摘要：隨著手機(jī)功能的逐漸增多，在手機(jī)上實(shí)現(xiàn)一些與健康有關(guān)的功能也已成為一種熱點(diǎn)，例如計(jì)步器 功能可以根據(jù)計(jì)算人的運(yùn)動(dòng)情況來分析人體的健康狀況•而人的運(yùn)動(dòng)情況可以通過很多特性來進(jìn)行分析比如人在運(yùn)動(dòng)時(shí)會產(chǎn)生加速度，因此采集到加速度數(shù)據(jù)以后加以適當(dāng)?shù)乃惴ň涂梢詫?shí)現(xiàn)計(jì)步功能. 設(shè)計(jì)了一款基于加速度傳感器ADXL340的計(jì)步器.詳細(xì)介紹了計(jì)步器的軟件算法的實(shí)現(xiàn)和硬件設(shè)計(jì)方 案•同時(shí)，該計(jì)步器系統(tǒng)上還具有USB接口，可與PC機(jī)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸.

　　關(guān)鍵詞：計(jì)步器；加速度傳感器；USB接口

　　手機(jī)在現(xiàn)代生活中的使用越來越為廣泛，其功能 也越來越多，如現(xiàn)在很多的手機(jī)都有MP3及照相功能， 有的還具有閃信和計(jì)步器功能。而手機(jī)要想實(shí)現(xiàn)閃信 和計(jì)步器這類功能，需要處理器能夠?qū)崿F(xiàn)多路模擬輸 入、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理等，原有的手機(jī)很難直接實(shí)現(xiàn)這 些功能，這就需要MCU配合完成其功能。本文將以計(jì) 步器為例，介紹了計(jì)步器的硬件設(shè)計(jì)和軟件算法的實(shí) 現(xiàn)。該計(jì)步器系統(tǒng)采用ADI的At>UC7026作為主控芯 片，采用ADXL340來采集加速度數(shù)據(jù)，最后通過USB 接口 4上位機(jī)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸。

　　1　計(jì)步器軟件算法的實(shí)現(xiàn)

　　人在行走或者跑步的時(shí)候，可通過很多特性來分析這種行為，本系統(tǒng)中利用了加速度特性來進(jìn)行分析。

　　行走或者跑步過程中，人體的多處部位都在運(yùn)動(dòng)，它 們的運(yùn)動(dòng)會產(chǎn)生相應(yīng)的加速度，加速度與時(shí)間大致成 為一個(gè)正弦曲線，且會在某點(diǎn)有一個(gè)峰值。因此利用 加速度傳感器來檢測運(yùn)動(dòng)的加速度，通過一定的算法可以計(jì)算步數(shù)，還可根據(jù)步幅進(jìn)而估算所走的距離等。

　　為了達(dá)到準(zhǔn)確性，在運(yùn)動(dòng)過程中，分析了3個(gè)不同方向的加速度數(shù)據(jù)：前向、縱向和側(cè)向（見圖1)。

　　圖1人體運(yùn)動(dòng)時(shí)加速度的3個(gè)方向Analog Devices公司的ADXL340芯片即為一個(gè)3 軸（A：軸、F軸、Z軸）的加速度傳感器可檢測出3個(gè)坐標(biāo)軸的加速度變化，這3個(gè)軸正好可以分別代表人體運(yùn)動(dòng)時(shí)3個(gè)方向。圖2所示為ADXL340 檢測到的A：軸和K軸的加速度變化，由圖中可以看出， 加速度變化曲線（X軸）具有明顯的周期特性。

　　在任意時(shí)刻可以得到加速度傳感器采集來的3個(gè) 軸的加速度數(shù)據(jù)，利用適當(dāng)?shù)乃惴�可�?jì)算此3個(gè)軸中 的哪個(gè)軸的加速度改變最大。由此來進(jìn)行計(jì)步，模擬 行走的過程。當(dāng)然，如果加速度的改變過小，可忽略。

　　圖2 X軸和y軸加速度變化曲線

　　具體算法如下：正常情況下可以假定如果是跑步. 人們每秒最多不會超過5步，如果為走路則最遲每兩 秒可以走1步。這就意味著.合理的計(jì)步器輸出范圍為0.5~5 Hz。這樣需要設(shè)計(jì)濾波器來對此范圍以外的 頻率進(jìn)行濾波。在模擬電路部分，本研究采用5 Hz的 抗混疊帶寬來過濾髙頻噪聲；在數(shù)字電路部分，采用5 Hz截止頻率的FIR低通濾波器來過濾高頻噪聲。
　　

　　圖3低通濾波器的頻率響應(yīng)

　　另外，為了拋棄無效的振動(dòng)，還采用了時(shí)間窗算 法，前面提到過，相鄰兩步之間的時(shí)間間隔必須在0.2~2 s這個(gè)時(shí)間窗范圍內(nèi)。也就是說，需判定新檢測到 的一步與其前面相鄰的有效步之間的時(shí)間間隔是否處 于這個(gè)時(shí)間窗范圍之內(nèi).如果在此時(shí)間窗之外則認(rèn)為此步無效。

　　此外，在軟件算法上還采用了通過設(shè)置動(dòng)態(tài)參數(shù) 來提供一種自適應(yīng)方法。其中，動(dòng)態(tài)參數(shù)包括動(dòng)態(tài)峰 峰值輸出，動(dòng)態(tài)精度以及動(dòng)態(tài)閾值。動(dòng)態(tài)精度是用來 a化采樣數(shù)據(jù)以去除高頻的噪聲。軟件中設(shè)定了2個(gè)移位寄存器。其中一個(gè)寄存器用于保存新得到的加速度采樣值，根據(jù)動(dòng)態(tài)峰峰值，可以確定動(dòng)態(tài)閾值的大 小，當(dāng)新得到一個(gè)加速度采樣值時(shí)，將其與新數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)值進(jìn)行比較，當(dāng)二者的差值的絕對值大于 絕對精度時(shí)，則新數(shù)據(jù)寄存器的值移位到舊數(shù)據(jù)寄存 器，而新得到的加速度值就可以移位到新數(shù)據(jù)寄存器; 當(dāng)加速度變化值小于或者等于動(dòng)態(tài)精度時(shí)，此變化值被拋棄，新數(shù)據(jù)寄存器保持不變。舊數(shù)據(jù)寄存器則不斷 的更新采樣的數(shù)據(jù)。

　　圖4動(dòng)態(tài)參數(shù)算法的示意圖

　　為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在算法中還設(shè)定了一個(gè) 計(jì)步校準(zhǔn)值，開始時(shí)假定系統(tǒng)處于査詢狀態(tài)，當(dāng)有效 步值大于此計(jì)步校準(zhǔn)值后，系統(tǒng)進(jìn)入正式計(jì)步狀態(tài)， 此后系統(tǒng)開始計(jì)步。

　　經(jīng)過上述算法以后，可以看到圖6為行走時(shí)前向 的加速度波形分析a。

　　圖7所示為前向原始采樣加速度數(shù)據(jù)和經(jīng)過處理 后的加速度數(shù)據(jù)的比較。

　　圖8和圖9分別為人體跑步時(shí)前向加速度波形分 析以及跑步時(shí)前向加速度的原采樣數(shù)據(jù)和經(jīng)過處理后 的加速度數(shù)據(jù)的比較。

　　2　硬件實(shí)現(xiàn)

　　圖10所示為硬件設(shè)計(jì)的模塊圖。本設(shè)計(jì)中選用的 ADXL340包括ADC,則從傳感器采樣得到的數(shù)據(jù)不 必再專門選用芯片來做模數(shù)轉(zhuǎn)換，傳感器芯片本身可 以直接將數(shù)據(jù)處理成為8位的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，并經(jīng)過SPI 總線或者I²C總線傳給MCU。

　　經(jīng)過MCU處理過的數(shù)據(jù)可以通過USB接口高效 地傳給上位機(jī)系統(tǒng)，基于USB接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可 以采取多種不同的方案。本設(shè)計(jì)采用內(nèi)置USB接口的 微處理器芯片，也就是具備USB接口的單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)。 此類單片機(jī)處理速度完全可以達(dá)到USB的速度，設(shè)計(jì)和調(diào)試比較簡單，電磁兼容性好，器件成本和設(shè)計(jì)開發(fā)成本都比較低廉。

 
　　圖6行走時(shí)前向加速度波形分析

　　圖8跑步時(shí)前向加速度波形分析

　　
圖9跑步時(shí)原始加速度和處理后數(shù)據(jù)的比較

　　圖10硬件模塊圖

　　CY7C68013 是 CYPRESS 公司在 2000 年 11 月推 出的世界第1塊USB2.0功能設(shè)備芯片，完全適用于 USB2.0,并向下兼容USB1.1,其內(nèi)置增強(qiáng)型.8051微 控制芯片。3種可編程端點(diǎn)；控制傳輸?shù)腟ETUP和 DATA緩沖區(qū)是分幵的；多達(dá)40個(gè)通用I/O口。它提 供了一個(gè)基于RAM的軟解決方案，允許無限制地配置 與升級。另外，CY7C68013使用的是智能型的SIE (串行接口引擎)，能夠執(zhí)行所有的USB枚舉過程，通過 預(yù)設(shè)的端點(diǎn)和可選的設(shè)置創(chuàng)建一個(gè)缺省的USB設(shè)備， 這樣，就可以將USB的固件存儲在主機(jī)上，而不必存 入U(xiǎn)SB芯片中，大大減輕了固件的工作，簡化了固件 的編程。集成〖2C兼容的控制模塊，在USB設(shè)備接入 主機(jī)后，USB是根據(jù)外部I2C總線接口上的一個(gè)串行 EkOM中進(jìn)行配置的。
在硬件設(shè)計(jì)過程中，需要重點(diǎn)注意一下問題：與標(biāo)準(zhǔn)USB接口連接時(shí)，CY7C68013的DPLUS和 DMINUS引腳要通過22Ω電阻與USB接口的D+和D-兩根數(shù)據(jù)線連接，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。

　　3　結(jié)論

　　介紹了利用人運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生加速度變化來檢測步數(shù) 的計(jì)步器實(shí)現(xiàn)方案，利用具有體積小，功耗低，三軸高精度加速度傳感器ADXL340,芯片內(nèi)部即可把數(shù)據(jù) 采集來的數(shù)據(jù)處理為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，同時(shí)芯片中還集成了 SPI和12C接口，可以方便地將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺匦酒��?該系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單，實(shí)現(xiàn)方便。該芯片也可以擴(kuò)展到其 它需要測量加速度的應(yīng)用場合，具有廣闊的應(yīng)用前景。（作者：蘇麗娜，董金明，趙琦）

　　轉(zhuǎn)載請注明來源：賽斯維傳感器網(wǎng)（ywhs9.com）