腕戴式集成電氣測量測試系統原型設計

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(1. 東華大學 信息科學技術學院，上海 201620； 2. 東華大學 數字化紡織服裝技術教育部工程研究中心；3. 京濱電子裝置研究開發(上海)有限公司)

腕戴式集成電氣測量測試系統原型設計

趙海森，許武軍,2，于浩3

(1. 東華大學 信息科學技術學院，上海 201620； 2. 東華大學 數字化紡織服裝技術教育部工程研究中心；3. 京濱電子裝置研究開發(上海)有限公司)

以PSoC5 LP為硬件開發平臺，以PSoC Creator為軟件開發平臺，構建集成示波、頻譜分析、信號(波形)發生以及信息交互功能的系統。顯示外設采用Memory LCD，頻譜分析通過快速傅里葉變換(FFT)實現，根據真任意波形發生技術(Ture arb)實現信號發生，擴展CC2541藍牙模塊實現與移動終端的信息交互。系統原型集成采用有限狀態機實現多種功能，并用物理按鍵進行操作和切換。初步完成了集成有4種功能的腕戴式電氣測量測試系統，達到了設計要求。

示波器；PSoC5 LP；信號發生；頻譜分析；PSoC；BLE

引 言

傳統示波器一般體積較大，而現場作業和戶外檢測的工作環境要求設備具有更高的靈活性和便攜性，可穿戴示波器是一個很好的解決方案。同時，電子器件的逐漸優化，推動了可穿戴設備的發展[1-2]。本文設計了一款包含示波、頻譜分析及波形發生等功能的腕戴式檢測系統，提升現場檢測的便利性。

1 系統的整體結構及功能描述

系統以PSoC5 LP為主控芯片，采用PSoC Creator構建整個工程框架。PSoC5 LP將大量模擬及數字資源和片上微控制器集成在一起，可實現高達上百種的模擬和數字外設功能[3-4]。PSoC Creator擁有公共資源配置器和應用程序接口函數，簡化了PSoC的開發。

圖1 系統架構

如圖1所示，系統主要由數據運算、顯示以及藍牙分享等模塊組成，實現了示波、頻譜分析、信號發生以及信息交互4種功能。示波功能即將量化后的被測信號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信號的不同頻率組成，信號發生功能可以產生基本的波形信號，信息交互功能指的是將運算得出的波形信息和頻譜信息通過藍牙模塊[5]分享到其他移動端。PSoC5 LP提供了多種供電方式，系統使用型號為BL-5C、容量為1000 mAh的鋰電池，通過boost升壓轉換器端口VBAT和GND進行供電。

2 系統解決方案

示波、頻譜、信號發生以及信息交互4種原型功能是系統實現的關鍵，也是系統集成的前提。

2.1 示波功能

圖4 電氣信號測量圖

示波功能是系統的一個重要的功能，包含波形信號的采集、傳輸、處理計算和顯示。PSoC5 LP只能處理0～5 V的單極性的信號[6]，因此我們需要設計模擬前端電路實現輸入信號衰減和電位平移，彌補電壓范圍偏小和單極性的缺陷。另外，還需設計電壓跟隨器增強信號的帶載能力，為后續ADC采樣做準備。單路模擬前端調理電路如圖2所示。

圖2 單路模擬前端調理電路

圖3 示波功能流程圖

圖3為示波功能流程圖。輸入信號被調節至適宜范圍后，再使用ADC將其轉換為數字信號，再通過直接內存訪問通道(Direct Memory Access, DMA)高速存儲到RAM中，然后通過處理計算，實現采樣值到LCD像素坐標的計算。規劃LCD界面，實現波形圖以及相關信息的顯示。

系統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。該模塊對比度高、功耗低、接口方便，可以滿足腕戴式系統的顯示要求[7]。需要將PSoC5 LP 3.3 V的電壓升至5 V才能正常驅動Memory LCD。另外，它與PSoC5 LP的連接需要一個轉接板。

Memory LCD與PSoC5 LP采用SPI串行通信[8]，由于Memory LCD是只寫設備，通信端口只包括串行時鐘信號、串行時鐘信號、片選信號；外部COM反轉信號輸入和COM反轉模式選擇端口控制屏幕的工作模式，系統采用軟件方法產生COM反轉信號；其余端口用于電源供電。

當電氣信號分別是周期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，本系統測量波形圖如圖4所示。可見，系統測量圖形波形清晰，T和Vpp與輸入電信號誤差很小。

2.2 頻譜分析

信號有不同的表現形式，頻譜圖可以分析信號的頻率組成成分[9]。實際應用中，計算機很難描述連續函數，因此可以采用離散傅里葉變換(Discrete Fourier Transform, DFT)對離散時間序列進行譜分析。但是直接使用DFT方法的計算量過大，DFT的快速算法快速傅里葉變換(Fast Fourier Transformation, FFT)可以使DFT的運算量縮短一兩個數量級[10]。系統選擇輸入倒序、輸出順序的基2時域抽選FFT算法對輸入信號進行頻譜分析。算法流程圖如圖5所示。

需要注意的是，為了解決信號模數轉換時的混疊問題，信號頻率應小于采樣頻率的1/2。當輸入信號主頻率為15.522 kHz時，系統測量圖與型號為Tektronix TPS2024的示波器測量圖如圖6所示，二者基本一致。

圖8 波形發生圖

圖5 基2時域抽選FFT流程圖

圖6 頻譜對比圖

2.3 信號發生

信號發生器是一種可以產生不同幅度、不同頻率的規則或不規則的波形的電子設備。PSoC5 LP的片上DAC模塊可以提供簡易的正弦波、方波以及三角波三種基本波的發生。

系統采用Ture arb技術實現信號發生功能[11]，首先以一定的頻率讀出波形信號，然后通過D/A轉換產生所需波形。使用信號觸發DMA傳輸數據進行D/A轉換，讀取波形數據的速率可以通過對時鐘模塊的配置實現。然后在模擬端口輸出相應的波形信號。信號發生原理如圖7所示。

圖7 信號發生原理圖

圖8為系統產生的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量圖。

2.4 信息交互

信息交互功能指的是采集的電氣信號在Memory LCD上顯示，同時通過藍牙模塊DX-BT05將信號發送到移動設備同步顯示。

DX-BT05 4.0藍牙模塊內置有256 KB空間的芯片CC2541，采用UART接口通信。通過串口助手以及AT指令可以完成該模塊的參數設置與測試，使用靈活。CC2541有多種運行模式，并且模式間的轉換時間較短，非常適合應用于需要低功耗的系統[12]。

選擇Android系統手機來接收數據信息，需要一款應用程序(Application, APP)實現設備的連接和信息的顯示[13-14]。APP包括藍牙設備連接、波形顯示和頻譜顯示三個界面。波形圖和頻譜圖顯示界面如圖9所示，兩者可通過按鈕進行切換。

圖9 APP顯示界面

3 系統集成與實現

在實際使用中，需要將4種功能集成在一起，從而實現一個完整的測量測試系統，實物連接圖如圖10所示。系統選用有限狀態機實現功能集成，采用物理按鍵控制的方式進入到不同的功能中。

圖10 系統原型實物連接圖

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，因此可以細分為5種功能。需要設計一個含有10種狀態的菜單選擇界面，如圖11所示。功能的選擇采用按鍵和狀態機共同完成，4個物理按鍵及功能分別設定為K1(Up)、K2(Down)、K3(Set)和K4(Return)。系統集成的狀態機結合了Mealy思想和Moore思想[15]，狀態要一直循環采集數據實現示波以及頻譜分析，信號發生及菜單顯示操作則不需要。

圖11 狀態轉換框架

狀態機構建了系統各種功能切換的架構，只需將工程添加至相應狀態。菜單顯示如圖12所示，菜單顯示狀態的切換以及系統功能的進入和退出都可以通過4個按鍵來操作。

結 語

圖12 菜單顯示效果圖

[1] 肖征榮,張麗云.智能穿戴設備技術及其發展趨勢[J].移動通信,2015,39(5):9-12.

[2] 李鵬.便攜式數字存儲示波器的研究[D].洛陽:河南科技大學,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. 數字圖像處理 [M].3版.阮秋琦，阮宇智，譯.北京:電子工業出版社,2011.

[10] 叢玉良. 數字信號處理原理及其MATLAB實現 [M].3版.上海:電子工業出版社,2015.

[11] 于浩.基于片上可編程系統(PSOC)的腕戴式集成電氣測量測試系統[D].上海:東華大學,2016.

[12] DX-BT05藍牙模塊技術手冊[EB/OL].[2017-08].http://pan.baidu.com/s/1pJxIz8Z.

[13] 楊國燕,聶佳志. Android應用程序開發與案例分析[M].北京:清華大學出版社,2016.

[14] 寒冬. Android應用開發實踐教程[M].北京：電子工業出版社,2016.

[15] 傅強,楊艷.從零開啟大學電子設計之路—基于MSP430 LaunchPad口袋實驗平臺[M].北京：北京航空航天大學出版社，2013.

趙海森、于浩(碩士研究生)，主要研究方向為可穿戴設備；許武軍(副教授)，主要研究方向為可穿戴設備、短距無線通信、嵌入式計算與機器視覺，衛星導航與組合定位。

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)