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軟硬件全開源，航芯方(fang)案分(fen)享(xiang) | 智能電動(dong)牙刷方(fang)案

當代口(kou)腔問(wen)題(ti)頻發(fa)，讓(rang)人們越來越重(zhong)視口(kou)腔衛(wei)生。傳統的(de)(de)刷(shua)牙(ya)(ya)方(fang)式(shi)，由(you)于個人習慣和刷(shua)牙(ya)(ya)方(fang)式(shi)的(de)(de)不(bu)(bu)同(tong)(tong)，會不(bu)(bu)同(tong)(tong)程度地導致牙(ya)(ya)齦受損(sun)，牙(ya)(ya)菌斑去除(chu)不(bu)(bu)徹底等(deng)問(wen)題(ti)。而電動(dong)牙(ya)(ya)刷(shua)設備，基于其相(xiang)對(dui)程序化的(de)(de)刷(shua)牙(ya)(ya)方(fang)式(shi)，可根據個人口(kou)腔特(te)性(xing)支持自主選擇(ze)，調(diao)節刷(shua)牙(ya)(ya)力度。而且在刷(shua)牙(ya)(ya)過(guo)程中，不(bu)(bu)需要過(guo)多的(de)(de)手部動(dong)作(zuo)，僅需要調(diao)節刷(shua)牙(ya)(ya)的(de)(de)角(jiao)度，更多的(de)(de)清潔工作(zuo)交付由(you)牙(ya)(ya)刷(shua)本身(shen)的(de)(de)特(te)性(xing)來完成。方(fang)便人們的(de)(de)同(tong)(tong)時也更能(neng)有(you)效的(de)(de)減少(shao)口(kou)腔問(wen)題(ti)。

電動牙刷類型

現在市面上電(dian)動牙刷品類繁多(duo)，從刷頭(tou)的方式(shi)可將(jiang)其分為兩(liang)大(da)類型：旋轉(zhuan)式(shi)和振動式(shi)（也叫聲波式(shi)）。參考

圖1. 電動牙刷工作方式(shi)對比圖

旋轉式電動(dong)牙(ya)刷(shua)是由電機帶(dai)動(dong)刷(shua)頭旋轉，牙(ya)面清(qing)潔度高(gao)(gao)，但(dan)牙(ya)縫清(qing)潔能力薄弱且相較于振動(dong)式，更易損傷牙(ya)釉質。而振動(dong)式，由電機帶(dai)動(dong)刷(shua)頭進(jin)行上下的(de)(de)高(gao)(gao)頻(pin)振動(dong)，高(gao)(gao)頻(pin)擺動(dong)的(de)(de)刷(shua)頭能高(gao)(gao)效(xiao)(xiao)完成洗刷(shua)牙(ya)齒的(de)(de)動(dong)作，可(ke)以(yi)讓牙(ya)膏與水的(de)(de)混合物產生大量微小的(de)(de)氣(qi)泡(pao)，氣(qi)泡(pao)爆(bao)裂時(shi)產生的(de)(de)壓(ya)力可(ke)以(yi)更深(shen)入牙(ya)縫達到(dao)深(shen)度的(de)(de)清(qing)潔效(xiao)(xiao)果。

振(zhen)動(dong)式的(de)實現(xian)有(you)兩種(zhong)方(fang)式，一(yi)種(zhong)由偏心振(zhen)動(dong)電機(ji)(ji)實現(xian)，多用(yong)于中低檔的(de)電動(dong)牙(ya)刷(shua)方(fang)案。該種(zhong)方(fang)式的(de)電動(dong)牙(ya)刷(shua)振(zhen)動(dong)感強，振(zhen)動(dong)無序。另一(yi)種(zhong)則是采用(yong)線性電機(ji)(ji)，業內也稱之為磁(ci)懸浮電機(ji)(ji)。

圖(tu)2. 磁懸(xuan)浮電(dian)機示意圖(tu)

磁懸浮電(dian)機(ji)的(de)優點在于(yu)其在工作(zuo)運行噪(zao)聲小，機(ji)身振感低，振動能量集中，清潔(jie)效果佳。因此，本文采用(yong)ACM32F030作(zuo)為主(zhu)控芯片，基于(yu)磁懸浮電(dian)機(ji)提出一款(kuan)電(dian)動牙刷的(de)設計方案。

設計方案(an)

本文(wen)描述(shu)的電動牙刷方案，是基于上海航芯ACM32F030系列的MCU進行設計，整體的方案框(kuang)圖(tu)如下所示：

圖3. 基于ACM32F030/070電(dian)動牙刷(shua)設計方案框圖

ACM32F0X0 系(xi)(xi)列(lie)是一款支(zhi)持多(duo)(duo)(duo)種(zhong)低功耗模式(shi)(shi)的(de)通用(yong)MCU。集(ji)成12位1.6 Msps高(gao)(gao)精度(du)ADC以(yi)及比(bi)較器(qi)、運放(fang)、觸(chu)控按鍵控制器(qi)、段式(shi)(shi)LCD控制器(qi)，內(nei)置高(gao)(gao)性(xing)能定時器(qi)、多(duo)(duo)(duo)路UART、LPUART、SPI、I2C等豐富(fu)的(de)通訊外設，內(nei)建AES、TRNG等信息安全模塊，支(zhi)持多(duo)(duo)(duo)種(zhong)低功耗模式(shi)(shi)，具有高(gao)(gao)整(zheng)合度(du)、高(gao)(gao)抗干擾(rao)、高(gao)(gao)可(ke)靠性(xing)的(de)特點。本產品采(cai)用(yong)ARM Cortex-M0系(xi)(xi)列(lie)內(nei)核，最高(gao)(gao)工作頻率64MHz。足(zu)以(yi)滿足(zu)一般(ban)的(de)電動牙(ya)刷方(fang)案的(de)需(xu)求。

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備注：ACM32F030和070軟硬件兼容

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軟(ruan)硬件下(xia)載鏈接如(ru)下(xia)：

? 人機交互(hu)系統

本文論述(shu)的(de)設(she)計方案中(zhong)的(de)人(ren)機交(jiao)互(hu)功(gong)能是采用(yong)簡(jian)單(dan)的(de)LED和按(an)鍵(jian)(jian)的(de)方式(shi)進(jin)行實現(xian)。共有1個(ge)(ge)按(an)鍵(jian)(jian)和6個(ge)(ge)LED。按(an)鍵(jian)(jian)需實現(xian)設(she)備的(de)開關機以及(ji)模(mo)式(shi)切換功(gong)能。設(she)備會根據按(an)鍵(jian)(jian)按(an)下(xia)時(shi)間的(de)長(chang)短來判定(ding)當前的(de)動作是需要(yao)切換模(mo)式(shi)或是開關機操作。6個(ge)(ge)LED中(zhong)有3個(ge)(ge)用(yong)于(yu)(yu)工(gong)作模(mo)式(shi)指(zhi)示，最大可支持7種工(gong)作模(mo)式(shi)（23-1），本設(she)計方案中(zhong)僅(jin)提供(gong)了三種模(mo)式(shi)。另外3個(ge)(ge)LED用(yong)于(yu)(yu)系統狀態指(zhi)示，包括正常，欠壓，充電(dian)，充滿4種電(dian)壓狀態。

長短(duan)按(an)識(shi)別程(cheng)序(xu)：

void keyPressHandler(void)
{
  key.isPressed = Key_GetPressValue();
  switch(key.pressState)
  {
    case 0:
      if(key.isPressed)
      {
        key.pressTime = 0;
        key.pressState = 1;
      }
      break;
    case 1:    /*  eliminate jitter  */
      if(key.isPressed)
      {
        if(++key.pressTime > 10)
          key.pressState = 2;
      }
      else
        key.pressState = 0;
      break;
    case 2:    /*  whether long press is existed  */
      if(key.isPressed)
      {
        if(++key.pressTime > LONG_PRESS_TIME)
          key.pressState = 3;
      }
      else
      {
        if(key.shortPressHandler != NULL)
          key.shortPressHandler();
        else
          DEBUG_KEY("have no short press handler!!\r\n");
        key.pressState = 0;
      }
      break;
    case 3:
      if(key.longPressHandler != NULL)
        key.longPressHandler();
      else
        DEBUG_KEY("have no long press handler!!\r\n");
      key.pressState = 4;
      break;
    case 4:    /*  wait for releasing key  */
      if(key.isPressed == 0)
        key.pressState = 0;
      break;
  }
}

工作指示程序：

void appMotorModeLedControl(void)
{
  static uint8_t state = 0xFF;
       
  if(sys.status == SYSTEM_RUNMODE)
  {
    if(state != sys.motorStatus)
    {
      state = sys.motorStatus;
      if(sys.motorStatus == 0)
      {
        ModeLed_Select(MODE_LED_1, MODE_LED_ON);
      }
      else if(sys.motorStatus == 1)
      {
        ModeLed_Select(MODE_LED_2, MODE_LED_ON);
      }
      else if(sys.motorStatus == 2)
      {
        ModeLed_Select(MODE_LED_3, MODE_LED_ON);
      }
    }
  }
  else
  {
    state = 0xFF;
    ModeLed_Select(MODE_LED_UNKNOWN, MODE_LED_OFF);
  }
}

系統指示程(cheng)序：

void appSysLedController(void)
{
  static uint8_t led_state = 0xFF;
       
  if(led_state != led.state)
  {
    led_state = led.state;
    if(led.state == LED_OFF)
    {
      led.duty = 0;
      PowerLed_Select(PWR_LED_UNKNOWN, PWR_LED_OFF);
      PWM_dutySet(PWM_LED, led.duty);
    }
    else if(led.state == LED_TWINKLE)    // low power warning
    {
      led.duty = 0;
      PowerLed_Select(PWR_LED_R, PWR_LED_ON);
      PWM_dutySet(PWM_LED, led.duty);
    }
    else if(led.state == LED_ON)
    {
      led.duty = 0;
      PowerLed_Select(PWR_LED_R, PWR_LED_OFF);
      PWM_dutySet(PWM_LED, led.duty);
    }
    else if(led.state == LED_BREATHE)
    {
      if(led.duty == PWM_DUTY_MAX)
        led.dir = LED_FADE;
      else
        led.dir = LED_BRIGHTER;
    }
    else
      led.state = LED_OFF;
  }
  else{
    if(led.state == LED_BREATHE)
    {
      PowerLed_Select(PWR_LED_UNKNOWN, PWR_LED_OFF);
      if(led.dir == LED_BRIGHTER)
      {
        if(led.duty < PWM_DUTY_MAX)
          led.duty += BREATHE_INTERVAL;
        else
        {
          if(++led.cnt > BREATHE_HOLD_TIME)
          {
            led.dir = LED_FADE;
            led.cnt = 0;
          }
        }
      }
      else
      {
        if(led.duty > BREATHE_INTERVAL)
          led.duty -= BREATHE_INTERVAL;
        else
        {
          led.duty = 0;
          if(++led.cnt > BREATHE_HOLD_TIME)
          {
            led.dir = LED_BRIGHTER;
            led.cnt = 0;
          }
        }
      }
      PWM_dutySet(PWM_LED, led.duty);
    }
  }
}

? 電源及(ji)功(gong)耗管(guan)理

電(dian)(dian)動牙刷產品的續航(hang)能(neng)力也是(shi)一直備(bei)受人們關注。本設(she)計方案在低功耗(hao)(hao)的處理，摒(bing)棄了一般的休(xiu)眠(mian)方式，直接采(cai)用關閉電(dian)(dian)源來(lai)避免設(she)備(bei)在不工作(zuo)狀態下的設(she)備(bei)功耗(hao)(hao)。整個設(she)備(bei)的供(gong)電(dian)(dian)線路共有三種，如下圖所示(shi)。

圖4. 基于ACM32F030的電(dian)(dian)動(dong)牙刷供電(dian)(dian)電(dian)(dian)路(lu)（部分）

正常情況下(xia)，設備不在充(chong)電(dian)時(shi)(shi)(shi)，VCHARG電(dian)壓為0，需要關(guan)機(ji)時(shi)(shi)(shi)，按鍵彈開，PWR_KEY為低電(dian)平，芯片內(nei)部程(cheng)序也將PWR_LOCK拉(la)(la)低，此時(shi)(shi)(shi)Q2關(guan)斷(duan)(duan)，Q2的(de)D極(ji)電(dian)壓同(tong)VBAT，從而(er)引起Q1斷(duan)(duan)開，VCCIN斷(duan)(duan)電(dian)，系(xi)(xi)(xi)統(tong)關(guan)機(ji)。而(er)開機(ji)時(shi)(shi)(shi)，按鍵按下(xia)，PWR_KEY先被拉(la)(la)至高(gao)電(dian)平，Q2導通(tong)(tong)，Q2的(de)D極(ji)拉(la)(la)低，則Q1導通(tong)(tong)，設備供電(dian)，程(cheng)序檢測到開機(ji)，拉(la)(la)高(gao)PWR_LOCK，此時(shi)(shi)(shi)，盡管按鍵彈開，PWR_LOCK仍然會(hui)提(ti)(ti)供Q2的(de)導通(tong)(tong)電(dian)壓，系(xi)(xi)(xi)統(tong)正常工(gong)作。充(chong)電(dian)時(shi)(shi)(shi)，Q2的(de)導通(tong)(tong)電(dian)壓會(hui)由VCHARG提(ti)(ti)供，系(xi)(xi)(xi)統(tong)保持在工(gong)作狀(zhuang)態，此時(shi)(shi)(shi)會(hui)程(cheng)序會(hui)檢測系(xi)(xi)(xi)統(tong)的(de)運行狀(zhuang)態，在不需要啟動時(shi)(shi)(shi)，進(jin)入休眠(mian)狀(zhuang)態。

電(dian)(dian)源管理部分，則通(tong)過(guo)(guo)(guo)鋰電(dian)(dian)池(chi)充(chong)電(dian)(dian)芯(xin)片(pian)檢測(ce)是否進行充(chong)電(dian)(dian)，同時通(tong)過(guo)(guo)(guo)一路(lu)ADC監測(ce)電(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)。為減(jian)少芯(xin)片(pian)工作負擔(dan)，電(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)的欠(qian)壓(ya)(ya)(ya)和(he)滿電(dian)(dian)通(tong)過(guo)(guo)(guo)ADC門限(xian)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)功(gong)能來實現。ADC的門限(xian)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)初始化程序如下：

// ADC Watchdog config
  ADC_WDT_Handle.ITMode      = ENABLE;
  ADC_WDT_Handle.WatchdogMode  = ADC_ANALOGWATCHDOG_RCH_ALL;
  ADC_WDT_Handle.Channel      = channel;
  ADC_WDT_Handle.HighThreshold  = (HIGH_POWER_THS * 0x0FFF) / VREF ;
  ADC_WDT_Handle.LowThreshold  = (LOW_POWER_THS * 0x0FFF) / VREF ;

? 智能管理系統

智能管理(li)系統分(fen)(fen)為(wei)兩個(ge)部分(fen)(fen)，一部分(fen)(fen)為(wei)上位(wei)機(ji)(ji)的數(shu)(shu)據(ju)處理(li)，由云(yun)端(duan)處理(li)，另(ling)一部分(fen)(fen)是電(dian)動(dong)牙(ya)(ya)刷(shua)(shua)數(shu)(shu)據(ju)記錄(lu)和傳輸。整(zheng)(zheng)個(ge)的實現過(guo)(guo)(guo)程(cheng)可簡述為(wei)，電(dian)動(dong)牙(ya)(ya)刷(shua)(shua)通過(guo)(guo)(guo)慣性(xing)測量儀QMI8658C記錄(lu)電(dian)動(dong)牙(ya)(ya)刷(shua)(shua)在(zai)使用過(guo)(guo)(guo)程(cheng)中的運動(dong)軌跡，并(bing)實時將(jiang)該部分(fen)(fen)數(shu)(shu)據(ju)以及整(zheng)(zheng)個(ge)系統的工作參數(shu)(shu)通過(guo)(guo)(guo)BLE發送(song)到手(shou)機(ji)(ji)，手(shou)機(ji)(ji)連接云(yun)端(duan)，并(bing)將(jiang)數(shu)(shu)據(ju)傳輸至云(yun)平臺進行數(shu)(shu)據(ju)解析，分(fen)(fen)析用戶(hu)刷(shua)(shua)牙(ya)(ya)的健康(kang)指(zhi)數(shu)(shu)，并(bing)將(jiang)相關建議(yi)反饋至手(shou)機(ji)(ji)。電(dian)動(dong)牙(ya)(ya)刷(shua)(shua)作為(wei)數(shu)(shu)據(ju)采集設備，需上報實時數(shu)(shu)據(ju)，結構如下：

typedef __packed struct{
  uint32_t time;          // This shows the relative time of each activity
  uint16_t location[3];        // This shows the acceleration of brush when using
  uint16_t pressure;        // This is the force between tooth and brush
  uint16_t angle[3];        // This shows the angle between brush
       
}BLE_RealTimeDataDef;        // This define the data structure about brushing tooth in real time

其中，location為三(san)軸的(de)加(jia)速度(du)，angle為三(san)軸的(de)角度(du)。定時上(shang)傳電(dian)動(dong)牙(ya)刷的(de)相(xiang)關實時數據(ju)。上(shang)位(wei)機根據(ju)一系列點位(wei)數據(ju)進行(xing)建模計算可(ke)得到(dao)整個(ge)牙(ya)刷的(de)運(yun)動(dong)軌跡。

? 電機(ji)驅動(dong)系統

電動牙刷的驅(qu)動系統(tong)是通過H橋芯(xin)片(pian)MX612E進行處理，MX612E的輸(shu)入(ru)端連接芯(xin)片(pian)的PWM互補輸(shu)出(chu)端口。如下圖所示：

圖5. 電動(dong)牙刷(shua)電機驅動(dong)電路

本(ben)設計中(zhong)的(de)(de)(de)電(dian)動(dong)(dong)牙(ya)刷(shua)采用磁懸浮(fu)電(dian)機(ji)，內部構造(zao)和直流(liu)無刷(shua)電(dian)機(ji)相(xiang)似，但相(xiang)比于直流(liu)無刷(shua)電(dian)機(ji)，其(qi)僅(jin)有兩(liang)相(xiang)輸(shu)入端(duan)。這也就造(zao)成該電(dian)機(ji)在通(tong)電(dian)后，正(zheng)(zheng)負極(ji)不(bu)變的(de)(de)(de)情況下，電(dian)機(ji)旋轉至某一角度形成平(ping)衡后將會停止旋轉。切(qie)換正(zheng)(zheng)負極(ji)后則又會在另一個方向旋轉形成平(ping)衡。在電(dian)動(dong)(dong)牙(ya)刷(shua)的(de)(de)(de)正(zheng)(zheng)常工作中(zhong)，是通(tong)過兩(liang)相(xiang)的(de)(de)(de)正(zheng)(zheng)負極(ji)切(qie)換來(lai)使電(dian)機(ji)正(zheng)(zheng)反旋轉從而(er)(er)帶動(dong)(dong)刷(shua)頭(tou)做高頻(pin)運(yun)動(dong)(dong)的(de)(de)(de)。因此，其(qi)電(dian)機(ji)速度的(de)(de)(de)控(kong)制(zhi)依靠于輸(shu)出(chu)PWM的(de)(de)(de)輸(shu)出(chu)頻(pin)率而(er)(er)非占空比。控(kong)制(zhi)代碼如(ru)下：

void PWM_freqSet(uint8_t PWMx, uint16_t freq)
{
  uint32_t arr;
  if(IS_PWM_INSTANCE(PWMx) == 0)  return;
  if(freq == 0)
  {
    TIM15->ARR = 0;
    return;
  }
  if(freq > PWM_FREQ_MAX)  freq = PWM_FREQ_MAX;
  if(freq < PWM_FREQ_MIN) freq = PWM_FREQ_MIN;
  arr = (PWM_TIMER_FRE / freq);
  if(PWMx == PWM_MOTOR)
  {
    TIM15->ARR = arr-1;
    TIM15->CCR1 = arr / 2;
  }
}

上例中，PWM的占空比(bi)為(wei)50%，使得在一(yi)個PWM周期(qi)內(nei)，電機(ji)可(ke)完成一(yi)次(ci)往返運動。

本文(wen)提(ti)出(chu)的(de)(de)設計(ji)方(fang)案(an)的(de)(de)主(zhu)旨是(shi)將電(dian)(dian)動牙刷(shua)(shua)(shua)智能(neng)化(hua)，在(zai)提(ti)高(gao)人(ren)們刷(shua)(shua)(shua)牙效率的(de)(de)同(tong)時(shi)，也能(neng)達(da)到(dao)進一(yi)步保證人(ren)們刷(shua)(shua)(shua)牙質(zhi)量的(de)(de)目的(de)(de)。通過(guo)電(dian)(dian)動牙刷(shua)(shua)(shua)對慣性的(de)(de)數(shu)據(ju)采集(ji)，實時(shi)上傳至云(yun)端，并(bing)對數(shu)據(ju)進行處理，恢復用(yong)戶的(de)(de)刷(shua)(shua)(shua)牙軌跡，給出(chu)合理建議，糾(jiu)正用(yong)戶不良的(de)(de)刷(shua)(shua)(shua)牙習慣。磁懸(xuan)浮(fu)電(dian)(dian)機的(de)(de)高(gao)頻振動也能(neng)有效清除口(kou)腔(qiang)污漬。歲(sui)月恒久遠，牙齒永相隨 ^-^。

上海航(hang)芯 · 原廠直連：