抑制电阻式传感器阵列信号串扰的多点检测系统及方法

本发明属于传感器信号采集领域，具体涉及一种抑制电阻式传感器阵列信号串扰的多点检测系统及方法。

背景技术：

1、电阻式传感器是一类获得广泛应用的传感器形式。它将压力、光强、温度等物理量和传感器的电阻关联起来，使得电路系统感知到了真实世界的物理信息。一个传感器所携带的信息是有限的，如需获得物理场的信息，还要采用传感器阵列。电阻传感器阵列信号的采集一般采用行列扫描法，如实用新型专利201721014396.0。对于m×n规模的电阻传感器阵列，需扫描m×n次，每次读取1个传感器数据，即单点检测。单点检测的效率不高，无法应对阵列规模大的场合。为提高信号采集效率，需要发展多点检测方案。然而多点检测时未选通的电阻阵列会影响选通电阻测量电路，形成串扰信号，影响检测结果的真实性。为抑制串扰，实用新型专利201921952994.1采用每个电阻传感器串联二极管，从而阻断串扰回路的方法。该方法的不利之处时在传感器阵列中添加电路元件，影响传感器的检测效果；发明专利202110762479.2采用行列等势电路法，测量精度高，抑制串扰效果好，检测速度快。但该方案电路结构复杂，当传感器阵列规模进一步扩大时，检测电路拓展较为困难。因此，有必要发展一种面向电阻式传感器阵列的高精度、高效率、有效抑制串扰、拓展性好的多点信号检测方案。

技术实现思路

1、针对现有电阻式传感器阵列信号采集的不足之处，本发明提供一种抑制电阻式传感器阵列信号串扰的多点检测系统及方法，检测精度较高，速度快，抑制串扰效果好。

2、本发明具体采用的技术方案如下：

3、第一方面，本发明提供了一种抑制电阻式传感器阵列信号串扰的多点检测系统，其包括模拟开关、分压电路、多通道信号积分单元、可编程逻辑单元、静态存储单元、数据传输模块和电源模块；

4、所述模拟开关中包含与所述电阻式传感器阵列的列端口数相同的n个开关通道，n个开关通道与电阻式传感器阵列的n个列端口一一对应连接，所述模拟开关受可编程逻辑单元控制，负责列选通电阻式传感器阵列；

5、所述分压电路中包括包含与所述电阻式传感器阵列的行端口数相同的m组电阻，每一组电阻包含一个分压电阻和一个串接电阻，其中分压电阻一端接地，另一端与电阻式传感器阵列中对应的行端口相连，串接电阻一端和电阻式传感器阵列中对应的行端口相连，另一端与多通道信号积分单元的积分通道相连；

6、所述多通道信号积分单元中的积分通道数量为m，m个积分通道与所述分压电路中的m个串接电阻一一对应连接；所述多通道信号积分单元受可编程逻辑单元控制，负责采集信号；

7、所述可编程逻辑单元与模拟开关、多通道信号积分单元、静态存储单元和数据传输模块构成电连接；所述静态存储单元用于在可编程逻辑单元控制下写入和读出采集的信号数据；所述数据传输模块用于实现可编程逻辑单元与外部上位机之间的通讯；所述电源模块用于为其余各模块供电；

8、所述分压电阻与所述电阻式传感器阵列中的传感器电阻之间的分压比不超过10-2，所述多通道信号积分单元的放大倍率需使放大后的电压在0.1～4v。

9、作为上述第一方面的优选，所述模拟开关采用若干cd74hc4067芯片，通过级联满足所需的开关通道数量。

10、作为上述第一方面的优选，所述多通道信号积分单元采用积分芯片ddc264。

11、作为上述第一方面的优选，所述可编程逻辑单元采用cpld芯片epm570。

12、作为上述第一方面的优选，所述静态存储单元采用sram芯片is61lv25616al。

13、作为上述第一方面的优选，所述数据传输模块采用usb模块ch343g。

14、作为上述第一方面的优选，所述电源模块分为5v模拟电源、4.096v高精度参考电源、3.3v数字电源，5v模拟电源用于为模拟开关和多通道信号积分单元供电，4.096v高精度参考电源用于为多通道信号积分单元供电，3.3v数字电源用于为多通道信号积分单元和可编程逻辑单元供电。

15、作为上述第一方面的优选，所述上位机中搭载图形用户交互界面，用于实现配置串口、发送信息、数据文本显示、数据可视化和保存、背景扣除功能中的一种或多种。

16、作为上述第一方面的优选，通过调整所述分压电阻的阻值，使其与所述电阻式传感器阵列中的传感器电阻之间的分压比控制为10-3～10-4；通过调整所述串接电阻的阻值、所述多通道信号积分单元中的积分时间或所述多通道信号积分单元中的内置电容容值，使所述多通道信号积分单元中各积分通道的放大倍率能保证放大后的电压在1v左右。

17、第二方面，本发明提供了一种根据上述第一方面任一方案所述多点检测系统的电阻式传感器阵列信号串扰抑制方法，其包含如下步骤：

18、s1、上位机通过数据传输模块将积分时间、多通道信号积分单元配置字发送给可编程逻辑单元；可编程逻辑单元接收到串口数据后，启动并配置多通道信号积分单元；

19、s2、可编程逻辑单元通过控制模拟开关的数字信号端进行列扫描，扫描通道切换时间与s1中配置的积分时间相同；列扫描过程中，同一时刻仅给1列电阻传感器施加偏压，由分压电路中的m个分压电阻分别获得检测电压并输入到多通道信号积分单元的对应积分通道中进行积分放大；多通道信号积分单元在积分时间结束后，对各积分通道中积分放大后的积分电压行模数转换，转换得到的数字信号由数字信号端串行传入可编程逻辑单元，由可编程逻辑单元将数据暂存到静态存储单元中；

20、s3、每当完成一轮列扫描时，可编程逻辑单元读取静态存储单元中的所有数据，将其编码后通过数据传输模块发送给上位机。

21、本发明已具有但不限于以下有益效果：

22、1)电路结构简单，方便拓展到大规模电阻传感器阵列，模拟开关芯片和多路积分芯片均可级联；

23、2)采用并行积分放大方案，自带电压平均效果，只需列扫描，采样效率高；

24、3)抑制串扰效果好，串扰引起误差范围容易计算；

25、4)和一些现成数据采集卡系统匹配，只需加入分压电路；

26、5)直接获得传感器阵列电导数据，一般和物理场正相关，减少计算环节；

27、6)本发明可广泛应用于各类型电阻式传感器阵列的信号采集场合，包括柔性压阻阵列、光电导阵列、热敏电阻阵列等。

技术特征：

1.一种抑制电阻式传感器阵列信号串扰的多点检测系统，其特征在于：包括模拟开关、分压电路、多通道信号积分单元、可编程逻辑单元、静态存储单元、数据传输模块和电源模块；

2.如权利要求1所述的抑制电阻式传感器阵列信号串扰的多点检测系统，其特征在于：所述模拟开关采用若干cd74hc4067芯片，通过级联满足所需的开关通道数量。

3.如权利要求1所述的抑制电阻式传感器阵列信号串扰的多点检测系统，其特征在于：所述多通道信号积分单元采用积分芯片ddc264。

4.如权利要求1所述的抑制电阻式传感器阵列信号串扰的多点检测系统，其特征在于：所述可编程逻辑单元采用cpld芯片epm570。

5.如权利要求1所述的抑制电阻式传感器阵列信号串扰的多点检测系统，其特征在于：所述静态存储单元采用sram芯片is61lv25616al。

6.如权利要求1所述的抑制电阻式传感器阵列信号串扰的多点检测系统，其特征在于：所述数据传输模块采用usb模块ch343g。

7.如权利要求1所述的抑制电阻式传感器阵列信号串扰的多点检测系统，其特征在于：所述电源模块分为5v模拟电源、4.096v高精度参考电源、3.3v数字电源，5v模拟电源用于为模拟开关和多通道信号积分单元供电，4.096v高精度参考电源用于为多通道信号积分单元供电，3.3v数字电源用于为多通道信号积分单元和可编程逻辑单元供电。

8.如权利要求1所述的抑制电阻式传感器阵列信号串扰的多点检测系统，其特征在于：所述上位机中搭载图形用户交互界面，用于实现配置串口、发送信息、数据文本显示、数据可视化和保存、背景扣除功能中的一种或多种。

9.如权利要求1所述的抑制电阻式传感器阵列信号串扰的多点检测系统，其特征在于：通过调整所述分压电阻的阻值，使其与所述电阻式传感器阵列中的传感器电阻之间的分压比控制为10-3～10-4；通过调整所述串接电阻的阻值、所述多通道信号积分单元中的积分时间或所述多通道信号积分单元中的内置电容容值，使所述多通道信号积分单元中各积分通道的放大倍率能保证放大后的电压在1v左右。

10.一种根据权利要求1～9任一所述多点检测系统的电阻式传感器阵列信号串扰抑制方法，其特征在于，包含如下步骤：

技术总结
本发明公开了一种抑制电阻式传感器阵列信号串扰的多点检测系统及其方法。该系统包括电阻式传感器阵列、模拟开关、分压电路、多通道信号积分单元、可编程逻辑单元、静态存储单元、USB模块、电源模块和上位机程序。该系统采用分压‑积分放大方法，抑制串扰效果较好，检测精度较高，检测速度较快，易于拓展到更大规模阵列。该系统可用于柔性压阻阵列、光电导阵列、热敏电阻阵列等的信号采集场合。

技术研发人员：李尚卿,杨旸
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/22