基于ARM9處理器芯片S3C2440的服裝舒適性檢測系統(tǒng)

　　一般來說，當(dāng)人體皮膚溫濕度處于熱濕舒適性狀態(tài)時，人們的智力、體力(手工)或感覺方面的表現(xiàn)均處于高水平狀態(tài)，另外熱濕舒適性是人們處于最佳健康狀態(tài)的必要條件。通過對人體不同狀態(tài)下不同部位的服裝壓力、溫度濕度的測量，可以得到人體著裝后的不同部位的壓力、溫濕度的分布狀況。對測量結(jié)果進行分析可以為服裝壓力、熱濕舒適性的客觀評價提供量化指標(biāo)，為服裝的款式與結(jié)構(gòu)設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。近年來越來越多的研究人員開展了有關(guān)服裝功能測試的研究，并且取得了較多進展，但是相關(guān)的服裝功能測試儀器的研發(fā)遠遠滯后于時代的需要。本文設(shè)計了基于ARM技術(shù)的便攜式的服裝壓力、溫濕度測量系統(tǒng)。

　　1 服裝舒適性檢測系統(tǒng)的構(gòu)成

　　服裝舒適性檢測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)采集及存儲的控制模塊、數(shù)據(jù)分析模塊構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。數(shù)據(jù)采集模塊的前端是由多個FlexiForce壓力傳感器、壓力-電壓信號轉(zhuǎn)換電路和DHT90溫濕度數(shù)字傳感器組成，這些傳感器用來獲取被測部位的壓力和溫濕度信號，并通過信號調(diào)理電路(信號變換電路、濾波電路等)將所測的壓力轉(zhuǎn)換為電壓信號。數(shù)據(jù)采集及存儲的控制模塊是本系統(tǒng)的核心，主要負責(zé)數(shù)據(jù)采集和存儲控制，該模塊利用ARM9處理器芯片S3C2440內(nèi)置10 b模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，該ADC能以500 KSPS的采樣速率將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為10 b分辯率的數(shù)字信號并利用其GPIO接口實現(xiàn)溫濕度數(shù)字信號的采集。另外該模塊利用SD卡作為存儲介質(zhì)實現(xiàn)對壓力、溫濕度數(shù)據(jù)的離線存儲。數(shù)據(jù)分析模塊主要負責(zé)讀取SD卡存儲的測量結(jié)果數(shù)據(jù)，該模塊借助LabVIEW語言開發(fā)出的方便、形象逼真的儀器面板將測量結(jié)果保存并以直觀的形式顯示出來。

　　2 服裝舒適性檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　服裝舒適性檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計主要是關(guān)于系統(tǒng)硬件儀器及其器件的連接設(shè)計，主要指的是數(shù)據(jù)采集模塊的傳感器的選用和數(shù)據(jù)采集及存儲控制模塊的硬件設(shè)計。服裝舒適性檢測系統(tǒng)硬件部分實現(xiàn)服裝舒適性檢測系統(tǒng)的儀器控制和數(shù)據(jù)采集，是服裝舒適性檢測系統(tǒng)的主題部分，直接關(guān)系到整個系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。

　　2.1 數(shù)據(jù)采集模塊硬件設(shè)計

　　數(shù)據(jù)采集模塊硬件設(shè)計主要包括溫濕度傳感器的選用、壓力傳感器的選用、壓力-電壓信號轉(zhuǎn)換放大電路。

　　2.1.1 傳感器的選用

　　傳感器處于測試系統(tǒng)的最前端，是感知溫濕度和壓力信號的窗口，所獲得和轉(zhuǎn)換的信息正確與否，直接關(guān)系到整個測試系統(tǒng)的性能好壞。本系統(tǒng)采用了DHT90數(shù)字溫濕度傳感器和美國Teksean公司的FlexiForce壓力傳感器。

　　DHT90數(shù)字溫濕度傳感器可以同時測量濕度、溫度和露點，不需外圍元件直接輸出經(jīng)過標(biāo)定了的相對濕度、溫度及露點的數(shù)字信號，可以有效解決傳統(tǒng)溫、濕度傳感器的不足。內(nèi)部集成了濕度敏感元件和溫度敏感元件、放大器、一個14 b的A/D轉(zhuǎn)換器、標(biāo)定數(shù)據(jù)存儲器以及數(shù)字總線接口以及穩(wěn)壓電路。由于溫度傳感器和濕度傳感器在硅片上是緊靠在一起，可以精確地測定露點，不會因為兩者之間的溫度差而引入誤差;直接通過存放在芯片上OTP存儲器中的標(biāo)定系數(shù)，輸出是經(jīng)過標(biāo)定的數(shù)字信號。DHT90數(shù)字溫濕度傳感器其性能優(yōu)良、穩(wěn)定性好、成本低、使用方便，因此本系統(tǒng)采用其作為溫濕度韻測量。

　　采用FlexiForce壓力傳感器進行壓力測試。與傳統(tǒng)服裝壓力測試系統(tǒng)中所采用的傳感器相比，F(xiàn)lexiForce在線性、滯后性、漂移、溫度和靈敏度方面有著優(yōu)良的性能，根據(jù)待測的服裝壓力值，選用了壓力范圍為0～1 lb(4.4 N)的FlexiForceA201型傳感器是完全具備服裝壓力測試條件的。由于ARM不能采集非電量的物理信號，而壓力傳感器輸出的為非電量的壓力信號，需通過壓力-電壓轉(zhuǎn)換放大電路將壓力信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。再由標(biāo)定后的壓力與電壓的對應(yīng)關(guān)系，得到所需的服裝壓力值。

　　2.1.2 壓力-電壓信號轉(zhuǎn)換放大電路及壓力-電壓標(biāo)定

　　傳感器通過壓力-電壓信號轉(zhuǎn)換放大電路后，輸出電壓值Vout。傳感器輸入信號與電壓的相互對應(yīng)關(guān)系為Vout=-VD*(RF/R)，RF=R1+RF 1，其中：Vout為輸出的電壓;RF為放大電路中的反饋電阻;R為傳感器對應(yīng)的阻值，其阻值的變化對應(yīng)了作用在傳感器上壓力的變化，RF/R為放大電路中的放大系數(shù)。FlexiForce壓力傳感器靜態(tài)特性壓力-電壓標(biāo)定曲線如圖2所示。

　　2.2 數(shù)據(jù)采集及存儲控制的硬件設(shè)計

　　數(shù)據(jù)采集及存儲控制模塊是本系統(tǒng)的核心，該模塊性能直接影響整個服裝測量系統(tǒng)的測量精度和運行速度。數(shù)據(jù)控制及存儲模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，數(shù)據(jù)采集及存儲控制模塊的核心部分是三星公司生產(chǎn)的高性能S3C2410微處理器。該處理器是基于ARM920T內(nèi)核的16/32位RISC嵌入式微處理器，片上主要集成有117個通用I/O接口，24個外部中斷源，4個具有PWM功能的計時器及1個內(nèi)時鐘，8通道10位ADC，3通道的UART，4通道的SDRAM控制器，1個LCD控制器，具有日歷功能的RTC(實時時鐘)，SD卡接口等。同時，S3C2410還提供一組完整的系統(tǒng)外圍設(shè)備，主要有MAX232、按鍵、LED、SD存儲卡、SDRAM、SRAM等。

　　S3C2410微處理器利用內(nèi)置的10 b模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)以500 KSPS的采樣速率將壓力信號值轉(zhuǎn)換的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為10 b分辨率的數(shù)字信號;S3C2410微處理器利用其GPIO接口實現(xiàn)溫濕度數(shù)字信號的采集。另外該處理器通過按鍵對采樣通道的選擇和采樣速率進行控制;以SD卡作為存儲介質(zhì)對所采集的數(shù)據(jù)進行離線保存。此芯片主要面向手持設(shè)備，以及高性價比、低功耗的應(yīng)用，可滿足數(shù)據(jù)采集及存儲控制模塊控制的需要。

　　3 服裝舒適性檢測系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)

　　服裝舒適性檢測系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)指的是數(shù)據(jù)采集及存儲控制硬件模塊的軟件實現(xiàn)以及對數(shù)據(jù)分析模塊的軟件實現(xiàn)。

　　3.1 數(shù)據(jù)采集和控制及數(shù)據(jù)處理硬件模塊的軟件實現(xiàn)

　　系統(tǒng)采集、存儲模塊軟件部分是在ADS 1.2環(huán)境下利用C語言進行編程，并針對相應(yīng)的硬件功能實現(xiàn)的，流程圖如圖4所示。數(shù)據(jù)采集和控制及數(shù)據(jù)處理硬件模塊的軟件實現(xiàn)首先是對系統(tǒng)進行初始化，系統(tǒng)初始化主要指中斷、存儲器系統(tǒng)、堆棧的初始化及鍵盤、LED、SD存儲卡等硬件的初始化;接著通過鍵盤實現(xiàn)采樣通道和采樣速率的設(shè)定;然后啟動A/D轉(zhuǎn)換將采集的模擬壓力-電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號;最后在采樣結(jié)束時將采集的壓力、溫濕度信號導(dǎo)入SD存儲卡實現(xiàn)采集信號的存儲操作。

　　3.2 數(shù)據(jù)分析模塊的軟件實現(xiàn)

　　數(shù)據(jù)分析模塊只涉及軟件實現(xiàn)，該模塊采用LabVIEW 7.1軟件實現(xiàn)了采集數(shù)據(jù)的輸出、圖形的實時顯示與Excel測試報告的生成與保存功能，程序示意圖如圖5所示。數(shù)據(jù)分析模塊的軟件實現(xiàn)首先是打開離線保存在SD存儲卡里的溫濕度壓力信號的文件;其次進入While loop循環(huán)通過對控制按鈕設(shè)定連續(xù)讀取文件中的信號，并將其數(shù)據(jù)分流實現(xiàn)各通道壓力、溫濕度信號的圖形化顯示;最后保存Excel測試報告并關(guān)閉文件。

　　設(shè)計的數(shù)據(jù)分析模塊的面板如圖6所示，該模塊靈活簡潔，可對壓力、溫濕度信號進行長時間的連續(xù)監(jiān)測，形象地模擬了傳統(tǒng)儀器的外觀。在操作面板時首先將布爾開關(guān)指向“開始”，打開離線保存在SD存儲卡里的溫濕度壓力信號的文本文件(如j：\1.txt)讀取數(shù)據(jù)，即每隔一定時間進行一次連續(xù)的數(shù)據(jù)讀取，然后用戶通過面板的“讀取數(shù)據(jù)點數(shù)”和“讀取位置”控件進行設(shè)置所需讀取點數(shù)及通道的選擇，將布爾開關(guān)指向“停止”即可結(jié)束信號的顯示;最后點擊Excel按鈕將測試報告以電子表格的形式進行保存。該面板實現(xiàn)的是8路信號的數(shù)據(jù)顯示功能，便于在同一時間監(jiān)測多部位的壓力、溫濕度信號的變化情況，同時Excel測試報告實現(xiàn)了測試信息長時間保存的功能。

　　4 測試實驗

　　圖6顯示的曲線分別是服裝舒適性檢測系統(tǒng)對人體在正常工作狀態(tài)下后背、腋窩溫濕度和肩部、腹部壓力測試的結(jié)果。由于人體在正常工作狀態(tài)時其同一部位的壓力及溫濕度值隨時間變化不大，圖6所示的測試的結(jié)果符合人體正常著裝狀態(tài)下不同部位的壓力及濕度實際變化情況。

　　5 結(jié)語

　　設(shè)計一種基于嵌入式ARM處理器的便攜式服裝壓力、溫濕度測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)在單個芯片上實現(xiàn)了人體在正常工作狀態(tài)下的服裝壓力、溫濕度連續(xù)采集與存儲，基于LabVIEW實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)分析，且系統(tǒng)具有體積小、功耗低、速度快、測試準(zhǔn)確、工作可靠等特點，該便攜式系統(tǒng)可以為服裝舒適性的客觀評定提供依據(jù)和基礎(chǔ)，為服裝功能測量系統(tǒng)的開發(fā)提供了一條新的思路。