基于运算放大器的阻性传感器阵列读出电路及其读出方法与流程

本发明涉及一种阻性传感器阵列读出电路及其读出方法，属于传感器技术领域。

背景技术：

阵列式传感装置就是将具有相同性能的多个传感元件，按照二维阵列的结构组合在一起，它可以通过检测聚焦在阵列上的参数变化，改变或生成相应的形态与特征。这个特性被广泛应用于生物传感、温度触觉和基于红外传感器等的热成像等方面。

阻性传感器阵列被广泛应用于红外成像仿真系统、力触觉感知与温度触觉感知。以温度触觉为例，由于温度觉感知装置中涉及热量的传递和温度的感知，为得到物体的热属性，装置对温度测量精度和分辨率提出了较高的要求，而为了进一步得到物体不同位置材质所表现出的热属性，则对温度觉感知装置提出了较高的空间分辨能力要求。

阻性传感器阵列的质量或分辨率是需要通过增加阵列中的传感器的数量来增加的。然而，当传感器阵列的规模加大，对所有元器件的信息采集和信号处理就变得困难。一般情况下，要对一个M×N阵列的所有的传感器的进行逐个访问，而每个传感器具有两个端口，共需要2×M×N根连接线。这种连接方式不仅连线复杂，而且每次只能选定单个待测电阻进行测量，扫描速度慢，周期长，效率低。为降低器件互连的复杂性，可以引入共用行线与列线的二维阵列，将扫描控制器与单个运算放大电路和多路选择器结合，但是其必然增加了电路的复杂度，因此如何减少扫描次数，减小电路复杂度就成了一道需要攻克的难题。

关于电阻式传感阵列的检测研究，2006年R.S.Saxena等人提出了基于红外热成像的阵列检测技术，测试结构是基于电阻传感网络配置，基于电阻的线性与齐次性使用补偿网络定理和叠加网络定理开发了该电阻网络的理论模型。使用16×16阵列网络热辐射计阵列验证，仅使用32个引脚，已经证实，该模型针对器件损坏或器件值的微小变化都可以有效分辨，它具有一定精度，但是在检测速度上依然存在技术缺陷。2009年Y.J.Yang等人提出了一个32×32阵列的温度和触觉传感阵列，用于机械手臂的人造皮肤，该电路为了保证检测精度，屏蔽阵列内非待测电阻的干扰，在阵列的每一列都引入了运算放大电路，其电路复杂度大大增加，且其内阻的干扰也不能有效避免，检测效率、电路复杂度以及避免电子器件内部等效内阻的干扰成为最大的技术瓶颈。

有相关文献提出了一种通过对传感器阵列建立、并求解电阻矩阵方程的方法来读出阵列中的电阻阻值。其将阻性阵列的第一行设置为标准电阻，相应列方向上采用ADC采集列电压数据，在行方向上使第一行至最后一行依次接地，其余行输入高电平，每次过程中通过ADC采出对应行接地时对应列的电压，列出矩阵方程，分别求出每列中的电阻与标准电阻的关系并求解。该方法虽然在很大程度上避免串扰电流，同时减少了电路复杂度，检测速度较高，运算复杂度较低，但没有考虑到通过单片机输出高低电平时其等效内阻的存在，同时阵列中电阻阻值范围局限于某一区间内，对于大范围电阻阻值的测量问题还是没有解决，所以还需要寻求一种在不提高运算复杂度的前提下，能够有效避免电压输出口等效内阻的干扰的方法，同时在电阻阻值范围上也需要进一步的扩大。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提出阻性传感器阵列读出电路及其读出方法，可以实现对共用行线和列线的二维阻性传感器阵列中所有阻性传感器(物理量敏感电阻)的快速检测，同时可以有效消除控制器IO端口直接驱动电路时输出电阻的影响，提高测量精度，同时扩大测量量程。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

基于运算放大器的阻性传感器阵列读出电路，所述阻性传感器阵列为共用行线和列线的M×N阻性传感器阵列；所述读出电路包括：

标准电阻行，其包括一行N个电阻值已知的标准电阻，作为新的一行被增设于所述阻性传感器阵列中，从而得到一个新的共用行线和列线的(M+1)×N电阻阵列；

(M+1)个运算放大器，与所述新的共用行线和列线的(M+1)×N电阻阵列的(M+1)条行线一一对应，每个运算放大器的反相输入端、输出端连接于一点后与其所对应行线连接；

控制器，其具有至少(M+1)个IO端口以及至少N个ADC采样端口，其中的(M+1)个IO端口与所述(M+1)个运算放大器的同相输入端一一对应连接，其中的N个ADC采样端口与所述新的共用行线和列线的(M+1)×N电阻阵列的N条列线一一对应连接。

如上所述读出电路的读出方法，包括以下步骤：

步骤1、控制器控制与标准电阻行所连接的IO端口输出低电平，而其余M个IO端口输出高电平；与此同时控制器通过与N条列线连接的N个ADC采样端口采集N根列线的电压，此时第j条列线的列电压记为V_sj，j＝1,2,…,N；

步骤2、控制器依次控制与M×N二维阻性传感器阵列的第i行所连接的IO端口输出低电平，而其余M个IO端口输出高电平；与此同时控制器通过与N条列线连接的N个ADC采样端口采集N根列线的电压，此时第j条列线的列电压记为V_ij，i＝1,2,…,M，j＝1,2,…,N；

步骤3、利用下式计算出所述二维阻性传感器阵列中每个阻性传感器的电阻值：

式中，R_ij表示所述二维阻性传感器阵列中第i行第j列的阻性传感器的电阻值，R_sj表示接入所述二维阻性传感器阵列中第j列的标准电阻的电阻值，V_cc表示控制器IO端口所输出的高电平电压。

相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明测量方法采用了(M+1)个运算放大器，可以有效避免控制器IO口连接负载时由于驱动电流导致的输出电阻的影响。由于控制器的(M+1)个IO端口分别与对应行的运算放大器的同相输入端相连，输出电平时驱动电流为0，进而避免了控制器通用数字IO端口的输出内阻的影响，在低运算复杂度的前提下提高了阻性传感阵列中物理量敏感电阻的测量精度。

(2)本发明测量方法通过控制器的N个ADC采样通道，实现对当前驱动电平为低电平的电阻行的一次性电压采样。由于N个ADC采样通道分别与二维阻性传感阵列的N条列线相连，对标准电阻行施加低电平的同时，对其他行施加高电平，可采集到N个标准电压值，再对M×N物理量敏感电阻阵列中任意一行施加低电平，同时包括标准电阻行在内的其他行施加高电平，采集到对应于该行的N个电压值，最终得到M×N个电压值，结合控制器输出的高电平V_cc以及N个标准电压值，可一次性求得该行中所有物理量敏感电阻的阻值，进而逐一选定剩余待测行，最终完成阵列中所有待测物理量敏感电阻的测量，并最终提高测量速度。

(3)本发明测量方法需要的额外器件只包括(M+1)个运算放大器及N个标准电阻，在确保测量精度的前提下，减少了器件间连线的数量以及电路复杂度。

附图说明

图1是为共用行线和列线的M×N二维阻性传感器阵列结构示意图；

图2是现有阻性传感阵列读出电路的电路示意图；

图3是本发明读出电路的电路示意图；

图4是标准电阻行的驱动电平为低电平时阵列中每列列方向上的电流流向示意图；

图5是标准电阻行的驱动电平为低电平时第1列电阻电流规律的简化示意图；

图6是第1行物理量敏感电阻的驱动电平为低电平时阵列中每列列方向上的电流流向示意图；

图7为第1行物理量敏感电阻的驱动电平为低电平时第1列电阻电流规律的简化示意图；

图8是第i行物理量敏感电阻的驱动电平为低电平时第1列电阻电流规律的简化示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

为降低阻性传感器阵列的器件互连的复杂性，有研究者提出了共用行线与列线的二维阵列结构。图1显示了共用行线和列线的二维阻性传感器阵列的结构。如图1所示，该传感器阵列包括分别作为共用行线和共用列线的两组正交线路及按照M×N的二维结构分布的物理量敏感电阻(即阻性传感器)阵列，阵列中的各个物理量敏感电阻一端连接相应的行线，另一端连接相应的列线，阵列中的每个电阻都有唯一的行线与列线的组合，处于第i行第j列的电阻用R_ij表示，其中，M为行数，N为列数。采用该种结构可使得按照M×N的二维结构分布的阵列，只需要M+N根连线数目即可保证任何一个特定的电阻元件可以通过控制行线和列线的相应组合被访问，因此所需连线数大幅减少。

图2显示了一种现有阻性传感阵列读出电路，该读出电路为单线驱动行线的测量方法。如图2所示，在该电路中，共用行线和列线的M×N二维阻性传感器阵列的第一行前接入了一行N个电阻值已知的标准电阻R_sj，j＝1,2,…,N，标准电阻行与阻性传感器阵列一起构成一个新的共用行线和列线的(M+1)×N电阻阵列。在该读出电路中，电阻阵列的每根行线和读出电路之间只有一根连接线，控制器通过IO端口直接与电阻阵列的每一根连接线对应相连，并由其ADC采样端口采集列线上的电压。该电路在理想工作状态下，控制器输出电平至每一根行线时，每一个IO端口存在的输出电阻被忽略，由此行线x_rs、x_r1、x_r2、…、x_rM端的电压为控制器IO端口输出的电平值V_cc或0V。根据扫描阵列时采集到的列线电压值和每一根行线上的电压值，根据基尔霍夫定律即可列出方程求解。而该电路在实际工作情况下，控制器IO端口的输出电平与驱动电流有关，因此，上述因素导致每一根行线上的电压值与V_cc或者0V不相等，使阵列中电阻的测量误差变大。

为了克服图2读出电路存在的缺点，消除控制器IO端口直接驱动电路时的输出电阻的影响，本发明提出了一种利用运算放大器作为电压跟随驱动器的方法，来消除IO端口作为驱动电路时的输出电阻影响。

图3显示了本发明阻性传感阵列读出电路的电路示意图，如图3所示，其包括增设于共用行线和列线的M×N二维阻性传感器阵列中的一行N个电阻值已知的标准电阻R_sj，j＝1,2,…,N，标准电阻行与阻性传感器阵列一起构成一个新的共用行线和列线的(M+1)×N电阻阵列；为了便于计算，所述N个标准电阻的电阻值最好相同。本发明读出电路还包括控制器及对应于电阻阵列每一行的共(M+1)个运算放大器。与图2电路不同的是，本发明为电阻阵列的每条行线分别设置了一个对应的运算放大器。如图3所示，每个运算放大器的反相输入端、输出端连接于一点后通过一根连接线与其所对应行线连接，每一行的运算放大器的同相输入端与对应的控制器IO端口相连。在实际工作情况下，根据运算放大器的虚断作用，其同相输入端电流为0，故控制器的IO端口输出电平时没有驱动电流，可消除IO端口直接驱动电路时存在的输出电阻的影响。同时，在运算放大器的驱动能力足够的前提下，根据其虚短作用，当前每一根行线的电压跟随运算放大器同相输入端电压变化，即阵列中每一根行线上的电压等于控制器IO端口输出的电压V_cc或0V。这样就实现了控制器IO端口直接驱动电路时存在的输出电阻、驱动连接线的引线电阻的虚拟隔离，进而提高了测量精度。

本发明读出电路的读出方法具体按照以下步骤：

步骤1、控制器控制与标准电阻行所连接的IO端口输出低电平，而其余M个IO端口输出高电平；与此同时控制器通过与N条列线连接的N个ADC采样端口采集N根列线的电压，此时第j条列线的列电压记为V_sj，j＝1,2,…,N；

步骤2、控制器依次控制与M×N二维阻性传感器阵列的第i行所连接的IO端口输出低电平，而其余M个IO端口输出高电平；与此同时控制器通过与N条列线连接的N个ADC采样端口采集N根列线的电压，此时第j条列线的列电压记为V_ij，i＝1,2,…,M，j＝1,2,…,N；

步骤3、利用下式计算出所述二维阻性传感器阵列中每个阻性传感器的电阻值：

式中，R_ij表示所述二维阻性传感器阵列中第i行第j列的阻性传感器的电阻值，R_sj表示接入所述二维阻性传感器阵列中第j列的标准电阻的电阻值，V_cc表示控制器IO端口所输出的高电平电压。

图4显示了在本发明测量装置中当标准电阻行的驱动电平为低电平时，阵列中每列列方向上的电流流向，图中电阻阵列的第s行为标准电阻行，其余M行为待测物理量敏感电阻行。控制器控制对应于标准电阻行的IO端口输出低电平(0)，其余M个IO端口输出高电平(V_cc)，M个高电平V_cc经对应行的运算放大器分别由行线x_r1、x_r2、…、x_rM作用于第1列电阻R₁₁、…、R_M1，第2列电阻R₁₂、…、R_M2，…，第N列电阻R_1N、…、R_MN，最后汇集至每列对应的标准电阻R_s1、…、R_sN，经x_rs流出。同时，控制器控制N个ADC采样端口采集N个列线上的电压值，即标准电压V_s1、V_s2、…、V_sN。

以第1列电阻为例，图5是标准电阻行的驱动电平为低电平时第1列电阻电流规律的简化示意图，阵列中标准电阻行的驱动电平为低电平，高电平V_cc分别作用于第1列电阻R₁₁、…、R_M1后经R_s1至地端，V_s1为标准电阻行驱动电平为低电平时第1列列线的标准电压值，根据基尔霍夫电流定律，得到

图6为第1行物理量敏感电阻的驱动电平为低电平时阵列中每列列方向上的电流流向示意图。图中电阻阵列的第s行为标准电阻行，其余M行为待测物理量敏感电阻行。该图以第1行物理量敏感电阻的驱动电平为低电平为例，控制器控制对应于第1行的IO端口输出低电平(0)，控制其余M行IO端口输出高电平(V_cc)，M个高电平V_cc经对应行的运算放大器分别由行线x_rs、x_r2、…、x_rM作用于第1列电阻R_s1、R₂₁、…、R_M1，第2列电阻R_s2、R₂₂、…、R_M2，…，第N列电阻R_sN、R_2N、…、R_MN，最后汇集至每列对应的电阻R₁₁、…、R_1N，经x_r1流出。同时，控制器控制N个ADC采样端口采集N个列线上的电压值，即第1行物理量敏感电阻的驱动电平为低电平时的列电压V₁₁、V₁₂、…、V_1N。

以第1列电阻为例，图7是第1行物理量敏感电阻的驱动电平为低电平时第1列电阻电流规律的简化示意图，阵列中第1行物理量敏感电阻的驱动电平为低电平，高电平V_cc分别作用于第1列电阻R_s1、R₂₁、…、R_M1后经R₁₁至地端，V₁₁为第1行驱动电平为低电平时第1列列线的电压值，根据基尔霍夫电流定律，得到

由图5、图7中得到的两个等式，将其转化分别可得到

将上面两式相减，即可得到R₁₁的电阻值为

以第1列电阻为例，图8是本发明的第i行物理量敏感电阻行的驱动电平为低电平时第1列电阻电流规律的简化示意图，阵列中第i行物理量敏感电阻的驱动电平为低电平，高电平V_cc分别作用于第1列电阻R_s1、R₁₁、…、R_M1后经R_i1至地端，V_i1为第i行驱动电平为低电平时第1列列线的电压值，根据基尔霍夫电流定律，得到

同样的，可得到阵列中第1列电阻R_i1的电阻值，i＝1,2,…,M，也是第1列任意一个待测电阻的表达式。

由于每次对二维电阻阵列中的某行施加低电平时，控制器的N个采样端口同时采集到N根列线上的电压值，由此，依次对二维电阻阵列的第j列进行分析，j＝1,2,…,N，可得到阵列中第j列的M个待测电阻的阻值为

上式中，i＝1,2,…,M。

上述计算方法可采用以下通式表达:

由以上分析，最终可以得到阻性传感阵列中所有物理量敏感电阻的阻值，进而通过电阻-物理量转换可以得到敏感电阻所处位置的物理量。

需要强调的是：上述行、列为相对概念，本领域技术人员完全可以将之互换，同样可达到相应的技术效果。