韋 宏，張智恒

（1．江蘇省計(jì)量科學(xué)研究院，南京 210023；2．美國(guó)倫斯勒理工學(xué)院，特洛伊 12183）

基于PSoC4_BLE的空氣呼吸器壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

韋 宏1，張智恒2

（1．江蘇省計(jì)量科學(xué)研究院，南京 210023；2．美國(guó)倫斯勒理工學(xué)院，特洛伊 12183）

本文提出了一種新的空氣呼吸器壓力監(jiān)測(cè)方案，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于Cypress.PSoC4藍(lán)牙低功耗（BLE）微處理器和智能終端的空氣呼吸器壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

空氣呼吸器；氣壓監(jiān)測(cè)；PSoC4；藍(lán)牙低功耗；智能終端

1 引言

空氣呼吸器是一種自給開(kāi)放式的壓縮空氣存儲(chǔ)裝置，是保障消防員在進(jìn)入火場(chǎng)等缺氧環(huán)境維持呼吸保障生命安全的重要裝備。

為了提高系統(tǒng)設(shè)備的通用性，便于軟件升級(jí)，本文提出并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于Cypress PSoC4_BLE微處理器和通用智能終端的空氣呼吸器壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由微處理器、高精度低功耗壓力采集電路和智能終端等部分組成，具有成本低、功耗低、可擴(kuò)展性好、軟件升級(jí)方便等顯著特點(diǎn)。

2 總體方案設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)框圖

空氣呼吸器壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由兩大部分組成，“微處理器與前端部分”包括氣壓傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器（ADC）、微處理器與藍(lán)牙通信模塊等，主要實(shí)現(xiàn)氣壓的采集、數(shù)據(jù)校準(zhǔn)與處理、與智能終端之間通信以及系統(tǒng)的控制等功能，“智能終端與后端部分”包括智能終端及指揮臺(tái)等，主要實(shí)現(xiàn)與微處理器之間的通信、系統(tǒng)的監(jiān)視等功能。

圖1 系統(tǒng)的總體架構(gòu)

2.2 系統(tǒng)工作原理

當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，微處理器控制氣壓傳感器采集空氣呼吸器內(nèi)部的氣壓數(shù)值，在對(duì)氣壓數(shù)值轉(zhuǎn)換校準(zhǔn)后，控制藍(lán)牙BLE短距離無(wú)線通信模塊，將氣壓數(shù)值傳輸給智能終端，智能終端上的APP軟件通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線通信模塊接收得到氣壓數(shù)值，并實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地顯示在顯示屏上。同時(shí)，智能終端可基于與指揮臺(tái)之間建立的數(shù)據(jù)通道，將數(shù)據(jù)發(fā)送至指揮臺(tái)，供指揮人員監(jiān)視。

系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)檢測(cè)到氣壓數(shù)值低于預(yù)設(shè)門(mén)限時(shí)，微處理器控制藍(lán)牙無(wú)線通信模塊，向智能終端發(fā)送警告信號(hào)，智能終端將收到的警告信號(hào)顯示在顯示屏上，同時(shí)可發(fā)出報(bào)警聲以提醒一線消防員。

為降低系統(tǒng)功耗，除了硬件設(shè)計(jì)充分考慮低功耗之外，程序在運(yùn)行過(guò)程中，除了完成正常功能外，同時(shí)監(jiān)測(cè)BLE模塊的工作狀態(tài)，當(dāng)監(jiān)測(cè)到BLE處于空閑狀態(tài)時(shí)，就會(huì)使BLE進(jìn)入休眠模式，一旦發(fā)現(xiàn)BLE產(chǎn)生中斷，立即啟動(dòng)系統(tǒng)工作模式。

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的硬件主要包括微處理器、高精度ADC、藍(lán)牙通信模塊、智能終端等部分。

3.1 主控芯片

根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用要求，綜合對(duì)比現(xiàn)有的幾種微處理器，本系統(tǒng)最終選用美國(guó)某公司生產(chǎn)的PSoC4_BLE微處理器。

PSoC4_BLE微處理器是一個(gè)可編程的嵌入式片上系統(tǒng)，在單個(gè)芯片中集成了ARM Cortex-M0微控制器、較大容量的SRAM和Flash存儲(chǔ)器、可編程的模擬和數(shù)字外設(shè)功能以及BLE無(wú)線射頻系統(tǒng)。其中，BLE是由國(guó)際藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟制訂的超低功耗短距離無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)，主要應(yīng)用于短距離無(wú)線通信，支持一個(gè)物理層、一個(gè)協(xié)議棧和多個(gè)應(yīng)用需求。

PSoC 4_BLE提供了一個(gè)經(jīng)濟(jì)實(shí)用且封裝較小的解決方案，所有功能和性能都是為了降低功耗而進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化的，能夠替代傳統(tǒng)的MCU+BLE無(wú)線射頻組合的方案，簡(jiǎn)化了本系統(tǒng)的藍(lán)牙通信設(shè)計(jì)，顯著降低了系統(tǒng)的功耗，滿足了系統(tǒng)的總體要求。

3.2 高精度A/D采樣

空氣呼吸器壓力監(jiān)測(cè)需要對(duì)氣壓傳感器給出的模擬壓力值進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換以得到數(shù)字量值。

根據(jù)人類呼吸頻率和壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)輸出要求，本系統(tǒng)對(duì)A/D采樣速率要求不高，在1秒鐘內(nèi)采樣幾次即可。為了降低放大電路可能帶來(lái)額外噪聲的影響，本系統(tǒng)采用將氣壓傳感器輸出與A/D轉(zhuǎn)換器直接相連的方案，由于傳感器輸出的模擬信號(hào)比較小，為了確保轉(zhuǎn)換得到的數(shù)值精度，應(yīng)盡可能提高ADC的轉(zhuǎn)換精度。另一方面，由于小信號(hào)對(duì)于噪聲相對(duì)比較敏感，因此，A/D轉(zhuǎn)換芯片的抗噪聲特性應(yīng)盡可能地好。

經(jīng)綜合分析比較，本系統(tǒng)選用美國(guó)某公司生產(chǎn)的AD7789 A/D轉(zhuǎn)換芯片。該芯片內(nèi)置一個(gè)低噪聲的∑-Δ型A/D轉(zhuǎn)換模塊，支持差分模擬輸入，分辨率最高可達(dá)24位。并且，該轉(zhuǎn)換器的最大電流消耗僅為75uA，噪聲RMS僅為1.5uV，具有極低功耗和低噪聲的特點(diǎn)。與常見(jiàn)的ADC不同，該轉(zhuǎn)換器采用內(nèi)部時(shí)鐘工作，輸出數(shù)據(jù)速率為16.6Hz，具有同時(shí)抑制50Hz/60Hz的特性。該轉(zhuǎn)換芯片的各項(xiàng)特性完全符合本系統(tǒng)高精度采樣、低采樣速率、低噪聲和極低功耗的需求。

基于該A/D轉(zhuǎn)換芯片的采樣電路如圖2所示。其中，為了提高對(duì)噪聲和干擾的抑制能力，氣壓傳感器輸出（J4接插件的3和2）的模擬信號(hào)通過(guò)差分方式輸入到AD7789，J4接插件的4和1對(duì)氣壓傳感器進(jìn)行供電。A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果經(jīng)SPI串行接口傳輸?shù)轿⑻幚砥鳌?/p>

圖2 高精度A/D采樣電路

3.3 智能終端

為了提高系統(tǒng)的通用性和軟件升級(jí)的便利性，本系統(tǒng)采用基于Android操作系統(tǒng)的通用智能手機(jī)，該智能手機(jī)必須支持藍(lán)牙4.0/4.1通信協(xié)議。智能手機(jī)上安裝有氣壓監(jiān)測(cè)專用APP，可實(shí)現(xiàn)與微處理器之間的藍(lán)牙通信，能將接收到的氣壓監(jiān)測(cè)值在顯示屏上動(dòng)態(tài)顯示，并能在壓力降低到一定門(mén)限值時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。終端APP根據(jù)系統(tǒng)需要可隨時(shí)升級(jí)更新，用戶也可通過(guò)應(yīng)用商店隨時(shí)更新常用軟件，降低了系統(tǒng)升級(jí)成本。當(dāng)然，實(shí)際使用時(shí)該智能終端必須進(jìn)行加固處理，以實(shí)現(xiàn)防爆防水等功能。

3.4 藍(lán)牙通信

微處理器與智能終端之間基于藍(lán)牙4.0/4.1無(wú)線通信協(xié)議建立通信連接。

PSoC4_BLE的BLE子系統(tǒng)集成了鏈路層控制器、數(shù)字調(diào)制解調(diào)器和射頻（RF）收發(fā)器。鏈路層控制器完成BLE鏈路層規(guī)范中指定的所有時(shí)序關(guān)鍵性能。

數(shù)字調(diào)制解調(diào)器從鏈路層控制器中提取1Mb/s的串行數(shù)據(jù)，生成GFSK直接調(diào)制的數(shù)據(jù)并將其發(fā)送給BLE模擬部分；接收時(shí)，從BLE模擬部分提取1MHz的中頻ADC數(shù)據(jù)，并數(shù)字解調(diào)生成1Mb/s的串行數(shù)據(jù)。

RF收發(fā)器集成有平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器（Balun），該Balun提供了一個(gè)單端射頻端口引腳，能夠通過(guò)匹配網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)一個(gè)50Ω的天線終端；接收時(shí)，該模塊將天線的RF信號(hào)轉(zhuǎn)換為1MHz的中頻，并將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為10位的數(shù)字信號(hào)；發(fā)送時(shí)，該模塊將調(diào)制后的1Mb/s GFSK信號(hào)轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào)，并通過(guò)天線發(fā)送出去。關(guān)于天線的詳細(xì)設(shè)計(jì)和RF電路布局方法，可參見(jiàn)文獻(xiàn)[5]。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 基于PSoC Creator的配置

圖3 PSoC4_BLE程序流程圖

本系統(tǒng)微處理器的軟件全部采用C語(yǔ)言編寫(xiě)。軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境采用某公司提供的PSoC Creator集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。該集成開(kāi)發(fā)環(huán)境是一款基于圖形化的集成設(shè)計(jì)工具，可用于開(kāi)發(fā)PSoC4_BLE的各類應(yīng)用。PSoC Creator為快速開(kāi)發(fā)應(yīng)用PSoC4_BLE的片上資源提供了極大的靈活性和便利性。

PSoC Creator提供了易于配置的基于圖形用戶界面（GUI）的各種組件，本系統(tǒng)主要配置的控件包括BLE和SPI。通過(guò)控件配置，程序員只需根據(jù)GUI進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，即可自動(dòng)生成相應(yīng)的代碼。如在開(kāi)發(fā)BLE應(yīng)用時(shí)，程序員無(wú)需了解BLE復(fù)雜協(xié)議棧的運(yùn)作方式，通過(guò)PSoC Creator內(nèi)部自帶的代碼即可實(shí)現(xiàn)BLE通信。

4.2 PSOC4_BLE軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

整個(gè)系統(tǒng)的軟件包括PSOC4_BLE微處理器軟件和智能終端軟件（APP）。這里重點(diǎn)介紹PSOC4_ BLE微處理器軟件。

PSOC4_BLE微處理器軟件包括系統(tǒng)初始化、A/D轉(zhuǎn)換控制、數(shù)據(jù)校準(zhǔn)與處理、藍(lán)牙通信控制等幾個(gè)部分。

PSOC4_BLE微處理器的程序流程圖如圖4所示。微處理器在與智能終端藍(lán)牙連接成功后進(jìn)行氣壓數(shù)據(jù)的采集，對(duì)采集得到的氣壓數(shù)據(jù)進(jìn)行抗干擾濾波、數(shù)據(jù)校準(zhǔn)等處理，然后將處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送給智能終端。

4.3 低功耗軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

圖4 BLE低功耗模式流程圖

為了降系統(tǒng)功耗，除了在硬件上進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)外，本系統(tǒng)還對(duì)BLE組件進(jìn)行低功耗模式的軟件設(shè)計(jì)。當(dāng)軟件監(jiān)測(cè)到BLE閑置時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入BLE低功耗模式。在低功耗模式中，系統(tǒng)僅消耗1.3μA的電流，但仍能夠保持BLE連接有效，有效地降低了系統(tǒng)功耗。BLE低功耗模式流程圖如圖4所示。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)時(shí)采用高精度氣壓計(jì)量用標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行數(shù)據(jù)逐點(diǎn)校準(zhǔn)，確保了測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和精度。

為了驗(yàn)證系統(tǒng)氣壓數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)，氣壓鋼瓶外接一個(gè)指針式讀數(shù)的壓力表，并將本系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果與該壓力表讀數(shù)進(jìn)行對(duì)比。氣壓鋼瓶用特殊管道接出兩頭，一頭接向壓力表，一頭接向壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

微處理器接收到A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果后，首先對(duì)結(jié)果進(jìn)行5點(diǎn)中值濾波以消除異常數(shù)值：

然后，對(duì)濾波后的數(shù)值進(jìn)行數(shù)值校準(zhǔn)和轉(zhuǎn)換，將24位的氣壓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)氣壓?jiǎn)挝籦ar（1bar=0.1MPa）。該數(shù)值經(jīng)藍(lán)牙無(wú)線傳輸?shù)街悄芙K端并進(jìn)行顯示。

表1 壓力數(shù)值對(duì)比（bar）

表1給出了本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)值與壓力表讀數(shù)的結(jié)果對(duì)比。通過(guò)對(duì)比壓力表讀數(shù)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)值，結(jié)果表明，本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)結(jié)果與壓力表讀數(shù)完全吻合，證明該系統(tǒng)設(shè)計(jì)正確，運(yùn)行可靠。與壓力表讀數(shù)相比，經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)值具有更高的數(shù)值精度，達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。■

[1] 張智恒．面向智能終端的空呼器實(shí)時(shí)壓力監(jiān)測(cè)裝置：中國(guó)，201620067251.6[P]．2016-05-11.

[2] PSoC 4XX7_BLE.PDF [EB/OL].http:∥www.cypress.com/

[3] AN91267: Getting Started with PSoC4_BLE [EB/OL]. http://www. cypress.com/go/AN91267.

[4] AN91184: PSoC4_BLE-Designing BLE Applications [EB/OL]. http:// www.cypress.com/go/AN91184.

[5] AN91445：Antenna Design and RF Layout Guidelines [EB/OL]http:// www.cypress.com/go/AN91445.

[6] AD7788_AD7789.PDF [EB/OL]http://www.analog.com

Design & Implementation of An Air Pressure Monitoring System for Gas Cylinder Based on PSoC4_BLE Microprocessor

Wei Hong1, Zhang Zhiheng2
(1.Jiangsu Institute of Metrology, Nanjing, 210023, China; 2.Rensselaer Polytechnic Institute, Troy, New York, 12183,USA)

In this paper, a new scheme of air pressure monitoring for gas cylinder is presented, a real time air pressure measuring system based on Cypress PSoC4_BLE microprocessor and smart device is designed and implemented.

gas cylinder; air pressure monitoring; programmable system-on-chip 4; bluetooth low energy; smart device

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.08.005

TN92 文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

1672-7274（2016）08-0019-04

韋 宏，女，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用、計(jì)量測(cè)試技術(shù)。