可穿戴式多通道傳感系統(tǒng)功能需求分析及設(shè)計(jì)

馬星宇　石珩臻　胡躍輝　任旖旎　康吳偉　金韜　王陽　代飄

摘要：近年來可穿戴式設(shè)備大量涌現(xiàn)，用戶對可穿戴式設(shè)備的功能要求也越來越高，但是，可穿戴式設(shè)備復(fù)雜功能的實(shí)現(xiàn)往往依賴多路傳感信號的實(shí)時(shí)采集。本文以可穿戴式8通道PVDF傳感器系統(tǒng)為例，研究了這類系統(tǒng)的功能需求，研究發(fā)現(xiàn)，柔性超輕薄化、長續(xù)航時(shí)間是這類設(shè)備的兩個(gè)顯著特點(diǎn)，并完成了系統(tǒng)的MCU選型、多路傳感數(shù)據(jù)的編碼設(shè)計(jì)、多路傳感數(shù)據(jù)的傳輸方式設(shè)計(jì)及系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)問題，設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)用、可靠的可穿戴式多路傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。本方案也為可穿戴式多通道傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)提供了一個(gè)可靠參考。

關(guān)鍵詞：可穿戴式設(shè)備；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；需求分析；多通道 ；PVDF傳感器；編碼方式；傳輸方式

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1009-3044（2016）36-0243-05

Functional Requirements Analysis and Design of the Wearable Multi-channel Sensors System

MA Xing-yu， SHI Heng-zhen， HU Yue-hui， REN Yi-ni， KANG Wu-wei ， JING Tao ， WANG Yang ， DAI Piao

（Academy of Photoelectric Technology，Hefei University of Technology，Hefei 230000，China）

Abstract： In recent years， with a large number of wearable devices emerging，the users demand more functions for the wearable devices. However， the realization of complex functions of the wearable devices often depends on real-time acquisition of multi-channel sensing signals. Taking the wearable 8-channel PVDF sensors system as an example， this paper has studied the functional requirements of such systems. The study finds that ultrathin flexibility and long battery life are the two salient features of this kind of equipment. Moreover four key technical problems are accomplished： the MCU selection， the design of coding mode， the design of multi-channel sensing data transmission mode and the low power consumption design of the system. A practical and reliable scheme of wearable multi-channel sensors system is designed eventually and this scheme provides a reliable reference for the design and the development of wearable multi-channel sensors system.

Key words：wearable devices； system design； requirement analysis； multi-channel； PVDF sensor； coding mode； transmission mode

1 概述

近年來可穿戴式設(shè)備大量涌現(xiàn)，如谷歌眼鏡、咕咚手環(huán)、iWatch等等?？纱┐魇皆O(shè)備泛指嵌入在服裝，或以飾品形態(tài)存在的電子通信智能設(shè)備，可以被用戶舒適地穿戴，起到拓展感知、進(jìn)行各類體征監(jiān)測等作用。它本質(zhì)上就是對日常設(shè)備如眼鏡、手表、鞋等進(jìn)行智能化設(shè)計(jì)[1]，使其具有友好的人機(jī)交互功能?？纱┐魇皆O(shè)備的市場需求在快速增長，用戶對可穿戴式設(shè)備的功能要求也越來越多。但是，復(fù)雜功能的實(shí)現(xiàn)往往依賴多路傳感器信號的實(shí)時(shí)采集。多路傳感器系統(tǒng)是可穿戴式設(shè)備的重要組件，是可穿戴式設(shè)備獲取信息的來源，有監(jiān)測數(shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)等功能。對于一個(gè)可穿戴式設(shè)備，它一般主要包括傳感器和數(shù)據(jù)計(jì)算芯片兩部分，其中傳感器的更新?lián)Q代頻率較低，可能幾年內(nèi)都不會(huì)有大的升級。而計(jì)算芯片部分的換代頻率很高，應(yīng)當(dāng)更多將硬件設(shè)備本身僅僅作為一個(gè)超級傳感器系統(tǒng)，將計(jì)算部分獨(dú)立出來交給手機(jī)或云計(jì)算，因此對可穿戴式多通道傳感器系統(tǒng)的研究很有必要。

可穿戴式設(shè)備用戶要求佩戴舒適，柔性要好，PVDF（聚偏氟乙烯）壓電傳感器正好滿足柔性好、質(zhì)量輕等特點(diǎn)[2]。所以本文以可穿戴式8通道PVDF傳感器系統(tǒng)為例，研究了這類系統(tǒng)的功能需求，并依此設(shè)計(jì)了一套評價(jià)選型系統(tǒng)，提出了一個(gè)實(shí)用、可靠的多通道傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

2 可穿戴式多通道PVDF傳感器系統(tǒng)的功能需求分析

可穿戴式多通道傳感器系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)采集多路傳感器數(shù)據(jù)并簡單處理打包，實(shí)時(shí)可靠的傳輸?shù)狡渌O(shè)備。由于這類設(shè)備的可穿戴式特點(diǎn)即設(shè)備需要輕薄化和低功耗性以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、可靠性等特點(diǎn)，該可穿戴式多通道傳感器系統(tǒng)對其使用的MCU部分、數(shù)據(jù)的編碼方式、數(shù)據(jù)的傳輸方式及系統(tǒng)的低功耗方面均有著其特殊的要求[4]。

2.1 系統(tǒng)MCU需求分析

該可穿戴式多通道傳感器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)要傳輸?shù)狡渌O(shè)備，其他設(shè)備往往是Android系統(tǒng)或iOS系統(tǒng)。如果該系統(tǒng)沒有此MCU，則該系統(tǒng)需要直接與Android系統(tǒng)的ARM芯片相連接或者其他系統(tǒng)的微處理器直接相連，會(huì)造成諸多不便。以該傳感器系統(tǒng)為下位機(jī)，Android系統(tǒng)的ARM芯片為上位機(jī)為例，不便之處有：傳感器系統(tǒng)主要采集的目標(biāo)信號是人體生理信號如人體手腕或腳腕運(yùn)動(dòng)時(shí)肌肉產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)信號等，該系統(tǒng)輸出的傳感信號信號弱、干擾強(qiáng)，若沒有放大等預(yù)處理，則不能直接與Android系統(tǒng)ARM相連接。因此，需要前置信號預(yù)處理電路，所設(shè)計(jì)的前置放大電路包括放大、濾波等功能。即使Android系統(tǒng)的ARM芯片帶有放大模塊，但也并不能滿足要求。放大這類傳感器信號一般需要儀器儀表放大器，性能要求較高。傳感器系統(tǒng)有8個(gè)傳感器采集到8路傳感信號，則至少有8根信號線需要輸入MCU?；谙到y(tǒng)可靠性和便捷性考慮，也不方便直接與Android系統(tǒng)的ARM芯片相連。出于模塊化設(shè)計(jì)的考慮也需要在該多通道傳感器系統(tǒng)中使用此MCU。綜上，我們可以發(fā)現(xiàn)，選用的MCU需完成信號的收發(fā)，A/D轉(zhuǎn)換，并入串出以及與前期傳感器信號的預(yù)處理電路相連接等功能。

所以，對于所選用的MCU，功能上需要至少有8路A/D轉(zhuǎn)換通道，并滿足一定的精度要求。硬件結(jié)構(gòu)上，考慮到可穿戴式設(shè)備的便攜性，MCU的尺寸要小，厚度要薄。此外，低功耗是便攜式電予設(shè)備必須具備的一個(gè)關(guān)鍵特性。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，MCU工作時(shí)功耗要低。

2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)編碼方式及傳輸方式需求分析

可穿戴式多通道傳感器系統(tǒng)的最主要也是最終的功能，就是提供一組包含各種信息的傳感器數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的格式能與現(xiàn)在主流的一些通信協(xié)議的數(shù)據(jù)格式所匹配。使得該系統(tǒng)能直接與Android系統(tǒng)或iOS系統(tǒng)適配，把采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、可靠、便捷地傳輸出去。

本文設(shè)計(jì)的可穿戴式8通道PVDF傳感器系統(tǒng)，主要采集的目標(biāo)信號是人體生理信號，這些信號主要集中在0-100Hz，即傳感器系統(tǒng)的每通道信號的頻率范圍均為0-100Hz，8個(gè)通道最大即為800Hz。工程應(yīng)用上進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，采樣頻率至少是10倍的輸入的模擬信號的最大頻率，所以我們采用的采樣頻率為10KHz，這個(gè)采樣率滿足了后期對信號在數(shù)字域處理的要求。因?yàn)榭紤]到實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的要求，數(shù)據(jù)幀設(shè)置為10ms一幀，即下位機(jī)每隔10ms發(fā)送一幀數(shù)據(jù)給上位機(jī)，實(shí)際上上位機(jī)每次接受的數(shù)據(jù)都是下位機(jī)前10ms采樣得到的數(shù)據(jù)，采樣頻率為10KHz時(shí)，10ms采樣得到的共100個(gè)數(shù)據(jù)。因?yàn)镸CU的資源和處理能力不夠，所以需要把采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送給上位機(jī)來進(jìn)行處理。但是，數(shù)據(jù)采集后若直接發(fā)送，會(huì)由于實(shí)時(shí)采集，數(shù)據(jù)量大，緩沖區(qū)太小，發(fā)送不完而丟包。所以需要合適的編碼協(xié)議和通信協(xié)議來保證通訊的可靠性。這樣的話，下位機(jī)主要負(fù)責(zé)采集、打包，滿足簡化、精度和實(shí)時(shí)的要求即可。而需要計(jì)算的數(shù)據(jù)則交由上位機(jī)處理。同時(shí)考慮到傳感器的更新?lián)Q代比較慢，而上位機(jī)處理芯片的更新速度很快，我們采用的這種方案在一定程度上也能降低成本。

對于系統(tǒng)數(shù)據(jù)編碼方式，我們需要的是實(shí)時(shí)可靠的編碼方式和通訊協(xié)議。并且，傳輸出去的數(shù)據(jù)格式需能與主流的通訊協(xié)議數(shù)據(jù)格式相匹配。同時(shí)，編碼方式及傳輸方式同樣需要考慮低功耗的要求。

2.3 系統(tǒng)的低功耗需求分析

對于可穿戴式設(shè)備，續(xù)航時(shí)間是必須要考慮的。續(xù)航能力主要由兩個(gè)因素決定，分別是電池容量和功耗，電池容量越高越好，而功耗則需要降到最低。不幸的是，在新的電池技術(shù)或者材料出現(xiàn)之前，電池容量可提升的空間非常有限，而且可穿戴式設(shè)備在尺寸上的要求也比較嚴(yán)格，所以想通過更換大容量的電池來增加續(xù)航時(shí)間是不切實(shí)際的。所以壓力幾乎落在如何降低功耗上了，這就需要必須進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)來滿足用戶需求。

系統(tǒng)的低功耗需求主要包括以下幾個(gè)方面。首先，在傳感器系統(tǒng)硬件開發(fā)時(shí)盡量采用低電壓低功耗的產(chǎn)品[5]。比如，傳感器系統(tǒng)的放大、濾波預(yù)處理電路部分，一般選擇低功耗的芯片。同時(shí)，在主控芯片的選擇上，我們一般選擇具有省電模式的主控芯片。其次，在作為系統(tǒng)的主控制器MCU在工作時(shí)也需要進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)，MCU的工作主要包括MCU對多路傳感器信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的簡單處理打包和數(shù)據(jù)的傳輸。最后，要求有靈活多變的低功耗管理模式，簡單快速的休眠喚醒機(jī)制，使得MCU在空閑期可以快速切換至不同深度的休眠狀態(tài)，并能及時(shí)被喚醒。我們可以進(jìn)行主控芯片或者相關(guān)模塊喚醒的方式選擇。即在實(shí)現(xiàn)基本功能的同時(shí)根據(jù)系統(tǒng)低功耗的需求對軟件算法進(jìn)行優(yōu)化。

3 可穿戴式多通道PVDF傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)上文對系統(tǒng)的需求分析研究發(fā)現(xiàn)，柔性超輕薄化、長續(xù)航時(shí)間是這類可穿戴式設(shè)備的最顯著的特點(diǎn)。所以可穿戴式多通道PVDF傳感器系統(tǒng)要圍繞這兩個(gè)顯著特點(diǎn)來進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1 系統(tǒng)MCU選型

根據(jù)可穿戴式多通道傳感器系統(tǒng)的功能需求分析，本文主要圍繞可穿戴式多通道PVDF傳感器系統(tǒng)的低功耗性和高集成度這兩大特點(diǎn)，對比了市場一些主流的MCU產(chǎn)品，進(jìn)行了分析，最終得出合適的MCU選型。

表1和表2選取目前市場上的主流的MCU產(chǎn)品， 對比了它們的功耗參數(shù)與系統(tǒng)指標(biāo)。 首先，可穿戴式8通道PVDF傳感器系統(tǒng)需要有至少8通道的A/D轉(zhuǎn)換通道，表1中的MCU均滿足。但由于采集的目標(biāo)信號為人體生理信號，一般信號都很微弱，所以要求ADC的精度越高越好。ADC精度比較高的為STM32的兩款MCU。相較于STM32F1系列，STM32L1系列的休眠功耗更低，工作電壓范圍更廣，A/D轉(zhuǎn)換通道數(shù)更多。其次，根據(jù)可穿戴式系統(tǒng)對尺寸的樣嚴(yán)格要求，STM32L151R6具有的TFBGA 64型封裝，尺寸僅為5mmx5mmx1.2mm，尺寸完全達(dá)到要求。最后STM32L151R6是Cortex-M系列32 bit內(nèi)核的MCU，但在功耗水平上已與傳統(tǒng)16 bit低功耗MCU相當(dāng)，處理能力卻優(yōu)于16bit 的MCU。而且STM32L151R6的價(jià)格也較適中[8]。選用STM32L151R6的還具有一個(gè)很大的優(yōu)勢在于STM公司具有完善的基于STM32的系統(tǒng)方案、軟硬件成品模塊，已形成較為完善的生態(tài)系統(tǒng)，開發(fā)門檻低、參考資源豐富和經(jīng)驗(yàn)分享直接[6]。STM32L151R6的多種優(yōu)勢促使我們最終選擇了STM32L151R6作為本文可穿戴式8通道PVDF傳感器系統(tǒng)的MCU。

3.2 多路傳感數(shù)據(jù)的編碼設(shè)計(jì)

因?yàn)椴杉降?通道PVDF傳感器數(shù)據(jù)需要實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的傳輸給上位機(jī)，所以需要對采集到的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行一些編碼和簡化。本文首先選擇了ADPCM編碼對數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼，然后使用了CRC16和卷積編碼對數(shù)據(jù)進(jìn)行了糾錯(cuò)編碼。我們采集的目標(biāo)信號和語音信號非常類似，數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性比較強(qiáng)，存在大量冗余且最終利用傳感信號主要是對信號的形態(tài)等進(jìn)行分析，而不是得到精確數(shù)值。ADPCM算法綜合運(yùn)用了差分脈沖編碼 （ DPCM ） 與自適應(yīng)增量編碼 （ ADM ） 的算法原理，在保證達(dá)到PCM 語音質(zhì)量的前提下，語音數(shù)據(jù)的速率只有PCM的一半，而且具有更優(yōu)良的抗誤碼性能。ADPCM的核心想法是：1）利用自適應(yīng)的思想改變量化階的大小，即使用小的量化階去編碼小的差值，使用大的量化階去編碼大的差值。2）使用過去的樣本值估算下一個(gè)輸入樣本的預(yù)測值，使實(shí)際樣本值和預(yù)測值之間的差值總是最小[13]。本文采用ADPCM壓縮算法，數(shù)據(jù)的壓縮比可達(dá)到4：1。

為了提高數(shù)據(jù)的可靠性，對數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼完需要進(jìn)行一些檢錯(cuò)糾編碼。循環(huán)碼CRC雖然只能檢錯(cuò)不能糾錯(cuò)，但計(jì)算復(fù)雜度低，檢錯(cuò)能力強(qiáng)，增加的冗余位也少[14]。而卷積碼糾錯(cuò)能力強(qiáng)，雖然計(jì)算復(fù)雜度高，但可通過查表法計(jì)算大大降低計(jì)算復(fù)雜度。本文選擇了CRC16校驗(yàn)編碼和（2，1，4）卷積編碼對數(shù)據(jù)進(jìn)行了檢錯(cuò)糾錯(cuò)編碼。循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）算法是常用的誤碼檢測方法之一，它是由分組線性碼的分支演化而來，其主要應(yīng)用是二元碼組，編碼簡單且誤判概率很低，接收端對數(shù)據(jù)使用CRC算法可有效剔除數(shù)據(jù)傳輸中的誤碼。算法實(shí)現(xiàn)上CRC16編碼采用查表法。CRC16碼由兩個(gè)字節(jié)構(gòu)成，在開始時(shí)CRC寄存器的每一位都預(yù)置為1，然后把CRC寄存器與8bit的數(shù)據(jù)進(jìn)行異或，之后對CRC寄存器從高到低進(jìn)行移位，在最高位（MSB）的位置補(bǔ)零，而最低位（LSB，移位后已經(jīng)被移出CRC寄存器）如果為1，則把寄存器與預(yù)定義的多項(xiàng)式碼進(jìn)行異或，否則如果 LSB為零，則無需進(jìn)行異或。重復(fù)上述的由高至低的移位8次，第一個(gè)8-bit數(shù)據(jù)處理完畢，用此時(shí)CRC寄存器的值與下一個(gè)8-bit數(shù)據(jù)異或并進(jìn)行如前一個(gè)數(shù)據(jù)似的8次移位。所有的字符處理完成后CRC寄存器內(nèi)的值即為最終的CRC值。CRC16編碼每次移位除法運(yùn)算都用查表法來代替，計(jì)算復(fù)雜度低。每次對一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行完CRC16編碼即得到了一個(gè)16比特的校驗(yàn)碼。采用16位的CRC算法，可以保證在1014bit碼元中只含有一位未被檢測出的錯(cuò)誤。卷積碼是一種糾錯(cuò)編碼，它是將輸入的 k 個(gè)信息比特編成 n 個(gè)比特輸出，特別適合以串行形式進(jìn)行傳輸，時(shí)延很小。它包括：一個(gè)由 N 段組成的輸入移位寄存器，每段有k段，共Nk個(gè)寄存器；一組n個(gè)模2和相加器；一個(gè)由n級組成的輸出移位寄存器，對應(yīng)于每段k個(gè)比特的輸入序列，輸出n個(gè)比特[16]。（2，1，4）卷積碼就是將每次輸入的2bit信息都編碼成4bit。卷積碼的計(jì)算量較大且復(fù)雜度較高，而本文采用了查表法來進(jìn)行數(shù)據(jù)的卷積編碼。先在matlab里利用convenc（msg，t）函數(shù)生成了（2，1，4）卷積碼的編碼表，編碼表大小為28*16比特，然后在下位機(jī)的MCU中直接查表進(jìn)行編碼，大大提高了編碼速度，降低了算法復(fù)雜度，同時(shí)也降低了MCU的運(yùn)行功耗。

8路傳感數(shù)據(jù)的具體編碼方式如圖1：由上文可知，數(shù)據(jù)幀每隔10ms發(fā)送一次，每幀的原始傳感數(shù)據(jù)共100個(gè)，由于使用的STM32L151單片機(jī)ADC精度為12位，所以采集到的數(shù)據(jù)實(shí)際為100*12bit，只占一個(gè)字的低12位，最高位即第16位設(shè)置為一位控制位，控制位為0時(shí)表示當(dāng)前數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)信號，為1時(shí)表示當(dāng)前數(shù)據(jù)為控制信號。8通道的通道號編碼為000～111，占據(jù)第13～15位，100個(gè)數(shù)據(jù)共占用200個(gè)字節(jié)。首先，對這200個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)進(jìn)行ADPCM編碼，編碼完數(shù)據(jù)壓縮到只有100*4bit，占用100個(gè)字節(jié)。然后將數(shù)據(jù)兩兩組合成一個(gè)8bit，數(shù)據(jù)幀已經(jīng)壓縮到50*8bit，只占用了50個(gè)字節(jié)。其次再對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行CRC16編碼，即求一個(gè)16位的校驗(yàn)值。加上校驗(yàn)值此時(shí)數(shù)據(jù)幀共52個(gè)字節(jié)。最后對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行（2，1，4）卷積編碼，卷積編碼完數(shù)據(jù)幀共104個(gè)字節(jié)。

3.3 傳感數(shù)據(jù)傳輸方式設(shè)計(jì)

實(shí)時(shí)可靠的數(shù)據(jù)傳輸，除了依賴一個(gè)實(shí)時(shí)可靠的數(shù)據(jù)編碼方式，數(shù)據(jù)的傳輸方式也很重要。考慮到該可穿戴式多通道傳感系統(tǒng)的兼容性和應(yīng)用的多方面性，本文設(shè)計(jì)了兩種傳感數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞健Ｒ环N為有線傳輸方式，一種為無線傳輸方式。

3.3.1 傳感數(shù)據(jù)的有線傳輸方式設(shè)計(jì)

關(guān)于有線傳輸方案的選擇，我們選取了I2C，USB，SPI，RS232等四種常見的傳輸方案進(jìn)行了比較。通過分析對比這幾種常見的有線傳輸方式，我們最終選擇I2C作為系統(tǒng)的有線傳輸方式。I2C有以下幾個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)：1）硬件簡單，資源消耗少。只有兩條總線線路：一條串行數(shù)據(jù)線（SDA），一條串行時(shí)鐘線（SCL），節(jié)省了線路空間，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所以，在尺寸方面，由于USB以及SPI有4根連線，RS232有9個(gè)引腳。這些與I2C只有2條總線線路相比而言，不可避免地會(huì)帶來連線及外圍電路所占空間過大的問題。就尺寸而言，I2C應(yīng)是我們在這些有線傳輸方式中的理想選擇。2）它是一個(gè)真正的多主機(jī)總線，通過SDA上的地址信息來鎖定從設(shè)備，如果兩個(gè)或者更多主機(jī)同時(shí)初始化數(shù)據(jù)傳輸可以通過沖突檢測和仲裁防止數(shù)據(jù)被破壞。SPI總線只有一個(gè)主設(shè)備，主設(shè)備通過CS片選來確定從設(shè)備。3）I2C串行的8位雙向數(shù)據(jù)傳輸速率在標(biāo)準(zhǔn)模式下可達(dá)100Kbit/s，快速模式下可達(dá)400kbit/s，高速模式下可達(dá)4.4Mbit/s。本方案每10ms至少傳輸104個(gè)字節(jié)，采用的傳輸方式速度至少為83.2Kbit/s。I2C的傳輸速度完全符合要求。4）使用I2C與RS232相比，還有一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)：I2C采樣同步通信，RS232采用異步通信。而同步通信控制字符開銷較小，傳輸效率高； 而異步通信字符幀中，假設(shè)只有起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位和停止位，整個(gè)字符幀中的控制位的開銷就達(dá)到了20%，傳輸效率較低。5）使用廣泛，現(xiàn)在幾乎所有的IC廠商都在芯片上集成了I2C[17]。

3.3.2 傳感數(shù)據(jù)的無線傳輸方式設(shè)計(jì)

關(guān)于無線傳輸方案的選擇，我們選取了ZigBee，NFC，紅外，藍(lán)牙等四種常見的傳輸方案進(jìn)行了比較。在使用距離上，紅外傳輸是一種點(diǎn)對點(diǎn)的無線傳輸方式，不能離的太遠(yuǎn)，要對準(zhǔn)方向，且中間不能有障礙物，幾乎無法控制信息傳輸?shù)倪M(jìn)度[23]。而藍(lán)牙可傳輸10米左右，加強(qiáng)信號后最高可達(dá)100米，可以繞彎，可以不對準(zhǔn)，可以不在同一間房間，鏈接最大數(shù)目可達(dá)7個(gè)，同時(shí)能夠區(qū)分硬件。ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無線組網(wǎng)通訊技術(shù)。但由于在傳輸速度方面，ZigBee很低，不適用于多通道PVDF傳感器系統(tǒng)高數(shù)據(jù)量的應(yīng)用場合。同時(shí)，由于使用ZigBee時(shí)硬件資源開銷大[24]，短期內(nèi)手機(jī)不支持，不利于產(chǎn)品的推廣。NFC優(yōu)點(diǎn)是配置簡單。但由于使用距離過短，且我們使用的可穿戴式設(shè)備尺寸超薄，NFC會(huì)產(chǎn)生高頻趨膚效應(yīng)[25]，可能會(huì)有一些潛在的健康安全問題。并且目前NFC的兼容性也不是很好，很多手機(jī)并不支持NFC。這些問題促使我們最終選擇的無線傳輸方式為藍(lán)牙，具體本方案選擇的是i484e-s模組。此產(chǎn)品集成了兩個(gè)芯片分別為：藍(lán)牙芯片為CSR8811（基于藍(lán)牙24GHz無線電和基帶芯片系統(tǒng)）和STM32F401（基于高新能ARM Cortex-M4 的32位RISC）。尺寸僅為15.7*12*2.3mm。它支持藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)4.0低功耗模式及可向下兼容?？梢酝ㄟ^I2C有線方式轉(zhuǎn)為藍(lán)牙模式。速度可達(dá)32KByte/s即256Kbit/s。全速傳輸數(shù)據(jù)時(shí)功耗僅為2mA，使用標(biāo)準(zhǔn)紐扣電池可運(yùn)行一年乃至數(shù)年。

3.4 低功耗設(shè)計(jì)

一個(gè)傳感器系統(tǒng)的功耗是出多方面因素決定的，整體的功耗取決于諸多因素，如產(chǎn)品性能、供電電壓等。在實(shí)際應(yīng)用中，往住頻率越高功耗越大；電壓越高功耗越大。對于低功耗檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，應(yīng)該主要從芯片和器件的選擇、系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)以及系統(tǒng)的工作方式等方面加以考慮。

3.4.1 器件和芯片的選擇

對于低功耗系統(tǒng)，電路中所采用的器件和芯片的選擇至關(guān)重要，其直接從硬件電路上影響系統(tǒng)功耗的大小。因此，為降低功耗，必須合理選用器件和芯片。1）電源部分的選擇。由于鋰電池較高的能量轉(zhuǎn)換效率等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在可穿戴式設(shè)備上使用的電源一般均為鋰電池。本方案選擇電池為聚合物鋰電池，具體型號為803040，容量為1000mAh，尺寸僅為40*30*8mm。并選擇了一款用于便攜式設(shè)備的200mA、低IQ、低噪聲、低壓降穩(wěn)壓器芯片，型號為TLV707，尺寸僅為1*2mm[27]。2）選用低功耗微處理器。本文選用低功耗的STM32L151R6，具有精簡而高效的CPU內(nèi)核，從而可以維持性能、功耗與成本的三者平衡；CMOS電路工藝，低電壓供電系統(tǒng)，供電電壓在1.65-3.6V均可；靈活多變的低功耗管理模式，簡單快速的休眠喚醒機(jī)制，使得MCU在空閑期可以快速切換至不同深度的休眠狀態(tài)，并能及時(shí)被喚醒；獨(dú)立的外設(shè)時(shí)鐘控制開關(guān)，多種內(nèi)外時(shí)鐘源選擇。運(yùn)行功耗僅為185uA/MHz，休眠功耗僅為1.2 uA。3）傳感信號的預(yù)處理電路部分，選擇了美信公司的MAX9618運(yùn)算放大器搭建每通道傳感器的信號的預(yù)處理電路，包括放大部分及低通濾波部分。MAX9618是低功耗、零漂移運(yùn)算放大器，提供節(jié)省空間的采用2mm x 2mm、8引腳SC70封裝設(shè)計(jì)支持滿擺幅CMOS輸入和輸出，整個(gè)時(shí)間和溫度范圍內(nèi)電源電流僅為59?A，零溫漂輸入失調(diào)電壓最大值僅為10?V，非常適用于可穿戴式設(shè)備[27]。

3.4.2 低功耗系統(tǒng)工作方式的選擇

可穿戴式8通道傳感器系統(tǒng)的MCU為低功耗的器件，而且具備降低功耗的各種工作方式，如休眠、掉電等工作方式等。在設(shè)計(jì)低功耗系統(tǒng)時(shí)，就應(yīng)當(dāng)充分利用這些特點(diǎn)，使系統(tǒng)盡量在這些工作方式下工作。1）MCU進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換及編碼時(shí)都采用最低的時(shí)鐘頻率來工作以降低功耗，編碼算法最簡，CRC16及（2，1，4）卷積編碼均采用查表法，縮短了程序每次的執(zhí)行時(shí)間。2）當(dāng)本文的可穿戴式多通道傳感器系統(tǒng)作為下位機(jī)時(shí)，它采集數(shù)據(jù)與否由上位機(jī)控制，當(dāng)上位機(jī)發(fā)出命令時(shí)，MCU才被喚醒，該系統(tǒng)再開始工作開始采集數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)的可穿戴式多通道PVDF傳感器系統(tǒng)的系統(tǒng)總體方案如圖2，首先多路傳感器采集人體生理信號，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過放大、濾波，送入STM32L151單片機(jī)，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換為可方便處理的數(shù)字信號。STM32L151單片機(jī)對A/D轉(zhuǎn)換后得到的8通道數(shù)據(jù)進(jìn)行了編碼和打包，再發(fā)送給上位機(jī)。由于傳輸方式的兼容性，上位機(jī)可以是Android平臺(tái)或IOS平臺(tái)。

5 結(jié)束語

自20 世紀(jì)60 年代麻省理工實(shí)驗(yàn)室的幾位科學(xué)家提出可穿戴式設(shè)備的概念以來，人們就開始不斷探索應(yīng)用穿戴式技術(shù)，對日常穿戴用品進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)以期開發(fā)出可以穿戴的智能設(shè)備。隨著技術(shù)的進(jìn)步及用戶需求的變遷，可穿戴式智能設(shè)備的形態(tài)與應(yīng)用熱點(diǎn)也在不斷變化。在這樣的背景下，進(jìn)行可穿戴式多通道傳感系統(tǒng)的功能需求分析及設(shè)計(jì)有著非常的實(shí)用意義，本文以可穿戴式8通道PVDF傳感器系統(tǒng)為例，研究了這類系統(tǒng)的功能需求，發(fā)現(xiàn)柔性超輕薄化、長續(xù)航時(shí)間是這類設(shè)備的特點(diǎn)，并依此設(shè)計(jì)了一套評價(jià)選型系統(tǒng)，完成了系統(tǒng)的MCU選型、傳感數(shù)據(jù)的編碼方式、傳輸方式及低功耗設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)問題，得到了一個(gè)實(shí)用、可靠的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。本方案也為可穿戴式多通道傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)提供了一個(gè)可靠參考。

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