一种阵列式压电传感器信号处理电路

1.本发明涉及信号处理电路技术领域，特别涉及一种阵列式压电传感器信号处理电路。


背景技术：

2.目前传感器已被应用到生活中的方方面面，例如智能手环中用于测量心率的光电传感器、智能鞋垫中的压力传感器等。其中基于压电效应的传感器作为一种自供能传感器，有着轻薄、能耗低、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠等优点，应用前景广泛。传感器阵列化能够使单点的数据扩展为一整个面的更高维度的数据，基于数据可视化的技术，能够获得更多有效的信息，是传感器发展的一个趋势。
3.然而，由于压电传感器往往具有很大的阻抗，因此需要大阻抗的电荷放大器来匹配。电荷放大器通常为在放大器负输入段和输出端之间连接一个电容形成积分电路，在电容两端并联一个较大阻值的电阻以防放大器饱和。然而，电路中的直流成分还是会影响放大器的输出。
4.此外，由于每个压电传感器都需要一个单独的电荷放大器用于放大信号，而高阻抗运放又常常是单通道设计。目前，压电传感器阵列的放大电路往往是根据固定规模的阵列单独设计一整块电路板，存在电路面积大、占用空间大的问题。对于不同大小、规模的传感器阵列，需要重新单独设计整个电路排布，大大增加了设计和制造成本。
5.因此，在现有压电传感器信号处理电路的基础上，如何提供一种压电信号处理电路，以灵活应对不同规模的压电传感器阵列，成为本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

6.鉴于上述问题，本发明提出了一种至少解决上述部分技术问题的阵列式压电传感器信号处理电路，可更精准的对压电传感器阵列进行信号采集。
7.本发明实施例提供一种阵列式压电传感器信号处理电路，包括：主板；
8.所述主板上设有微控制器，以及与所述微控制器连接的第一模拟开关；
9.所述第一模拟开关连接有第一电荷放大电路；所述第一电荷放大电路由多个电荷放大器组成；所述第一电荷放大电路与压电传感器阵列相连接，用于采集压电传感器信号；
10.所述微控制器向所述第一模拟开关发送地址信号；所述第一模拟开关根据所述地址信号选择所要读取的压电传感器信号通道，采集第一模拟信号；所述微控制器接收所述第一模拟信号并对所述第一模拟信号进行处理。
11.进一步地，还包括：扩展板；
12.所述扩展板设有第二电荷放大电路，以及与所述第二电荷放大电路连接的第二模拟开关；所述第二电荷放大电路由多个电荷放大器组成；
13.所述第二模拟开关与所述微控制器相连接；所述第二电荷放大电路与压电传感器阵列相连接，采集压电传感器信号；
14.所述微控制器向所述第二模拟开关发送地址信号；所述第二模拟开关根据所述地址信号选择所要读取的压电传感器信号通道，采集第二模拟信号，并将所述第二模拟信号发送至所述微控制器。
15.进一步地，所述扩展板上还设有扩展板使能口；所述扩展板使能口连接所述扩展板的电源网络；
16.所述主板上还设有接口电路；所述接口电路内部设有第三模拟开关；
17.所述第三模拟开关分别与所述扩展板使能口和所述微控制器相连接；
18.所述微控制器向所述第三模拟开关发送地址信号；所述第三模拟开关根据所述地址信号选择所要读取的压电传感器信号通道，采集第三模拟信号，并将所述第三模拟信号发送至所述微控制器；
19.所述微控制器根据所述第三模拟信号，获取连接到所述主板上的扩展板数量和位置。
20.进一步地，所述主板上设有电源电路，用于为所述主板和所述扩展板供电。
21.进一步地，所述微控制器与所述接口电路连接的输入端口设有下拉电阻；
22.当所述主板连接所述扩展板时，通过所述扩展板使能口，所述电源电路与所述扩展板的电源网络相连接；通过所述下拉电阻，所述接口电路连接的输入端口的电平由低电平变为高电平；
23.所述微控制器根据获取的所述第三模拟信号的电平，获取连接到所述主板上的扩展板数量和位置。
24.进一步地，所述微控制器内部设有模拟数字转换器，用于将获取的模拟信号转化为数字信号。
25.进一步地，所述主板上还设有发送电路，用于将所述数字信号无线发送至终端。
26.进一步地，所述微控制器内部还设有串口；所述微控制器通过所述串口将所述数字信号传输至所述发送电路。
27.进一步地，所述模拟数字转换器为片上adc或外部adc芯片。
28.本发明实施例提供的上述技术方案的有益效果至少包括：
29.本发明实施例提供的一种阵列式压电传感器信号处理电路，包括：主板；主板上设有微控制器，以及与微控制器连接的第一模拟开关；第一模拟开关连接有第一电荷放大电路；第一电荷放大电路由多个电荷放大器组成；第一电荷放大电路与压电传感器阵列相连接，用于采集压电传感器信号；微控制器向第一模拟开关发送地址信号；第一模拟开关根据地址信号选择所要读取的压电传感器信号通道，采集第一模拟信号；微控制器接收第一模拟信号并对第一模拟信号进行处理。可更为精准的对压电传感器阵列进行信号采集。
30.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
31.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
32.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实
施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
33.图1为本发明实施例提供的阵列式压电传感器信号处理电路系统框架图一；
34.图2为本发明实施例提供的微控制器工作流程图；
35.图3为本发明实施例提供的电荷放大器原理图；
36.图4为本发明实施例提供的阵列式压电传感器信号处理电路系统框架图二。
具体实施方式
37.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
38.本发明实施例提供一种阵列式压电传感器信号处理电路，参照图1所示，包括：主板；
39.主板上设有微控制器，以及与微控制器连接的第一模拟开关；
40.第一模拟开关连接有第一电荷放大电路；第一电荷放大电路由多个电荷放大器组成；第一电荷放大电路与压电传感器阵列相连接，用于采集压电传感器信号；
41.微控制器向第一模拟开关发送地址信号；第一模拟开关根据地址信号选择所要读取的压电传感器信号通道，采集第一模拟信号；微控制器接收第一模拟信号并对第一模拟信号进行处理。
42.本实施例提供的阵列式压电传感器信号处理电路，可灵活应对不同规模的压电传感器阵列，对不同规模的压电传感器阵列进行信号采集，并具有占用面积小、可扩展的优点。
43.具体地，参照图1所示，主板上设有微控制器(可采用mcu)、第一电荷放大电路、第一模拟开关、接口电路、发送电路和电源电路。与主板相连的扩展板上设有第二电荷放大电路、第二模拟开关和扩展板使能口。微控制器内部设有模拟数字转换器(adc)，用于将获取的模拟信号转化为数字信号。
44.连接压电传感器阵列的第一电荷放大电路的输出信号连接到第一模拟开关，第一模拟开关根据微控制器发送的地址信号选择所要读取的信号通道，采集生成第一模拟信号，并该第一模拟信号传输至微控制器。其中，输出信号为传感器压电信号。电荷放大电路用于将压电传感器微弱的电荷信号转化为信噪比更高、可以被adc转化的电压信号。微控制器向模拟开关发送地址信号，与模拟开关向微控制器发送采集的模拟信号为两条不同的线路，地址信号直接从微控制器的端口输出；模拟信号从端口进入微控制器后需要经过adc处理，经过数模转换变成数字信号。
45.扩展板上，连接压电传感器阵列的第二电荷放大电路的输出信号连接到第二模拟开关，第二模拟开关根据微控制器发送的地址信号选择所要读取的信号通道，采集生成第二模拟信号，并该第二模拟信号传输至微控制器。
46.进一步地，接口电路内部设有第三模拟开关，分别连接微控制器和扩展板使能口。与上述描述同理，第三模拟开关接收微控制器发送的地址信号选择所要读取的信号通道，采集生成第三模拟信号，并该第三模拟信号传输至微控制器。
47.在微控制器与接口电路连接的输入端口设有下拉电阻，因此当没有连接扩展板时，该输入端口稳定为低电平。扩展板使能口直接连接至扩展板上的正极电源网络。当扩展板插入主板时，主板上由电源电路(电池)驱动的电源网络与扩展板上无源的电源网络相连，将输入端口的电平拉高至高电平，微控制器就会得到高电平信号。主板上带有的第三模拟开关将轮询所有扩展板使能口的电平信号，从而获取接入扩展板的数量和位置并初始化。
48.来自扩展板的若干个输入信号接入第三模拟开关，在主板刚上电启动时，微控制器输出扩展板扫描地址信号，让第三模拟开关选择要读取的信号，如果该地址对应的信号(第三模拟信号)是高电平则这个地址上的接口存在扩展板，就初始化该地址相对应的adc通道，而没有扩展板的地址就不初始化相对应的adc通道，以此来减少电路的功耗，减小程序的执行周期。
49.具体地，启动后，首先轮询扩展板使能口的高电平信号数量和地址，并初始化相应的adc通道；之后，mcu发出0x00的地址信号，主板和扩展板上的模拟开关的通道0与公共输出端连通，压电传感器中与通道0连接的压电传感器信号被电荷放大器放大后，经过模拟开关传输至mcu，mcu内部的adc将模拟信号转化为数字信号后，按顺序同时读取主板和扩展板上第一位压电信号，并存储到片上ram存储器(随机存储器)或外部rom存储器(只读存储器)中。
50.读取结束后地址信号递增为0x01，模拟开关的通道1与公共输出端连接，mcu读取该通道压电信号并存储，直至地址递增到0x07；读完该通道信号后，mcu将所有的压电信号打包为一帧数据帧并通过发送电路发送至终端；地址信号归零至0x00，并开始下一轮的信号读取。如果模拟开关具有16通道，则地址递增至0x0f再归零，以此类推。
51.参照图2所示，主板上微控制器的工作流程为：初始化系统时钟、初始化输入输出端口gpio、串口usart。之后，微控制器输出递增的地址给接口电路中的模拟开关(第三模拟开关)，当轮询完所有接口后，初始化存在扩展板的接口所对应的adc通道。之后，程序进入主循环，输出递增的地址信号给电荷放大电路所连接的模拟开关(第一模拟开关)，这个地址信号同样也会传输至扩展板中的模拟开关(第二模拟开关)，用adc读取完这个地址的电压信号后，将地址增加并继续读取，即读取下一列传感器信号，读取的数值存储在内部或外部存储器中。当读取完整个传感器阵列后，微控制器将存储的所有数据打包为一帧，通过发送电路无线发送至上位机，并开始下一轮循环。
52.其中，接口电路中的模拟开关(第三模拟开关)用于判断接入的扩展板数量和位置，其余模拟开关(第一模拟开关和第二模块开关)连接电荷放大器，使一个通道的adc能读取多个模拟信号。
53.可选地，使用stm32等微控制器片上adc或外部adc芯片将电荷放大电路的输出模拟信号转化为数字信号。
54.可选地，第一模拟开关、第二模块开关和第三模拟开关可采用cd4051模拟开关芯片。
55.可选地，主板通过蓝牙模块hc-05将压电传感器数据矩阵(一帧数据帧)发送至电脑上位机进行处理。
56.可选地，扩展板和主板上均带有指示灯，用于提示扩展板是否已接入。
57.可选地，主板上的电源电路使用锂电池或外部电源整流后给整个电路供电。
58.具体地，参照图3所示，为电荷放大电路(第一电荷放大电路和第二电荷放大电路)中的电荷放大器原理图。其中，电荷放大电路除了连接放大器负输入端和输出端的电容(c5)，还有一个串联在负输入端的电容(c1)用于隔绝直流信号；电容c1和电容c5用于隔离高频干扰。r9为反馈电阻，和r5共同决定了电路增益。电路左边为压电传感器信号输入端，右侧为放大后的信号。
59.本实施例提供的阵列式压电传感器信号处理电路，对于数量较少的压电传感器阵列，可以使用主板上带有的电荷放大器来处理信号。如图1所示，若干个压电传感器的信号接入主板上相对应的电荷放大器后，微控制器通过输出对应的地址信号给模拟开关来选择所需读取的传感器信号。经过模拟开关选择后的模拟信号通过微控制器的片上adc转化为数字信号后经由片上串口传输至主板上的发送电路，并无线发送至上位机处理。
60.参照图4所示，对于数量较多、规模较大的压电传感器阵列，可以在主板上外接若干块扩展板来实现信号的读取，其中每块扩展板能够读取的通道数由电路中的模拟开关的通道数决定，采用相同的电路，以此来减少设计成本和制造成本。同样地，压电传感器输出的信号在接入电荷放大器之后由模拟开关选择后，接入主板微控制器的片上adc转换为数字信号。
61.其中，模拟开关的地址信号与主板的地址信号为同一信号。扩展板不自带电源，其电源网络与主板连接，由主板提供电源。当压电传感器阵列规模较大时，可以使用多块扩展板，将大量电荷放大器分散布置，可以将多块扩展板堆叠放置，从而减少占用空间，减少电路板面积。
62.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。