腕戴式集成電氣測(cè)量測(cè)試系統(tǒng)原型設(shè)計(jì)

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(1. 東華大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，上海 201620； 2. 東華大學(xué) 數(shù)字化紡織服裝技術(shù)教育部工程研究中心；3. 京濱電子裝置研究開(kāi)發(fā)(上海)有限公司)

腕戴式集成電氣測(cè)量測(cè)試系統(tǒng)原型設(shè)計(jì)

趙海森，許武軍,2，于浩3

(1. 東華大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，上海 201620； 2. 東華大學(xué) 數(shù)字化紡織服裝技術(shù)教育部工程研究中心；3. 京濱電子裝置研究開(kāi)發(fā)(上海)有限公司)

以PSoC5 LP為硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以PSoC Creator為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，構(gòu)建集成示波、頻譜分析、信號(hào)(波形)發(fā)生以及信息交互功能的系統(tǒng)。顯示外設(shè)采用Memory LCD，頻譜分析通過(guò)快速傅里葉變換(FFT)實(shí)現(xiàn)，根據(jù)真任意波形發(fā)生技術(shù)(Ture arb)實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)生，擴(kuò)展CC2541藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)與移動(dòng)終端的信息交互。系統(tǒng)原型集成采用有限狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)多種功能，并用物理按鍵進(jìn)行操作和切換。初步完成了集成有4種功能的腕戴式電氣測(cè)量測(cè)試系統(tǒng)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

示波器；PSoC5 LP；信號(hào)發(fā)生；頻譜分析；PSoC；BLE

引 言

傳統(tǒng)示波器一般體積較大，而現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)和戶外檢測(cè)的工作環(huán)境要求設(shè)備具有更高的靈活性和便攜性，可穿戴示波器是一個(gè)很好的解決方案。同時(shí)，電子器件的逐漸優(yōu)化，推動(dòng)了可穿戴設(shè)備的發(fā)展[1-2]。本文設(shè)計(jì)了一款包含示波、頻譜分析及波形發(fā)生等功能的腕戴式檢測(cè)系統(tǒng)，提升現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的便利性。

1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)及功能描述

系統(tǒng)以PSoC5 LP為主控芯片，采用PSoC Creator構(gòu)建整個(gè)工程框架。PSoC5 LP將大量模擬及數(shù)字資源和片上微控制器集成在一起，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)上百種的模擬和數(shù)字外設(shè)功能[3-4]。PSoC Creator擁有公共資源配置器和應(yīng)用程序接口函數(shù)，簡(jiǎn)化了PSoC的開(kāi)發(fā)。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

如圖1所示，系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)運(yùn)算、顯示以及藍(lán)牙分享等模塊組成，實(shí)現(xiàn)了示波、頻譜分析、信號(hào)發(fā)生以及信息交互4種功能。示波功能即將量化后的被測(cè)信號(hào)以波形和文字的形式顯示在LCD模塊上，頻譜分析功能能夠提供被測(cè)信號(hào)的不同頻率組成，信號(hào)發(fā)生功能可以產(chǎn)生基本的波形信號(hào)，信息交互功能指的是將運(yùn)算得出的波形信息和頻譜信息通過(guò)藍(lán)牙模塊[5]分享到其他移動(dòng)端。PSoC5 LP提供了多種供電方式，系統(tǒng)使用型號(hào)為BL-5C、容量為1000 mAh的鋰電池，通過(guò)boost升壓轉(zhuǎn)換器端口VBAT和GND進(jìn)行供電。

2 系統(tǒng)解決方案

示波、頻譜、信號(hào)發(fā)生以及信息交互4種原型功能是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，也是系統(tǒng)集成的前提。

2.1 示波功能

圖4 電氣信號(hào)測(cè)量圖

示波功能是系統(tǒng)的一個(gè)重要的功能，包含波形信號(hào)的采集、傳輸、處理計(jì)算和顯示。PSoC5 LP只能處理0～5 V的單極性的信號(hào)[6]，因此我們需要設(shè)計(jì)模擬前端電路實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)衰減和電位平移，彌補(bǔ)電壓范圍偏小和單極性的缺陷。另外，還需設(shè)計(jì)電壓跟隨器增強(qiáng)信號(hào)的帶載能力，為后續(xù)ADC采樣做準(zhǔn)備。單路模擬前端調(diào)理電路如圖2所示。

圖2 單路模擬前端調(diào)理電路

圖3 示波功能流程圖

圖3為示波功能流程圖。輸入信號(hào)被調(diào)節(jié)至適宜范圍后，再使用ADC將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)直接內(nèi)存訪問(wèn)通道(Direct Memory Access, DMA)高速存儲(chǔ)到RAM中，然后通過(guò)處理計(jì)算，實(shí)現(xiàn)采樣值到LCD像素坐標(biāo)的計(jì)算。規(guī)劃LCD界面，實(shí)現(xiàn)波形圖以及相關(guān)信息的顯示。

系統(tǒng)中信息的顯示采用尺寸為2.7英寸、分辨率為400×240的Memory LCD模塊。該模塊對(duì)比度高、功耗低、接口方便，可以滿足腕戴式系統(tǒng)的顯示要求[7]。需要將PSoC5 LP 3.3 V的電壓升至5 V才能正常驅(qū)動(dòng)Memory LCD。另外，它與PSoC5 LP的連接需要一個(gè)轉(zhuǎn)接板。

Memory LCD與PSoC5 LP采用SPI串行通信[8]，由于Memory LCD是只寫設(shè)備，通信端口只包括串行時(shí)鐘信號(hào)、串行時(shí)鐘信號(hào)、片選信號(hào)；外部COM反轉(zhuǎn)信號(hào)輸入和COM反轉(zhuǎn)模式選擇端口控制屏幕的工作模式，系統(tǒng)采用軟件方法產(chǎn)生COM反轉(zhuǎn)信號(hào)；其余端口用于電源供電。

當(dāng)電氣信號(hào)分別是周期T為2 000 μs、峰峰值Vpp為15 V的正弦波，T為1 000 μs、Vpp為5 V的方波和T為400 μs、Vpp為2 V的三角波時(shí)，本系統(tǒng)測(cè)量波形圖如圖4所示?？梢?jiàn)，系統(tǒng)測(cè)量圖形波形清晰，T和Vpp與輸入電信號(hào)誤差很小。

2.2 頻譜分析

信號(hào)有不同的表現(xiàn)形式，頻譜圖可以分析信號(hào)的頻率組成成分[9]。實(shí)際應(yīng)用中，計(jì)算機(jī)很難描述連續(xù)函數(shù)，因此可以采用離散傅里葉變換(Discrete Fourier Transform, DFT)對(duì)離散時(shí)間序列進(jìn)行譜分析。但是直接使用DFT方法的計(jì)算量過(guò)大，DFT的快速算法快速傅里葉變換(Fast Fourier Transformation, FFT)可以使DFT的運(yùn)算量縮短一兩個(gè)數(shù)量級(jí)[10]。系統(tǒng)選擇輸入倒序、輸出順序的基2時(shí)域抽選FFT算法對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。算法流程圖如圖5所示。

需要注意的是，為了解決信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)的混疊問(wèn)題，信號(hào)頻率應(yīng)小于采樣頻率的1/2。當(dāng)輸入信號(hào)主頻率為15.522 kHz時(shí)，系統(tǒng)測(cè)量圖與型號(hào)為Tektronix TPS2024的示波器測(cè)量圖如圖6所示，二者基本一致。

圖8 波形發(fā)生圖

圖5 基2時(shí)域抽選FFT流程圖

圖6 頻譜對(duì)比圖

2.3 信號(hào)發(fā)生

信號(hào)發(fā)生器是一種可以產(chǎn)生不同幅度、不同頻率的規(guī)則或不規(guī)則的波形的電子設(shè)備。PSoC5 LP的片上DAC模塊可以提供簡(jiǎn)易的正弦波、方波以及三角波三種基本波的發(fā)生。

系統(tǒng)采用Ture arb技術(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)生功能[11]，首先以一定的頻率讀出波形信號(hào)，然后通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換產(chǎn)生所需波形。使用信號(hào)觸發(fā)DMA傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，讀取波形數(shù)據(jù)的速率可以通過(guò)對(duì)時(shí)鐘模塊的配置實(shí)現(xiàn)。然后在模擬端口輸出相應(yīng)的波形信號(hào)。信號(hào)發(fā)生原理如圖7所示。

圖7 信號(hào)發(fā)生原理圖

圖8為系統(tǒng)產(chǎn)生的T為100 μs、Vpp為4 V的正弦波和T為10 ms、Vpp為1 V的三角波的示波器測(cè)量圖。

2.4 信息交互

信息交互功能指的是采集的電氣信號(hào)在Memory LCD上顯示，同時(shí)通過(guò)藍(lán)牙模塊DX-BT05將信號(hào)發(fā)送到移動(dòng)設(shè)備同步顯示。

DX-BT05 4.0藍(lán)牙模塊內(nèi)置有256 KB空間的芯片CC2541，采用UART接口通信。通過(guò)串口助手以及AT指令可以完成該模塊的參數(shù)設(shè)置與測(cè)試，使用靈活。CC2541有多種運(yùn)行模式，并且模式間的轉(zhuǎn)換時(shí)間較短，非常適合應(yīng)用于需要低功耗的系統(tǒng)[12]。

選擇Android系統(tǒng)手機(jī)來(lái)接收數(shù)據(jù)信息，需要一款應(yīng)用程序(Application, APP)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的連接和信息的顯示[13-14]。APP包括藍(lán)牙設(shè)備連接、波形顯示和頻譜顯示三個(gè)界面。波形圖和頻譜圖顯示界面如圖9所示，兩者可通過(guò)按鈕進(jìn)行切換。

圖9 APP顯示界面

3 系統(tǒng)集成與實(shí)現(xiàn)

在實(shí)際使用中，需要將4種功能集成在一起，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的測(cè)量測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)物連接圖如圖10所示。系統(tǒng)選用有限狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)功能集成，采用物理按鍵控制的方式進(jìn)入到不同的功能中。

圖10 系統(tǒng)原型實(shí)物連接圖

本方案共有4種功能，其中分享功能又包括波形分享和頻譜分享，因此可以細(xì)分為5種功能。需要設(shè)計(jì)一個(gè)含有10種狀態(tài)的菜單選擇界面，如圖11所示。功能的選擇采用按鍵和狀態(tài)機(jī)共同完成，4個(gè)物理按鍵及功能分別設(shè)定為K1(Up)、K2(Down)、K3(Set)和K4(Return)。系統(tǒng)集成的狀態(tài)機(jī)結(jié)合了Mealy思想和Moore思想[15]，狀態(tài)要一直循環(huán)采集數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)示波以及頻譜分析，信號(hào)發(fā)生及菜單顯示操作則不需要。

圖11 狀態(tài)轉(zhuǎn)換框架

狀態(tài)機(jī)構(gòu)建了系統(tǒng)各種功能切換的架構(gòu)，只需將工程添加至相應(yīng)狀態(tài)。菜單顯示如圖12所示，菜單顯示狀態(tài)的切換以及系統(tǒng)功能的進(jìn)入和退出都可以通過(guò)4個(gè)按鍵來(lái)操作。

結(jié) 語(yǔ)

圖12 菜單顯示效果圖

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[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.

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趙海森、于浩(碩士研究生)，主要研究方向?yàn)榭纱┐髟O(shè)備；許武軍(副教授)，主要研究方向?yàn)榭纱┐髟O(shè)備、短距無(wú)線通信、嵌入式計(jì)算與機(jī)器視覺(jué)，衛(wèi)星導(dǎo)航與組合定位。

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)