基于PSoC4_BLE的空气呼吸器压力监测系统的设计与实现

韦 宏，张智恒

（1．江苏省计量科学研究院，南京 210023；2．美国伦斯勒理工学院，特洛伊 12183）

基于PSoC4_BLE的空气呼吸器压力监测系统的设计与实现

韦 宏1，张智恒2

（1．江苏省计量科学研究院，南京 210023；2．美国伦斯勒理工学院，特洛伊 12183）

本文提出了一种新的空气呼吸器压力监测方案，设计实现了一种基于Cypress.PSoC4蓝牙低功耗（BLE）微处理器和智能终端的空气呼吸器压力实时监测系统。

空气呼吸器；气压监测；PSoC4；蓝牙低功耗；智能终端

1 引言

空气呼吸器是一种自给开放式的压缩空气存储装置，是保障消防员在进入火场等缺氧环境维持呼吸保障生命安全的重要装备。

为了提高系统设备的通用性，便于软件升级，本文提出并设计实现了一种基于Cypress PSoC4_BLE微处理器和通用智能终端的空气呼吸器压力实时监测系统，该系统主要由微处理器、高精度低功耗压力采集电路和智能终端等部分组成，具有成本低、功耗低、可扩展性好、软件升级方便等显著特点。

2 总体方案设计

2.1 系统框图

空气呼吸器压力监测系统的总体架构如图1所示。系统由两大部分组成，“微处理器与前端部分”包括气压传感器、A/D转换器（ADC）、微处理器与蓝牙通信模块等，主要实现气压的采集、数据校准与处理、与智能终端之间通信以及系统的控制等功能，“智能终端与后端部分”包括智能终端及指挥台等，主要实现与微处理器之间的通信、系统的监视等功能。

图1 系统的总体架构

2.2 系统工作原理

当系统工作时，微处理器控制气压传感器采集空气呼吸器内部的气压数值，在对气压数值转换校准后，控制蓝牙BLE短距离无线通信模块，将气压数值传输给智能终端，智能终端上的APP软件通过蓝牙无线通信模块接收得到气压数值，并实时动态地显示在显示屏上。同时，智能终端可基于与指挥台之间建立的数据通道，将数据发送至指挥台，供指挥人员监视。

系统运行过程中，当检测到气压数值低于预设门限时，微处理器控制蓝牙无线通信模块，向智能终端发送警告信号，智能终端将收到的警告信号显示在显示屏上，同时可发出报警声以提醒一线消防员。

为降低系统功耗，除了硬件设计充分考虑低功耗之外，程序在运行过程中，除了完成正常功能外，同时监测BLE模块的工作状态，当监测到BLE处于空闲状态时，就会使BLE进入休眠模式，一旦发现BLE产生中断，立即启动系统工作模式。

3 系统的硬件设计与实现

系统的硬件主要包括微处理器、高精度ADC、蓝牙通信模块、智能终端等部分。

3.1 主控芯片

根据系统的实际应用要求，综合对比现有的几种微处理器，本系统最终选用美国某公司生产的PSoC4_BLE微处理器。

PSoC4_BLE微处理器是一个可编程的嵌入式片上系统，在单个芯片中集成了ARM Cortex-M0微控制器、较大容量的SRAM和Flash存储器、可编程的模拟和数字外设功能以及BLE无线射频系统。其中，BLE是由国际蓝牙技术联盟制订的超低功耗短距离无线通信标准，主要应用于短距离无线通信，支持一个物理层、一个协议栈和多个应用需求。

PSoC 4_BLE提供了一个经济实用且封装较小的解决方案，所有功能和性能都是为了降低功耗而进行设计和优化的，能够替代传统的MCU+BLE无线射频组合的方案，简化了本系统的蓝牙通信设计，显著降低了系统的功耗，满足了系统的总体要求。

3.2 高精度A/D采样

空气呼吸器压力监测需要对气压传感器给出的模拟压力值进行A/D转换以得到数字量值。

根据人类呼吸频率和压力监测数据输出要求，本系统对A/D采样速率要求不高，在1秒钟内采样几次即可。为了降低放大电路可能带来额外噪声的影响，本系统采用将气压传感器输出与A/D转换器直接相连的方案，由于传感器输出的模拟信号比较小，为了确保转换得到的数值精度，应尽可能提高ADC的转换精度。另一方面，由于小信号对于噪声相对比较敏感，因此，A/D转换芯片的抗噪声特性应尽可能地好。

经综合分析比较，本系统选用美国某公司生产的AD7789 A/D转换芯片。该芯片内置一个低噪声的∑-Δ型A/D转换模块，支持差分模拟输入，分辨率最高可达24位。并且，该转换器的最大电流消耗仅为75uA，噪声RMS仅为1.5uV，具有极低功耗和低噪声的特点。与常见的ADC不同，该转换器采用内部时钟工作，输出数据速率为16.6Hz，具有同时抑制50Hz/60Hz的特性。该转换芯片的各项特性完全符合本系统高精度采样、低采样速率、低噪声和极低功耗的需求。

基于该A/D转换芯片的采样电路如图2所示。其中，为了提高对噪声和干扰的抑制能力，气压传感器输出（J4接插件的3和2）的模拟信号通过差分方式输入到AD7789，J4接插件的4和1对气压传感器进行供电。A/D转换结果经SPI串行接口传输到微处理器。

图2 高精度A/D采样电路

3.3 智能终端

为了提高系统的通用性和软件升级的便利性，本系统采用基于Android操作系统的通用智能手机，该智能手机必须支持蓝牙4.0/4.1通信协议。智能手机上安装有气压监测专用APP，可实现与微处理器之间的蓝牙通信，能将接收到的气压监测值在显示屏上动态显示，并能在压力降低到一定门限值时发出报警信号。终端APP根据系统需要可随时升级更新，用户也可通过应用商店随时更新常用软件，降低了系统升级成本。当然，实际使用时该智能终端必须进行加固处理，以实现防爆防水等功能。

3.4 蓝牙通信

微处理器与智能终端之间基于蓝牙4.0/4.1无线通信协议建立通信连接。

PSoC4_BLE的BLE子系统集成了链路层控制器、数字调制解调器和射频（RF）收发器。链路层控制器完成BLE链路层规范中指定的所有时序关键性能。

数字调制解调器从链路层控制器中提取1Mb/s的串行数据，生成GFSK直接调制的数据并将其发送给BLE模拟部分；接收时，从BLE模拟部分提取1MHz的中频ADC数据，并数字解调生成1Mb/s的串行数据。

RF收发器集成有平衡-不平衡转换器（Balun），该Balun提供了一个单端射频端口引脚，能够通过匹配网络驱动一个50Ω的天线终端；接收时，该模块将天线的RF信号转换为1MHz的中频，并将模拟信号转换为10位的数字信号；发送时，该模块将调制后的1Mb/s GFSK信号转换为射频信号，并通过天线发送出去。关于天线的详细设计和RF电路布局方法，可参见文献[5]。

4 系统的软件设计与实现

4.1 基于PSoC Creator的配置

图3 PSoC4_BLE程序流程图

本系统微处理器的软件全部采用C语言编写。软件开发环境采用某公司提供的PSoC Creator集成开发环境。该集成开发环境是一款基于图形化的集成设计工具，可用于开发PSoC4_BLE的各类应用。PSoC Creator为快速开发应用PSoC4_BLE的片上资源提供了极大的灵活性和便利性。

PSoC Creator提供了易于配置的基于图形用户界面（GUI）的各种组件，本系统主要配置的控件包括BLE和SPI。通过控件配置，程序员只需根据GUI进行相应设置，即可自动生成相应的代码。如在开发BLE应用时，程序员无需了解BLE复杂协议栈的运作方式，通过PSoC Creator内部自带的代码即可实现BLE通信。

4.2 PSOC4_BLE软件设计与实现

整个系统的软件包括PSOC4_BLE微处理器软件和智能终端软件（APP）。这里重点介绍PSOC4_ BLE微处理器软件。

PSOC4_BLE微处理器软件包括系统初始化、A/D转换控制、数据校准与处理、蓝牙通信控制等几个部分。

PSOC4_BLE微处理器的程序流程图如图4所示。微处理器在与智能终端蓝牙连接成功后进行气压数据的采集，对采集得到的气压数据进行抗干扰滤波、数据校准等处理，然后将处理后的数据通过蓝牙发送给智能终端。

4.3 低功耗软件设计与实现

图4 BLE低功耗模式流程图

为了降系统功耗，除了在硬件上进行低功耗设计外，本系统还对BLE组件进行低功耗模式的软件设计。当软件监测到BLE闲置时，系统自动进入BLE低功耗模式。在低功耗模式中，系统仅消耗1.3μA的电流，但仍能够保持BLE连接有效，有效地降低了系统功耗。BLE低功耗模式流程图如图4所示。

5 实验结果

实验时采用高精度气压计量用标准表进行数据逐点校准，确保了测量数据的准确性和精度。

为了验证系统气压数据监测的准确性和系统运行的可靠性，实际实验时，气压钢瓶外接一个指针式读数的压力表，并将本系统的监测结果与该压力表读数进行对比。气压钢瓶用特殊管道接出两头，一头接向压力表，一头接向压力监测系统。

微处理器接收到A/D转换结果后，首先对结果进行5点中值滤波以消除异常数值：

然后，对滤波后的数值进行数值校准和转换，将24位的气压数据转换为标准气压单位bar（1bar=0.1MPa）。该数值经蓝牙无线传输到智能终端并进行显示。

表1 压力数值对比（bar）

表1给出了本系统监测数值与压力表读数的结果对比。通过对比压力表读数和监测系统数值，结果表明，本系统监测结果与压力表读数完全吻合，证明该系统设计正确，运行可靠。与压力表读数相比，经过校准的本系统监测数值具有更高的数值精度，达到了系统设计要求。■

[1] 张智恒．面向智能终端的空呼器实时压力监测装置：中国，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 文献标示码：A

1672-7274（2016）08-0019-04

韦 宏，女，高级工程师，主要研究方向为计算机应用、计量测试技术。