基于ARM技术的服装舒适性检测系统的设计

O 引言
    随着生活水平的提高，人们对服装的舒适性有了更高的要求。服装舒适性的研究范围涉及三个基本领域：物理、生理和主观心理。现阶段，国内外的服装舒适性研究主要集中在生理舒适性领域。服装生理舒适性领域的研究主要集中在热湿舒适性、接触舒适性和压感舒适性三大领域。服装压力、温湿度的状态是评价服装生理舒适性的重要指标。不适当的服装压力会影响着装者的疲劳感和工作效率，且关系到人体的健康。一般来说，当人体皮肤温湿度处于热湿舒适性状态时，人们的智力、体力(手工)或感觉方面的表现均处于高水平状态，另外热湿舒适性是人们处于最佳健康状态的必要条件。通过对人体不同状态下不同部位的服装压力、温度湿度的测量，可以得到人体着装后的不同部位的压力、温湿度的分布状况。对测量结果进行分析可以为服装压力、热湿舒适性的客观评价提供量化指标，为服装的款式与结构设计提供科学依据。近年来越来越多的研究人员开展了有关服装功能测试的研究，并且取得了较多进展，但是相关的服装功能测试仪器的研发远远滞后于时代的需要。本文设计了基于ARM技术的便携式的服装压力、温湿度测量系统。

1 服装舒适性检测系统的构成
    服装舒适性检测系统由数据采集模块、数据采集及存储的控制模块、数据分析模块构成，结构如图1所示。数据采集模块的前端是由多个FlexiForce压力传感器、压力-电压信号转换电路和DHT90温湿度数字传感器组成，这些传感器用来获取被测部位的压力和温湿度信号，并通过信号调理电路(信号变换电路、滤波电路等)将所测的压力转换为电压信号。数据采集及存储的控制模块是本系统的核心，主要负责数据采集和存储控制，该模块利用ARM9处理器芯片S3C2440内置10 b模／数转换器(ADC)，该ADC能以500 KSPS的采样速率将模拟电压信号转换为10 b分辩率的数字信号并利用其GPIO接口实现温湿度数字信号的采集。另外该模块利用SD卡作为存储介质实现对压力、温湿度数据的离线存储。数据分析模块主要负责读取SD卡存储的测量结果数据，该模块借助LabVIEW语言开发出的方便、形象逼真的仪器面板将测量结果保存并以直观的形式显示出来。

2 服装舒适性检测系统硬件设计
    服装舒适性检测系统硬件设计主要是关于系统硬件仪器及其器件的连接设计，主要指的是数据采集模块的传感器的选用和数据采集及存储控制模块的硬件设计。服装舒适性检测系统硬件部分实现服装舒适性检测系统的仪器控制和数据采集，是服装舒适性检测系统的主题部分，直接关系到整个系统性能的优劣。
2．1 数据采集模块硬件设计
    数据采集模块硬件设计主要包括温湿度传感器的选用、压力传感器的选用、压力-电压信号转换放大电路。
2．1．1 传感器的选用
    传感器处于测试系统的最前端，是感知温湿度和压力信号的窗口，所获得和转换的信息正确与否，直接关系到整个测试系统的性能好坏。本系统采用了DHT90数字温湿度传感器和美国Teksean公司的FlexiForce压力传感器。
    DHT90数字温湿度传感器可以同时测量湿度、温度和露点，不需外围元件直接输出经过标定了的相对湿度、温度及露点的数字信号，可以有效解决传统温、湿度传感器的不足。内部集成了湿度敏感元件和温度敏感元件、放大器、一个14 b的A／D转换器、标定数据存储器以及数字总线接口以及稳压电路。由于温度传感器和湿度传感器在硅片上是紧靠在一起，可以精确地测定露点，不会因为两者之间的温度差而引入误差；直接通过存放在芯片上OTP存储器中的标定系数，输出是经过标定的数字信号。DHT90数字温湿度传感器其性能优良、稳定性好、成本低、使用方便，因此本系统采用其作为温湿度韵测量。
    采用FlexiForce压力传感器进行压力测试。与传统服装压力测试系统中所采用的传感器相比，FlexiForce在线性、滞后性、漂移、温度和灵敏度方面有着优良的性能，根据待测的服装压力值，选用了压力范围为0～1 lb(4．4 N)的FlexiForceA201型传感器是完全具备服装压力测试条件的。由于ARM不能采集非电量的物理信号，而压力传感器输出的为非电量的压力信号，需通过压力-电压转换放大电路将压力信号转换为电压信号。再由标定后的压力与电压的对应关系，得到所需的服装压力值。
2．1．2 压力-电压信号转换放大电路及压力-电压标定
    传感器通过压力-电压信号转换放大电路后，输出电压值Vout。传感器输入信号与电压的相互对应关系为Vout=-VD*(RF／R)，RF=R1+RF 1，其中：Vout为输出的电压；RF为放大电路中的反馈电阻；R为传感器对应的阻值，其阻值的变化对应了作用在传感器上压力的变化，RF／R为放大电路中的放大系数。FlexiForce压力传感器静态特性压力-电压标定曲线如图2所示。[!--empirenews.page--]

2．2 数据采集及存储控制的硬件设计
    数据采集及存储控制模块是本系统的核心，该模块性能直接影响整个服装测量系统的测量精度和运行速度。数据控制及存储模块结构框图如图3所示，数据采集及存储控制模块的核心部分是三星公司生产的高性能S3C2410微处理器。该处理器是基于ARM920T内核的16／32位RISC嵌入式微处理器，片上主要集成有117个通用I／O接口，24个外部中断源，4个具有PWM功能的计时器及1个内时钟，8通道10位ADC，3通道的UART，4通道的SDRAM控制器，1个LCD控制器，具有日历功能的RTC(实时时钟)，SD卡接口等。同时，S3C2410还提供一组完整的系统外围设备，主要有MAX232、按键、LED、SD存储卡、SDRAM、SRAM等。

    S3C2410微处理器利用内置的10 b模／数转换器(ADC)以500 KSPS的采样速率将压力信号值转换的模拟电压信号转换为10 b分辨率的数字信号；S3C2410微处理器利用其GPIO接口实现温湿度数字信号的采集。另外该处理器通过按键对采样通道的选择和采样速率进行控制；以SD卡作为存储介质对所采集的数据进行离线保存。此芯片主要面向手持设备，以及高性价比、低功耗的应用，可满足数据采集及存储控制模块控制的需要。

3 服装舒适性检测系统软件的实现
    服装舒适性检测系统的软件实现指的是数据采集及存储控制硬件模块的软件实现以及对数据分析模块的软件实现。
3．1 数据采集和控制及数据处理硬件模块的软件实现
    系统采集、存储模块软件部分是在ADS 1．2环境下利用C语言进行编程，并针对相应的硬件功能实现的，流程图如图4所示。数据采集和控制及数据处理硬件模块的软件实现首先是对系统进行初始化，系统初始化主要指中断、存储器系统、堆栈的初始化及键盘、LED、SD存储卡等硬件的初始化；接着通过键盘实现采样通道和采样速率的设定；然后启动A／D转换将采集的模拟压力-电压信号转换为数字信号；最后在采样结束时将采集的压力、温湿度信号导入SD存储卡实现采集信号的存储操作。

3．2 数据分析模块的软件实现
    数据分析模块只涉及软件实现，该模块采用LabVIEW 7．1软件实现了采集数据的输出、图形的实时显示与Excel测试报告的生成与保存功能，程序示意图如图5所示。数据分析模块的软件实现首先是打开离线保存在SD存储卡里的温湿度压力信号的文件；其次进入While loop循环通过对控制按钮设定连续读取文件中的信号，并将其数据分流实现各通道压力、温湿度信号的图形化显示；最后保存Excel测试报告并关闭文件。[!--empirenews.page--]

    设计的数据分析模块的面板如图6所示，该模块灵活简洁，可对压力、温湿度信号进行长时间的连续监测，形象地模拟了传统仪器的外观。在操作面板时首先将布尔开关指向“开始”，打开离线保存在SD存储卡里的温湿度压力信号的文本文件(如j：＼1．txt)读取数据，即每隔一定时间进行一次连续的数据读取，然后用户通过面板的“读取数据点数”和“读取位置”控件进行设置所需读取点数及通道的选择，将布尔开关指向“停止”即可结束信号的显示；最后点击Excel按钮将测试报告以电子表格的形式进行保存。该面板实现的是8路信号的数据显示功能，便于在同一时间监测多部位的压力、温湿度信号的变化情况，同时Excel测试报告实现了测试信息长时间保存的功能。

4 测试实验
    图6显示的曲线分别是服装舒适性检测系统对人体在正常工作状态下后背、腋窝温湿度和肩部、腹部压力测试的结果。由于人体在正常工作状态时其同一部位的压力及温湿度值随时间变化不大，图6所示的测试的结果符合人体正常着装状态下不同部位的压力及湿度实际变化情况。

5 结语
    设计一种基于嵌入式ARM处理器的便携式服装压力、温湿度测量系统。该系统在单个芯片上实现了人体在正常工作状态下的服装压力、温湿度连续采集与存储，基于LabVIEW实现实时数据分析，且系统具有体积小、功耗低、速度快、测试准确、工作可靠等特点，该便携式系统可以为服装舒适性的客观评定提供依据和基础，为服装功能测量系统的开发提供了一条新的思路。