基于ARM Cortex
--M4的運動環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

何秀強， 黃 威， 葉朝輝

(清華大學(xué) 自動化系，北京 100084)

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基于ARM Cortex
--M4的運動環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

何秀強， 黃 威， 葉朝輝

(清華大學(xué) 自動化系，北京 100084)

基于ARM Cortex—M4評估板和多種傳感器設(shè)計了性能優(yōu)良、功能豐富且成本低廉的運動環(huán)境監(jiān)測電子系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)人體運動時心率、氣溫、濕度、氣壓、海拔和經(jīng)緯度的監(jiān)測，并實時顯示監(jiān)測結(jié)果，通過短信發(fā)送至手機等功能。分別介紹了各分功能及分功能集成系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)方法。經(jīng)過測試，系統(tǒng)能夠正常穩(wěn)定地工作，為運動健康電子監(jiān)測系統(tǒng)的研究提供了思路，同時可作為電子系統(tǒng)教學(xué)和科研的實驗平臺。

ARM Cortex—M4； 傳感器； 運動環(huán)境； 監(jiān)測系統(tǒng)

0 引 言

目前，人體運動健康監(jiān)測產(chǎn)品，如智能手環(huán)、運動腕表等,仍然不夠成熟，且價格不菲，功能單一，測量誤差不穩(wěn)定，并且由于技術(shù)和成本等原因尚未實現(xiàn)普及化[1,2]。因此，研究可監(jiān)測運動健康的電子系統(tǒng)并嘗試開發(fā)性能優(yōu)良、功能豐富且成本低廉的電子產(chǎn)品很有必要。

本文以TM4C123GH6PGE芯片的評估板為主電路，外圍搭建了多種集成數(shù)字傳感器的環(huán)境量(例如氣溫)監(jiān)測的電路模塊，設(shè)計和實現(xiàn)了一種智能運動環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，可用于教學(xué)和科研。

1 整體系統(tǒng)設(shè)計

TM4C123芯片評估板外圍搭建了溫度、濕度、氣壓、脈搏監(jiān)測電路模塊以及全球定位系統(tǒng)(GPS)定位和全球通信系統(tǒng)/通用分組無線業(yè)務(wù)(GSM/GPRS)功能的電路模塊。系統(tǒng)功能包括以下3方面：

1)使用電路模塊中集成的傳感器測量對應(yīng)環(huán)境量，主電路處理與電路模塊的通信，從而實現(xiàn)人體運動時(步行、跑步、騎行和越野等)心率和運動環(huán)境中氣溫、濕度、氣壓、海拔及所處地理位置的實時監(jiān)測。

2)將上述各功能集成形成監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)運行時，分別監(jiān)測各環(huán)境量，將結(jié)果顯示出來。循環(huán)監(jiān)測，實時更新顯示。

3)為了實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測結(jié)果和運動數(shù)據(jù)管理以及運動健康指導(dǎo)，使用手機通過短信方式向系統(tǒng)發(fā)送查詢命令，系統(tǒng)回送監(jiān)測結(jié)果到手機。收集到環(huán)境及運動數(shù)據(jù)后，可在手機上開發(fā)運動健康管理應(yīng)用程序等。

系統(tǒng)整體由ARM評估板、溫度監(jiān)測模塊、濕度監(jiān)測模塊、氣壓與海拔監(jiān)測模塊、心率監(jiān)測模塊、GPS定位模塊和GSM/GPRS模塊等組成，其中ARM評估板為系統(tǒng)的主電路。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。每個模塊中信息包括模塊的名稱或功能、所使用的傳感器或產(chǎn)品的名稱及供電電壓。每個模塊與主電路的通信方式及方向通過與主電路連接的箭頭表示。實際上，AM2301濕度模塊和MS5611氣壓模塊中均集成有溫度傳感器，但為了拓展研究，及對比監(jiān)測結(jié)果，設(shè)計使用了DS18B20溫度傳感器監(jiān)測溫度。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

利用CCS開發(fā)軟件編程實現(xiàn)各模塊對應(yīng)的功能，通過測試后，集成為一個監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)上述整體系統(tǒng)的功能。

2 模塊電路設(shè)計及實現(xiàn)

系統(tǒng)各模塊電路如圖2所示。

圖2 各電路模塊與主電路連接

2.1 溫度模塊

溫度模塊使用較為常用的DS18B20溫度傳感器，可將溫度信號直接轉(zhuǎn)換成16位串行數(shù)字信號，并通過固定數(shù)據(jù)格式的串行輸出方式與單片機等通信[4]。由于通信協(xié)議要求數(shù)據(jù)線空閑時應(yīng)保持高電平，所以將其上拉然后連接至主電路的通用輸入/輸出(GPIO)口，如圖2(a)所示，主電路通過對GPIO口電平的讀/寫可完成與外圍設(shè)備的通信[5]。

DS18B20啟動后將進入低功耗等待狀態(tài)，當(dāng)需要進行溫度測量和A/D轉(zhuǎn)換時，主電路發(fā)出指令，DS18B20完成相應(yīng)操作，產(chǎn)生的溫度數(shù)據(jù)以2個字節(jié)的形式存儲在高速暫存器的溫度寄存器中，然后繼續(xù)保持等待狀態(tài)。主電路在溫度轉(zhuǎn)換指令之后發(fā)起“讀時隙”，從而通過單總線完成與傳感器的數(shù)據(jù)通信，讀出傳感器測量到的溫度數(shù)據(jù)[4]。

因為DS18B20通過對I/O引腳的電平讀/寫完成單總線的通信，而一般單總線通信往往采用主從機間精確的時序關(guān)系實現(xiàn)，即數(shù)據(jù)讀/寫期間主動的一方發(fā)出的高、低電平需要按照協(xié)議要求滿足一定范圍的延時以使另一方能夠正常接收到此信號。所以需要編程使得主電路內(nèi)部的定時器中斷產(chǎn)生精確的1 μs延時，從而得到任意微秒的延時函數(shù)，據(jù)此可實現(xiàn)讀/寫時序的延時需求。

2.2 濕度模塊

濕度模塊使用AM2301傳感器。AM2301(DHT21)數(shù)字溫濕度傳感器為含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。傳感器包括一個電容式感濕元件和一個NTC測溫元件，并集成一個高性能8位單片機。每個AM2301傳感器OTP內(nèi)存中存儲有校準(zhǔn)系數(shù)，傳感器內(nèi)部在檢測信號的處理過程中需要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)[6]。傳感器采用單線制串行接口，與主電路的連接如圖2(b)所示。

主電路發(fā)送一次開始信號后，AM2301從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式，等待開始信號結(jié)束后發(fā)送響應(yīng)信號，并發(fā)送40 bit的數(shù)據(jù)[6]。DATA引腳用于主電路與AM2301之間的通信和同步，采用單總線數(shù)據(jù)格式，通信時間約5 ms/次， 40 bit數(shù)據(jù)包括溫濕度數(shù)據(jù)和校驗和，高位先出。在程序中，根據(jù)時序要求，向從機發(fā)送開始信號，當(dāng)正確檢測到從機的響應(yīng)信號，根據(jù)時序要求讀40 bit數(shù)據(jù)。之后進行數(shù)據(jù)校驗，無誤后，將結(jié)果回傳到主函數(shù)相應(yīng)變量。程序的關(guān)鍵在于主從機間數(shù)據(jù)讀/寫時嚴(yán)格按照時序進行操作，在編寫程序和調(diào)試中應(yīng)該時刻檢查時序是否正確。

2.3 氣壓與海拔模塊

氣壓模塊采用MS5611傳感器。MS5611—01BA氣壓傳感器是由MEAS(瑞士)推出的集成SPI和I2C兩種總線接口的高分辨率氣壓傳感器，分辨率可達到10 cm。該傳感器模塊包括一個高線性度的壓力傳感器和一個超低功耗的24位Σ—模/數(shù)轉(zhuǎn)換器[7]。本文選擇I2C通信方式， PS引腳接高電平，CSB引腳接低電平，作為從機，其地址的最低位為1。傳感器和主電路之間的連接如圖2(c)所示。

MS5611的操作命令主要有5種:Reset、讀取PROM中128 bit的補償數(shù)據(jù)、溫度ADC指令、氣壓ADC指令和讀取ADC結(jié)果命令。程序中按照這5條命令的操作順序完成對氣壓和溫度的監(jiān)測。程序中首先根據(jù)I2C通信協(xié)議中發(fā)送和接收字節(jié)的時序要求，分別編程實現(xiàn)發(fā)送和接收函數(shù)，然后實現(xiàn)上述5種讀/寫操作命令。

程序執(zhí)行時，首先對MS5611進行初始化，讀取PROM中校正參數(shù)值后，將校正參數(shù)值WORD1～WORD4轉(zhuǎn)換為補償參數(shù)C1～C6[7]。然后發(fā)送溫度ADC命令，延時后讀取ADC結(jié)果，根據(jù)補償原理和補償參數(shù)對讀出的溫度進行補償計算。使用同樣的方法讀取氣壓ADC結(jié)果，然后補償計算，修正溫度變化引起的壓力值的變化。如需測量海拔高度，則可通過高度與壓力、溫度的關(guān)系計算海拔高度。

2.4 心率模塊

PulseSensor是一種用于脈搏心率測量的光電反射式模擬傳感器，佩戴于手指或耳垂等處，將采集到的模擬信號傳輸給ADC，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再通過單片機等簡單計算后可以得到心率數(shù)值。采用光電容積法[8]作為測量脈搏頻率的傳感器。如圖2(d)所示，標(biāo)有S的為信號輸出線(最左邊)，連接至主電路的ADC的輸入端，并連接供電電路。

主機通過ADCIN采集得到的數(shù)據(jù)為模擬數(shù)據(jù)，信號如圖3所示。主機每隔一小段時間(例如50 ms)采樣模擬數(shù)據(jù)，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號。經(jīng)過一段較長的測量時間(例如10 s)得到一系列隨時間變化的數(shù)字信號，根據(jù)數(shù)字信號的變化周期計算得到心率。為了消除模擬電壓波動的噪聲和ADC誤差的影響，軟件監(jiān)測算法使用施密特比較器原理，如圖4所示。

圖3 PulseSensor輸出的模擬信號

圖4 利用施密特比較器消除噪聲干擾

為了使得監(jiān)測結(jié)果更加精確，程序中設(shè)定監(jiān)測圖4的方波20個周期，然后利用平均法計算單個周期?？紤]到期間隨機因素(例如在測量過程中從測量處突然拿走監(jiān)測模塊)的影響，還需要判定高低電平持續(xù)時間是否正常，算法中只取正常的周期，計算脈搏的頻率。實驗前用示波器實測波形，然后對比較器的上、下限和高低電平持續(xù)的合理時間等參數(shù)進行標(biāo)定。

2.5 GPS定位模塊

GPS定位模塊使用U—BLOX NEO—7M—C完整模塊[9]，模塊與主電路的連接如圖2(e)所示。模塊上電后，LED燈由常亮變?yōu)槊腴W，定位成功，串口輸出定位數(shù)據(jù)。程序中根據(jù)GPS數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)，提取需要的經(jīng)緯度地理位置信息。

2.6 GSM/GPRS模塊

SIM900A模塊是一種尺寸緊湊的GSM/GPRS模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)與遠(yuǎn)程終端的數(shù)據(jù)傳輸功能[10]。研究采用TTL電平接口，模塊與主電路的連接如圖2(f)所示。

該模塊與主電路通過UART接口連接，實現(xiàn)主電路與模塊的通信。用戶以短信方式發(fā)送指令至模塊，模塊接收到指令后，通過串口發(fā)送給主電路，主電路將各環(huán)境量的監(jiān)測結(jié)果再通過串口回傳至模塊，模塊將監(jiān)測信息通過短信方式回傳手機，即可完成運動環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)測功能。

3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

為了實現(xiàn)各個監(jiān)測模塊功能的集成，程序?qū)崿F(xiàn)可分為以下3個方面：

1)將各個模塊分別實現(xiàn)為頭文件和源文件，然后將各模塊的文件都包含在工程下。每個模塊的監(jiān)測結(jié)果可以是函數(shù)返回值，也可以是全局變量。

2)將各模塊通用的函數(shù)實現(xiàn)為utility.h和utility.c，同樣包含在工程下，該文件主要包括延時函數(shù)、串口配置函數(shù)和串口收發(fā)函數(shù)等。

3)在主程序所在的文件main.c中實現(xiàn)各中斷處理函數(shù)和主函數(shù)。主函數(shù)中首先配置系統(tǒng)時鐘、使能外設(shè)、配置通信接口等，然后申請存儲各監(jiān)測結(jié)果的變量，并初始化屏幕顯示模塊。之后進入while循環(huán)，調(diào)用各功能模塊文件中的函數(shù)實現(xiàn)對各環(huán)境量的監(jiān)測，將數(shù)值結(jié)果轉(zhuǎn)化為ASCII碼格式。使能顯示模塊，將監(jiān)測結(jié)果顯示在屏幕上。如需實現(xiàn)短信收發(fā)功能，則在使能顯示后，進入短信收發(fā)函數(shù)，檢查串口緩沖區(qū)是否有命令，如有，則將監(jiān)測結(jié)果連成一個字符串通過串口發(fā)傳至GPRS模塊，由GPRS模塊回傳至手機。循環(huán)末尾延時適當(dāng)?shù)臅r間，然后重新進行監(jiān)測，實時更新顯示。程序流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)程序的流程

實際搭建的電路如圖6所示。圖中最上方為ARM評估板主電路，中間為各個模塊電路，最下方為供電電路。系統(tǒng)各分功能和整體功能均通過了簡單環(huán)境下的測試。

圖6 實際電路系統(tǒng)

4 結(jié)束語

對基于ARM Cortex—M4的人體運動環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)進行了設(shè)計和實現(xiàn)，使用ARM評估板作為主電路，利用外圍多個具備環(huán)境監(jiān)測功能的傳感器模塊實現(xiàn)了人體運動時心率和運動環(huán)境中各量的監(jiān)測，并實現(xiàn)了監(jiān)測結(jié)果的顯示、發(fā)送和記錄，在此基礎(chǔ)上可在移動終端上開發(fā)人體運動健康應(yīng)用程序等。

研究的重點在于基于ARM芯片評估板進行測量和控制功能的開發(fā)，一方面積累開發(fā)經(jīng)驗，為豐富教學(xué)和科研實驗作基礎(chǔ)研究，另一方面為當(dāng)前運動健康便攜式電子產(chǎn)品的研究提供思路。為了降低成本，可使用Cortex—M4系列中外圍接口較少的芯片，開發(fā)性能優(yōu)良、功能豐富且成本較低的電子系統(tǒng)。

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Design and realization of sport environment monitoring system based on ARM Cortex--M4

HE Xiu-qiang， HUANG Wei， YE Zhao-hui

(Department of Automation，Tsinghua University，Beijing 100084，China)

A sport environment monitoring system based on ARM Cortex—M4 evaluation board and various sensors is designed for purpose of inexpensive,high performance and multiple functions.The system can achieve heart rate, temperature,humidity,air pressure,altitude,longitude and latitude monitoring functions during human body exercise,display the monitoring results in realtime and send short message to cell phone.The design and realization methods of sub-function and functional integration system are introduced separately.Test shows that the system works normally and stably,provides foundation for research on sport health monitoring system.The system can be used as an experimental platform for teaching and scientific research of electronic system.

ARM Cortex—M4； sensor； sport environment； monitoring system

10.13873/J.1000—9787(2017)08—0078—04

2016—08—22

TP 212.9

A

1000—9787(2017)08—0078—04

何秀強(1993-)，男，碩士研究生，主要研究方向為電子技術(shù)領(lǐng)域研究,E—mail：826559503@qq.com。