基于LabVIEW的足底壓力測量系統(tǒng)研究

【作 者】李煒，邱宏，徐江，何際平

1 華中科技大學(xué)控制科學(xué)與工程系，圖像信息處理與智能控制教育部重點實驗室，武漢，430074

2 華中科技大學(xué)同濟醫(yī)學(xué)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科，武漢，430074

基于LabVIEW的足底壓力測量系統(tǒng)研究

【作 者】李煒1，邱宏1，徐江2，何際平1

1 華中科技大學(xué)控制科學(xué)與工程系，圖像信息處理與智能控制教育部重點實驗室，武漢，430074

2 華中科技大學(xué)同濟醫(yī)學(xué)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科，武漢，430074

介紹了一種基于LabVIEW的足底壓力測量系統(tǒng)。文中給出了系統(tǒng)整體硬件設(shè)計和系統(tǒng)軟件設(shè)計方案，并利用LabVIEW軟件編寫了足底壓力顯示界面，實現(xiàn)了足底壓力信號的實時波形顯示、數(shù)據(jù)保存、波形回放等功能。實驗結(jié)果顯示，該系統(tǒng)測試結(jié)果與正常步態(tài)的變化趨勢一致，符合人體工程學(xué)理論，說明系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)可靠。本系統(tǒng)測量結(jié)果直觀形象，為足底壓力提供了一種可靠的檢測平臺，也可為測力鞋墊系統(tǒng)的設(shè)計提供借鑒。

足底壓力測量；PVDF壓電薄膜；信號調(diào)理電路：LabVIEW

人體在正常運動過程中，必然產(chǎn)生腳與地面的直接接觸，產(chǎn)生足底壓力。人體足底壓力的分布反映了有關(guān)足的結(jié)構(gòu)、功能及整個身體姿態(tài)控制等相關(guān)情況。當人產(chǎn)生運動功能障礙或足部產(chǎn)生病變時，足底壓力和壓強的分布都會發(fā)生相應(yīng)的改變。因此，對不同運動狀態(tài)下足底壓力及相關(guān)時間參數(shù)進行測量，并對測量結(jié)果進行數(shù)據(jù)分析，可獲取人體在運動狀態(tài)下的生理、病理力學(xué)參數(shù)及技能參數(shù)等信息，以及不同狀態(tài)下足底壓力的分布特征和模式。這對臨床醫(yī)學(xué)診斷、疾患程度測定、術(shù)后有效評價、生物力學(xué)、康復(fù)治療、體育訓(xùn)練和功能鞋的研制等均有重要意義。

目前，常見的足底壓力測量儀器主要有三種：測力臺、測力板和測力鞋墊系統(tǒng)。三種儀器各有其優(yōu)點，測力臺可測3維方向上的受力，測力板可測多種參數(shù)，測力鞋墊較之測力臺和測力板則具有更好的靈活性，不受測試運動范圍和地點的限制。測力鞋墊系統(tǒng)是這3種測量儀器中最先進的一種，其鞋內(nèi)裝置可連續(xù)記錄行進中的足底壓力，獲取多個步態(tài)數(shù)據(jù)。國外的測力鞋墊系統(tǒng)已研制得較為成熟，如美國的F-scan系統(tǒng)[2]、德國的Novel Pedar-X[3]系統(tǒng)和比利時的RSscan[4]系統(tǒng)等。國內(nèi)起步較晚，還未推出系統(tǒng)化產(chǎn)品，但也進行了大量研究，如2000年韋啟航等人設(shè)計的足底壓力測量系統(tǒng)[5]，2002年袁剛等人研制的足底壓力分布系統(tǒng)[6]等。

在測力鞋墊系統(tǒng)研制中，選取合適的壓力傳感器極為重要，一般要求該傳感器既薄又軟，能粘貼于足底而又不對人體產(chǎn)生異物感，特別還要求其具有極快的時間響應(yīng)和寬的頻響范圍，以滿足動態(tài)測試的需要。本研究的測力鞋墊系統(tǒng)采用PVDF壓電薄膜作為足底壓力測量傳感器，通過設(shè)計相應(yīng)的硬件電路，將足底壓力轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓值，并在以LabVIEW編寫的軟件平臺下實時顯示對應(yīng)的數(shù)據(jù)和波形。實驗結(jié)果顯示，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，能直觀反映足底壓力的變化，獲取的數(shù)據(jù)還可加以保存，以方便進一步的分析。

1 PVDF壓電薄膜傳感器

聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜是一種新興的高分子材料，日本的H.Kawai于1969年發(fā)現(xiàn)其在高溫高壓下極化后可產(chǎn)生壓電性。經(jīng)過幾十年的研究，PVDF從理論、實驗到實際應(yīng)用開發(fā)都得到了迅速發(fā)展，目前已在測試領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。PVDF材質(zhì)量輕、柔性好、強度大、耐力學(xué)沖擊、耐腐蝕和可任意裁剪分割；對于機械應(yīng)力或應(yīng)變的變化具有響應(yīng)速度快、頻響范圍寬等優(yōu)點，粘貼在被測物體上，對原結(jié)構(gòu)幾乎不產(chǎn)生影響；特別是其壓電電壓常數(shù)高，在同等受力條件下，輸出電壓比壓電陶瓷高10倍，因此十分適合用作測量應(yīng)力和應(yīng)變的傳感元件[7,8]。

PVDF測量應(yīng)力和應(yīng)變主要利用了PVDF薄膜橫向變形輸出電荷的原理，但因PVDF壓電薄膜電容較小，當其受外力作用時所產(chǎn)生的電荷很難長時間保持，因此更適于動態(tài)測量[7,9]。

容器。當PVDF壓電薄膜受力后，其輸出電荷與外力有如下關(guān)系：

其中，qi為薄膜單位面積輸出的電荷；σj為薄膜承受的應(yīng)力；Fi為薄膜承受的外力；Qi為薄膜總的輸出電荷；dij為薄膜的壓電應(yīng)變常數(shù)。

本系統(tǒng)選用的PVDF壓電薄膜傳感器直徑為5 mm，厚度為50 μm±5%，壓電常數(shù)d33=(21±1)pC/N ,具有較好的電荷靈敏度。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與功能

系統(tǒng)硬件主要由信號調(diào)理、單片機以及串口通訊三大模塊組成。其中，信號調(diào)理模塊又包括電荷放大、低通濾波、工頻陷波和電平轉(zhuǎn)換4個子模塊。

當PVDF壓電傳感器受到外界壓力作用后，產(chǎn)生電荷信號，經(jīng)電荷放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號，該電壓信號通過低通濾波電路和工頻陷波電路濾除噪聲，再經(jīng)電平轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換以得到適合于單片機處理的模擬信號。該模擬信號經(jīng)單片機內(nèi)部A/D采樣轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再由TTL信號轉(zhuǎn)RS232信號電路轉(zhuǎn)換，即與PC機建立串口通信。PC機上自行設(shè)計的LabVIEW軟件平臺可實時讀取串口數(shù)據(jù)，并以波形方式同步顯示。硬件設(shè)計總體框圖如圖1所示。

圖1 硬件設(shè)計總體框圖Fig.1 The System structure scheme

2.2 電荷放大電路

PVDF是一種電荷性傳感器，受到外界壓力作用時會產(chǎn)生相應(yīng)的電荷，但電荷量不能直接測量，必須經(jīng)電荷放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號才能進行采集。此外，PVDF還具有高達1TΩ的內(nèi)阻，導(dǎo)致其產(chǎn)生的電信號很微弱。因此，系統(tǒng)設(shè)計的電荷放大器主要有兩個作用：一是將微弱電荷信號轉(zhuǎn)換為電壓信號并放大；二是阻抗變換，把PVDF壓電薄膜的高阻抗輸入變?yōu)榈妥杩馆敵?，以提高前置級帶負載的能力。系統(tǒng)選用OPA606來實現(xiàn)這兩種功能。OPA606是一款高阻抗的精密運算放大器，其輸入阻抗高達1013Ω，輸入失調(diào)電流僅1 pA，輸入失調(diào)電壓僅300 mV，頻帶寬達13 MHz，是一種性能十分優(yōu)越的運算放大器，很適合用作微弱信號的放大級。電荷放大電路如圖2所示。

圖2 電荷放大電路Fig. 2 Charge amplifier circuit

2.3 低通濾波和電壓放大

由于人體98%的足底壓力信號頻率低于10 Hz，99%的足底壓力信號頻率低于15 Hz[5]，故低通濾波器的截止頻率可選在20～30 Hz之間。本系統(tǒng)通過一個二階低通巴特沃斯濾波器來濾除噪聲，其截止頻率約為28 Hz。對于電壓放大電路，選用一片LM358及若干電阻即可實現(xiàn)。LM358是一款高增益、高帶寬、低溫漂、低功耗的雙路運算放大器，其輸入失調(diào)電流僅2 nA，頻率帶寬 1.1 MHz，直流電壓增益100 dB，非常適合用于電壓放大。低通濾波和電壓放大電路如圖3所示。

2.4 工頻陷波

經(jīng)示波器觀測，PVDF壓電傳感器極易受電磁干擾，其中50 Hz 和150 Hz干擾最為明顯，經(jīng)二階低通巴特沃斯濾波器濾波仍然還是混有工頻噪聲，因此需要設(shè)計工頻陷波器以濾除該種干擾。雙T型陷波電路對工頻及其倍頻信號有很好的濾除作用，故系統(tǒng)以NE5532作為核心器件，并選用精度較高的聚苯乙烯電容和金屬膜電阻，搭建效果良好的雙T型陷波電路，如圖4所示。圖中R6、R7的作用是引入負反饋以改善選頻作用。

圖3 低通濾波和電壓放大電路Fig.3 Low pass filter and voltage amplifier circuit

圖4 50 Hz陷波電路Fig.4 50 Hz notch filter circuit

2.5 電平轉(zhuǎn)換

PVDF壓電薄膜傳感器在受壓或壓力消失時，會產(chǎn)生大小相等、方向相反的電荷靈敏度，即正負電荷信號都有可能產(chǎn)生，其對應(yīng)的電壓亦會隨著施力、施力的消失而圍繞零電壓上下波動[10]。而MSP430F2274單片機內(nèi)部A/D的輸入為單極性電壓，只能對大于零的模擬量進行采樣轉(zhuǎn)換，且其轉(zhuǎn)換的電壓范圍為0V～3.3 V，因此需搭建電平轉(zhuǎn)換電路和比例縮小電路，以使PVDF傳感器的輸出與A/D轉(zhuǎn)換的電壓范圍相匹配，達到不丟失PVDF產(chǎn)生的任何信號的目的。電平轉(zhuǎn)換電路如圖5所示，為一反相加法電路，輸入電壓經(jīng)該電路后將被抬高+5 V，信號量則縮小了四分之一。這樣輸入A/D的電壓范圍就變?yōu)? V～2.5 V，可采樣到全部數(shù)據(jù)。

2.6 A/D采集

本系統(tǒng)選用MSP430F2274處理器實現(xiàn)信號的A/D轉(zhuǎn)換。MSP430F2274是TI公司出品的16位低功耗高效率處理器，其典型工作電流僅250 μA，特別是其內(nèi)部含有一個10位的A/D，A/D轉(zhuǎn)換速率最大可達200 ksps。因此，只需對單片機寫入A/D采樣程序即可。A/D采樣流程圖如圖6所示。

圖 5 電平轉(zhuǎn)換電路Fig.5 Voltage raised circuit

圖6 A/D采集程序流程圖Fig.6 A/D conversion flowchart

2.7 TTL轉(zhuǎn)RS232串口通信電路

系統(tǒng)選用MAX232實現(xiàn)TTL信號轉(zhuǎn)換成RS232信號，以與計算機建立串口通信。該電路簡單實用，只需在MAX232外圍相應(yīng)位置連接若干100 nF的電容即可。

3 基于LabVIEW的人機交互設(shè)計

LabVIEW是實驗室虛擬儀器工作平臺(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)的簡稱，是美國國家儀器公司(National Instruments)推出的一種基于圖形開發(fā)、調(diào)試和運行程序的集成化環(huán)境。一個基于LabVIEW的系統(tǒng)往往采用層次化結(jié)構(gòu)設(shè)計，可由一個或多個虛擬儀器(簡稱VI)組成，用戶可以把創(chuàng)建的VI程序當作子程序調(diào)用，以創(chuàng)建更復(fù)雜的程序。LabVIEW還擁有龐大的函數(shù)和子程序庫以及特定的應(yīng)用程序庫代碼，能幫助用戶處理復(fù)雜的信號和數(shù)據(jù)，并可生成獨立運行的可執(zhí)行文件[11]。

本系統(tǒng)設(shè)計的VI主要功能是實現(xiàn)PC機通過串口接收單片機傳送的數(shù)據(jù)。根據(jù)系統(tǒng)需要首先將串口初始化，設(shè)置波特率為115200b/s，數(shù)據(jù)位8位，1位停止位，無奇偶校驗位。當串口打開后，PC機即開始與單片機通訊，并以多種形式在前面板實時同步顯示接收的數(shù)據(jù)，用戶可通過選項卡進行界面切換查看。系統(tǒng)還可將獲取的數(shù)據(jù)以. txt文件格式進行保存，保存的數(shù)據(jù)可還原成波形在波形圖表欄中回放。整個數(shù)據(jù)的讀取、顯示過程由循環(huán)結(jié)構(gòu)控制，每種特定功能的控制，如“清顯示端口”、“串口開啟”、“停止”、“保存數(shù)據(jù)”、“數(shù)據(jù)回放”則由事件結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。系統(tǒng)設(shè)計的VI前面板如圖7所示，對應(yīng)程序框圖如圖8所示。

圖7 前面板圖示Fig.7 Application interface

圖8 G語言程序框圖Fig.8 G language program

4 系統(tǒng)測試

4.1 運動任務(wù)設(shè)計

運動任務(wù)采用組塊設(shè)計，運動模式分為行走和跑步兩種。每一次測試要求被試者進行2個組塊的運動實驗，每一組塊均為靜息-運動-靜息-運動，共4個時相，每一時相持續(xù)30s。組塊內(nèi)運動時相采用同一運動任務(wù)，要求被試者行走時頻率為1 Hz，跑步時頻率為2 Hz。靜息時相要求被試者靜止站立，平靜呼吸。組塊間插入60 s靜息。

4.2 測試方法與結(jié)果記錄

將PVDF壓電薄膜傳感器粘貼于被試者腳跟處，并將其導(dǎo)線端接入本系統(tǒng)。被試者按照設(shè)計的運動任務(wù)，在室內(nèi)跑步機上開始運動。采集數(shù)據(jù)，觀察LabVIEW前面板上的數(shù)據(jù)顯示及波形顯示，并予以記錄和保存。試驗中被試者在行走和跑步兩種運動模式下產(chǎn)生的足底壓力波形圖分別如圖9和圖10所示。

圖9 被試者在行走模式下足底壓力波形圖Fig.9 Plantar pressure waveform of walking mode

圖10 被試者在跑步模式下足底壓力波形圖Fig.10 Plantar pressure waveform of running mode

人體正常行走的步態(tài)周期從開始到結(jié)束依次經(jīng)歷腳跟著地、腳掌右側(cè)著地、腳尖著地、腳跟抬起、腳掌右側(cè)抬起、腳掌左側(cè)抬起和腳尖抬起進入擺動相8個過程。當腳跟開始著地時，系統(tǒng)將檢測到壓力信號，且壓力大小隨著人體著力點施加至右側(cè)而從零逐漸增加到最大值；當腳跟開始抬起時，壓力大小又隨著人體著力點的改變而逐漸減小到最小值。這一過程隨著人體步態(tài)的重復(fù)而不斷重復(fù)。圖9所示波形與這一人體工程學(xué)理論基本一致。圖10的測試結(jié)果表明，人體在跑步模式下足底壓力的產(chǎn)生頻率要高于行走時的頻率，且壓力的極值也較之后者大，這與人體工程學(xué)理論也基本一致。

5 結(jié)論

基于LabVIEW的足底壓力測量系統(tǒng)能夠?qū)崟r顯示足底壓力的變化，且測試結(jié)果與正常步態(tài)的變化趨勢一致，符合人體工程學(xué)理論，說明系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)較為可靠。本系統(tǒng)功能多樣，使用方便，測量結(jié)果直觀形象，為足底壓力提供了一種可靠的檢測平臺，也可為測力鞋墊系統(tǒng)的設(shè)計提供借鑒。

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The Research in a Foot Pressure Measuring System Based on LabVlEW

【 Writers 】Li Wei1, Qiu Hong1, Xu Jiang2, He Jiping1
1 Department of Control Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China
2 Tongji Medical College, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China

plantar pressure measurement, PVDF piezoelectric-film, signal processing circuit, LabVIEW

TP274；R197.39

A

10.3969/j.isnn.1671-7104.2011.01.005

1671-7104(2011)01-0019-05

2010-09-16

國家自然科學(xué)基金項目: (60905024), 華中科技大學(xué)自主創(chuàng)新基金。

李煒，E-mail:liwei0828@mail.hust.edu.cn

【 Abstract 】This paper presents a system of foot pressure measuring system based on LabVIEW. The designs of hardware and software system are figured out. LabVIEW is used to design the application interface for displaying plantar pressure. The system can realize the plantar pressure data acquisition, data storage, waveform display, and waveform playback. It was also shown that the testing results of the system were in line with the changing trend of normal gait, which conformed to human system engineering theory. It leads to the demonstration of system reliability. The system gives vivid and visual results, and provides a new method of how to measure foot-pressure and some references for the designof Insole System.