基于壓電薄膜和片上可編程系統的可穿戴體征監測系統

目前，可穿戴技術(shù)正作為一類(lèi)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(zhù)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(lái)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，且質(zhì)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(jiǎn)單、響應速率快、后端的處理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，已在健康監測和仿生學(xué)方面有廣泛的應用。

可編程片上系統是一種可編程的半導體器件，既具有現場(chǎng)可編程門(mén)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(shù)是一種全新的嵌入式設計，能夠在系統運行過(guò)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(lái)越廣泛的應用。

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(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(kāi)發(fā)平臺，采用C語(yǔ)言作為編程語(yǔ)言，來(lái)完成整個(gè)可穿戴體征監測系統的實(shí)現。主要完成基于PSoC平臺壓電薄膜傳感器的調理電路的實(shí)現，完成基于，PSoC平臺模數轉換電路的實(shí)現，完成基于PSoC平臺的聲光報警電路的實(shí)現，完成系統軟件的設計實(shí)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(shí)鐘和電源模塊。

由于PSoC系統的顯著(zhù)特點(diǎn)，能把設計人員從繁瑣的低水平編程中解脫出來(lái)，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(shí)能夠很快修改，新產(chǎn)品更新?lián)Q代無(wú)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(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。這在高標準EMI環(huán)境下的應用是相當重要的。

傳感器以相對的模式運作，壓電薄膜的長(cháng)度變化產(chǎn)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(gè)“積極的”電容，所以測量器件的輸入信號加載時(shí)必須考慮負載阻抗匹配問(wèn)題。由于薄膜極其的細薄，產(chǎn)生的寄生電容和標準1 MΩ負載足以構成低頻響應。

2 技術(shù)實(shí)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(gè)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(shí)現

壓電薄膜傳感器是無(wú)源傳感器，無(wú)源傳感器的差分輸出是一個(gè)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(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。

輸入模塊的第一級由一個(gè)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(gè)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(gè)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(dòng)地由固件根據實(shí)際需要進(jìn)行配置參數的選擇。

信號經(jīng)過(guò)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(jīng)過(guò)放大的信號將送入由定時(shí)器和計數器構建的特殊的模數轉換電路。

2.2 模數轉換電路的設計與實(shí)現

模擬脈搏響應信號在經(jīng)過(guò)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(shí)器構成的特殊的模數轉換電路。

圖5顯示了模數轉換電路的設計實(shí)際圖的配置，由圖形化配置工具PSoC Creator實(shí)現。調理后的信號幅值滿(mǎn)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(gè)clock的上升沿時(shí)，進(jìn)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(dòng)的頻率)，電壓比較器的輸出由計數器對其進(jìn)行計數。同時(shí)利用定時(shí)器產(chǎn)生6s的時(shí)間間隔，在這段時(shí)間間隔內計數器進(jìn)行計數。定時(shí)器定時(shí)中斷后，由PSoC內嵌的Cortex—M3微控制器進(jìn)行中斷處理，重新對定時(shí)器、計數器進(jìn)行配置，并且將計數器的值轉換后通過(guò)LCD顯示結果。

2.3 聲光報警電路的設計與實(shí)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(shí)，能夠作出相應的反應以提示用戶(hù)采取相應的措施。軟件在判斷出計數器轉后的數值異常時(shí)，將會(huì )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(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(shí)只需固件配置好引腳分配方案，用杜邦線(xiàn)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。

2.4 系統軟件的設計與實(shí)現

系統的軟件部分主要作用，在于對PSoC的所需的各個(gè)硬件模塊進(jìn)行配置。模塊的初始化，參數的配置，模塊的RESET功能的實(shí)現均在軟件內部實(shí)現。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)數的顯示功能以及在緊急狀態(tài)下的聲光報警功能。

系統軟件流程圖如圖7所示，PSoC Creator 2.0提供匯編和C語(yǔ)言?xún)煞N語(yǔ)言實(shí)現軟件設計。

軟件執行部分正如流程圖所示，最初的人體脈搏模擬量經(jīng)過(guò)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(gè)相對實(shí)際的數字量。數字量首先會(huì )通過(guò)LCD顯示器顯示出來(lái)，給予一個(gè)直觀(guān)的感受。同時(shí)，程序將會(huì )把這個(gè)生成的數字量和預先設定的閥值(一個(gè)正常人的脈搏跳動(dòng)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。

程序在啟動(dòng)執行后，首先對各個(gè)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(shí)器(Timer)，計數器(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函數引導的無(wú)限循環(huán)。函數的主要代碼執行都將在定時(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：對計數器狀態(tài)配置和對其寄存器的讀取;對計數器的計數進(jìn)行數據轉換;調用LCD進(jìn)行結果顯示;進(jìn)行閥值判斷判斷是否執行緊急聲光報警模塊，對定時(shí)器狀態(tài)配置等。

綜上可知，PSoC可編程片上系統的開(kāi)發(fā)是相當簡(jiǎn)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(zhù)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(gè)硬件模塊的驅動(dòng)程序封裝的API也是相當巧妙，程序開(kāi)發(fā)也變得簡(jiǎn)單、簡(jiǎn)潔。

3 系統測試

由于本系統是比較具有實(shí)用價(jià)值的、可供醫療、消防方面使用的設備平臺，必須進(jìn)行實(shí)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(shí)際測試過(guò)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。測試連接方式如圖8所示。

4 結論

本系統基本實(shí)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(lǐng)域，改善消防人員的救援效果。同時(shí)，此系統改進(jìn)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(xué)監護等領(lǐng)域，有著(zhù)廣泛的應用性和拓展性。