基于ARM技術的服裝舒適性檢測系統的設計

摘 要:設計一種基于嵌入式ARM處理器的便攜式服裝壓力、溫濕度檢測系統。系統采用ARM9處理器S3C2410A為主控芯片，利用FlexiForce壓力傳感器、DHT90溫濕度傳感器為分布式測試元件，以SD卡作為存儲介質對采集的數據進行離線保存，并借助LabVIEW開發的儀器面板將測量結果保存并以直觀的形式顯示出來。測試實驗結果表明服裝舒適性檢測系統測試準確，工作可靠，可以為服裝舒適性的客觀評定提供科學依據。

關鍵詞:ARM; 服裝舒適性; 檢測系統; LabVIEW

中圖分類號:TN919; TP274.5文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)15-0177-03

Design of Test System for Clothing Comfortableness Based on ARM Technology

ZHANG Chun-li， GAO Xiao-ding， LIANG Jian-feng， TANG Ming-fei

(School of Mechanical Engineering， Xi’an Polytechnic University， Xi’an 710048， China)

Abstract: A portable garment pressure， temperature and humidity detection system based on embedded ARM controller was designed. ARM9 processor S3C2410A is used as the core chip， FlexiForce pressure sensor， DHT90 temperature and humidity sensor are used as distributed test components and SD card is used as the storage medium to save off-line collected data. The measured results are saved and showed with the instrument panel developed by LabVIEW. The test results show that clothing comfortableness detection system is accurate and reliable， provides a scientific basis for clothing comfortableness.

Keywords: ARM; clothing comfortableness; detection system; LabVIEW

0 引 言

隨著生活水平的提高，人們對服裝的舒適性有了更高的要求。服裝舒適性的研究范圍涉及三個基本領域:物理、生理和主觀心理。現階段，國內外的服裝舒適性研究主要集中在生理舒適性領域。服裝生理舒適性領域的研究主要集中在熱濕舒適性、接觸舒適性和壓感舒適性三大領域。服裝壓力、溫濕度的狀態是評價服裝生理舒適性的重要指標[1]。不適當的服裝壓力會影響著裝者的疲勞感和工作效率，且關系到人體的健康。一般來說，當人體皮膚溫濕度處于熱濕舒適性狀態時，人們的智力、體力(手工)或感覺方面的表現均處于高水平狀態，另外熱濕舒適性是人們處于最佳健康狀態的必要條件[2-4]。通過對人體不同狀態下不同部位的服裝壓力、溫度濕度的測量，可以得到人體著裝后的不同部位的壓力、溫濕度的分布狀況。對測量結果進行分析可以為服裝壓力、熱濕舒適性的客觀評價提供量化指標，為服裝的款式與結構設計提供科學依據。近年來越來越多的研究人員開展了有關服裝功能測試的研究，并且取得了較多進展，但是相關的服裝功能測試儀器的研發遠遠滯后于時代的需要[5]。本文設計了基于ARM技術的便攜式的服裝壓力、溫濕度測量系統。

1 服裝舒適性檢測系統的構成

服裝舒適性檢測系統由數據采集模塊、數據采集及存儲的控制模塊、數據分析模塊構成，結構如圖1所示。數據采集模塊的前端是由多個FlexiForce壓力傳感器、壓力-電壓信號轉換電路和DHT90溫濕度數字傳感器組成，這些傳感器用來獲取被測部位的壓力和溫濕度信號，并通過信號調理電路(信號變換電路、濾波電路等)將所測的壓力轉換為電壓信號。數據采集及存儲的控制模塊是本系統的核心，主要負責數據采集和存儲控制，該模塊利用ARM9處理器芯片S3C2440內置10 b模/數轉換器(ADC)，該ADC能以500 KSPS的采樣速率將模擬電壓信號轉換為10 b分辯率的數字信號并利用其GPIO接口實現溫濕度數字信號的采集。另外該模塊利用SD卡作為存儲介質實現對壓力、溫濕度數據的離線存儲。數據分析模塊主要負責讀取SD卡存儲的測量結果數據，該模塊借助LabVIEW語言開發出的方便、形象逼真的儀器面板將測量結果保存并以直觀的形式顯示出來。

2 服裝舒適性檢測系統硬件設計

服裝舒適性檢測系統硬件設計主要是關于系統硬件儀器及其器件的連接設計， 主要指的是數據采集模塊的傳感器的選用和數據采集及存儲控制模塊的硬件設計。服裝舒適性檢測系統硬件部分實現服裝舒適性檢測系統的儀器控制和數據采集，是服裝舒適性檢測系統的主題部分，直接關系到整個系統性能的優劣。

圖1 服裝壓力、溫濕度測試系統結構框圖

2.1 數據采集模塊硬件設計

數據采集模塊硬件設計主要包括溫濕度傳感器的選用、壓力傳感器的選用、壓力-電壓信號轉換放大電路。

2.1.1 傳感器的選用

傳感器處于測試系統的最前端，是感知溫濕度和壓力信號的窗口，所獲得和轉換的信息正確與否，直接關系到整個測試系統的性能好壞。本系統采用了DHT90數字溫濕度傳感器和美國Tekscan公司的FlexiForce壓力傳感器。

DHT90數字溫濕度傳感器可以同時測量濕度、溫度和露點，不需外圍元件直接輸出經過標定了的相對濕度、溫度及露點的數字信號，可以有效解決傳統溫、濕度傳感器的不足。內部集成了濕度敏感元件和溫度敏感元件、放大器、一個14 b的A/D轉換器、標定數據存儲器以及數字總線接口以及穩壓電路。由于溫度傳感器和濕度傳感器在硅片上是緊靠在一起，可以精確地測定露點，不會因為兩者之間的溫度差而引入誤差;直接通過存放在芯片上OTP存儲器中的標定系數，輸出是經過標定的數字信號。DHT90數字溫濕度傳感器其性能優良、穩定性好、成本低、使用方便[6]，因此本系統采用其作為溫濕度的測量。

采用FlexiForce壓力傳感器進行壓力測試。與傳統服裝壓力測試系統中所采用的傳感器相比， FlexiForce在線性、滯后性、漂移、溫度和靈敏度方面有著優良的性能，根據待測的服裝壓力值，選用了壓力范圍為0~1 lb(4.4 N)的FlexiForce A201型傳感器是完全具備服裝壓力測試條件的[7]。由于ARM不能采集非電量的物理信號，而壓力傳感器輸出的為非電量的壓力信號，需通過壓力-電壓轉換放大電路將壓力信號轉換為電壓信號。再由標定后的壓力與電壓的對應關系，得到所需的服裝壓力值。

2.1.2 壓力-電壓信號轉換放大電路及壓力-電壓標定

傳感器通過壓力-電壓信號轉換放大電路后，輸出電壓值Vout。傳感器輸入信號與電壓的相互對應關系為Vout=-VD*(RF/R)，RF=R1+RF1，其中:Vout為輸出的電壓;RF為放大電路中的反饋電阻;R為傳感器對應的阻值，其阻值的變化對應了作用在傳感器上壓力的變化，RF/R為放大電路中的放大系數。FlexiForce壓力傳感器靜態特性壓力-電壓標定曲線如圖2所示。

圖2 壓力-電壓標定曲線

2.2 數據采集及存儲控制的硬件設計

數據采集及存儲控制模塊是本系統的核心，該模塊性能直接影響整個服裝測量系統的測量精度和運行速度。數據控制及存儲模塊結構框圖如圖3所示，數據采集及存儲控制模塊的核心部分是三星公司生產的高性能S3C2410微處理器。該處理器是基于ARM920T內核的16/32位RISC嵌入式微處理器，片上主要集成有117個通用I/O接口，24個外部中斷源，4個具有PWM功能的計時器及1個內時鐘，8通道10位ADC，3通道的UART，4通道的SDRAM控制器，1個LCD控制器，具有日歷功能的RTC(實時時鐘)，SD卡接口等。同時，S3C2410還提供一組完整的系統外圍設備，主要有 MAX232、按鍵、LED、SD存儲卡、SDRAM、SRAM[8-9]等。

圖3 數據控制及存儲模塊結構框圖

S3C2410微處理器利用內置的10 b模/數轉換器(ADC)以500 KSPS的采樣速率將壓力信號值轉換的模擬電壓信號轉換為10 b分辨率的數字信號;S3C2410微處理器利用其GPIO接口實現溫濕度數字信號的采集。另外該處理器通過按鍵對采樣通道的選擇和采樣速率進行控制;以SD卡作為存儲介質對所采集的數據進行離線保存。此芯片主要面向手持設備，以及高性價比、低功耗的應用，可滿足數據采集及存儲控制模塊控制的需要。

3 服裝舒適性檢測系統軟件的實現

服裝舒適性檢測系統的軟件實現指的是數據采集及存儲控制硬件模塊的軟件實現以及對數據分析模塊的軟件實現。

3.1 數據采集和控制及數據處理硬件模塊的軟件實現

系統采集、存儲模塊軟件部分是在ADS 1.2 環境下利用C 語言進行編程，并針對相應的硬件功能實現的，流程圖如圖4所示。數據采集和控制及數據處理硬件模塊的軟件實現首先是對系統進行初始化，系統初始化主要指中斷、存儲器系統、堆棧的初始化及鍵盤、LED、SD存儲卡等硬件的初始化;接著通過鍵盤實現采樣通道和采樣速率的設定;然后啟動A/D轉換將采集的模擬壓力-電壓信號轉換為數字信號;最后在采樣結束時將采集的壓力、溫濕度信號導入SD存儲卡實現采集信號的存儲操作。

圖4 數據采集、存儲控制模塊軟件流程圖

3.2 數據分析模塊的軟件實現

數據分析模塊只涉及軟件實現，該模塊采用LabVIEW 7.1軟件實現了采集數據的輸出、圖形的實時顯示與Excel測試報告的生成與保存功能[10]，程序示意圖如圖5所示。數據分析模塊的軟件實現首先是打開離線保存在SD存儲卡里的溫濕度壓力信號的文件;其次進入While loop 循環通過對控制按鈕設定連續讀取文件中的信號，并將其數據分流實現各通道壓力、溫濕度信號的圖形化顯示;最后保存Excel測試報告并關閉文件。

設計的數據分析模塊的面板如圖6所示，該模塊靈活簡潔，可對壓力、溫濕度信號進行長時間的連續監測，形象地模擬了傳統儀器的外觀。在操作面板時首先將布爾開關指向“開始”，打開離線保存在SD存儲卡里的溫濕度壓力信號的文本文件(如j:\\\\1.txt)讀取數據，即每隔一定時間進行一次連續的數據讀取，然后用戶通過面板的“讀取數據點數”和“讀取位置”控件進行設置所需讀取點數及通道的選擇，將布爾開關指向“停止”即可結束信號的顯示;最后點擊Excel按鈕將測試報告以電子表格的形式進行保存。該面板實現的是8路信號的數據顯示功能，便于在同一時間監測多部位的壓力、溫濕度信號的變化情況，同時Excel測試報告實現了測試信息長時間保存的功能。

圖5 數據分析模塊程序示意圖

圖6 數據分析模塊的面板

4 測試實驗

圖6顯示的曲線分別是服裝舒適性檢測系統對人體在正常工作狀態下后背、腋窩溫濕度和肩部、腹部壓力測試的結果。由于人體在正常工作狀態時其同一部位的壓力及溫濕度值隨時間變化不大，圖6所示的測試的結果符合人體正常著裝狀態下不同部位的壓力及濕度實際變化情況。

5 結 語

設計一種基于嵌入式ARM處理器的便攜式服裝壓力、溫濕度測量系統。該系統在單個芯片上實現了人體在正常工作狀態下的服裝壓力、溫濕度連續采集與存儲，基于LabVIEW實現實時數據分析，且系統具有體積小、功耗低、速度快、測試準確、工作可靠等特點，該便攜式系統可以為服裝舒適性的客觀評定提供依據和基礎，為服裝功能測量系統的開發提供了一條新的思路。

參考文獻

[1]李毅.服裝舒適性與產品開發[M].北京:中國紡織出版社，2006.

[2]陳紅娟，李煒.服裝壓力測試系統研究[J].針紡工業，2006(2):53-55.

[3]崔立明，陳東生.服裝壓力測試技術的現狀[J].國際紡織導報，2007(4):75-77.

[4]莊梅玲，張曉楓.服裝熱舒適性能的心理學評價[D].青島:青島大學，2009.

[5]宋曉霞，馮勛偉.服裝壓力與人體舒適性之關系[J]. 紡織學報，2006，27(3):103-105.

[6]何道清.傳感器與傳感器技術[M].北京:科學出版社，2006.

[7]高國富.智能傳感器及其應用[M].北京:化學工業出版社，2005.

[8]胥靜.嵌入式系統設計與開發實例詳解[M].北京:北京航空航天大學出版社，2005.

[9]周立功.ARM微處理器基礎與實戰[M].北京:北京航空航天大學出版社，2005.

[10]王磊，陶梅.精通LabVIEW 8.0[M].北京:電子工業出版社，2007.