2020年TI杯大学生电子设计大赛 无线运动传感器节点 备赛、参赛实录（历时一个月）

转载请标明转载自：https://blog.csdn.net/weixin_44578655/article/details/109020022

9.5

清单已经出了一段时间了。买的少部分元器件也到了，今天重新分析一遍清单，找找相关资料。
清单：

二维云台和摄像头很熟悉了，做控制题必选，鉴于TI杯2018年省赛和2019年国赛都出过无线充电小车，两年的赛题出现重叠，因此可以猜一下2020年会不会出现电磁炮类似的题（纯属个人猜测），不过提前把云台和摄像头调好还是有必要的。

关于电磁炮前期的备赛情况，可以参考博主2019年的参赛笔记：
https://blog.csdn.net/weixin_44578655/article/details/99649173

控制题的备赛规划：
使用stm32和MSP430分别实现二维云台控制和openmv通讯、4轮小车控制。
MSP430最好前期准备一下，以防TI限定单片机。

除了控制题，清单中还有一个亮眼的地方，有两个器件给出了具体型号和购买链接：

• 温度传感器LMT70
• 模拟前端芯片ADS1292
  另外推荐的测试仪器中也有一个显眼的存在：
• 心电信号模拟器

这已经暗示的很明显了，去TI官网搜了一下，ADS1292是TI的一款心电检测专用芯片，特点是小型、便携；LMT70是接触式温度传感器

ADS1292手册截图：

ADS1292可以测量心电信号、呼吸波，LMT70测体温，二者共性：低功耗。

在eeworld搜索关键词ADS1292：

这里有一篇2020年1月发表的、由TI 专家委员会成员 Haroad Chen 整理提供的问答贴，问答的大部分内容都是关于可穿戴设备的传感器，其中就接连出现了ADS1292和LMT70。

看到这，题目名称都呼之欲出了：
（我来猜一个）
低功耗穿戴式人体参数测量仪，
两个传感器的特点都是低功耗，那么MSP430基本没跑了。

这应该算是道测量题，备赛目标：
画一个ADS1292+LMT70评估板，使用MSP430调通，针对“低功耗、穿戴式”部分做好提前准备。

9.6

找ADS1292相关资料，在考虑是自己画还是买，去淘宝买了个资料，包含原理图和STM32驱动程序，参考价值还可以。

接着去TI官网找了找：

多参数患者生命体征监护仪前端参考设计：
https://www.ti.com.cn/cn/lit/ug/zhcu652a/zhcu652a.pdf?ts=1599364363678&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.ti.com.cn%252Fsitesearch%252Fcn%252Fdocs%252Funiversalsearch.tsp%253FsearchTerm%253DADS1292
试着找了一下MSP430驱动ADS1292的固件

开始绘制ADS1292评估板的PCB，计划硬件部分包含：
ADS1292R心电采集模块
STM32F103最小系统板
LMT70*2
按键、LED、LCD、蓝牙

9.10

PCB绘制完成

1. ADS1292R心电采集模块
2. STM32F103C8T6最小系统模块
3. LMT70模块

三个模块独立，可以合在一起直接使用，如果要更换MSP430可以直接掰开更换。

9.15

焊接完成（除LMT70），简单测试了一下ADS1292部分（之前购买过例程），ADS1292能够正常识别。

9.20

心电模拟器还没买，接人体实验了一下，能够看到心电波形，效果还不错，和队友高兴坏了！

蓝牙调试APP显示的波形

10.7

这中间两个多周的时间被其他事影响到心态（保研政策变动，成绩不是很好的博主提前下车，打算去考研了）。

电赛一直没动，比赛日期临近，又重新拾起来，电赛是信仰，不能丢。
使用LCD屏显示出实时波形（图上的波形来自心电模拟器）

10.8

解决了心率测量，使用心电模拟器可以准确算出心率。

加到人体上测试了一下。发现跟第一次测试结果不太一样，心电波形干扰特别严重，出大问题。

图上红线是设定的动态阈值，用于检测R波，计算心率，心率测的倒是很稳。

下午和晚上一直在搜心电波形去除噪声的解决办法。

10.9

晚上出题，看了两三道题，果断选了A题（无线运动传感器节点设计）：

赛前备赛情况：
ADS1292已调通
已完成模拟器的心电信号LCD显示和上位机显示，能够实现稳定的心率测量（使用心电信号模拟器）

接入人体测试时，存在基线漂移和肌电信号干扰，开题前暂未得到解决（此前搜过不少相关文献，处理办法比较多，但一直没测试）

题目下发后，由于没仔细读要求，以为心电可以接模拟器测（我们此前使用模拟器的效果非常好），因此觉得第一问的分已经拿到，

第二问是送分题，第三题看起来不难，第四题备赛期间已经实现。

当晚很自信的回宿舍睡觉了，睡前水电赛群的时候，发现心电要接到人体上实测，又开始紧张起来。

波形干扰严重，由于此前没有解决过相关的问题，不能保证5天可以调到很好的效果。

群里有大佬使用FIR带通滤波器测试过的，效果很好，交流了一下，当晚将FIR滤波器的相关内容安排给学霸队友。

10.10

早上安排队友任务：
队友A：LMT70标定、解算
队友B：尝试FIR滤波解决心电图的基线漂移和肌电干扰问题。

上午完成陀螺仪（9轴姿态传感器模块）的数据读取，考虑通过加速度进行步数和距离测量（距离是加速的的两次积分），搜文献无获
后在知乎找到大概的方案，首先需要将原始加速度数据变换到地面坐标系中（通过欧拉角解算），动手演算了一下，不简单…

认真权衡后，放弃上述方案，工作量过大，仅仅加速度变换坐标可能就要花掉整整一天时间，且最终解算出来后加速度数据也不一定满足测距精度要求。

在实验室来回走了十多分钟，观察走路的运动特征，想到一个可行方案，9轴模块绑在腿上，通过欧拉角判断抬腿和落腿动作，计步，然后通过抬腿角度和步数大概推算出运动距离。
晚上7点完成上述方案的计步数部分，效果良好。10点测距完成，效果良好。

下午队友的LMT70标定完成，测试效果良好。
晚上队友的FIR滤波基本移植完成，大概看了一下以后睡了，第二天早上再起来测试。

FIR带通滤波器移植参考安富莱的DSP教程：
https://www.stmcu.org.cn/module/forum/thread-601106-1-1.html

10.11

安排任务：
队友A：LMT70部分设计报告
队友B：FIR滤波器部分设计报告

上午完成FIR带通滤波器实际测试
200阶、频带：0.5-30 、采样频率100HZ
matlab仿真出的滤波器幅频特性：

测试效果很好，肌电干扰可以基本滤除，今天给队友测心电时发现他的未处理的心电图基本没有基线漂移，所以实际对于基线漂移的去除效果还未知，后面再测几次。

滤波前效果：

滤波后效果：

图中左下角的数字是每采样10000次的用时（单位ms），可以看到FIR带通滤波引入的延时是很小的。

中午去缝纫店买了松紧带和魔术贴，自己缝了一个腿部的绑带，用来加固腿部的9轴传感器模块，使用起来还不错。

下午写了写设计报告。

此前因为已经使用蓝牙测试过上位机，上位机APP是应用市场下载的，界面可以二次开发，从功能指标上来说完全可以满足要求。
但规则上说需要实现无线上网，蓝牙和上网的概念匹不匹配不好说。

目前来看进度不错，时间也还富余，为保险起见还是改成使用wifi模块，晚上移植esp8266。
傍晚esp8266 TCP收发调通。
开始写服务器端上位机，此前使用C#写过示波器上位机，
这次的心电显示直接使用winform的chart控件就可以方便地实现，除此之外还要搭建TCP服务器。
百度了一下，教程相当丰富，首先使用网上的代码简单完成了一个控制台的服务器，测试成功，参考博文：
https://www.jianshu.com/p/21bad87504fa

接下来做图形界面，测试一下chart控件。
搜了几个chart控件的文章测试了一下，看了一下实现方式，有个缺点：
每次有新的点要画时，需要擦除页面所有的点，再重新画。
用这种方法测试了一下，数据量一多就刷新不动了。chart控件好像不能满足要求。
之前做过示波器上位机，是直接调用C#的画线、画点的库，在窗口直接绘制，尝试复现这种方法。
写到凌晨3点多，没做出来，放弃，睡觉。

10.12

早上起床又搜了几篇chart控件做示波器的博客，找到一篇看起来可行的：
https://blog.csdn.net/ZLK961543260/article/details/80454009?ops_request_misc=%257B%2522request%255Fid%2522%253A%2522160246573519724836704563%2522%252C%2522scm%2522%253A%252220140713.130102334.pc%255Fall.%2522%257D&request_id=160246573519724836704563&biz_id=0&utm_medium=distribute.pc_search_result.none-task-blog-2_allfirst_rank_v2~rank_v28-1-80454009.pc_first_rank_v2_rank_v28&utm_term=C%23%E4%B8%ADchart%E6%8E%A7%E4%BB%B6–%EF%BC%88%E5%BD%93%E6%95%B0%E6%8D%AE%E9%87%8F%E8%BE%83%E5%A4%A7%E6%97%B6%EF%BC%8Cx%E8%BD%B4%E5%87%BA%E7%8E%B0%E6%BB%9A%E5%8A%A8%E6%9D%A1%EF%BC%89&spm=1018.2118.3001.4187

按照上面的博客，示波器效果实现了，刷新速度也满足要求，但实时收发时，TCP存在拆包粘包现象，一上午又过了。
这还是有经验能快速定位问题的速度，写这种上位机就是小问题颇多，走一步百度一步，走不通就得退回去换条路。
中午睡了一觉，起床后思路清晰了一些，一开始以为是chart控件效率太低，刷新速度慢导致数据积累，后来发现是TCP本身存在粘包直接导致数据变成一大坨再传入服务器，波形像一页一页ppt导入，没有动态刷新的效果。
查到UDP传输不存在粘包现象：
https://www.cnblogs.com/xwj517537691/archive/2013/06/05/3118971.html

如果改用UDP传输的话，ESP8266部分和服务器基本收发部分都需要重新来，权衡了一下，还是看看TCP透传有没有什么解决办法，之前使用网络调试助手的时候发现连续发送模式下最小发送周期是50ms，这样看来是有道理的（防止TCP粘包）

因此发送端发送周期不超过50ms，就可以避免粘包了，虽然周期需要拉长，但实际波形不能变，所以需要设一个缓存区间断发送。

这样会导致波形的缓存区切换处不连续，不过影响不大。

上述改进方案测试成功，后面又重新测试了一下不使用缓存区，直接实时发送数据，发现TCP粘包现象又消失了，因此在上位机和下位机都设了两种模式，
一种是实时发送模式，另一种是缓存区间断发送模式，测评时默认为实时发送模式，如果在测评现场出现粘包问题，就改为缓存区发送模式。
测试发现数据刷新跟网速关联比较大，存在延时。如果间歇性卡顿比较明显，一样可以采用之前的缓存区发送法，降低数据量。
晚上完成服务器功能（忘了加温度）。

10.13

白天写了一天设计报告，遇上统一核酸检测，耽误了好几个小时。
下午测试时发现波形完全没法看，又重新改了FIR滤波器的参数。
晚上发现是RL导联线接触不良引起波形紊乱，实际FIR滤波器效果良好。

此前测量距离的方案是步长*步数，由于现场步确定是否找其他人测试，步长不可控，因此加入步长校准功能，测距之前先校准：通过按键按照界面提示进入校准模式，走5m，系统会自动记录步数，校准步长 = 5/步数。

由于此前TCP传输存在粘包问题，导致波形显示像放PPT一样。
使用缓存区间断发送后，虽然波形显示顺畅了，但引入了延时。比赛要求有一项是传输时延不能大于1秒。

怕在这栽了跟头。晚上通宵把服务器改成了UDP协议。

结果发现还是一样的效果（存在数据堆积），凌晨5点看到屏幕上一卡一卡的波形，宣告一晚上白给，睡觉去了。

10.14

早上爬起来花了1个多小时给PCB做了个外壳（可以搭配腰带绑在身上）。安装好很精致！

还是很在意题目要求中的延时1s内的问题，由于对TCP粘包做了处理，服务器端的波形显示并非完全实时。

如果在这一点扣分的话就太冤枉了。
重新想方案：蓝牙传输不存在粘包问题，如果测评现场对WIFI和蓝牙不区分的话，就改用蓝牙模块。

由于TCP和蓝牙都是经过串口数据透传，所以下位机端不需要改动，蓝牙和WIFI可以无缝切换。

蓝牙模块在windows上可以映射出虚拟串口：
https://blog.csdn.net/px_528/article/details/70782059
这样只需在上位机服务器上加入串口模式即可，之前写过模板，移植很快。
一个小时完成，粘包终于没了，波形可以实时显示！！！
服务器的最终样貌：

设备端的最终样貌：

做到最后，温度传感器反而是最难调的，有的时候相当准，有的时候温度乱漂，我们也不确定现场到底会怎么样，在设备上加了温度补偿设定功能，防止现场误差太大。

10.15

早上第一组测评：
测评表

第一问
连接心电模拟器：
波形 满分
测量心率 满分
连接人体：
波形 满分
测量心率 满分（老师拿小米手环比照的，数据一模一样）

第二问测体温：
满分（老师测自己手掌，等我们缓过来分都打好了，还挺准的，校准功能没有用到，万幸！）

第三问：
测距离：
满分（我们队友控制步距控制的太棒了，标准20m，走了两次，一次20.27m，另一次19.68m）
测步数：
满分（只要走得慢点，可以百分百识别）
第四问服务器端：
满分
第五问其他项：
可穿戴、屏幕显示、WIFI蓝牙双模式自由切换
4分（老师原话：“不能全满分吧，给4分”）

作品已开源

包括PCB、设备端程序、服务器程序、文档、测试视频。

开源博客：
https://blog.csdn.net/weixin_44578655/article/details/109151749

FIR滤波器测试效果

滤波器阶数：200
采样率100HZ
最低截止频率Fc1:0.5Hz
最高截至频率Fc2:40Hz
Fir滤波器仿真幅频特性：

滤波前心电波形：

测试滤波后心电波形：