基于MC9S12XS128 的综合体质测量仪设计

□徐龙 山东科技大学

【摘要】 以飞思卡尔公司的MC9S12XS128 为主控芯片来设计综合体质测量仪，文中主要从硬件方案论证与比较、硬件电路设计和系统软件三个方面来进行论述。硬件方案论证与比较通过对比各个模块的器件选型，进而给出合适的硬件电路设计。系统软件设计给出整个系统的程序流程框图。

【关键字】 体质测量 单片机 无线通信

一、对硬件方案进行论证与比较

本系统采用MC9S12XS128 作为主控芯片，采用高精度的电阻式拉线位移传感器进行身高信号采集，在获取人体体重信号时可以采用称重传感器，另一方面肺活量信号的获取则可以借助差压带补偿压力传感器，本系统还带有蓝牙， GSM，RFID 可刷卡显示等功能。本系统在经过不断实践及调整后，基本体质参数的测量要求都达到了相应标准，相应的无线数据传输部分也完整实现。结果显示，本系统具有科学的设计方法、较强的稳定性及抗干扰性等优点。

1.1 读卡模块设计方案

方案一：采用接触式的IC 卡，该卡的外部接口电路以及集成电路和其外部金属电极触点直接相连 ，外部接口电路为卡内集成电路提供工作电源，该卡和读卡器之间数据的传送需要卡芯片上的6 到8 个触点才能实现。但是接触式的IC 卡也有不足，比如：数据传输过程必须使用有线方式，并且不具有耐磨性等。

方案二：采用非接触式的IC 卡，该卡在集成电路上不向外引出触点，其数据交流和电源的供给由无线收发及相应电路完成的，该电路是对应在卡片中的，此外，能量与数据的交换进行需要借助无线电波或者电磁场感应的方式。尽管IC 卡也需要与主机接触，但是它在数据传输时可以借由无线方式。与方案一对比得：该种IC 卡为整体封装，具有不怕油污、抗磨损和使用寿命长的优势。

对于上述的两个方案，分析比较之后，我们认为方案二要好于方案一。

1.2 身高测量模块设计方案

方案一：选取超声波传感器测距。外部信号处理简单便捷、速度快是超声波测距的优势之一，此外超声波测距还便于控制并且价优。因此常用在要求测量精度不高但速度要求较快的距离测试设备中。但在现实应用中，超声波传感器自身也存在一些不足，其中比较明显的缺点是探测波的束角偏大，造成信号不易采集、方向性较差，不易控制、使用前需要人为标定等缺点。

方案二：选取拉线式位移传感器测距。这种传感器的线性特性非常好，它的输出电压要求在0v 到10v 之间且与被测量成线性关系。具有测量精度可达千分之一、使用方便， 温度误差小、寿命长等优点，符合本设计要求。

对于上述的二个方案，综合考虑之后，方案二是不错的选择。

1.3 肺活量信号采集模块设计方案

方案一：差分压力传感器，测量精度高，受环境影响因素较小

方案二：空气流量传感器，在使用过程中发现其测量数据偏差较大，数据采集不稳定

对于上述两种方案，综合考虑选择方案二。

1.4 微控制器选择方案

方案一：选择TI 公司的M430G2553 单片机作为系统的微处理器，M430G2553 是超低功耗混合信号微控制器，其内设有的定时器有16 位，I/O 引脚可以支持触摸感测且有24 之多，它所具有的一个模拟比较器是通用型的，此外，其内置通信能力高，因为它利用了通用串行通信，不能忽视的是它尤为显著的一个特点那就是功率损耗小。而且其自带一个十位的A/D 转换器，使模数转换更便捷。

方案二： 选择飞思卡尔半导体公司的16 位MC9S12XS128 单片机作为系统的微处理器，MC9S12XS128 由16 位中央处理单元、128KB 程序Flash、8KBRAM、8KB 数据Flash 组成片内存储器，指令系统与S12 兼容CPU 工作频率最高可达80MHz，16 通道高达12 位精度A/D 采集模块， 7 级中断嵌套和7 个中断优先级，CRG 模块，COP 看门狗， 实时中断及时钟监视器。这样一来，无论是扫描还是处理数据的速度都有了特别大的突破。

对比方案上述两种方案，综合考虑选用方案二。

1.5 系统总体方案

上面一系列的解析和验证，最终确定了下述系统各模块采用的方案：

(1)   主控控制器：MC9S12XS128；(2) IC 卡读卡模块： RC522 串口读写器；(3) 身高测量: 电阻式拉线位移传感器；(4) 体重测量：YZC-664 称重传感器；(5) 肺活量测量：肺活量传感器MPX2010DP；(6) 无线传送方面：蓝牙模块；(7)短信 发送功能：TC35i型GSM开发板；(8)AD模块: 24位AD转 换器 ADS1256（肺活量传感器信号处理）；24位AD转换器 HX711（体重传感器信号处理） 二、系统硬件电路设计 2.1 肺活量测量电路设计 采用压力传感器 MPX2010DP作为主要测量元件，而该 传感器得到的为一差分模拟信号，并且题目要求肺活量的测 量精度达到 1ml，测量范围为8000ml，需采用24位的AD 方能达到题目要求，此系统选用AD精度最高可达12位的 单片机，显然与题目要求不符。因此通过将MPX2010DP输 出的信号接入常见的如 AD620仪表放大器中得到单路输出 模拟信号，再将该单路模拟信号送至24位的ADS1256模块 中进行 AD转换，直接将转换得到的数字量送入单片机处理， 即可满足题目要求。 图 1 ADS1256肺活量AD转换图 2.2 体重测量电路设计 体重测量电路采用应变式的压力传感器 YZC-664称重 传感器，该传感器测量得到的模拟信号是一个差值大于0mv 小于 20mv的差分信号，分析论证方案之后得出，这个信号 可利用专业差分信号处理模块 HX711处理，最终信号较稳定， 且能满足题目要求，因此将P1端子代表的差分信号直接接 至 HX711的差分输入端即可，电路设计相对简单，并且性 能稳定，测量结果满足题目要求。 图 2 称重传感器的AD转换图 三、系统软件设计 根据本系统的相关要求，依次通过外部按键设置进入校 园卡录入信息、身高、体重、肺活量参数测量操作，待所有 上述操作完成后，可选择通过GSM短信发送模块和无线传 输方式将测试者测试信息传送到指定的手机客户端和安卓平 板电脑的客户端上。经过上述系列分析论证可知，软件系统 的设计过程应为：先进行系统的初始化；液晶主菜单刷新显 示；获取被测试者信息可以借助刷校园卡的方式，像学号、 姓名等这样的个人信息都可以得到；然后在测量相应的参数 时，我们需要利用按键处理程序来进行选择。所有参数测量 结束后，再选择相应的按键执行数据的传送任务。 图 3 程序流程图 四、测试结果与结论 4.1 测试结果 对电阻式拉线位移传感器和称重传感器输出信号的测试 结果分别如表 1和表2所示。电阻式拉线位移传感器的输出 电压值精确度可达小数点后两位，经过AD转换后其精度能 满足精确到1mm的要求，称重传感器测量输出信号的差分 值达到了小数点后三位，经过24位AD HX711的转换后， 同样能满足精确到 0.1kg的要求。 表 1 电阻式拉线位移传感器输出信号测试结果 起始测量点 /mm 电压值 /v 相对电压变化量 /v 0 3.7893 0.5 3.7407 0.0486 1.0 3.6890 0.0517 1.5 3.6434 0.0456 表 2 称重传感器测量输出信号测试结果 起始称重点 /g 差分放大值 /mv 相对电压变化量 0 49.837 20 49.940 0.103 60 50.146 0.099 100 50.340 0.09 4.2 结论 根据题目要求，该设计完成了所要求的基本功能，可实 现被测试者校园卡信息的刷新显示、身高、体重、肺活量等 参数的测量。并且可将测试结果传输 到手机或安卓平板电脑 端予以显示，较方便测试者了解自己的信息，且数据较为准 确，具有参考价值。 参 考 文 献 [1] 童诗白,华成英.模拟电子技术基础[M].北京.高等教育出版社,2006 [2] 周航慈,朱兆优,等,智能仪器原理与设计[M].北京.北京航空航天大学出版社,2005 [3] 谭浩强.C语言设计[M].北京.清华大学出版社,2005