腕戴式集成电气测量测试系统原型设计

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(1. 东华大学 信息科学技术学院，上海 201620； 2. 东华大学 数字化纺织服装技术教育部工程研究中心；3. 京滨电子装置研究开发(上海)有限公司)

腕戴式集成电气测量测试系统原型设计

赵海森，许武军,2，于浩3

(1. 东华大学 信息科学技术学院，上海 201620； 2. 东华大学 数字化纺织服装技术教育部工程研究中心；3. 京滨电子装置研究开发(上海)有限公司)

以PSoC5 LP为硬件开发平台，以PSoC Creator为软件开发平台，构建集成示波、频谱分析、信号(波形)发生以及信息交互功能的系统。显示外设采用Memory LCD，频谱分析通过快速傅里叶变换(FFT)实现，根据真任意波形发生技术(Ture arb)实现信号发生，扩展CC2541蓝牙模块实现与移动终端的信息交互。系统原型集成采用有限状态机实现多种功能，并用物理按键进行操作和切换。初步完成了集成有4种功能的腕戴式电气测量测试系统，达到了设计要求。

示波器；PSoC5 LP；信号发生；频谱分析；PSoC；BLE

引 言

传统示波器一般体积较大，而现场作业和户外检测的工作环境要求设备具有更高的灵活性和便携性，可穿戴示波器是一个很好的解决方案。同时，电子器件的逐渐优化，推动了可穿戴设备的发展[1-2]。本文设计了一款包含示波、频谱分析及波形发生等功能的腕戴式检测系统，提升现场检测的便利性。

1 系统的整体结构及功能描述

系统以PSoC5 LP为主控芯片，采用PSoC Creator构建整个工程框架。PSoC5 LP将大量模拟及数字资源和片上微控制器集成在一起，可实现高达上百种的模拟和数字外设功能[3-4]。PSoC Creator拥有公共资源配置器和应用程序接口函数，简化了PSoC的开发。

图1 系统架构

如图1所示，系统主要由数据运算、显示以及蓝牙分享等模块组成，实现了示波、频谱分析、信号发生以及信息交互4种功能。示波功能即将量化后的被测信号以波形和文字的形式显示在LCD模块上，频谱分析功能能够提供被测信号的不同频率组成，信号发生功能可以产生基本的波形信号，信息交互功能指的是将运算得出的波形信息和频谱信息通过蓝牙模块[5]分享到其他移动端。PSoC5 LP提供了多种供电方式，系统使用型号为BL-5C、容量为1000 mAh的锂电池，通过boost升压转换器端口VBAT和GND进行供电。

2 系统解决方案

示波、频谱、信号发生以及信息交互4种原型功能是系统实现的关键，也是系统集成的前提。

2.1 示波功能

图4 电气信号测量图

示波功能是系统的一个重要的功能，包含波形信号的采集、传输、处理计算和显示。PSoC5 LP只能处理0～5 V的单极性的信号[6]，因此我们需要设计模拟前端电路实现输入信号衰减和电位平移，弥补电压范围偏小和单极性的缺陷。另外，还需设计电压跟随器增强信号的带载能力，为后续ADC采样做准备。单路模拟前端调理电路如图2所示。

图2 单路模拟前端调理电路

图3 示波功能流程图

图3为示波功能流程图。输入信号被调节至适宜范围后，再使用ADC将其转换为数字信号，再通过直接内存访问通道(Direct Memory Access, DMA)高速存储到RAM中，然后通过处理计算，实现采样值到LCD像素坐标的计算。规划LCD界面，实现波形图以及相关信息的显示。

系统中信息的显示采用尺寸为2.7英寸、分辨率为400×240的Memory LCD模块。该模块对比度高、功耗低、接口方便，可以满足腕戴式系统的显示要求[7]。需要将PSoC5 LP 3.3 V的电压升至5 V才能正常驱动Memory LCD。另外，它与PSoC5 LP的连接需要一个转接板。

Memory LCD与PSoC5 LP采用SPI串行通信[8]，由于Memory LCD是只写设备，通信端口只包括串行时钟信号、串行时钟信号、片选信号；外部COM反转信号输入和COM反转模式选择端口控制屏幕的工作模式，系统采用软件方法产生COM反转信号；其余端口用于电源供电。

当电气信号分别是周期T为2 000 μs、峰峰值Vpp为15 V的正弦波，T为1 000 μs、Vpp为5 V的方波和T为400 μs、Vpp为2 V的三角波时，本系统测量波形图如图4所示。可见，系统测量图形波形清晰，T和Vpp与输入电信号误差很小。

2.2 频谱分析

信号有不同的表现形式，频谱图可以分析信号的频率组成成分[9]。实际应用中，计算机很难描述连续函数，因此可以采用离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform, DFT)对离散时间序列进行谱分析。但是直接使用DFT方法的计算量过大，DFT的快速算法快速傅里叶变换(Fast Fourier Transformation, FFT)可以使DFT的运算量缩短一两个数量级[10]。系统选择输入倒序、输出顺序的基2时域抽选FFT算法对输入信号进行频谱分析。算法流程图如图5所示。

需要注意的是，为了解决信号模数转换时的混叠问题，信号频率应小于采样频率的1/2。当输入信号主频率为15.522 kHz时，系统测量图与型号为Tektronix TPS2024的示波器测量图如图6所示，二者基本一致。

图8 波形发生图

图5 基2时域抽选FFT流程图

图6 频谱对比图

2.3 信号发生

信号发生器是一种可以产生不同幅度、不同频率的规则或不规则的波形的电子设备。PSoC5 LP的片上DAC模块可以提供简易的正弦波、方波以及三角波三种基本波的发生。

系统采用Ture arb技术实现信号发生功能[11]，首先以一定的频率读出波形信号，然后通过D/A转换产生所需波形。使用信号触发DMA传输数据进行D/A转换，读取波形数据的速率可以通过对时钟模块的配置实现。然后在模拟端口输出相应的波形信号。信号发生原理如图7所示。

图7 信号发生原理图

图8为系统产生的T为100 μs、Vpp为4 V的正弦波和T为10 ms、Vpp为1 V的三角波的示波器测量图。

2.4 信息交互

信息交互功能指的是采集的电气信号在Memory LCD上显示，同时通过蓝牙模块DX-BT05将信号发送到移动设备同步显示。

DX-BT05 4.0蓝牙模块内置有256 KB空间的芯片CC2541，采用UART接口通信。通过串口助手以及AT指令可以完成该模块的参数设置与测试，使用灵活。CC2541有多种运行模式，并且模式间的转换时间较短，非常适合应用于需要低功耗的系统[12]。

选择Android系统手机来接收数据信息，需要一款应用程序(Application, APP)实现设备的连接和信息的显示[13-14]。APP包括蓝牙设备连接、波形显示和频谱显示三个界面。波形图和频谱图显示界面如图9所示，两者可通过按钮进行切换。

图9 APP显示界面

3 系统集成与实现

在实际使用中，需要将4种功能集成在一起，从而实现一个完整的测量测试系统，实物连接图如图10所示。系统选用有限状态机实现功能集成，采用物理按键控制的方式进入到不同的功能中。

图10 系统原型实物连接图

本方案共有4种功能，其中分享功能又包括波形分享和频谱分享，因此可以细分为5种功能。需要设计一个含有10种状态的菜单选择界面，如图11所示。功能的选择采用按键和状态机共同完成，4个物理按键及功能分别设定为K1(Up)、K2(Down)、K3(Set)和K4(Return)。系统集成的状态机结合了Mealy思想和Moore思想[15]，状态要一直循环采集数据实现示波以及频谱分析，信号发生及菜单显示操作则不需要。

图11 状态转换框架

状态机构建了系统各种功能切换的架构，只需将工程添加至相应状态。菜单显示如图12所示，菜单显示状态的切换以及系统功能的进入和退出都可以通过4个按键来操作。

结 语

图12 菜单显示效果图

[1] 肖征荣,张丽云.智能穿戴设备技术及其发展趋势[J].移动通信,2015,39(5):9-12.

[2] 李鹏.便携式数字存储示波器的研究[D].洛阳:河南科技大学,2014.

[3] Cypress.CY8CKIT-050 Kit Guide[EB/OL].[2017-08].http://www.cypress.com/file/45276/download.pdf.

[4] Cypress.AN77759-Getting Started with PSoC 5LP[EB/OL].[2017-08].http://www.cypress.com/file/41436/download.pdf.

[5] TI.2.4-GHz BluetoothTM low energy and Proprietary System-on-Chip [EB/OL].[2017-08].http://www.ti.com/lit/ds/swrs110d/swrs110d.pdf.

[6] Cypress.Programmable System-on-Chip(PSoC) Datasheet[EB/OL].[2017-08].http://www.cypress.com/file/45906/download.

[7] Sharp Memory LCD Technology Application Note[EB/OL].[2017-08].http://www.sharpmemorylcd.com/resources/SharpMemoryLCDTechnologyB.pdf.

[8] LS027B7DH01LCD LCD Module[EB/OL].[2017-08].http://www.sharpmemorylcd.com/resources/LS027B7DH00.pdf.

[9] Rafael C Gonzalez,Richard E woods. 数字图像处理 [M].3版.阮秋琦，阮宇智，译.北京:电子工业出版社,2011.

[10] 丛玉良. 数字信号处理原理及其MATLAB实现 [M].3版.上海:电子工业出版社,2015.

[11] 于浩.基于片上可编程系统(PSOC)的腕戴式集成电气测量测试系统[D].上海:东华大学,2016.

[12] DX-BT05蓝牙模块技术手册[EB/OL].[2017-08].http://pan.baidu.com/s/1pJxIz8Z.

[13] 杨国燕,聂佳志. Android应用程序开发与案例分析[M].北京:清华大学出版社,2016.

[14] 寒冬. Android应用开发实践教程[M].北京：电子工业出版社,2016.

[15] 傅强,杨艳.从零开启大学电子设计之路—基于MSP430 LaunchPad口袋实验平台[M].北京：北京航空航天大学出版社，2013.

赵海森、于浩(硕士研究生)，主要研究方向为可穿戴设备；许武军(副教授)，主要研究方向为可穿戴设备、短距无线通信、嵌入式计算与机器视觉，卫星导航与组合定位。

PrototypeDesignofWristWearableIntegratedElectricalMeasurementandTest

ZhaoHaisen1,XuWujun1,2,YuHao3

(1.Information Science&Technology,Donghua University,Shanghai 201620,China;2.Digital Textile&Garment Technology Ministry of Education Engineering Research Center,Donghua University;3.Jingbin Electronic Device Research and Development (Shanghai) Co., Ltd.)

In the paper,the PSoC5 LP development board and PSoC Creator are used to build the prototype of system with the functions of wave display,spectrum analysis,signal (waveform) generation and information interaction.In the system,memory LCD is used as the display,the spectrum analysis is achieved by Fast Fourier Transformation(FFT),the signal generation is achieved according to the true arbitrary waveform generation technology(True arb),the information interaction with the mobile terminal is achieved by CC2541 BLE module.The different kinds of functions are achieved using the finite state machine,then are operated and switched by the physical buttons.The demonstrated result of the wrist-worn electrical measurement and test system with four functions is shown,and it meets the design goal.

oscilloscope;PSoC5 LP;waveform generation;spectrum analysis;PSoC;BLE

TP391

A

2017-08-10)