基于MC9S12XS128的综合体质测量仪设计

徐龙

【摘要】 以飞思卡尔公司的MC9S12XS128为主控芯片来设计综合体质测量仪，文中主要从硬件方案论证与比较、硬件电路设计和系统软件三个方面来进行论述。硬件方案论证与比较通过对比各个模块的器件选型，进而给出合适的硬件电路设计。系统软件设计给出整个系统的程序流程框图。

【关键字】 体质测量 单片机 无线通信

一、对硬件方案进行论证与比较

本系统采用MC9S12XS128作为主控芯片，采用高精度的电阻式拉线位移传感器进行身高信号采集，在获取人体体重信号时可以采用称重传感器，另一方面肺活量信号的获取则可以借助差压带补偿压力传感器，本系统还带有蓝牙，GSM，RFID可刷卡显示等功能。本系统在经过不断实践及调整后，基本体质参数的测量要求都达到了相应标准，相应的无线数据传输部分也完整实现。结果显示，本系统具有科学的设计方法、较强的稳定性及抗干扰性等优点。

1.1 读卡模块设计方案

方案一：采用接触式的IC卡，该卡的外部接口电路以及集成电路和其外部金属电极触点直接相连 ，外部接口电路为卡内集成电路提供工作电源，该卡和读卡器之间数据的传送需要卡芯片上的6到8个触点才能实现。但是接触式的IC卡也有不足，比如：数据传输过程必须使用有线方式，并且不具有耐磨性等。

方案二：采用非接触式的IC卡，该卡在集成电路上不向外引出触点，其数据交流和电源的供给由无线收发及相应电路完成的，该电路是对应在卡片中的，此外，能量与数据的交换进行需要借助无线电波或者电磁场感应的方式。尽管IC卡也需要与主机接触，但是它在数据传输时可以借由无线方式。与方案一对比得：该种IC卡为整体封装，具有不怕油污、抗磨损和使用寿命长的优势。

对于上述的两个方案，分析比较之后，我们认为方案二要好于方案一。

1.2 身高测量模块设计方案

方案一：选取超声波传感器测距。外部信号处理简单便捷、速度快是超声波测距的优势之一，此外超声波测距还便于控制并且价优。因此常用在要求测量精度不高但速度要求较快的距离测试设备中。但在现实应用中，超声波传感器自身也存在一些不足，其中比较明显的缺点是探测波的束角偏大，造成信号不易采集、方向性较差，不易控制、使用前需要人为标定等缺点。

方案二：选取拉线式位移传感器测距。这种传感器的线性特性非常好，它的输出电压要求在0v到10v之间且与被测量成线性关系。具有测量精度可达千分之一、使用方便，温度误差小、寿命长等优点，符合本设计要求。

对于上述的二个方案，综合考虑之后，方案二是不错的选择。

1.3肺活量信号采集模块设计方案

方案一：差分压力传感器，测量精度高，受环境影响因素较小

方案二：空气流量传感器，在使用过程中发现其测量数据偏差较大，数据采集不稳定

对于上述两种方案，综合考虑选择方案二。

1.4微控制器选择方案

方案一：选择TI公司的M430G2553单片机作为系统的微处理器，M430G2553是超低功耗混合信号微控制器，其内设有的定时器有16位，I/O 引脚可以支持触摸感测且有24之多，它所具有的一个模拟比较器是通用型的，此外，其内置通信能力高，因为它利用了通用串行通信，不能忽视的是它尤为显著的一个特点那就是功率损耗小。而且其自带一个十位的A/D转换器，使模数转换更便捷。

方案二：选择飞思卡尔半导体公司的16位MC9S12XS128单片机作为系统的微处理器，MC9S12XS128由16位中央处理单元、128KB程序Flash、8KBRAM、8KB数据Flash组成片内存储器，指令系统与S12兼容CPU工作频率最高可达80MHz，16通道高达12位精度A/D采集模块，7级中断嵌套和7个中断优先级，CRG模块，COP看门狗，实时中断及时钟监视器。这样一来，无论是扫描还是处理数据的速度都有了特别大的突破。

对比方案上述两种方案，综合考虑选用方案二。

1.5系统总体方案

上面一系列的解析和验证，最终确定了下述系统各模块采用的方案：

（1）主控控制器：MC9S12XS128；（2） IC卡读卡模块 ：RC522串口读写器；（3）身高测量：电阻式拉线位移传感器；（4）体重测量：YZC-664称重传感器；（5）肺活量测量：肺活量传感器MPX2010DP；（6） 无线传送方面：蓝牙模块；（7）短信发送功能：TC35i型GSM开发板；（8）AD模块： 24位AD转换器ADS1256（肺活量传感器信号处理）；24位AD转换器HX711（体重传感器信号处理）

二、系统硬件电路设计

2.1肺活量测量电路设计

采用压力传感器MPX2010DP作为主要测量元件，而该传感器得到的为一差分模拟信号，并且题目要求肺活量的测量精度达到1ml，测量范围为8000ml，需采用24位的AD方能达到题目要求，此系统选用AD精度最高可达12位的单片机，显然与题目要求不符。因此通过将MPX2010DP输出的信号接入常见的如AD620仪表放大器中得到单路输出模拟信号，再将该单路模拟信号送至24位的ADS1256模块中进行AD转换，直接将转换得到的数字量送入单片机处理，即可满足题目要求。

2.2体重测量电路设计

体重测量电路采用应变式的压力传感器YZC-664称重传感器，该传感器测量得到的模拟信号是一个差值大于0mv小于20mv的差分信号，分析论证方案之后得出，这个信号可利用专业差分信号处理模块HX711处理，最终信号较稳定，且能满足题目要求，因此将P1端子代表的差分信号直接接至HX711的差分输入端即可，电路设计相对简单，并且性能稳定，测量结果满足题目要求。

三、系统软件设计

根据本系统的相关要求，依次通过外部按键设置进入校园卡录入信息、身高、体重、肺活量参数测量操作，待所有上述操作完成后，可选择通过GSM短信发送模塊和无线传输方式将测试者测试信息传送到指定的手机客户端和安卓平板电脑的客户端上。经过上述系列分析论证可知，软件系统的设计过程应为：先进行系统的初始化；液晶主菜单刷新显示；获取被测试者信息可以借助刷校园卡的方式，像学号、姓名等这样的个人信息都可以得到；然后在测量相应的参数时，我们需要利用按键处理程序来进行选择。所有参数测量结束后，再选择相应的按键执行数据的传送任务。

四、测试结果与结论

4.1测试结果

对电阻式拉线位移传感器和称重传感器输出信号的测试结果分别如表1和表2所示。电阻式拉线位移传感器的输出电压值精确度可达小数点后两位，经过AD转换后其精度能满足精确到1mm的要求，称重传感器测量输出信号的差分值达到了小数点后三位，经过24位AD HX711的转换后，同样能满足精确到0.1kg的要求。

4.2结论

根据题目要求，该设计完成了所要求的基本功能，可实现被测试者校园卡信息的刷新显示、身高、体重、肺活量等参数的测量。并且可将测试结果传输 到手机或安卓平板电脑端予以显示，较方便测试者了解自己的信息，且数据较为准确，具有参考价值。

参 考 文 献

[1]童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].北京.高等教育出版社，2006

[2]周航慈，朱兆优，等，智能仪器原理与设计[M].北京.北京航空航天大学出版社，2005

[3]谭浩强.C语言设计[M].北京.清华大学出版社，2005