作者/ 楊航 董維傑 大連理工大學 電子科學與技術學院(遼寧 大連 116023)
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201612/342193.htm摘要：本文介紹了一種基於可貼在衣服上的柔性傳感器和STM32單片機的桌球運動檢測系統，利用DT1-028K壓電薄膜傳感器感知肘部運動，輸出電壓信號經過放大，利用單片機完成數字濾波、參數測量和數據顯示。測量參數包括單點擊球次數、擊球頻率和擊球總數等。實驗驗證了穿戴式柔性傳感器在運動檢測方面應用的可行性。
引言
可穿戴技術的研究和市場化發展迅猛，多用於健康監測和運動檢測等。根據市場分析公司CCS Insight的調查報告，健身和活動跟蹤設備2015年銷售較2014年增長了2倍[1]。這些成熟產品一般是智能手錶、手環、夾式裝飾品，未來將柔性傳感器與織物結合的可穿戴技術是必然趨勢。WU等人研究的智能膝套是由萊卡面料塗上一層薄的導電聚吡咯組成，該可穿戴式傳感系統可以對人體監測並提供及時、客觀的反饋[2]。李建清等人設計了一種柔性肩關節運動傳感器，該傳感器包括兩片相同的傳感極片，每片極片具有第一絕緣層、電容極板層、第二絕緣層及靜電屏蔽層四層疊合結構。該專利廣泛用於康復醫療、運動檢測等領域[3]。本文展示了柔性壓電薄膜傳感器在桌球運動檢測中的應用，可實時監測單點擊球次數、頻率和擊球總數。在桌球12點制比賽中，單點擊球次數即每打1點(或1分)所擊中球的次數，頻率常用來衡量桌球愛好者的擊球穩定度，擊球總數可表示鍛鍊者的體能消耗。
1 傳感器選型
利用傳感器來檢測肘部運動，可以選用傳統加速度傳感器或者PVDF壓電薄膜傳感器。加速度傳感器的優點是輸出量為數字量，單片機能夠直接處理。可是，傳統加速度傳感器較硬，與人體接觸性不好。而壓電傳感器薄、柔軟、質輕，比較適合測量肘部運動，同時，它還具有測量頻帶寬、動態範圍寬、聲阻抗低、穩定性高、靈敏度高等特點[4]，適於做運動檢測傳感器。
本文選用壓電薄膜傳感器，將傳感器貼在護肘上，如圖1(a)所示。該傳感器適合測量動態力，其工作原理是壓電效應，即材料受到拉伸或壓縮會產生與其所受形變成正比的電壓或電荷[5]。揮動球拍時，肘部彎曲，使壓電薄膜受到拉伸，在兩個電極間產生一個電壓脈衝，如圖1(b)所示。
2 硬體電路設計
運動檢測系統由STM32單片機最小系統、電壓放大電路、限幅電路、復位電路、SWD接口、啟動模式設置接口、LCD顯示電路和5V轉3.3V直流電壓轉換電路組成，系統原理框圖如圖2所示。
壓電傳感器常用的調理電路包括電壓放大與電荷放大。使用單電源供電晶片LM324N進行同向電壓放大，放大倍數為10倍。為了防止過高的電壓輸入單片機IO口損壞晶片，使用IN4728A型穩壓二極體限制輸入單片機的最高電壓為3.3V。STM32單片機ADC採樣電壓的範圍是0V~3.3V。
揮動桌球拍一次，放大前後信號如圖3所示。圖中，L1代表原始信號，電壓峰值為0.22V，一般為250mV左右;L2代表放大後的信號，圖中為2.2V。
3 軟體設計
軟體部分完成模數轉換、數字濾波、閾值處理、統計計數等，主程序框圖如圖4所示。
3.1 AD採樣
STM32自帶解析度為12位的ADC，其分辨的最小模擬電壓約為0.8mV，滿足設計要求[6]。通過合理地設置採樣頻率以及工作模式，可以將傳感器輸入的模擬信號轉變為計算機便於分析處理的數位訊號，本文採樣頻率為1000Hz。
3.2 濾波器設計
將經放大、穩壓、A/D採樣後的數據導入MATLAB，發現一次揮拍動作產生相距很近的兩個尖峰，因此，要設計低通濾波器濾除高頻幹擾。為了防止誤判，濾波器設計成為了運動檢測系統中非常重要的部分。
常用的濾波方法分為硬體濾波和軟體濾波。軟體濾波能夠節約硬體成本，方式靈活，可以達到硬體電路難以達到的濾波效果，只是依賴處理器的數位訊號處理能力，並且消耗一定的CPU時間[7]。首先通過MATLAB生成FIR(有限長單位衝激響應濾波器)濾波係數，仿真驗證後，再移植到STM32單片機裡。
濾波前採樣信號的時域、頻域圖像如圖5所示。由圖可見，幾赫茲處信號的幅度比較高，這符合人們揮拍頻率較低的規律;50Hz工頻的幹擾以及39Hz左右的信號幅度也很大。由於揮拍的頻率一般只有幾赫茲，因而濾除36Hz以上的頻率。用漢明窗函數法設計FIR濾波器，FIR濾波器的特點是沒有反饋迴路，並且系統一直穩定[8]。濾波器的截止頻率為36Hz，得到濾波器係數為17個。
在MATLAB中濾波後的時域、頻域圖像如圖6所示。由圖可見，濾波後，時域波形非常平滑，高頻幹擾受到較大抑制，證明FIR濾波器的應用是可行的。
將MATLAB生成的17個濾波係數存入STM32中FIR濾波子程序的係數數組，FIR濾波子程序由兩個函數組成，一個實現數據的更新和移位;另一個實現係數與輸入數據的乘法累加運算。
3.3 閾值比較
觀察圖6，濾波後，信號的峰值電壓有所降低。通過多次試驗，發現將閾值設定為0.7V時，測量的結果比較準確。因此，當濾波後，輸出的數值大於等於0.7V時，則置為1，記為一次揮拍;否則記為0，認為無揮拍動作。處理後的信號易於分析，最後實現測量單點揮拍次數、頻率、揮拍總數的功能。
3.4 參數測量
揮拍總數的統計是針對經過閾值比較後的樣本進行的，看連續輸入的兩個樣本是否相同。不同則說明電平有跳變，然後再判斷樣本是1還是0，檢測到一次上升沿，則將計數值加一，由此，實現了計數功能。
在桌球運動中，若一段時間後仍沒有揮拍動作，可以認為此時並不是在正常的擊球過程中。也許是球落地，人去撿球，這意味著該輪擊球的結束，該段時間根據經驗值設定為6.5s。單點揮拍次數的測量是通過定時器/計數器的溢出中斷實現的，配置溢出中斷時間為6.5s，在此時間內若沒有任何的揮拍動作，則觸發溢出中斷，在中斷處理函數中將計數值清零、揮拍次數清零。這對應了一次練球結束，計數重新開始。
擊球頻率的測量可以通過定時器定時10s，計輸入信號從0到1跳變的個數，用單位時間擊球的次數來表示。這種方式計算出來是擊球頻率的平均值。為了測量擊球頻率瞬時值，本文通過檢測兩次0到1跳變的時間間隔，其倒數即為瞬時擊球頻率。若在某一時間範圍內，沒有揮拍動作，則設置揮拍頻率為0Hz。
4 小結
本文應用壓電薄膜傳感器獲取桌球運動中肘部運動的信號，通過設計合理的信號調理電路並進行系統的軟硬體設計，實現了桌球運動中揮拍頻率、揮拍次數的測量。當然，只有與無線發射裝置結合才能真正用作可穿戴設備。隨著第三代可穿戴設備的出現，穿戴式傳感器從身體健康監測到運動監測、智慧生活，可以應用於人類活動的方方面面。該系統與無線發射器集成後可以推廣到網球、羽毛球類的運動檢測。
參考文獻：
[1]MarkdeClercq.傳感器、集成和電源管理的進步推動可穿戴技術的發展[J].電子產品世界,2016(5):21-23.
[2]J WU.Conducting polymer coated lycra[J].Synthetic Metals.2005,155:698-701.
[3]李建清,吳劍鋒,楊華,等.一種柔性肩關節運動傳感器及其測量方法:CN,CN 102927899 A[P].2013.
[4]壓電薄膜傳感器的特點及應用介紹.http://www.sensorway.cn/knowledge/7296.html.
[5]何道清.傳感器與傳感器技術[M].北京:科學出版社,2008:154-178.
[6]張洋.原子教你玩STM32(庫函數版)[M].北京:北京航空航天大學出版社,2015:13-30.
[7]周航慈.嵌入式系統軟體設計中的常用算法[M].北京：北京航空航天大學出版社,2009:70-84.
[8]戴明楨. TMS320C54X DSP結構、原理及應用[M].北京:北京航空航天大學出版社,2007:247-258.
本文來源於《電子產品世界》2017年第1期第41頁，歡迎您寫論文時引用，並註明出處。