取坐姿数据。
3.目前坐姿数据的提取方法有摄像头拍摄，感光纸感应，压力传感器阵列感应等，其中摄像头拍摄的方法成本较高，同时受光线影响较大，并且从保护隐私的角度来说，摄像头方案可能会让用户有些不适；感光纸造价低，但其是一次性的，使用并不方便；基于压力传感器阵列的坐姿信息提取方法，可以较好控制成本的同时稳定多次提取坐姿数据，但其存在传感器数据耦合的问题，故需要对传感器进行解耦合处理。
4.目前针对薄膜压力传感器的解耦电路大多是利用运算放大器的虚短虚断特性进行解耦，该方法需要在传感器阵列的每一路输出后加一个运算放大器。随着传感器数量的增加，该方法所需的运放数量也随之增加，因此整个坐姿信息采集装置的电路复杂度以及成本也随之上升。
5.本发明提出了一种适用于薄膜压力传感器阵列的解耦方法，可在实现解耦功能的同时有效降低解耦电路的复杂度以及装置的成本。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种适用于薄膜压力传感器阵列的解耦方法及其应用。
7.相比目前针对薄膜压力传感器阵列的解耦方案电路，本发明能够以较低的电路复杂度达到相同的效果。
8.所述薄膜压力传感器为压敏电阻，其阻值与压力大小呈反比关系，所述薄膜压力传感器阵列由m行n列的薄膜压力传感器构成，即薄膜压力传感器阵列网络有m*n个传感器。
9.一种适用于薄膜压力传感器阵列的解耦方法，通过读取薄膜压力传感器阵列中各个压力传感器的阻值，反推出薄膜压力传感器阵列上的压力分布；其中，
10.采用行列动态扫描的方式读取压力传感器阵列中各个压力传感器的阻值，包括以下步骤：
11.步骤1：按一定时间间隔ts1依次选中m行中的其中一行，设该行为第i行，将该行连接至dac的输出端，选中该行后再按时间间隔ts2依次选中n列中的其中一列，设该列为第j列，将该列连接至运算放大器的反向输入端；
12.步骤2：将所述运算放大器设计成反向运算放大器，则所述dac的输出端电压即该反向运算放大电路的输入端，所述选中的第i行第j列的传感器即该反向运算放大电路的输入电阻，已知反馈电阻，输入电压，读取该反向放大电路的输出电压，即可推算出输入电阻的大小。
13.所述一定时间间隔ts1和ts2为1
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2ms。
14.利用开关二极管的单向导通性，将二极管的阳极连接至压力传感器的右端点，将二极管的阴极连接至运算放大器的输入端，从而控制电流的方向。
15.每一个传感器均配合一个开关二极管解耦。
16.基于以上适用于薄膜压力传感器阵列的解耦方法，本发明还提出了一种姿态采集方法，根据薄膜压力传感器阵列上的压力分布绘制压力热力图，以压力热力图的形式反应姿态。
17.本发明还提出了一种上述姿态采集方法在坐姿采集中的应用。
18.本发明还提出了一种设备，包括：存储器和处理器；所述存储器上存储有计算机程序，当所述计算机程序被所述处理器执行时，实现上述的方法。
19.本发明还提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现上述的方法。
20.因此，本发明的有益效果在于，此方案下，只需要m*n个开关二极管、m+n个模拟开关和1个运放即可完成解耦功能，有效降低了电路的复杂度以及整体坐姿信号采集装置的成本(相对现有方案需要m+n个模拟开关，m个运算放大器)。相比于目前市面上已有的方案，本发明有电路复杂度低，成本低，易推广的优点，具有很高的实用价值，可在实现解耦功能的同时有效降低解耦电路的复杂度以及装置的成本，能够以较低的电路复杂度达到相同的效果。
21.本发明中提出了一种全新的解耦电路拓扑，利用开关二极管的单向导通性，对拓扑中的电流流向加以限制，保证了在检测某一传感器的电阻大小时，电流只流过该传感器。此外，本发明提出的解耦电路拓扑不受传感器阵列的排布方式限制，只需根据电流的流向，在传感器旁加二极管即可，支持各种类型的排列，灵活性强。同时，本发明提出的解耦电路拓扑也适用于其他电阻型传感器阵列，适用性，可推广性强。
附图说明
22.图1为薄膜压力传感器阵列排列方式原理图；
23.图2为模拟开关原理图；
24.图3为反向运算放大器电路原理图；
25.图4为2*2薄膜压力传感器阵列耦合电路原理图；
26.图5为2*2薄膜压力传感器阵列解耦电路原理图；
27.图6为耦合效果图；
28.图7为解耦合效果图；
29.图8为薄膜压力传感器阵列解耦电路原理图。
具体实施方式
30.结合以下具体实施例和附图，对发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。
31.在获取坐姿数据时，首先需要读取薄膜压力传感器阵列中各个压力传感器的阻值，从而反推出薄膜压力传感器阵列上的压力分布，然后根据压力分布绘制出压力热力图，以压力热力图的形式反应坐姿。
32.采用行列动态扫描的方式读取压力传感器阵列中各个压力传感器的阻值，具体做法为，按一定时间间隔ts1依次选中m行中的其中一行，设该行为第i行，将该行连接至dac的输出端，选中该行后再按时间间隔ts2依次选中n列中的其中一列，设该列为第j列，将该列连接至运算放大器的反向输入端。由于压力值属于变化较为缓慢的信号(对于薄膜压力传感器阵列的使用场合，一般要求总体响应时间为几hz以内)，ts1及ts2选择1～2ms较为合适。
33.将所述运算放大器设计成反向运算放大器，则所述dac的输出端电压即该反向运算放大电路的输入端，所述选中的第i行第j列的传感器即该反向运算放大电路的输入电阻，已知反馈电阻，输入电压，读取该反向放大电路的输出电压，即可推算出输入电阻的大小。通过压力大小与阻值的关系，即可推出压力的大小。实际测试效果良好。
34.在选中第i行第j列的元素时，受压力传感器排列方式的影响，读取的电压值不仅与第i行第j列的传感器阻值有关，也与第i+k行第j列，第i行第j+t列，以及第i+k第j+t列的电阻的阻值有关，当电流流经第i行第j列的传感器到达运算放大器的反向端时，也将同时流经第i+k行第j列，第i行第j+t列，以及第i+k第j+t列的传感器到达运算放大器的反向端，其中电流流经第i行第j列的传感器时，电流由该传感器的左端点流向右端点，而电流流经第i+k行第j列，第i行第j+t列，以及第i+k第j+t列的传感器时，由这些传感器的右节点流向左节点。
35.本发明根据电流流向的特点，利用开关二极管的单向导通性，将二极管的阳极连接至压力传感器的右端点，将二极管的阴极连接至运算放大器的输入端，从而控制电流的方向。所述薄膜压力传感器阵列网络有m*n个传感器，故需要m*n个开关二极管配合每一个传感器解耦。
36.实施例1
37.如图1所示，该图为薄膜压力传感器阵列排列方式原理图。该图中含有8*8个传感器，图中的s11
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s88即传感器，图中r_1到r_8为行扫描的接口，dac的输出将通过r_1到r_8中的其中一行进行行扫描；l_1到l_8为列扫描的接口，l_1到l_8的其中一行将连接到运放的反向输入端。
38.模拟开关的原理图如图2所示，通过设定模拟开关的1脚，15脚，和16脚，来设定模拟开关的8脚连接至模拟开关的哪一个端口。本例中采用的是8*8的薄膜压力传感器阵列，故2片模拟开关即可完成整个薄膜压力传感器阵列中的各传感器的选择。
39.反向运算放大器的电路原理图如图3所示，假定行方向选定的行为r_i，列方向选定的列为l_j，那么r_i，l_j位置的压力传感器即作为反向运算放大器的输入电阻r2，dac的输出为反向放大电路的输入电压。
40.下面以2*2的薄膜压力传感器阵列为例，具体阐述耦合现象的产生以及解耦电路的设计原理。
41.图4为2*2薄膜压力传感器阵列耦合电路原理图。假定选定的传感器为第2行第1列的传感器，即图4中的s21传感器，此时模拟开关分别选中r_1和l_1，图中实线表示电流1，该电流流经目标薄膜压力传感器，同时，电流还将沿着图中电流2，虚线的方向，流经s22，s12和s11，造成耦合，假定后续所接的反向运算放大电路的等效电阻为r0，设a点的电压为ua，根据kcl定理，有：
[0042][0043]
由于电流同时流过s22，s12，s11，且s22，s12，s11的阻值未知，因此无法算出目标薄膜压力传感器s21的阻值。
[0044]
由图4所示，流经s11，s22，s21的电流是由薄膜压力传感器的左端点流向右端点，流经s12的电流是由薄膜压力传感器的右端点流向左端点，通过分析电流的流向，可利用开关二极管的单向导通性，完成解耦。
[0045]
以s11，s22，s12，s21四个薄膜压力传感器为例，加上二极管后的电路图如图5所示，由于所述开关二极管的单向导通性，电流无法通过s12的左端点流向右端点，因此，电流只通过目标薄膜压力传感器s21，根据kcl定理，有：
[0046][0047]
该方程只有一个未知数，因此可以推出s21的阻值，进而推出压力值。薄膜压力传感器阵列中的其他传感器也是同理，通过二极管的单向导通性，使得选通传感器时，电流只通过该传感器，从而消除传感器之间的耦合。
[0048]
薄膜压力传感器解耦合之前，按下传感器阵列中的三个传感器的效果图如图6所示，图中越亮的区域表示压力值越大。在解耦合之前，按下了三个传感器，但检测的结果却显示有四个位置的压力值较大，第四个位置的传感器的值是由于其他三个位置的耦合造成的。用二极管解耦合之后，按下传感器阵列中的三个传感器的效果图如图7所示，在效果图中，正确位置的三个传感器显示的压力值较大，符合实际情况。
[0049]
薄膜压力传感器阵列的解耦原理图如图8所示。
[0050]
本实施例中，共使用64个开关二极管以及一个运算放大器即可完成解耦的功能。而目前市面上的解耦方案，则需要8个反相放大电路才可以实现解耦。相比于目前市面上已有的方案，本发明有电路复杂度低，成本低，易推广的优点，具有很高的实用价值。
[0051]
本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。