基于壓電薄膜和片上可編程系統的可穿戴體征監測系統

徐慧軍，許武軍

（東華大學 信息科學與技術學院，上海 201620）

目前，可穿戴技術正作為一類重大科技變革而興起，其實質就是能直接穿在身上，整合進衣服中，甚至植入身體中的相關科學技術。可穿戴技術的發展將會隨著硬件技術、傳感器技術、電池技術、通訊技術的完善越來越受到行業的重視，成為下一個爆發性的技術熱潮。

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，且質量輕、柔性好、加工性性能好、頻率響應寬等特性。利用其壓電特性制作的傳感器有結構簡單、響應速率快、后端的處理簡單等優點，已在健康監測和仿生學方面有廣泛的應用[1]。

可編程片上系統是一種可編程的半導體器件，既具有現場可編程門陣列的數字陣列，又具有系統可編程模擬器件的模擬陣列，有處理數字和模擬兩種信號的能力?？删幊唐舷到y技術是一種全新的嵌入式設計，能夠在系統運行過程中編程，以修改和重構電子系統，在小型系統設計方面得到越來越廣泛的應用[2]。

研究的可穿戴體征監測系統結合了壓電薄膜傳感器和可編程片上系統技術，正是將可穿戴技術滲透于消防和服裝的一次探索。

1 技術分析

本系統基于CYPRESS公司的PSoC5硬件平臺資源，使用與之配套的PSoCCreator2.0軟件開發平臺，采用C語言作為編程語言，來完成整個可穿戴體征監測系統的實現。主要完成基于PSoC平臺壓電薄膜傳感器的調理電路的實現，完成基于PSoC平臺模數轉換電路的實現，完成基于PSoC平臺的聲光報警電路的實現，完成系統軟件的設計實現。

1.1 PSoC5系統架構

下面介紹CY8C55系列的低功耗、片上可編程系統，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，非易失性子系統，編程調試子系統，數字、模擬子系統，時鐘和電源模塊[3]。

由于PSoC系統的顯著特點，能把設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，提高設計效率，縮短設計周期，加速樣機成型。當設計需求改變時能夠很快修改，新產品更新換代無需太變化，集成度高，多種功能于一身，便于研發、采購、生產，從而降低了成本。

圖1 PSoC5簡化模塊框圖Fig.1 PSoC5 simplified block diagram

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，使得傳感器產生自屏蔽。這在高標準EMI環境下的應用是相當重要的。

圖2 SDT1-28K壓電薄膜傳感器Fig.2 Piezoelectric thin film sensor

傳感器以相對的模式運作，壓電薄膜的長度變化產生相應的電荷，因而電壓出現在薄膜的電極端。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載阻抗匹配問題。由于薄膜極其的細薄，產生的寄生電容和標準1 MΩ負載足以構成低頻響應[4]。

2 技術實現

研究的可穿戴體征監測系統由三大部分組成：傳感器調理電路，模數轉換電路，聲光報警電路。整個系統組成部分如下圖3所示。

2.1 傳感器調理電路的設計與實現

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[5]。圖4顯示了模擬部分的配置，由圖形化配置工具PSoC Creator實現。

圖3 系統組成框圖Fig.3 Block diagram of system

圖4 傳感器調理電路實際圖Fig.4 Physical sensor conditioning circuit schematic

輸入模塊的第一級由一個運算放大器構成的增益為1的電壓跟隨器，作為在傳感器與負載之間的阻抗匹配。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。在這一級預放大之后，需要一個帶偏置補償的二級放大。偏置補償由于傳感器的初始偏置導致，所以必須要9位的DAC完成補償。二級放大由運算放大器構成的二階有源低通濾波電路，增益G在1-48之間。所有的偏置補償和增益自動地由固件根據實際需要進行配置參數的選擇。

信號經過濾波之后，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構成。最后經過放大的信號將送入由定時器和計數器構建的特殊的模數轉換電路[6]。

2.2 模數轉換電路的設計與實現

模擬脈搏響應信號在經過了傳感器調理電路之后，調理后的較理想的信號波形將送入由電壓比較器、計數器、定時器構成的特殊的模數轉換電路。

圖5 模數轉換電路實際圖Fig.5 Physical analog to digital conversion circuit schematic

圖5 顯示了模數轉換電路的設計實際圖的配置，由圖形化配置工具PSoCCreator實現。調理后的信號幅值滿足PSoC內置的電壓比較器所需的電平大小值。電壓比較器根據固件配置的參數、比較器的參考電壓Vref，在每個clock的上升沿時，進行邏輯高低的判斷并輸出。由于調理后的信號幅值大致在1.2 V左右，故系統在給電壓比較器的參考電平為1.2 V，并且設定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器對其進行計數。同時利用定時器產生6s的時間間隔，在這段時間間隔內計數器進行計數。定時器定時中斷后，由PSoC內嵌的Cortex-M3微控制器進行中斷處理，重新對定時器、計數器進行配置，并且將計數器的值轉換后通過LCD顯示結果[7]。

2.3 聲光報警電路的設計與實現

聲光報警電路的設計作用在于，在系統探測到異常的數據時，能夠作出相應的反應以提示用戶采取相應的措施。軟件在判斷出計數器轉后的數值異常時，將會執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，用杜邦線將對應的引腳連接即可。圖6顯示了此模塊電路的完整設計。

圖6 聲光報警實際圖Fig.6 Physical sound and light alarm shcematic

2.4 系統軟件的設計與實現

系統的軟件部分主要作用，在于對PSoC的所需的各個硬件模塊進行配置。模塊的初始化，參數的配置，模塊的RESET功能的實現均在軟件內部實現。此外，軟件還有一個重要的功能就是，在定時器的中斷服務程序中完成脈搏振動數的顯示功能以及在緊急狀態下的聲光報警功能[8]。

系統軟件流程圖如圖7所示，PSoCCreator 2.0提供匯編和C語言兩種語言實現軟件設計。

圖7 系統軟件流程圖Fig.7 System software flow chart

軟件執行部分正如流程圖所示，最初的人體脈搏模擬量經過壓電薄膜傳感器、傳感器調理電路、模數轉換電路后，成為了一個相對實際的數字量。數字量首先會通過LCD顯示器顯示出來，給予一個直觀的感受。同時，程序將會把這個生成的數字量和預先設定的閥值（一個正常人的脈搏跳動數的范圍）作出比較。如果數字量在這正常的范圍內，則綠燈常亮，蜂鳴器不響；如果數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[9]。

程序在啟動執行后，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：運算放大器（Opamp），可編程放大器（PGA），電壓比較器（Comp），定時器（Timer），計數器（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，將會直接進入for函數引導的無限循環。函數的主要代碼執行都將在定時器的中斷服務子程序中CY_ISR（Interrupt Handler）。在定時器的中斷服務子程序中，主要完成以下的操作：對計數器狀態配置和對其寄存器的讀??；對計數器的計數進行數據轉換；調用LCD進行結果顯示；進行閥值判斷判斷是否執行緊急聲光報警模塊，對定時器狀態配置等。

綜上可知，PSoC可編程片上系統的開發是相當簡便的，其上的硬件資源與軟件資源相當豐富，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設計的整體功能，避免了分立元件搭建系統的調試困難。在軟件上，PSoC對各個硬件模塊的驅動程序封裝的API也是相當巧妙，程序開發也變得簡單、簡潔[10]。

3 系統測試

由于本系統是比較具有實用價值的、可供醫療、消防方面使用的設備平臺，必須進行實際的應用測試，以考察是否適用于絕大多數的人群使用。在實際測試過程中，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。測試連接方式如圖8所示。

圖8 實際測試結果圖Fig.8 Test results figure

4 結 論

本系統基本實現了生命體征監測的功能并且帶有告警功能，可以應用在本文提出的智能服裝領域，改善消防人員的救援效果。同時，此系統改進了傳統的消防救急措施，加入了現代化的電子信息系統，可以提高整體消防的效率。另外，從系統的基礎功能可以看出，此電子系統還可應用在醫療電子設備、臨床醫學監護等領域，有著廣泛的應用性和拓展性。

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