基于ARM技術的服裝舒適性檢測系統(tǒng)的設計

O 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域：物理、生理和主觀心理。現(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域。服裝生理舒適性領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。不適當?shù)姆b壓力會影響著裝者的疲勞感和工作效率，且關系到人體的健康。一般來說，當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，為服裝的款式與結構設計提供科學依據(jù)。近年來越來越多的研究人員開展了有關服裝功能測試的研究，并且取得了較多進展，但是相關的服裝功能測試儀器的研發(fā)遠遠滯后于時代的需要。本文設計了基于ARM技術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)分析模塊構成，結構如圖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)分析模塊主要負責讀取SD卡存儲的測量結果數(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)硬件設計

　　服裝舒適性檢測系統(tǒng)硬件設計主要是關于系統(tǒng)硬件儀器及其器件的連接設計，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)采集模塊硬件設計

　　數(shù)據(jù)采集模塊硬件設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存儲器中的標定系數(shù)，輸出是經(jīng)過標定的數(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。再由標定后的壓力與電壓的對應關系，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關系為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為傳感器對應的阻值，其阻值的變化對應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)控制及存儲模塊結構框圖如圖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備，以及高性價比、低功耗的應用，可滿足數(shù)據(jù)采集及存儲控制模塊控制的需要。