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本項目基于中科藍(lán)訊AB32VG1開發(fā)版以及RT-Thread軟件框架，利用集成前端傾角傳感器MPU6050與雙通道血氧檢測傳感器MAX30100，設(shè)計了一套完整的可采集手部位姿、血氧飽和度、溫度、心率等參數(shù)的硬件平臺。 該硬件平臺，具有且不限于以下應(yīng)用場景： 手功能康復(fù)評估（醫(yī)療）：對手部殘疾或手指受傷術(shù)后康復(fù)患者，可以借助對指節(jié)溫度、血氧飽和度、手指可活動范圍（ROM）等客觀指標(biāo)進(jìn)行可復(fù)現(xiàn)、高精度的手功能康復(fù)評估。 人機交互（VR/MR/MetaVerse）：借助六軸陀螺儀對操作者手部姿勢的高準(zhǔn)確度還原，形成更自然、操作信息更豐富的人機交互手段。 動作捕捉(影視、游戲)：同樣借助六軸陀螺儀對操作者手部姿勢的高準(zhǔn)確度還原，應(yīng)用于游戲、電影、動畫制作等需要對真人手部動作捕捉的場景。 低成本多通道模擬開關(guān)的設(shè)計，大幅降低物料成本和MCU的IO占用，配套以自行設(shè)計的小尺存?zhèn)鞲衅麟娐钒?，整套設(shè)備成本控制在200元以內(nèi)，結(jié)合基于RT-Thread框架的開源軟件包的使用，十分方便復(fù)現(xiàn)。

首先根據(jù)需求進(jìn)行硬件方案的設(shè)計，在經(jīng)過反復(fù)比對、開發(fā)板資源驗證后，最終選擇了五路獨立傳感器通道+開發(fā)板+DIY開發(fā)板拓展版的硬件方案。

硬件整體設(shè)計框圖如下：

         

為了系統(tǒng)的表述硬件的設(shè)計思路，我們可以從最接近需求的設(shè)計部分——傳感器電路開始介紹。

一、指節(jié)傳感器電路

為了完成對手部動作的完整捕捉，以及考慮到醫(yī)療用途中患者手部受傷狀況的復(fù)雜性。

傳感器部分采取了獨立、并行的硬件設(shè)計，分別布置在人手指末端的五個指節(jié)處，并可以根據(jù)需求進(jìn)行放置位置的移動。

傳感器電路主要完成以下四個參數(shù)的采集：指節(jié)位姿、血氧飽和度、心率以及溫度。

指節(jié)位姿信息的采集，目前市面上主要流行的方法有應(yīng)變電阻、電位器以及IMU的測量方案，考慮到在醫(yī)療場景中使用時，方便佩戴以及體積小巧是很重要的考慮因素，因此選擇了使用IMU的測量方案，這里我們選擇了MPU6050的六軸集成傳感模塊。

血氧飽和度以及心率的測量，由于考慮到醫(yī)療安全的角度，且對精度沒有十分準(zhǔn)確的要求，我們最好采用非侵入式的監(jiān)測手段，而PPG（光電容積脈搏波）是一種很成熟的非侵入式監(jiān)測方案，大致原理是通過人體血液中氧合血紅蛋白與還原血紅蛋白，對不同波長入射光的投、反射系數(shù)不同，通過對特定波長反射光光強的量化，即可得到PPG信號，單通道的PPG信號我們可以獲得心率和血壓信息，而雙通道（雙波長）的PPG信號則可以獲得血氧飽和度的信息，最終考慮到傳感器集成體積和成本，選擇了MAX30100集成傳感器進(jìn)行血氧飽和度、心率以及溫度信息采集。

電源設(shè)計及通信接口，MPU6050為3.3V供電，MAX30100同時需要3.3V和1.8V的供應(yīng)電壓，因此設(shè)計了3.3V和1.8V兩路LDO。通信接口方面，兩個集成傳感器都使用IIC通信的方式。考慮到模塊的更換方便與外觀簡潔，設(shè)計了Type-c的端口進(jìn)行供電與數(shù)據(jù)傳輸。

傳感器電路原理圖與布局示意圖如下：

                                                              傳感器電路原理圖

                     

                                                            傳感器電路立體圖 

                

                                                         電路布局示意圖（背離人體面） 

                                                        電路布局示意圖（朝向人體面）

實物焊接效果如下：

         

二、前端數(shù)據(jù)電路（AB32VG1開發(fā)板拓展版）

完成了傳感器電路部分的介紹，接下來介紹的是我們?yōu)榱送瓿纱舜卧O(shè)計，結(jié)合中科藍(lán)訊AB32VG1開發(fā)板設(shè)計的拓展版，AB32VG1豐富的開發(fā)資源與合理的可拓展硬件設(shè)計，為拓展設(shè)計提供了極大便利。

此次拓展版的設(shè)計，主要考慮到以下兩個方面的需求：

1. AB32VG1開發(fā)板的供電電流（500mA）可能無法支持5路傳感器+開發(fā)板的同時工作。

2. 前端傳感器出現(xiàn)IIC地址重疊

因此，為了滿足這些需求，我們?yōu)橥卣拱嬖O(shè)計了以下三個方面的模塊：

電源管理模塊，主要包括12V直流輸入、DC-DC降壓、LDO穩(wěn)壓，為開發(fā)板和前端傳感器提供電源供應(yīng)與基準(zhǔn)電壓，后續(xù)還可根據(jù)需要加入電池管理與充電IC。

多路模擬開關(guān)模塊，利用TI的CD4051多路模擬開關(guān)，在采集對應(yīng)通道的傳感器數(shù)據(jù)時，進(jìn)行特定選通，較低成本的解決了IIC地址復(fù)用問題。

OLED顯示模塊，方便設(shè)備在脫機使用時，顯示一些本地信息和調(diào)試。

拓展板電路原理圖及布局示意如下：

             

                                                              拓展板原理圖

     

                                                                 拓展板立體圖

                                                                    拓展板布局示意圖

實物焊接效果如下：

最后是此次設(shè)計基于的開發(fā)板AB32VG1，廠商提供了詳細(xì)的開發(fā)板資料、datasheet與例程，可以參考此次大賽的首頁或公司首頁獲取這些資料。

焊接完成后，完成整體組裝，因時間緊迫，尚未來得及設(shè)計外殼，后續(xù)視情況添加。

        

                     

在硬件部分完成設(shè)計后，進(jìn)行了軟件框架的設(shè)計與編寫調(diào)試。

首先說明一些本次設(shè)計引用到的開源代碼與RT-Thread相關(guān)軟件包：Invensense官方提供的eMPL姿態(tài)解算庫（主要進(jìn)行IIC讀寫函數(shù)以及少量系統(tǒng)函數(shù)的移植）、MAX30102的軟件包（與MAX30100驅(qū)動部分有差異，需自己修改）

軟件部分流程如下圖所示：

傳感器初始化部分： 各通道輪流初始化，全部工作寄存器配置完成后，查詢各傳感器ID及狀態(tài)，確保正常工作。

傳感器數(shù)據(jù)采集： 這里采用信號量的方式進(jìn)行各采集線程的同步，主要考慮到多路模擬開關(guān)只在各線程采集進(jìn)入時切換通道，若中途發(fā)生線程優(yōu)先級搶占或輪轉(zhuǎn)，會采集到錯誤通道數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)上傳及查詢： 原先的設(shè)計是增加串口上傳線程，進(jìn)行數(shù)據(jù)上報，但是由于時間緊張，上位機顯示部分尚未完工，因此目前先采取MSH命令行查詢的方式，驗證采集數(shù)據(jù)的正確性。

最終佩戴至人體如圖（后續(xù)會增加感器外殼，增加安全性）：

上電工作：

各通道初始化（紅光為MAX30100光電傳感器光源）：

血氧、心率數(shù)據(jù)采集（單通道顯示）：

以及原本計劃編寫手部實時捕捉的上位機顯示部分尚未完工，因此暫時借用匿名四軸上位機進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，需要按照匿名上位機的格式進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送（拇指）：

多指節(jié)數(shù)據(jù)借助msh命令行輸出進(jìn)行驗證（指節(jié)2、3的roll角度變化較為明顯）：

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