基于壓電薄膜和片上可編程系統(tǒng)的可穿戴體征監(jiān)測系統(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)簡單、響應(yīng)速率快、后端的處理簡單等優(yōu)點(diǎn)，已在健康監(jiān)測和仿生學(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，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)計方面得到越來越廣泛的應(yīng)用。

研究的可穿戴體征監(jiān)測系統(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硬件平臺資源，使用與之配套的PSoC Creator2.0軟件開發(fā)平臺，采用C語言作為編程語言，來完成整個可穿戴體征監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。主要完成基于PSoC平臺壓電薄膜傳感器的調(diào)理電路的實(shí)現(xiàn)，完成基于，PSoC平臺模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的實(shí)現(xiàn)，完成基于PSoC平臺的聲光報警電路的實(shí)現(xiàn)，完成系統(tǒng)軟件的設(shè)計實(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。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)，時鐘和電源模塊。

由于PSoC系統(tǒng)的顯著特點(diǎn)，能把設(shè)計人員從繁瑣的低水平編程中解脫出來，軟件平臺可以提供豐富的器件及功能庫，提高設(shè)計效率，縮短設(shè)計周期，加速樣機(jī)成型。當(dāng)設(shè)計需求改變時能夠很快修改，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、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，如圖2所示。SDT1壓電薄膜傳感器由一個矩形壓電薄膜和一個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。

傳感器以相對的模式運(yùn)作，壓電薄膜的長度變化產(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“積極的”電容，所以測量器件的輸入信號加載時必須考慮負(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，聲光報警電路。整個系統(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低差分電壓(毫伏級)。輸出阻抗相對較高，因此信號需要一級放大。而且共模信號難于抑制，需要一個差分放大。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)。

輸入模塊的第一級由一個運(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。在這一級之后，是一個增益G固定到4的可編程增益放大器。在這一級預(yù)放大之后，需要一個帶偏置補(bǔ)償?shù)亩壏糯蟆Ｆ醚a(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)過放大的信號將送入由定時器和計數(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)計與實(shí)現(xiàn)

模擬脈搏響應(yīng)信號在經(jīng)過了傳感器調(diào)理電路之后，調(diào)理后的較理想的信號波形將送入由電壓比較器、計數(shù)器、定時器構(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clock的上升沿時，進(jìn)行邏輯高低的判斷并輸出。由于調(diào)理后的信號幅值大致在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(只需大于脈搏振動的頻率)，電壓比較器的輸出由計數(shù)器對其進(jìn)行計數(shù)。同時利用定時器產(chǎn)生6s的時間間隔，在這段時間間隔內(nèi)計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)。定時器定時中斷后，由PSoC內(nèi)嵌的Cortex—M3微控制器進(jìn)行中斷處理，重新對定時器、計數(shù)器進(jìn)行配置，并且將計數(shù)器的值轉(zhuǎn)換后通過LCD顯示結(jié)果。

2.3 聲光報警電路的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

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

2.4 系統(tǒng)軟件的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的軟件部分主要作用，在于對PSoC的所需的各個硬件模塊進(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.軟件還有一個重要的功能就是，在定時器的中斷服務(wù)程序中完成脈搏振動數(shù)的顯示功能以及在緊急狀態(tài)下的聲光報警功能。

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。

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，成為了一個相對實(shí)際的數(shù)字量。數(shù)字量首先會通過LCD顯示器顯示出來，給予一個直觀的感受。同時，程序?qū)堰@個生成的數(shù)字量和預(yù)先設(shè)定的閥值(一個正常人的脈搏跳動數(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。

程序在啟動執(zhí)行后，首先對各個硬件模塊初始化，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)，定時器(Timer)，計數(shù)器(Counter)，字符型顯示器(LCD)，時鐘模塊(clock)，中斷模塊等。

程序在初始化完成，將會直接進(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)行都將在定時器的中斷服務(wù)子程序中CY_ISR(Intermpt Handler)。在定時器的中斷服務(wù)子程序

中，主要完成以下的操作：對計數(shù)器狀態(tài)配置和對其寄存器的讀取;對計數(shù)器的計數(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)行緊急聲光報警模塊，對定時器狀態(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對各個硬件模塊的驅(qū)動程序封裝的API也是相當(dāng)巧妙，程序開發(fā)也變得簡單、簡潔。

3 系統(tǒng)測試

由于本系統(tǒng)是比較具有實(shí)用價值的、可供醫(yī)療、消防方面使用的設(shè)備平臺，必須進(jìn)行實(shí)際的應(yīng)用測試，以考察是否適用于絕大多數(shù)的人群使用。在實(shí)際測試過程中，特別是操作壓電薄膜傳感器時，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)測的功能并且?guī)в懈婢δ?，可以?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，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。