基于壓電薄膜和片上可編程系統(tǒng)的可穿戴體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

目前，可穿戴技術(shù)正作為一類重大科技變革而興起，其實(shí)質(zhì)就是能直接穿在身上，整合進(jìn)衣服中，甚至植入身體中的相關(guān)科學(xué)技術(shù)?？纱┐骷夹g(shù)的發(fā)展將會(huì)隨著硬件技術(shù)、傳感器技術(shù)、電池技術(shù)、通訊技術(shù)的完善越來越受到行業(yè)的重視，成為下一個(gè)爆發(fā)性的技術(shù)熱潮。

壓電薄膜是一種新型的高分子聚合物型傳感材料，具有高的壓電常數(shù)，且質(zhì)量輕、柔性好、加工性性能好、頻率響應(yīng)寬等特性。利用其壓電特性制作的傳感器有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速率快、后端的處理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，已在健康監(jiān)測(cè)和仿生學(xué)方面有廣泛的應(yīng)用。

可編程片上系統(tǒng)是一種可編程的半導(dǎo)體器件，既具有現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列的數(shù)字陣列，又具有系統(tǒng)可編程模擬器件的模擬陣列，有處理數(shù)字和模擬兩種信號(hào)的能力?？删幊唐舷到y(tǒng)技術(shù)是一種全新的嵌入式設(shè)計(jì)，能夠在系統(tǒng)運(yùn)行過程中編程，以修改和重構(gòu)電子系統(tǒng)，在小型系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面得到越來越廣泛的應(yīng)用。

研究的可穿戴體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)合了壓電薄膜傳感器和可編程片上系統(tǒng)技術(shù)，正是將可穿戴技術(shù)滲透于消防和服裝的一次探索。

1 技術(shù)分析

本系統(tǒng)基于CYPRESS公司的PSOC5硬件平臺(tái)資源，使用與之配套的PSoC Creator2.0軟件開發(fā)平臺(tái)，采用C語言作為編程語言，來完成整個(gè)可穿戴體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。主要完成基于PSoC平臺(tái)壓電薄膜傳感器的調(diào)理電路的實(shí)現(xiàn)，完成基于，PSoC平臺(tái)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的實(shí)現(xiàn)，完成基于PSoC平臺(tái)的聲光報(bào)警電路的實(shí)現(xiàn)，完成系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

1.1 PSoC5系統(tǒng)架構(gòu)

下面介紹CY8C55系列的低功耗、片上可編程系統(tǒng)，采用其中一款可選的32位的PSoC5平臺(tái)。CY8C55系列主要組成部分如圖1所示：ARM Cortex M3 CPU子系統(tǒng)，非易失性子系統(tǒng)，編程調(diào)試子系統(tǒng)，數(shù)字、模擬子系統(tǒng)，時(shí)鐘和電源模塊。

由于PSoC系統(tǒng)的顯著特點(diǎn)，能把設(shè)計(jì)人員從繁瑣的低水平編程中解脫出來，軟件平臺(tái)可以提供豐富的器件及功能庫(kù)，提高設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)周期，加速樣機(jī)成型。當(dāng)設(shè)計(jì)需求改變時(shí)能夠很快修改，新產(chǎn)品更新?lián)Q代無需太變化，集成度高，多種功能于一身，便于研發(fā)、采購(gòu)、生產(chǎn)，從而降低了成本。

1.2 壓電薄膜傳感器

壓電薄膜傳感器選用MEASUREMENT公司的SDT1-28K型號(hào)，如圖2所示。SDT1壓電薄膜傳感器由一個(gè)矩形壓電薄膜和一個(gè)帶有同軸電纜的成型塑料外殼組成。壓電材料表面印刷銀墨，并且自身折疊，使得傳感器產(chǎn)生自屏蔽。這在高標(biāo)準(zhǔn)EMI環(huán)境下的應(yīng)用是相當(dāng)重要的。

傳感器以相對(duì)的模式運(yùn)作，壓電薄膜的長(zhǎng)度變化產(chǎn)生相應(yīng)的電荷，因而電壓出現(xiàn)在薄膜的電極端。傳感器如同一個(gè)“積極的”電容，所以測(cè)量器件的輸入信號(hào)加載時(shí)必須考慮負(fù)載阻抗匹配問題。由于薄膜極其的細(xì)薄，產(chǎn)生的寄生電容和標(biāo)準(zhǔn)1 MΩ負(fù)載足以構(gòu)成低頻響應(yīng)。

2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

研究的可穿戴體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由三大部分組成：傳感器調(diào)理電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，聲光報(bào)警電路。整個(gè)系統(tǒng)組成部分如下圖3所示。

2.1 傳感器調(diào)理電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

壓電薄膜傳感器是無源傳感器，無源傳感器的差分輸出是一個(gè)低差分電壓(毫伏級(jí))。輸出阻抗相對(duì)較高，因此信號(hào)需要一級(jí)放大。而且共模信號(hào)難于抑制，需要一個(gè)差分放大。圖4顯示了模擬部分的配置，由圖形化配置工具PSoCCreator實(shí)現(xiàn)。

輸入模塊的第一級(jí)由一個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)成的增益為1的電壓跟隨器，作為在傳感器與負(fù)載之間的阻抗匹配。在這一級(jí)之后，是一個(gè)增益G固定到4的可編程增益放大器。在這一級(jí)預(yù)放大之后，需要一個(gè)帶偏置補(bǔ)償?shù)亩?jí)放大。偏置補(bǔ)償由于傳感器的初始偏置導(dǎo)致，所以必須要9位的DAC完成補(bǔ)償。二級(jí)放大由運(yùn)算放大器構(gòu)成的二階有源低通濾波電路，增益G在1—48之間。所有的偏置補(bǔ)償和增益自動(dòng)地由固件根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行配置參數(shù)的選擇。

信號(hào)經(jīng)過濾波之后，電壓幅值在PSoC的模擬地AGND，和Vcc/2之間。二級(jí)放大是由帶有參考電壓Vdda的Opamp_1構(gòu)成。最后經(jīng)過放大的信號(hào)將送入由定時(shí)器和計(jì)數(shù)器構(gòu)建的特殊的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。

2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

模擬脈搏響應(yīng)信號(hào)在經(jīng)過了傳感器調(diào)理電路之后，調(diào)理后的較理想的信號(hào)波形將送入由電壓比較器、計(jì)數(shù)器、定時(shí)器構(gòu)成的特殊的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。

圖5顯示了模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)實(shí)際圖的配置，由圖形化配置工具PSoC Creator實(shí)現(xiàn)。調(diào)理后的信號(hào)幅值滿足PSoC內(nèi)置的電壓比較器所需的電平大小值。電壓比較器根據(jù)固件配置的參數(shù)、比較器的參考電壓Vref，在每個(gè)clock的上升沿時(shí)，進(jìn)行邏輯高低的判斷并輸出。由于調(diào)理后的信號(hào)幅值大致在1.2 V左右，故系統(tǒng)在給電壓比較器的參考電平為1.2 V，并且設(shè)定clock的頻率為24 K(只需大于脈搏振動(dòng)的頻率)，電壓比較器的輸出由計(jì)數(shù)器對(duì)其進(jìn)行計(jì)數(shù)。同時(shí)利用定時(shí)器產(chǎn)生6s的時(shí)間間隔，在這段時(shí)間間隔內(nèi)計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。定時(shí)器定時(shí)中斷后，由PSoC內(nèi)嵌的Cortex—M3微控制器進(jìn)行中斷處理，重新對(duì)定時(shí)器、計(jì)數(shù)器進(jìn)行配置，并且將計(jì)數(shù)器的值轉(zhuǎn)換后通過LCD顯示結(jié)果。

2.3 聲光報(bào)警電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

聲光報(bào)警電路的設(shè)計(jì)作用在于，在系統(tǒng)探測(cè)到異常的數(shù)據(jù)時(shí)，能夠作出相應(yīng)的反應(yīng)以提示用戶采取相應(yīng)的措施。軟件在判斷出計(jì)數(shù)器轉(zhuǎn)后的數(shù)值異常時(shí)，將會(huì)執(zhí)行緊急報(bào)警部分的代碼。在臨界值和超出值之間選取不同的方案，對(duì)蜂鳴器和LED燈進(jìn)行不同的操作。硬件電路上，PSoC硬件平臺(tái)上已配置有蜂鳴器和LED燈，在使用時(shí)只需固件配置好引腳分配方案，用杜邦線將對(duì)應(yīng)的引腳連接即可。圖6顯示了此模塊電路的完整設(shè)計(jì)。

2.4 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的軟件部分主要作用，在于對(duì)PSoC的所需的各個(gè)硬件模塊進(jìn)行配置。模塊的初始化，參數(shù)的配置，模塊的RESET功能的實(shí)現(xiàn)均在軟件內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。此外.軟件還有一個(gè)重要的功能就是，在定時(shí)器的中斷服務(wù)程序中完成脈搏振動(dòng)數(shù)的顯示功能以及在緊急狀態(tài)下的聲光報(bào)警功能。

系統(tǒng)軟件流程圖如圖7所示，PSoC Creator 2.0提供匯編和C語言兩種語言實(shí)現(xiàn)軟件設(shè)計(jì)。

軟件執(zhí)行部分正如流程圖所示，最初的人體脈搏模擬量經(jīng)過壓電薄膜傳感器、傳感器調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路后，成為了一個(gè)相對(duì)實(shí)際的數(shù)字量。數(shù)字量首先會(huì)通過LCD顯示器顯示出來，給予一個(gè)直觀的感受。同時(shí)，程序?qū)?huì)把這個(gè)生成的數(shù)字量和預(yù)先設(shè)定的閥值(一個(gè)正常人的脈搏跳動(dòng)數(shù)的范圍)作出比較。如果數(shù)字量在這正常的范圍內(nèi)，則綠燈常亮，蜂鳴器不響;如果數(shù)字量躍出這一正常范圍的兩端閥值，則紅燈閃爍，蜂鳴器急響。

程序在啟動(dòng)執(zhí)行后，首先對(duì)各個(gè)硬件模塊初始化，由上述可知，所需的硬件模塊有：運(yùn)算放大器(Opamp)，可編程放大器(PGA)，電壓比較器(Comp)，定時(shí)器(Timer)，計(jì)數(shù)器(Counter)，字符型顯示器(LCD)，時(shí)鐘模塊(clock)，中斷模塊等。

程序在初始化完成，將會(huì)直接進(jìn)入for函數(shù)引導(dǎo)的無限循環(huán)。函數(shù)的主要代碼執(zhí)行都將在定時(shí)器的中斷服務(wù)子程序中CY_ISR(Intermpt Handler)。在定時(shí)器的中斷服務(wù)子程序

中，主要完成以下的操作：對(duì)計(jì)數(shù)器狀態(tài)配置和對(duì)其寄存器的讀取;對(duì)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換;調(diào)用LCD進(jìn)行結(jié)果顯示;進(jìn)行閥值判斷判斷是否執(zhí)行緊急聲光報(bào)警模塊，對(duì)定時(shí)器狀態(tài)配置等。

綜上可知，PSoC可編程片上系統(tǒng)的開發(fā)是相當(dāng)簡(jiǎn)便的，其上的硬件資源與軟件資源相當(dāng)豐富，并且二者融合得恰到好處。在硬件上，使用者可以著重考慮系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體功能，避免了分立元件搭建系統(tǒng)的調(diào)試?yán)щy。在軟件上，PSoC對(duì)各個(gè)硬件模塊的驅(qū)動(dòng)程序封裝的API也是相當(dāng)巧妙，程序開發(fā)也變得簡(jiǎn)單、簡(jiǎn)潔。

3 系統(tǒng)測(cè)試

由于本系統(tǒng)是比較具有實(shí)用價(jià)值的、可供醫(yī)療、消防方面使用的設(shè)備平臺(tái)，必須進(jìn)行實(shí)際的應(yīng)用測(cè)試，以考察是否適用于絕大多數(shù)的人群使用。在實(shí)際測(cè)試過程中，特別是操作壓電薄膜傳感器時(shí)，必須注意MEASUREMENT公司提出的SDT1壓電薄膜傳感器的操作指導(dǎo)。測(cè)試連接方式如圖8所示。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了生命體征監(jiān)測(cè)的功能并且?guī)в懈婢δ埽梢詰?yīng)用在本文提出的智能服裝領(lǐng)域，改善消防人員的救援效果。同時(shí)，此系統(tǒng)改進(jìn)了傳統(tǒng)的消防救急措施，加入了現(xiàn)代化的電子信息系統(tǒng)，可以提高整體消防的效率。另外，從系統(tǒng)的基礎(chǔ)功能可以看出，此電子系統(tǒng)還可應(yīng)用在醫(yī)療電子設(shè)備、臨床醫(yī)學(xué)監(jiān)護(hù)等領(lǐng)域，有著廣泛的應(yīng)用性和拓展性。