便携式多功能动人体平衡检测仪
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便携式多功能动人体平衡检测仪
摘要
本文设计一种人体平衡机能测试系统，包括测试平台和手持终端两部分，能 够对测试者重心移动情况做出实时测量，并在屏幕上显示出重心移动的轨迹，通 过重心移动的轨迹来判断人体的平衡性，对于体育保健、医疗等行业有着重要的 使用价值。
引言 平衡功能是人体神经运动系统的一项重要功能，许多神经系统疾病均表现出 不同程度的平衡功能障碍。人体平衡功能的检测在无创医疗检测、运动生理检测 等领域正日益受到人们的重视并获得应用。但是目前市场上使用的检测人体平衡 能力的仪器大多体积较大、操作复杂、价格较高、功耗较大。本文旨在设计一种 操作简单、功耗较低的手持型人体平衡性检测设配，能够满足普通用户的使用。
SPX1117提供多种3引脚封装：SOT-223，TO-252，TO-220及TO-263。一个10uF 的输出电容可有效地保证稳定性，然而在大多数应用中，仅需一个更小的2.2uF
电容。 以下为SPX1117基本特性： 1）0.8A稳定输出电流； 2）1A稳定峰值电流； 3）3端可调节(电压可选：1.5V，1.8V，2.5V，2.85V，3.0V，3.3V及5V)； 4）低静态电流； 5）0.8A时低压差为1.1V； 6）0.1%线性调整率/0.2%负载调整率； 7）2.2uF陶瓷电容即可保持稳定； 8）过流及温度保护； 9）多封装：SOT-223，TO-252，TO-220及TO-263(现已提供无铅封装)。 如图4所示，为SPX1117的典型电路，其中VOUT的计算方法如下： 当输出电压范围为 1.25V-15V 时，VOUT 的计算方法为 VOUT=VREF(1+R2/R1)+IADJR2
– 4个32位定制器（可用作8个16位），具有实时时钟能力 – 8个捕获/比较/PWM管脚(CCP) – 2个看门狗定时器 • 1个定时器使用主时钟振荡器 • 1个定时器使用内部时钟振荡器 – 多达60个GPIO口，具体数目取决于配置 • 高度灵活的管脚复用，可配置为GPIO或任一外设功能 • 可独立配置的2,4或8mA端口驱动能力 • 高达4个GPIO具有18mA驱动能力 6）高级电机控制 – 8路高级PWM输出，可用于电机和能源应用 – 4个fault输入，可用于低延时的紧急停机 – 2个正交编码输入(QEI) 7）模拟 – 2个12位模数转换器(ADC)，具有16个模拟输入通道，采样率1000k次/秒 – 3个模拟比较器 – 16个数字比较器 – 片上电压稳压器
SPX1117是一款三端正向电压调节器，其可以用在一些高效率，小封装的设 计中。这款器件非常适合便携式电脑及电池供电的应用。SPX1117在满负载时其 低压差仅为1.1V。当输出电流减少时，静态电流随负载变化，并提高效率。SPX1117 可调节输出，也可选择1.5V，1.8V，2.5V，2.85V，3.0V，3.3V及5V的输出电压。
图 10 XPT2046 典型应用电路
3.4 数据通讯模块 为了扩展系统的功能，目标板上留有 minUSB 接口、串口，通过这些接口可
以与计算机通讯，完成更加复杂的功能。 串口收发器芯片采用 SP3232,该芯片有一个高效的电荷泵，工作电压为 3.3V
时只需要 0.1uF 电容就可以进行操作。电荷泵允许 SP3232 在+3.3V 到 5V 内的某 个电压下发送符合 RS-232 的信号，该芯片非常适合手持设备。
行实时处理获得人体重心在是平面上的投影坐标，从而绘制出重心移动轨迹。
2. 系统硬件设计
本系统在硬件上主要完成信号的调整放大，多路信号的选择，A/D转换、数 据通信以及数据存储。系统的硬件设计框图如图3所示。
压力传感器
INA326一级 放大
OPA2365二级 放大
压力传感器
INA32ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ一级 放大
OPA2365二级 放大
图8 数据采集放大原理图
3.4 人机交互模块 目标机处理器采用 LM3S9D90，该处理器没有集成 LCD 控制器。所以，必须选
用一款集成了 LCD 控制器的 LCD 屏；目标机需要实时显示人体重心坐标，同时提 供良好的人机交互界面，所以需要高分辨率的 TFT 屏幕；人机交互全部采用触摸 屏，综合考虑，选取了一款 3.2 寸集成了 4 线电阻触摸、LCD 控制器，分辨率为 240*400、长宽比为 16:9、262k 色真彩 TFT 屏幕。目标机采用 16 位模拟总线方 式驱动 LCD。电路如图 9 所示。
1. 系统方案
系统总体的结构框图如图1所示。系统的硬件部分包括测试平台和目标板两 部分。前者是一块带有三个压力传感器的铁三角板，后者是包括LM3S9D90单片机、 放大电路、通讯模块、存储模块、显示模块以及电源等几个部分；软件的核心部 分是数据分析处理模块，此外还包括通信模块、人机交互界面、会员管理模块。
1）ARM® Cortex™-M3 处理器核心 – 80-MHz运行速度，性能100 DMIPS – ARM Cortex系统滴答定时器(SysTick) – 集成嵌套向量中断控制器(NVIC) 2）片上存储器 – 512KB单周期Flash存储器，速度可达50 MHz；50 MHz以上采用预取指技术 改善性能 – 96 KB单周期SRAM – 装有StellarisWare®软件包的内部ROM： • Stellaris® 外设驱动库 • Stellaris® 引导装载程序 • SafeRTOS™ 核心 • 高级加密标准(AES) 密码表 • 循环冗余检验(CRC) 错误检测功能 3）片外设备接口(EPI) – 8/16/32位外部设备专用并行总线 – 支持SDRAM, SRAM/Flash memory, FPGAs, CPLDs 4）高级串行通讯集成 – 硬件支持IEEE 1588 PTP的集成MAC和PHY的10/100以太网 – 两路CAN 2.0 A/B控制器 – USB 2.0 OTG/Host/Device – 三路支持IrDA和ISO 7816的UART (其中一路带有完全调制解调器控制的 UART) – 两路I2C模块 – 两路同步串行接口模块(SSI) – 内部集成电路音频(I2S)接口模块 5）系统集成 – 直接存储器访问控制器(DMA) – 系统控制和时钟，包括片上的16-MHz精密振荡器
正好一个作为电压跟随器对 AD623 输出信号进行缓冲与滤波，另一个作为后端放 大，减少了电路板面积。如图 7 所示，为 OPA2365 的引脚定义。
图 7 OPA2365 引脚定义
图 8 为一路数据采集放大电路的原理图，通过两次放大将采集到的电压先好 放大 100 倍，然后将电压信号传送给处理器的 A/D 转换接口。
3.2 电源供电模块 目标机电路板主要需要5V、数字3.3V和模拟3.3V三种电源。数字3.3V与模拟
3.3V采用电感在一点隔离。由于目标板空间有限，且对电源的要求不是很高，所 以选用SPX1117作为目标机的稳压芯片。分别采用SPX1117-5和SPX1117-3.3为目 标机提供5V和3.3V的工作电压。
LM3S9D90单片 机
LCD显示屏
压力传感器
INA326一级 放大
OPA2365二级 放大
图 3 系统硬件设计框图
3.1 处理器核心模块 首先，本系统中需要处理大量数据的采集、运算、存储与检索。所以对处理
器的速度要求较高。其次，目标机必须具有便携式，所以要尽量降低系统的功耗。 同时，在保证以上条件下，处理器的价格要尽可能的低，以降低成本。通过一系 列的考虑与查询，我们最终选择了具有ARM公司最新32位内核的Cortex-M3的 LM3S9D90芯片。
如图 10 所示，为 XPT2046 典型应用电路。
DDDCD NULDRN9876543210SNCCN GYXYXGIM0IM1FMARKLEDPWMLCM_ID-RESETD17D16D15D14D13D12D11D10DDDDDDDDDD-RD-WRR-CSGIOVCCVNLED-4LED-3LED-2LED-1LED-AG 1 LLCD3.2 123456789 AAAAAAAAA A10A11A12A13A14A15A16A17A18A19A20A21A22A23A24A25A26A27A28A29A30A31A32A33A34A35A36A37A38A39A40A41A42A43A44 DDDDCC NULRDN0123456789NNCC GYXXYGIM0IM1FMARKLCD_RESET#DDDDDDDDDDD10D11D12D13D14D15D16D17LCD_RD#LCD_WR#LCD_RSLCD_CS#GGVV D N G 00 12 RR 2 1 1 0 Q9 DC NC GV 3 K 1 R LCD_LIGHT
测试平 台
两级信 号放大
电路
AD转 换
数据分 析
显示重 心移动
轨迹
评价 算法
图 1 平衡仪检测系统的整体框架图
系统的工作原理：在测试平台的三个角下面安装三个压力传感器，当测试者 站在测试平台上时，三个压力传感器会输出相应电压信号，经过信号调整电路和 数据放大采集电路后进过串口传给目标板，目标板根据力矩平衡原理，对数据进
图 9 LCD 驱动电路
在 LCD 屏幕上集成了四线电阻触摸屏，目标机选取了 XPT2046 作为触摸屏控 制芯片。XPT2046 是一款 4 线制电阻式触摸屏控制器，内含 12 位分辨率 125KHz 转换速率逐步逼近型 A/D 转换器。XPT2046 支持从 1.5V 到 5.25V 的低电压 I/O 接口。XPT2046 能通过执行两次 A/D 转换查出被按的屏幕位置， 除此之外，还 可以测量加在触摸屏上的压力。内部自带 2.5V 参考电压，可以作为辅助输入、 温度测量和电池监测之用，电池监测的电压范围可以从 0V 到 6V。XPT2046 片内 集成有一个温度传感器。 在 2.7V 的典型工作状态下，关闭参考电压，功耗可小 于 0.75mW。XPT2046 采用微小的封装形式：TSSOP-16,QFN-16 和 VFBGA－48。工 作温度范围为-40℃～+85℃。与 ADS7846、TSC2046、AK4182A 完全兼容。
如图 6 所示，为 INA326 单电源供电电路，R1 和 R2 为可编程电阻，放大倍数 为 G=2(R2/R1)。
图6 INA326单电源供电典型电路图
目标机放大电路分为两级放大，前端为仪表放大器滤除共模干扰后放大一 次，然后信号经过电压跟随器，经低通滤波后输入第二级放大电路，然后信号由 STM32 进行 AD 转换。OPA2365 是由 TI 公司生产的单电源(2.5V~5.5V)供电、轨到 轨、低噪声、低偏移、高共模抑制比放大器。OPA2365 集成了两个放大器，这样
ARM Cortex‐M3处理器由于采用了最新的设计技术，它的门数更低，性能却 更强。许多曾经只能求助于高级32位处理器或DSP的软件设计，都能在CM3上跑得 很快。它具有如下特点：
性能强劲。在相同的主频下能做处理更多的任务，全力支持劲爆的程序设计。 功耗低。延长了电池的寿命。 实时性好。采用了很前卫甚至革命性的设计理念，使它能极速地响应中断。 代码密度得到很大改善。 使用更方便。更简单的编程模型和更透彻的调试系统，为与时俱进的人们大 大减负。 低成本的整体解决方案。低端的Cortex‐M3单片机甚至还卖不到1美元。 本系统中采用的具体型号为LM3S9D90，它具有以下特点：
图4 SPX1117典型电路
如图 5 所示，SPX1117 的使用非常简单，仅需要几个电容即可，图中的 LED 灯是为了检验电源芯片是否正常工作。
图5 电源供电路图
3.3 数据采集放大模块 目标机采集压力传感器信号，由于压力传感器信号为差模信号，其中还混有
共模信号干扰。所以前端需要一个高共模抑制比的仪表放大器将共模干扰滤掉， 同时放大微弱的差模信号。INA326 是美国德州仪器公司推出的精密仪表放大器。 它采用独特的拓扑结构，可实现电源的正负极输入/输出，非常适合于单电源、 低功耗和精测量的场合。
3.5 数据存储模块 本系统中由于需要进行用户的信息管理，所以需要存储大量的数据。同时为
摘要
本文设计一种人体平衡机能测试系统，包括测试平台和手持终端两部分，能 够对测试者重心移动情况做出实时测量，并在屏幕上显示出重心移动的轨迹，通 过重心移动的轨迹来判断人体的平衡性，对于体育保健、医疗等行业有着重要的 使用价值。
引言 平衡功能是人体神经运动系统的一项重要功能，许多神经系统疾病均表现出 不同程度的平衡功能障碍。人体平衡功能的检测在无创医疗检测、运动生理检测 等领域正日益受到人们的重视并获得应用。但是目前市场上使用的检测人体平衡 能力的仪器大多体积较大、操作复杂、价格较高、功耗较大。本文旨在设计一种 操作简单、功耗较低的手持型人体平衡性检测设配，能够满足普通用户的使用。
SPX1117提供多种3引脚封装：SOT-223，TO-252，TO-220及TO-263。一个10uF 的输出电容可有效地保证稳定性，然而在大多数应用中，仅需一个更小的2.2uF
电容。 以下为SPX1117基本特性： 1）0.8A稳定输出电流； 2）1A稳定峰值电流； 3）3端可调节(电压可选：1.5V，1.8V，2.5V，2.85V，3.0V，3.3V及5V)； 4）低静态电流； 5）0.8A时低压差为1.1V； 6）0.1%线性调整率/0.2%负载调整率； 7）2.2uF陶瓷电容即可保持稳定； 8）过流及温度保护； 9）多封装：SOT-223，TO-252，TO-220及TO-263(现已提供无铅封装)。 如图4所示，为SPX1117的典型电路，其中VOUT的计算方法如下： 当输出电压范围为 1.25V-15V 时，VOUT 的计算方法为 VOUT=VREF(1+R2/R1)+IADJR2
– 4个32位定制器（可用作8个16位），具有实时时钟能力 – 8个捕获/比较/PWM管脚(CCP) – 2个看门狗定时器 • 1个定时器使用主时钟振荡器 • 1个定时器使用内部时钟振荡器 – 多达60个GPIO口，具体数目取决于配置 • 高度灵活的管脚复用，可配置为GPIO或任一外设功能 • 可独立配置的2,4或8mA端口驱动能力 • 高达4个GPIO具有18mA驱动能力 6）高级电机控制 – 8路高级PWM输出，可用于电机和能源应用 – 4个fault输入，可用于低延时的紧急停机 – 2个正交编码输入(QEI) 7）模拟 – 2个12位模数转换器(ADC)，具有16个模拟输入通道，采样率1000k次/秒 – 3个模拟比较器 – 16个数字比较器 – 片上电压稳压器
SPX1117是一款三端正向电压调节器，其可以用在一些高效率，小封装的设 计中。这款器件非常适合便携式电脑及电池供电的应用。SPX1117在满负载时其 低压差仅为1.1V。当输出电流减少时，静态电流随负载变化，并提高效率。SPX1117 可调节输出，也可选择1.5V，1.8V，2.5V，2.85V，3.0V，3.3V及5V的输出电压。
图 10 XPT2046 典型应用电路
3.4 数据通讯模块 为了扩展系统的功能，目标板上留有 minUSB 接口、串口，通过这些接口可
以与计算机通讯，完成更加复杂的功能。 串口收发器芯片采用 SP3232,该芯片有一个高效的电荷泵，工作电压为 3.3V
时只需要 0.1uF 电容就可以进行操作。电荷泵允许 SP3232 在+3.3V 到 5V 内的某 个电压下发送符合 RS-232 的信号，该芯片非常适合手持设备。
行实时处理获得人体重心在是平面上的投影坐标，从而绘制出重心移动轨迹。
2. 系统硬件设计
本系统在硬件上主要完成信号的调整放大，多路信号的选择，A/D转换、数 据通信以及数据存储。系统的硬件设计框图如图3所示。
压力传感器
INA326一级 放大
OPA2365二级 放大
压力传感器
INA32ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ一级 放大
OPA2365二级 放大
图8 数据采集放大原理图
3.4 人机交互模块 目标机处理器采用 LM3S9D90，该处理器没有集成 LCD 控制器。所以，必须选
用一款集成了 LCD 控制器的 LCD 屏；目标机需要实时显示人体重心坐标，同时提 供良好的人机交互界面，所以需要高分辨率的 TFT 屏幕；人机交互全部采用触摸 屏，综合考虑，选取了一款 3.2 寸集成了 4 线电阻触摸、LCD 控制器，分辨率为 240*400、长宽比为 16:9、262k 色真彩 TFT 屏幕。目标机采用 16 位模拟总线方 式驱动 LCD。电路如图 9 所示。
1. 系统方案
系统总体的结构框图如图1所示。系统的硬件部分包括测试平台和目标板两 部分。前者是一块带有三个压力传感器的铁三角板，后者是包括LM3S9D90单片机、 放大电路、通讯模块、存储模块、显示模块以及电源等几个部分；软件的核心部 分是数据分析处理模块，此外还包括通信模块、人机交互界面、会员管理模块。
1）ARM® Cortex™-M3 处理器核心 – 80-MHz运行速度，性能100 DMIPS – ARM Cortex系统滴答定时器(SysTick) – 集成嵌套向量中断控制器(NVIC) 2）片上存储器 – 512KB单周期Flash存储器，速度可达50 MHz；50 MHz以上采用预取指技术 改善性能 – 96 KB单周期SRAM – 装有StellarisWare®软件包的内部ROM： • Stellaris® 外设驱动库 • Stellaris® 引导装载程序 • SafeRTOS™ 核心 • 高级加密标准(AES) 密码表 • 循环冗余检验(CRC) 错误检测功能 3）片外设备接口(EPI) – 8/16/32位外部设备专用并行总线 – 支持SDRAM, SRAM/Flash memory, FPGAs, CPLDs 4）高级串行通讯集成 – 硬件支持IEEE 1588 PTP的集成MAC和PHY的10/100以太网 – 两路CAN 2.0 A/B控制器 – USB 2.0 OTG/Host/Device – 三路支持IrDA和ISO 7816的UART (其中一路带有完全调制解调器控制的 UART) – 两路I2C模块 – 两路同步串行接口模块(SSI) – 内部集成电路音频(I2S)接口模块 5）系统集成 – 直接存储器访问控制器(DMA) – 系统控制和时钟，包括片上的16-MHz精密振荡器
正好一个作为电压跟随器对 AD623 输出信号进行缓冲与滤波，另一个作为后端放 大，减少了电路板面积。如图 7 所示，为 OPA2365 的引脚定义。
图 7 OPA2365 引脚定义
图 8 为一路数据采集放大电路的原理图，通过两次放大将采集到的电压先好 放大 100 倍，然后将电压信号传送给处理器的 A/D 转换接口。
3.2 电源供电模块 目标机电路板主要需要5V、数字3.3V和模拟3.3V三种电源。数字3.3V与模拟
3.3V采用电感在一点隔离。由于目标板空间有限，且对电源的要求不是很高，所 以选用SPX1117作为目标机的稳压芯片。分别采用SPX1117-5和SPX1117-3.3为目 标机提供5V和3.3V的工作电压。
LM3S9D90单片 机
LCD显示屏
压力传感器
INA326一级 放大
OPA2365二级 放大
图 3 系统硬件设计框图
3.1 处理器核心模块 首先，本系统中需要处理大量数据的采集、运算、存储与检索。所以对处理
器的速度要求较高。其次，目标机必须具有便携式，所以要尽量降低系统的功耗。 同时，在保证以上条件下，处理器的价格要尽可能的低，以降低成本。通过一系 列的考虑与查询，我们最终选择了具有ARM公司最新32位内核的Cortex-M3的 LM3S9D90芯片。
如图 10 所示，为 XPT2046 典型应用电路。
DDDCD NULDRN9876543210SNCCN GYXYXGIM0IM1FMARKLEDPWMLCM_ID-RESETD17D16D15D14D13D12D11D10DDDDDDDDDD-RD-WRR-CSGIOVCCVNLED-4LED-3LED-2LED-1LED-AG 1 LLCD3.2 123456789 AAAAAAAAA A10A11A12A13A14A15A16A17A18A19A20A21A22A23A24A25A26A27A28A29A30A31A32A33A34A35A36A37A38A39A40A41A42A43A44 DDDDCC NULRDN0123456789NNCC GYXXYGIM0IM1FMARKLCD_RESET#DDDDDDDDDDD10D11D12D13D14D15D16D17LCD_RD#LCD_WR#LCD_RSLCD_CS#GGVV D N G 00 12 RR 2 1 1 0 Q9 DC NC GV 3 K 1 R LCD_LIGHT
测试平 台
两级信 号放大
电路
AD转 换
数据分 析
显示重 心移动
轨迹
评价 算法
图 1 平衡仪检测系统的整体框架图
系统的工作原理：在测试平台的三个角下面安装三个压力传感器，当测试者 站在测试平台上时，三个压力传感器会输出相应电压信号，经过信号调整电路和 数据放大采集电路后进过串口传给目标板，目标板根据力矩平衡原理，对数据进
图 9 LCD 驱动电路
在 LCD 屏幕上集成了四线电阻触摸屏，目标机选取了 XPT2046 作为触摸屏控 制芯片。XPT2046 是一款 4 线制电阻式触摸屏控制器，内含 12 位分辨率 125KHz 转换速率逐步逼近型 A/D 转换器。XPT2046 支持从 1.5V 到 5.25V 的低电压 I/O 接口。XPT2046 能通过执行两次 A/D 转换查出被按的屏幕位置， 除此之外，还 可以测量加在触摸屏上的压力。内部自带 2.5V 参考电压，可以作为辅助输入、 温度测量和电池监测之用，电池监测的电压范围可以从 0V 到 6V。XPT2046 片内 集成有一个温度传感器。 在 2.7V 的典型工作状态下，关闭参考电压，功耗可小 于 0.75mW。XPT2046 采用微小的封装形式：TSSOP-16,QFN-16 和 VFBGA－48。工 作温度范围为-40℃～+85℃。与 ADS7846、TSC2046、AK4182A 完全兼容。
如图 6 所示，为 INA326 单电源供电电路，R1 和 R2 为可编程电阻，放大倍数 为 G=2(R2/R1)。
图6 INA326单电源供电典型电路图
目标机放大电路分为两级放大，前端为仪表放大器滤除共模干扰后放大一 次，然后信号经过电压跟随器，经低通滤波后输入第二级放大电路，然后信号由 STM32 进行 AD 转换。OPA2365 是由 TI 公司生产的单电源(2.5V~5.5V)供电、轨到 轨、低噪声、低偏移、高共模抑制比放大器。OPA2365 集成了两个放大器，这样
ARM Cortex‐M3处理器由于采用了最新的设计技术，它的门数更低，性能却 更强。许多曾经只能求助于高级32位处理器或DSP的软件设计，都能在CM3上跑得 很快。它具有如下特点：
性能强劲。在相同的主频下能做处理更多的任务，全力支持劲爆的程序设计。 功耗低。延长了电池的寿命。 实时性好。采用了很前卫甚至革命性的设计理念，使它能极速地响应中断。 代码密度得到很大改善。 使用更方便。更简单的编程模型和更透彻的调试系统，为与时俱进的人们大 大减负。 低成本的整体解决方案。低端的Cortex‐M3单片机甚至还卖不到1美元。 本系统中采用的具体型号为LM3S9D90，它具有以下特点：
图4 SPX1117典型电路
如图 5 所示，SPX1117 的使用非常简单，仅需要几个电容即可，图中的 LED 灯是为了检验电源芯片是否正常工作。
图5 电源供电路图
3.3 数据采集放大模块 目标机采集压力传感器信号，由于压力传感器信号为差模信号，其中还混有
共模信号干扰。所以前端需要一个高共模抑制比的仪表放大器将共模干扰滤掉， 同时放大微弱的差模信号。INA326 是美国德州仪器公司推出的精密仪表放大器。 它采用独特的拓扑结构，可实现电源的正负极输入/输出，非常适合于单电源、 低功耗和精测量的场合。
3.5 数据存储模块 本系统中由于需要进行用户的信息管理，所以需要存储大量的数据。同时为