鄧 翔，佃松宜，翁 桃

(四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川成都610065)

0 引言

足底壓力的大小與分布反映了人體腿、足部結(jié)構(gòu)及功能等信息［1］。當(dāng)人體腿部或足部發(fā)生病變時(shí)，足底的壓力分布會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化，通過(guò)檢測(cè)和分析足底壓力與相關(guān)參數(shù)，可以獲取人體的某些生理或病理信息，這對(duì)臨床醫(yī)學(xué)診斷、疾患程度測(cè)定、術(shù)后療效評(píng)價(jià)、康復(fù)研究等均有重要意義［2］。

足底壓力分布測(cè)量已進(jìn)行了20多年的研究，其發(fā)展歷經(jīng)了足印技術(shù)、足底壓力掃描技術(shù)、力板與測(cè)力臺(tái)技術(shù)、壓力鞋與鞋墊技術(shù)，其中，壓力鞋與鞋墊能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量連續(xù)的步態(tài)壓力分布，便于進(jìn)一步數(shù)字化分析處理，應(yīng)用前景越來(lái)越被看好［3］。最新研究的壓力鞋和鞋墊是將傳感器布置在鞋或鞋墊內(nèi)，而信號(hào)處理與控制部分仍然由人體攜帶，如美國(guó)的 F-Scan 系統(tǒng)［4］、德國(guó)的 Novel Pedar-X 系統(tǒng)［5］和比利時(shí)的RSscan系統(tǒng)［6］，有系統(tǒng)過(guò)于龐大、不便于動(dòng)態(tài)分析和攜帶等局限。本文提出了一種便攜式人體足底壓力檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，將所有器件集成于鞋墊之中，具有體積小、易于攜帶等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了多路足底壓力的可穿戴式檢測(cè)、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸、顯示及存儲(chǔ)的功能。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由足底壓力檢測(cè)模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、中央控制模塊、無(wú)線傳輸模塊、低功耗管理模塊和LabVIEW圖形化顯示模塊六部分組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

前5個(gè)模塊構(gòu)成系統(tǒng)的硬件部分，集成于鞋墊內(nèi)部。足底壓力檢測(cè)模塊中的6路力敏電阻器(force sensing resistor，F(xiàn)SR)采集足底6個(gè)部位的壓力信號(hào)，且經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理模塊的轉(zhuǎn)換和放大后送到中央控制模塊。無(wú)線傳輸模塊通過(guò)Zig Bee網(wǎng)絡(luò)把打包后的壓力信號(hào)發(fā)送到計(jì)算機(jī)上，再由LabVIEW軟件實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)足底壓力的波形。此外，低功耗管理模塊根據(jù)足底壓力的有/無(wú)可讓系統(tǒng)在正常運(yùn)行模式與低功耗運(yùn)行模式間切換。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig 1 Block diagram of system

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 足底壓力檢測(cè)的設(shè)計(jì)

壓力傳感器選擇薄片式的FSR402，該傳感器由高分子聚合物薄膜構(gòu)成，長(zhǎng)度為53 mm，敏感部位的直徑為7.6 mm，厚度為0.3 mm，具有纖薄、輕柔、小巧等特點(diǎn)，適合足底壓力的檢測(cè)。隨著表面壓力的增加，F(xiàn)SR的電阻值減小，并具有較好的靈敏度［7］。

壓力信號(hào)測(cè)量電路將足底壓力引起的FSR電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，輸出到中央控制模塊完成數(shù)據(jù)采集。由于FSR是壓阻型傳感器，且電導(dǎo)率與壓力值是線性關(guān)系［7］，因此，壓力信號(hào)測(cè)量電路采用運(yùn)放同相放大的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 壓力信號(hào)測(cè)量電路圖Fig 2 Measurement circuit of pressure signal

壓力信號(hào)測(cè)量電路的輸出表達(dá)式

式中 Vout1為第一路壓力信號(hào)的電壓值，Rs1為第一路壓力傳感器的電阻值。經(jīng)計(jì)算，電路輸出為0.55 V時(shí)，電壓紋波的幅值約為6mV，噪聲最大占1.1%，滿(mǎn)足了足底壓力測(cè)量的基本要求。

2.2 低功耗的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)考慮了穿戴式檢測(cè)工具的攜帶方便和低功耗要求，選用了功耗低和尺寸小的芯片。中央控制模塊采用MSP430F249單片機(jī)，其突出的低功耗和小尺寸特性，特別適合便攜式設(shè)備的應(yīng)用;無(wú)線傳輸模塊采用低電流消耗的CC2500模塊;壓力測(cè)量電路亦采用低功耗的MCP6004運(yùn)放，其供電電壓可低至1.8 V。

系統(tǒng)有2種工作模式，即正常工作模式和低功耗工作模式。如圖3所示，在正常模式下，中央控制模塊通過(guò)切換開(kāi)關(guān)控制電源VCC-2導(dǎo)通，電源VCC-1斷開(kāi)，讓低功耗喚醒電路停止工作來(lái)節(jié)省電能;在低功耗模式下，中央控制模塊使電源VCC-1導(dǎo)通，電源VCC-2斷開(kāi)，使壓力檢測(cè)模塊、信號(hào)調(diào)理模塊和無(wú)線傳輸模塊停止供電以降低功耗。2種工作模式可以根據(jù)足底壓力的有/無(wú)進(jìn)行切換。

圖3 系統(tǒng)供電部分框圖Fig 3 Block diagram of system power supply

低功耗喚醒電路的設(shè)計(jì)如圖4所示，采用FSR與精密電阻器分壓，再將此電壓輸入到三極管的基極。當(dāng)傳感器無(wú)壓力輸入時(shí)，INT-FSR處電壓VCC-1為(3.3 V)，此時(shí)三極管處于關(guān)斷的狀態(tài)，INT-CPU處的電壓約為0 V。隨著輸入傳感器的壓力增大，傳感器的阻值減小，INT-FSR處的電壓降低，INT-CPU處電壓變?yōu)楦唠娖?，產(chǎn)生一個(gè)上升沿中斷觸發(fā)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)由低功耗模式向正常工作模式的轉(zhuǎn)換。

圖4 低功耗喚醒電路Fig 4 Low power consumption wake-up circuit

2.3 鞋墊的設(shè)計(jì)

鞋墊采用PU(polyurethane)型材料，PU是一種高分子聚氨脂合成材料，具有重量輕、緩沖能力強(qiáng)、不易被壓扁等特點(diǎn)。鞋墊由2層構(gòu)成，下面一層是主電路層，放置傳感器、電路板和電池等;上面一層是保護(hù)層，覆蓋在主電路層上，起保護(hù)器件的作用。其中，電路板和電池放置在硬質(zhì)塑料盒內(nèi)，不僅可以防止元器件被損壞，而且具有防潮、防靜電的作用。電路板長(zhǎng)43 mm，寬24 mm，厚6 mm，能非常方便地置入鞋墊內(nèi)。

2.4 傳感器的分布

研究表明:腿部或足部發(fā)生病變患者足底壓力較高的5個(gè)區(qū)域依次為足底中部、足后跟外側(cè)、足后跟內(nèi)側(cè)、第二跖骨和第一趾骨［8］。此外，第三跖骨的峰值壓力在某些病變條件下也顯著增高［9］，因此，傳感器的分布位置為如圖5所示的6個(gè)檢測(cè)點(diǎn)。

圖5 壓力傳感器分布位置圖Fig 5 Distribution location of pressure sensors

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集和濾波

系統(tǒng)利用單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，具有12位的精度，采樣速度可達(dá)1 kHz。A/D轉(zhuǎn)換采用多路復(fù)用轉(zhuǎn)換模式，通過(guò)查詢(xún)方式依次讀取每一通道的數(shù)據(jù)。

由于人體98%的足底壓力信號(hào)頻率低于10 Hz，99%的足底壓力信號(hào)頻率低于15 Hz［10］，故系統(tǒng)的數(shù)字濾波設(shè)計(jì)為截止頻率約為25 Hz的FIR低通濾波器。

3.2 無(wú)線通信程序的設(shè)計(jì)

無(wú)線通信程序包括足底壓力檢測(cè)鞋墊通信部分和計(jì)算機(jī)通信部分。兩者的通信是雙向的，鞋墊向計(jì)算機(jī)發(fā)送壓力和狀態(tài)信息，計(jì)算機(jī)向鞋墊發(fā)送命令和狀態(tài)信息。無(wú)線傳輸?shù)牟环€(wěn)定性經(jīng)常導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)丟包，故在通信程序中加入了錯(cuò)誤重傳機(jī)制。壓力信號(hào)經(jīng)CC2500無(wú)線模塊發(fā)送后，不會(huì)立即被刷新，而是保存在256字節(jié)的數(shù)據(jù)緩存區(qū)內(nèi)。若鞋墊收到計(jì)算機(jī)丟包的狀態(tài)反饋時(shí)，前一次的壓力信號(hào)可重新傳送。設(shè)置的無(wú)線傳輸速率為50 kbps，可保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

3.3 模式轉(zhuǎn)換程序的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采集足底6個(gè)部位的壓力信號(hào)，并判斷是否全為0。如果2次判斷全為0，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)，并且一旦再次有壓力輸入時(shí)，電路會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，將系統(tǒng)從低功耗工作模式切換到正常工作模式;如果6個(gè)部位的壓力信號(hào)不全為0，系統(tǒng)將壓力信號(hào)濾波、打包等處理后發(fā)送到計(jì)算機(jī)上，并用LabVIEW軟件顯示和存儲(chǔ)壓力信號(hào)，系統(tǒng)軟件的流程圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)流程圖Fig 6 Flow chart of system

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由足底壓力檢測(cè)鞋墊和計(jì)算機(jī)構(gòu)成，如圖7所示。壓力檢測(cè)鞋墊置于普通的鞋內(nèi)，當(dāng)人體踩在鞋墊上時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入工作模式，采集足底的壓力信號(hào)并發(fā)送到計(jì)算機(jī)上;當(dāng)不踩鞋墊時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入低功耗模式，并定時(shí)巡檢壓力是否變化。

圖7 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig 7 Experimental platform

4.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

對(duì)足底壓力波形進(jìn)行分析，其中，波形 a，b，c，d，e，f分別表示足底中部、第三跖骨、第一趾骨、足后跟內(nèi)側(cè)、足后跟外側(cè)和第二跖骨6個(gè)足底部位的壓力信息。當(dāng)人體靜止踩在鞋墊上時(shí)，6個(gè)位置的壓力變化不一致，足跟兩側(cè)的壓力顯著增大，足弓處的壓力也明顯增大，其他部位壓力變化不大，如圖8所示。

圖8 靜止時(shí)足底壓力的波形Fig 8 Waveform of the plantar pressure in static state

人體穿戴鞋墊正常行走時(shí)，足底壓力輸出波形如圖9所示。壓力檢測(cè)鞋墊可實(shí)時(shí)測(cè)量出足底壓力的變化，其中，足后跟內(nèi)外兩側(cè)、足底中部和第一趾骨處承受的壓力較大，而第二、第三跖骨處所受壓力較小，與靜止時(shí)相比無(wú)明顯變化。

圖9 行走時(shí)足底壓力的波形Fig 9 Waveform of plantar pressure in walking

5 結(jié)論

本文提出了一種基于FSR的新型可穿戴式足底壓力檢測(cè)的方法。在硬件上實(shí)現(xiàn)了包括足底壓力檢測(cè)與信號(hào)調(diào)理、低功耗運(yùn)行、無(wú)線傳輸?shù)瓤芍萌肫胀ㄐ瑝|內(nèi)的檢測(cè)控制電路。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)能夠完成6路足底壓力信號(hào)的采集與實(shí)時(shí)顯示，能夠進(jìn)行穿戴式足底壓力檢測(cè)和人體步態(tài)分析，有較好的實(shí)用性和應(yīng)用前景。

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