基于ARM Cortex
--M4的運動環境監測系統設計與實現

何秀強， 黃 威， 葉朝輝

(清華大學 自動化系，北京 100084)

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基于ARM Cortex
--M4的運動環境監測系統設計與實現

何秀強， 黃 威， 葉朝輝

(清華大學 自動化系，北京 100084)

基于ARM Cortex—M4評估板和多種傳感器設計了性能優良、功能豐富且成本低廉的運動環境監測電子系統。該系統能夠實現人體運動時心率、氣溫、濕度、氣壓、海拔和經緯度的監測，并實時顯示監測結果，通過短信發送至手機等功能。分別介紹了各分功能及分功能集成系統的設計和實現方法。經過測試，系統能夠正常穩定地工作，為運動健康電子監測系統的研究提供了思路，同時可作為電子系統教學和科研的實驗平臺。

ARM Cortex—M4； 傳感器； 運動環境； 監測系統

0 引 言

目前，人體運動健康監測產品，如智能手環、運動腕表等,仍然不夠成熟，且價格不菲，功能單一，測量誤差不穩定，并且由于技術和成本等原因尚未實現普及化[1,2]。因此，研究可監測運動健康的電子系統并嘗試開發性能優良、功能豐富且成本低廉的電子產品很有必要。

本文以TM4C123GH6PGE芯片的評估板為主電路，外圍搭建了多種集成數字傳感器的環境量(例如氣溫)監測的電路模塊，設計和實現了一種智能運動環境監測系統，可用于教學和科研。

1 整體系統設計

TM4C123芯片評估板外圍搭建了溫度、濕度、氣壓、脈搏監測電路模塊以及全球定位系統(GPS)定位和全球通信系統/通用分組無線業務(GSM/GPRS)功能的電路模塊。系統功能包括以下3方面：

1)使用電路模塊中集成的傳感器測量對應環境量，主電路處理與電路模塊的通信，從而實現人體運動時(步行、跑步、騎行和越野等)心率和運動環境中氣溫、濕度、氣壓、海拔及所處地理位置的實時監測。

2)將上述各功能集成形成監測系統。系統運行時，分別監測各環境量，將結果顯示出來。循環監測，實時更新顯示。

3)為了實現環境監測結果和運動數據管理以及運動健康指導，使用手機通過短信方式向系統發送查詢命令，系統回送監測結果到手機。收集到環境及運動數據后，可在手機上開發運動健康管理應用程序等。

系統整體由ARM評估板、溫度監測模塊、濕度監測模塊、氣壓與海拔監測模塊、心率監測模塊、GPS定位模塊和GSM/GPRS模塊等組成，其中ARM評估板為系統的主電路。系統整體結構如圖1所示。每個模塊中信息包括模塊的名稱或功能、所使用的傳感器或產品的名稱及供電電壓。每個模塊與主電路的通信方式及方向通過與主電路連接的箭頭表示。實際上，AM2301濕度模塊和MS5611氣壓模塊中均集成有溫度傳感器，但為了拓展研究，及對比監測結果，設計使用了DS18B20溫度傳感器監測溫度。

圖1 系統結構

利用CCS開發軟件編程實現各模塊對應的功能，通過測試后，集成為一個監測系統，實現上述整體系統的功能。

2 模塊電路設計及實現

系統各模塊電路如圖2所示。

圖2 各電路模塊與主電路連接

2.1 溫度模塊

溫度模塊使用較為常用的DS18B20溫度傳感器，可將溫度信號直接轉換成16位串行數字信號，并通過固定數據格式的串行輸出方式與單片機等通信[4]。由于通信協議要求數據線空閑時應保持高電平，所以將其上拉然后連接至主電路的通用輸入/輸出(GPIO)口，如圖2(a)所示，主電路通過對GPIO口電平的讀/寫可完成與外圍設備的通信[5]。

DS18B20啟動后將進入低功耗等待狀態，當需要進行溫度測量和A/D轉換時，主電路發出指令，DS18B20完成相應操作，產生的溫度數據以2個字節的形式存儲在高速暫存器的溫度寄存器中，然后繼續保持等待狀態。主電路在溫度轉換指令之后發起“讀時隙”，從而通過單總線完成與傳感器的數據通信，讀出傳感器測量到的溫度數據[4]。

因為DS18B20通過對I/O引腳的電平讀/寫完成單總線的通信，而一般單總線通信往往采用主從機間精確的時序關系實現，即數據讀/寫期間主動的一方發出的高、低電平需要按照協議要求滿足一定范圍的延時以使另一方能夠正常接收到此信號。所以需要編程使得主電路內部的定時器中斷產生精確的1 μs延時，從而得到任意微秒的延時函數，據此可實現讀/寫時序的延時需求。

2.2 濕度模塊

濕度模塊使用AM2301傳感器。AM2301(DHT21)數字溫濕度傳感器為含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。傳感器包括一個電容式感濕元件和一個NTC測溫元件，并集成一個高性能8位單片機。每個AM2301傳感器OTP內存中存儲有校準系數，傳感器內部在檢測信號的處理過程中需要調用這些校準系數[6]。傳感器采用單線制串行接口，與主電路的連接如圖2(b)所示。

主電路發送一次開始信號后，AM2301從低功耗模式轉換到高速模式，等待開始信號結束后發送響應信號，并發送40 bit的數據[6]。DATA引腳用于主電路與AM2301之間的通信和同步，采用單總線數據格式，通信時間約5 ms/次， 40 bit數據包括溫濕度數據和校驗和，高位先出。在程序中，根據時序要求，向從機發送開始信號，當正確檢測到從機的響應信號，根據時序要求讀40 bit數據。之后進行數據校驗，無誤后，將結果回傳到主函數相應變量。程序的關鍵在于主從機間數據讀/寫時嚴格按照時序進行操作，在編寫程序和調試中應該時刻檢查時序是否正確。

2.3 氣壓與海拔模塊

氣壓模塊采用MS5611傳感器。MS5611—01BA氣壓傳感器是由MEAS(瑞士)推出的集成SPI和I2C兩種總線接口的高分辨率氣壓傳感器，分辨率可達到10 cm。該傳感器模塊包括一個高線性度的壓力傳感器和一個超低功耗的24位Σ—模/數轉換器[7]。本文選擇I2C通信方式， PS引腳接高電平，CSB引腳接低電平，作為從機，其地址的最低位為1。傳感器和主電路之間的連接如圖2(c)所示。

MS5611的操作命令主要有5種:Reset、讀取PROM中128 bit的補償數據、溫度ADC指令、氣壓ADC指令和讀取ADC結果命令。程序中按照這5條命令的操作順序完成對氣壓和溫度的監測。程序中首先根據I2C通信協議中發送和接收字節的時序要求，分別編程實現發送和接收函數，然后實現上述5種讀/寫操作命令。

程序執行時，首先對MS5611進行初始化，讀取PROM中校正參數值后，將校正參數值WORD1～WORD4轉換為補償參數C1～C6[7]。然后發送溫度ADC命令，延時后讀取ADC結果，根據補償原理和補償參數對讀出的溫度進行補償計算。使用同樣的方法讀取氣壓ADC結果，然后補償計算，修正溫度變化引起的壓力值的變化。如需測量海拔高度，則可通過高度與壓力、溫度的關系計算海拔高度。

2.4 心率模塊

PulseSensor是一種用于脈搏心率測量的光電反射式模擬傳感器，佩戴于手指或耳垂等處，將采集到的模擬信號傳輸給ADC，轉換為數字信號，再通過單片機等簡單計算后可以得到心率數值。采用光電容積法[8]作為測量脈搏頻率的傳感器。如圖2(d)所示，標有S的為信號輸出線(最左邊)，連接至主電路的ADC的輸入端，并連接供電電路。

主機通過ADCIN采集得到的數據為模擬數據，信號如圖3所示。主機每隔一小段時間(例如50 ms)采樣模擬數據，經過A/D轉換得到數字信號。經過一段較長的測量時間(例如10 s)得到一系列隨時間變化的數字信號，根據數字信號的變化周期計算得到心率。為了消除模擬電壓波動的噪聲和ADC誤差的影響，軟件監測算法使用施密特比較器原理，如圖4所示。

圖3 PulseSensor輸出的模擬信號

圖4 利用施密特比較器消除噪聲干擾

為了使得監測結果更加精確，程序中設定監測圖4的方波20個周期，然后利用平均法計算單個周期。考慮到期間隨機因素(例如在測量過程中從測量處突然拿走監測模塊)的影響，還需要判定高低電平持續時間是否正常，算法中只取正常的周期，計算脈搏的頻率。實驗前用示波器實測波形，然后對比較器的上、下限和高低電平持續的合理時間等參數進行標定。

2.5 GPS定位模塊

GPS定位模塊使用U—BLOX NEO—7M—C完整模塊[9]，模塊與主電路的連接如圖2(e)所示。模塊上電后，LED燈由常亮變為秒閃，定位成功，串口輸出定位數據。程序中根據GPS數據格式標準，提取需要的經緯度地理位置信息。

2.6 GSM/GPRS模塊

SIM900A模塊是一種尺寸緊湊的GSM/GPRS模塊，能夠實現與遠程終端的數據傳輸功能[10]。研究采用TTL電平接口，模塊與主電路的連接如圖2(f)所示。

該模塊與主電路通過UART接口連接，實現主電路與模塊的通信。用戶以短信方式發送指令至模塊，模塊接收到指令后，通過串口發送給主電路，主電路將各環境量的監測結果再通過串口回傳至模塊，模塊將監測信息通過短信方式回傳手機，即可完成運動環境的遠程監測功能。

3 系統功能實現

為了實現各個監測模塊功能的集成，程序實現可分為以下3個方面：

1)將各個模塊分別實現為頭文件和源文件，然后將各模塊的文件都包含在工程下。每個模塊的監測結果可以是函數返回值，也可以是全局變量。

2)將各模塊通用的函數實現為utility.h和utility.c，同樣包含在工程下，該文件主要包括延時函數、串口配置函數和串口收發函數等。

3)在主程序所在的文件main.c中實現各中斷處理函數和主函數。主函數中首先配置系統時鐘、使能外設、配置通信接口等，然后申請存儲各監測結果的變量，并初始化屏幕顯示模塊。之后進入while循環，調用各功能模塊文件中的函數實現對各環境量的監測，將數值結果轉化為ASCII碼格式。使能顯示模塊，將監測結果顯示在屏幕上。如需實現短信收發功能，則在使能顯示后，進入短信收發函數，檢查串口緩沖區是否有命令，如有，則將監測結果連成一個字符串通過串口發傳至GPRS模塊，由GPRS模塊回傳至手機。循環末尾延時適當的時間，然后重新進行監測，實時更新顯示。程序流程如圖5所示。

圖5 系統程序的流程

實際搭建的電路如圖6所示。圖中最上方為ARM評估板主電路，中間為各個模塊電路，最下方為供電電路。系統各分功能和整體功能均通過了簡單環境下的測試。

圖6 實際電路系統

4 結束語

對基于ARM Cortex—M4的人體運動環境監測系統進行了設計和實現，使用ARM評估板作為主電路，利用外圍多個具備環境監測功能的傳感器模塊實現了人體運動時心率和運動環境中各量的監測，并實現了監測結果的顯示、發送和記錄，在此基礎上可在移動終端上開發人體運動健康應用程序等。

研究的重點在于基于ARM芯片評估板進行測量和控制功能的開發，一方面積累開發經驗，為豐富教學和科研實驗作基礎研究，另一方面為當前運動健康便攜式電子產品的研究提供思路。為了降低成本，可使用Cortex—M4系列中外圍接口較少的芯片，開發性能優良、功能豐富且成本較低的電子系統。

[1] 張虎軍,張楠楠,顧建文,等.人體運動監測技術的發展與應用[J].醫療衛生裝備,2011,32(8):83-85.

[2] 劉 靜,楊永杰,李 丹,等.可穿戴式生理數據檢測儀的研制[J].傳感器與微系統,2016,35(7):76-79.

[3] 葉朝輝. TM4C123微處理器原理與實踐[M].北京:清華大學出版社,2014.

[4] 湯鍇杰,栗 燦,王 迪,等.基于DS18B20的數字式溫度采集報警系統設計[J].傳感器與微系統,2014,33(3):99-102.

[5] 沈建華.嵌入式系統教程:基于Tiva C系列ARM Cortex—M4微控制器[M].北京:北京航空航天大學出版社,2015.

[6] 秦 偉.基于AM2301溫濕度計設計[J].湖南農機:學術版,2012,39(5):59-60.

[7] 潘銀松,劉天剛,馬澤忠,等.基于MS5611的小型無人機高度檢測系統設計[J].電子測量技術,2015(7):22-26.

[8] 鄂 冬,葉樹明,周樂川.耳部光電容積脈搏波傳感器的去運動干擾設計[J].傳感器與微系統,2012,31(8):119-122.

[9] u-blox.u-blox發布整合3D傳感器的終極室內/室外定位模塊NEO—M8L[J].微型機與應用,2014(12):13.

[10] 萬云霞,龐 鑠,付群健,等.智能防盜車鎖跟蹤系統設計[J].傳感器與微系統,2016(5):100-102.

Design and realization of sport environment monitoring system based on ARM Cortex--M4

HE Xiu-qiang， HUANG Wei， YE Zhao-hui

(Department of Automation，Tsinghua University，Beijing 100084，China)

A sport environment monitoring system based on ARM Cortex—M4 evaluation board and various sensors is designed for purpose of inexpensive,high performance and multiple functions.The system can achieve heart rate, temperature,humidity,air pressure,altitude,longitude and latitude monitoring functions during human body exercise,display the monitoring results in realtime and send short message to cell phone.The design and realization methods of sub-function and functional integration system are introduced separately.Test shows that the system works normally and stably,provides foundation for research on sport health monitoring system.The system can be used as an experimental platform for teaching and scientific research of electronic system.

ARM Cortex—M4； sensor； sport environment； monitoring system

10.13873/J.1000—9787(2017)08—0078—04

2016—08—22

TP 212.9

A

1000—9787(2017)08—0078—04

何秀強(1993-)，男，碩士研究生，主要研究方向為電子技術領域研究,E—mail：826559503@qq.com。