第12卷 第3期 Vol.12 No.3 2019 年 6 月 June 2019

压阻式阵列自动测试分析系统的设计与实现 梅海霞，于 赫，程子轩，王佳宁，于存江*

（长春大学电子信息工程学院，长春 130022）

摘要：设计并制作了一种基于行列扫描技术的压阻阵列自动测试分析系统，其大大提高了触觉采样的速度。触

觉图像采样频率的提高，为整个触觉系统的实时处理创造了条件。实验结果显示，该自动测试分析设备能够

实时、准确地显示触觉传感阵列所受力的大小和方位，且该方法可进一步推广并应用到其他不同的压阻传感

阵列测试上。

关键词：电子技术；测试系统；行列扫描；触觉传感器 中图分类号：TP73 文献标识码：A 文章编号：1674-2850(2019)03-0422-07

Design and implementation of automatic test analysis system for piezoresistive array

MEI Haixia, YU He, CHENG Zixuan, WANG Jianing, YU Cunjiang

(School of Electronic and Information Engineering, Changchun University, Changchun 130022, China)

Abstract: In this paper, an automatic test analysis system for piezoresistive array based on line-scan technology is designed and produced, which greatly improves the speed of tactile sampling. The improving of the tactile image sampling frequency creates conditions for real-time processing of the whole tactile system. The experimental results show that the automatic test analysis equipment can display the force and its orientation on the tactile sensor array in real time and accurately, and the method can be spread and used to other different piezoresistive sensor array tests. Key words: electronic technology; test system; line-scan; tactile sensor

0 引言 触觉压力传感器除拥有刚性压力传感器的特点外，还具备很好的柔韧性，能够随意卷曲或弯折，它

可以检测任意两个柔性接触面或一刚一柔两个接触面之间表面作用力的分布，一般为平面结构，质软，

较薄。触觉传感器与刚性压力传感器的区别在于传感材料的柔韧性和电极的柔韧性。它可以应用于检测

接触面形状复杂的零件，能满足无损检测、医疗机械、交通安全、机器人等领域中特殊的应用要求[1~5]。 检测系统发展的脚步紧跟着传感器技术的进步，它们相互促进、密不可分[6~11]。由于人工读取压力

传感器数据这种方式要耗费大量的人力来进行压力传感器的检定与标定，且误差较大，尤其是当触觉的

阵列数增加时，基于单个触觉单元的扫描采样方式将严重影响单帧触觉图像的采样速率。 基于上述情况，本文提出了一种新的阵列扫描采样电路——行扫描采样电路，以提高触觉采样的速

度，并为整个触觉系统的实时处理创造条件。本文在此基础上，设计并制作了一款能够满足触觉传感阵

列测试的自动测试分析设备。该设备的控制主芯片采用 80C51F320，芯片内置 USB 模块和 AD 转换模块，

基金项目：长春大学青年教师培育项目（2016JBC02L06） 作者简介：梅海霞（1985—），女，讲师，主要研究方向：柔性压力传感 通信联系人：于存江，教授，主要研究方向：无线传感网络. E-mail: 358219140@qq.com

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以降低硬件电路的复杂性，并且经济实用。通过 USB 实现供电、数据传送和调试，即插即用、方便快捷。

并且系统同一时刻只对特定行列供电，即同一时刻只对一个单元器件供电，以降低器件之间的电流干扰，

达到节能环保的效果。最后采用 LabVIEW 设计上位机软件，完成数据的接收、分析以及测试结果的三

维展示。

1 测试方案的设计 1.1 传感阵列行列扫描模型

单个传感单元的传感信息采样，即对应的采样系统需要对每个传感单元单独采样。对于 N×N 的传

感阵列，系统需要对 N2 个传感单元进行采样，系统对应需要 N2 个测量端口。若采用行列扫描技术，系

统单片机则只需要控制 2N 个测量端口。因此，采用行列扫描技术，将大大减少系统的复杂性，从而提

高系统的采样速率。 本文以柔性压敏传感器阵列为例，该传感阵列包含 4×4 个传感单元，实物如图 1 所示，其制作方法

及相关参数见文献[12]。为检测传感阵列表面的压力大小及位置，需将每个传感单元的电阻值逐个读取

出来。为降低系统传感信息采集的复杂度，各传感单元间通过共用行列聚对苯二甲酸乙二醇酯

（polyethylene terephthalate，PET）/氧化铟锡（indium tin oxide，ITO）导线连接。若在数据采集过程中

能够对每个行列 ITO 导线单独选通，则传感单元的电阻可采用扫描电路逐行逐列地进行扫描读取。

1.2 传感阵列行列扫描模型

图 2 为该 4×4 压敏传感阵列行列扫描模型。如图 2 所示，可将每个传感单元看作一个可变电阻，电

阻的大小随传感单元上所施加外力的大小而改变。由于各传感单元之间用绝缘衬垫隔离，且传感单元在未

施加外力时，电阻足够大，可以近似看作绝缘，因此在电路扫描过程中，传感单元间是隔离的，且无串扰。

在外力的作用下，敏感单元因所受压力不同而产生不同的阻值变化，进而产生不同的电压值。传感

单元的电阻值 Rx 可以通过以下公式得出：

xx f

DD x

VR RV V

= ×−

，

图 2 传感阵列行列扫描模型

Fig. 2 An line-scan model of the sensor array

图 1 传感阵列实物图

Fig. 1 Physical photo of the sensor array

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其中，Rf 为参考电阻；Vx 为敏感电阻电压；VDD 为电源电压。 根据标定实验得到导电橡胶的压阻特性关系，并能够将其换算成相对应的压力值。根据采样时序和

采样的数据顺序，可以精确区分各个压力信号的位置。可以将采样数据转换后的压力值和各个信号的位

置精确还原为传感阵列表面的压力分布状况及轮廓信息。

1.3 检测系统的电路配置

传感阵列的实时检测可以看作是在极短的时间内对该 4×4 个传感单元进行多次数据采集。其电路配

置如图 3 所示，包含 4 个部分：1）传感单元。多路模拟切换器 CD4051 为双向多路模拟开关，它可以控

制传感阵列的 16 个敏感单元的选通，实现同一时间内只有一个传感单元信号选入并检测。2）信号调理

单元。采集到的数据经过信号调理单元的 R-V 转换和 AD 转换后从传感单元的电阻转换为能被单片机识

别的电压信号。3）控制单元。通过单片机输出控制 16 个敏感单元的巡回选通，从而达到行列扫描的目

的。通过 AD 采样实现传感阵列信号检出，最后通过 USB 总线定时发送传感信号。4）数据转换处理系

统。该单元可实现 USB 总线数据接收以及数据存储和分析，最终将得到的信息以二维或三维图解的方式

展现出来。

图 3 检测系统基本配置

Fig. 3 Basic configuration of test system

2 控制单元

2.1 硬件设计

单片机是将微型计算机的主要部分都集成在一个芯片上的单芯片微型计算机，其种类繁多、功能多

样。由于检测系统所需程序空间较小，同时要求 AD 采样和 USB 总线通信方式，为降低检测电路的复杂

性，本文选用 80C51F320 单片机作为系统的核心。 图 4 为检测系统 USB 部分的示意图。在本文的设计中，USB 作为连接检测电路与 PC 机的纽带，不

仅要完成与 PC 机的数据通信，还担负着为整个检测电路供电的重任。USB 接口提供的电压经过 6 个去

耦电容输给单片机，其大小为 5 V. 图 5 为检测系统阵列行列选通的示意图。柔性压力传感器阵列与两个多路模拟控制开关 CD4051B

芯片直接相连。每个 CD4051B 芯片都可以看作是单刀八掷开关，导通的通道由芯片接收的 3 位指令 ABC来决定。“INH”为禁止引脚，当它为高电平时，各个通道均处于断开状态。80C51F320 控制器通过 I/O输出控制 CD4051B 芯片输入 ABC 指令，以控制传感阵列的行列巡回导通。

该检测系统采用 USB 进行供电、采样、数据传送、调试，既避免了额外接电源所带来的硬件电路尺

寸增大等问题，又可以即插即用，方便快捷。芯片 80C51F320 内置 USB 模块和 AD 转换模块，降低了

硬件电路的复杂性，并且经济实用。

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图 4 检测系统 USB 部分的示意图

Fig. 4 Schematic diagram of USB part in test system

图 5 检测系统阵列行列选通示意图

Fig. 5 Schematic diagram of line selection in the test system array

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2.2 主程序流程

C 语言作为一种同时拥有高级语言逻辑性与汇编

语言简捷性的计算机编程语言，其句式简练，运算符

和数据类型种类繁多，表达运用方式灵活实用，可移

植性好，程序执行效率高，表达力强，便于纠错、改

进和扩充，可降低故障率。本文中的 80C51 系列单片

机软件程序采用 C 语言编写。利用 C 语言编程，压力

检测系统的电路主程序流程图如图 6 所示。 该软件程序的主要功能是完成整个电路的初始

化，根据时钟源计时录入传感数据信息以及将数据信

息通过 USB 向 PC 机发送等。由图 6 可以看出，该程

序为闭合循环过程。程序的运转周期为 200 ms，即对

传感阵列 16 个敏感单元的一次完整扫描时间为 200 ms.

3 数据转换处理系统

前面的研究，虽然能将传感数据传输到 PC 机中，

但需要耗费大量的精力对数据做进一步处理，而且不能准确并实时地检测外力的大小和位置。 随着计算机技术和微电子技术的发展，测控领域的面貌不断更新。采用 LabVIEW 等专业测控软件，

可以方便快捷地组建性能优异的现场测控系统。本文基于 LabVIEW，设计了数据自动分析系统。

3.1 USB 底层驱动程序设计

LabVIEW 的虚拟仪器软件体系结构（virtual instrument software architecture，VISA）是一种高级应

用编程接口，可用于与各种仪器总线进行通讯。与传统的 USB 开发工具（Windows DDK、Driver Studio）相比，它更易于操作，且开发难度低、效率高。

使用 NI-VISA 之前，必须设置 Windows 的 INF 文件（系统硬件设置配置文件），使 NI-VISA 作为设

备的缺省驱动程序使用。驱动程序可通过 INF 文件识别外接硬件设备。下面简单介绍 USB 底层驱动的

设计过程。 启动 VISA Driver Wizard 程序，在 PXI/PCI 或 USB 设备的硬件总线选择界面上，选择 USB 设备。 在 VI-SA DDW 基本设备信息窗口，选择新插入的检测电路 USB 的 PID 和 VID. PID 和 VID 都是 16 位

16 进制数字，由设备制造商提供。 在 USB Instrument Prefix 中输入文件名，并在"output file directory"中选择文档存放目录。 将新生成的 INF 文件复制到 Windows 文件夹下的 INF 文件夹后，点击右键安装。 Windows 能自动检测到新插入的 USB 设备。在 LabVIEW 中，可通过调用 NI-VISA 的相关控件实现

对 USB 设备的操作。

3.2 LabVIEW 程序编写

LabVIEW 的 VISA 库是一个可调用的操作函数集，作为高层应用程序接口，通过它可调用底层的驱

动程序来控制仪器设备。 图 7 为 LabVIEW 程序设计流程图。USB RAW VISA resource name 写入需要打开的设备名称，VISA

图 6 电路主程序流程图

Fig. 6 Flowchart of main program in circuit

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Open 可打开 VISA 资源的连接，VISA Enable Event 模块使能 USB 中断事件，打开 USB 中断，同时计时

1 000 ms. 若 1 000 ms 未接收到 USB 数据，则 LabVIEW 停止运行同时报错。若接收到数据，则将数据

读出并经 V-P 函数转换，将采集到的电压信号根据压敏橡胶的压阻特性转换为压力值。总线上的一维压

力数据转化为二维数组格式，最后在 LabVIEW 前面板的强度表中显示（如图 8 所示）。

图 7 LabVIEW 程序设计流程图

Fig. 7 Flowchart of LabVIEW program design

4 测试结果与分析 检测电路能够将传感阵列中的传感单元电压信号采集，并且通过 USB 通信技术将这些数据传输到

PC 机中。LabVIEW 对采样数据进行分析，并将分析结果以强度表的方式给出。强度表中颜色的深浅对

应传感阵列节点所受外力的大小。压力颜色越深，表示压力传感阵列所受外力越大。图 9 为在传感阵列

提供外力时，整体测试的结果。如图 9 所示，对传感阵列施加一个“U”形外力，强度表显示的外力形

状也是“U”形。从以上结果可以看出，该检测电路能准确检测外力的大小和位置，并实时地分析并显示。

图 8 LabVIEW 强度表

Fig. 8 LabVIEW pressure intensity graph

图 9 测试结果显示

Fig. 9 Display of the test result

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5 结论 本文设计了一款传感阵列测试的自动测试分析系统。该系统具有以下优点： 1）设备控制主芯片采用 80C51F320，该芯片内置 USB 模块和 AD 转换模块，降低了硬件电路的复

杂性，并且经济实用。 2）通过 USB 可实现供电、数据传送和调试，即插即用，方便快捷。 3）采用行列扫描电路，系统同一时刻只对特定行列供电，即同一时刻只对一个单元器件供电，降低

了器件之间的电流干扰，节能环保。 4）最后采用 LabVIEW 设计上位机软件，完成数据的接收、分析及测试结果的自动三维展示。 测试结果表示如下： 1）该自动测试分析设备能够实时准确地显示传感阵列所受力的大小和方位； 2）该测试系统同时适用于其他压阻阵列测试。

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（责任编辑：肖书笑）