摘 要:設(shè)計一種基于嵌入式ARM處理器的便攜式服裝壓力、溫濕度檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)采用ARM9處理器S3C2410A為主控芯片，利用FlexiForce壓力傳感器、DHT90溫濕度傳感器為分布式測試元件，以SD卡作為存儲介質(zhì)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行離線保存，并借助LabVIEW開發(fā)的儀器面板將測量結(jié)果保存并以直觀的形式顯示出來。測試實驗結(jié)果表明服裝舒適性檢測系統(tǒng)測試準(zhǔn)確，工作可靠，可以為服裝舒適性的客觀評定提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞:ARM; 服裝舒適性; 檢測系統(tǒng); LabVIEW

中圖分類號:TN919; TP274.5文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)15-0177-03

Design of Test System for Clothing Comfortableness Based on ARM Technology

ZHANG Chun-li， GAO Xiao-ding， LIANG Jian-feng， TANG Ming-fei

(School of Mechanical Engineering， Xi’an Polytechnic University， Xi’an 710048， China)

Abstract: A portable garment pressure， temperature and humidity detection system based on embedded ARM controller was designed. ARM9 processor S3C2410A is used as the core chip， FlexiForce pressure sensor， DHT90 temperature and humidity sensor are used as distributed test components and SD card is used as the storage medium to save off-line collected data. The measured results are saved and showed with the instrument panel developed by LabVIEW. The test results show that clothing comfortableness detection system is accurate and reliable， provides a scientific basis for clothing comfortableness.

Keywords: ARM; clothing comfortableness; detection system; LabVIEW

0 引 言

隨著生活水平的提高，人們對服裝的舒適性有了更高的要求。服裝舒適性的研究范圍涉及三個基本領(lǐng)域:物理、生理和主觀心理?，F(xiàn)階段，國內(nèi)外的服裝舒適性研究主要集中在生理舒適性領(lǐng)域。服裝生理舒適性領(lǐng)域的研究主要集中在熱濕舒適性、接觸舒適性和壓感舒適性三大領(lǐng)域。服裝壓力、溫濕度的狀態(tài)是評價服裝生理舒適性的重要指標(biāo)[1]。不適當(dāng)?shù)姆b壓力會影響著裝者的疲勞感和工作效率，且關(guān)系到人體的健康。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[2-4]。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(jìn)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(jìn)展，但是相關(guān)的服裝功能測試儀器的研發(fā)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于時代的需要[5]。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(fù)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(fù)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。

圖1 服裝壓力、溫濕度測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

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Tekscan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[6]，因此本系統(tǒng)采用其作為溫濕度的測量。

采用FlexiForce壓力傳感器進(jìn)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， FlexiForce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FlexiForce A201型傳感器是完全具備服裝壓力測試條件的[7]。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Vout。傳感器輸入信號與電壓的相互對應(yīng)關(guān)系為Vout=-VD*(RF/R)，RF=R1+RF1，其中:Vout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。

圖2 壓力-電壓標(biāo)定曲線

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(yùn)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[8-9]等。

圖3 數(shù)據(jù)控制及存儲模塊結(jié)構(gòu)框圖

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(jìn)行控制;以SD卡作為存儲介質(zhì)對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)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(jìn)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。

圖4 數(shù)據(jù)采集、存儲控制模塊軟件流程圖

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[10]，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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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。

圖5 數(shù)據(jù)分析模塊程序示意圖

圖6 數(shù)據(jù)分析模塊的面板

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。

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