基于加速度傳感器的運動信息采集系統(tǒng)設計

1、基于加速度傳感器的運動信息采集系統(tǒng)設計摘要運動與人體健康息息相關，一直以來受到人們的廣泛關注，隨著運動生物力學、人體測量學的發(fā)展，人們對運動的研究日益深入。本文以運動生物力學理論為基礎，對運動參數的測量和分析方法進行了研究，主要目的在于探索運動生物力學參數之間的關系，通過運動生物力學參數的測量、分析揭示人體運動的規(guī)律，在人體姿態(tài)識別、體育訓練等方面提供理論指導。在對人體結構及運動的特點進行了介紹和總結的基礎上，為了便于運動研究，建立了人體運動的棒狀模型及便于分析計算的人體坐標系。通過對常用人體運動參數測量方法的分析，提出了利用加速度參數進行運動測量和分析的方法。應用加速度傳感器實現了對肢體運動

2、的測量，并利用加速度參數與速度、位移等參數之間的數學關系實現了對其它運動參數的求解，從而對運動姿態(tài)、動作軌跡等進行分析。自行設計了運動采集系統(tǒng)，系統(tǒng)分為信號采集單元與數據處理單元兩個部分，以單片機、三軸加速度計ADXL330為核心，可實現多傳感器網絡節(jié)點的信息采集及數據分析。仿真結果驗證了利用運動信息采集系統(tǒng)對人體運動信息進行采集和分析的方法是可行的。利用加速度參數對人體簡單運動進行分析的方法方便可行，但在復雜運動的分析中，則需要更多的信息進行綜合分析。因此，對于人體運動的研究，應綜合多種方法，盡可能獲取更多的信息，以使得人體運動分析更加科學、合理。關鍵詞：運動生物力學，運動信息采集，加速度傳

3、感器，運動測量Design of Motion Information Collection System Based on Acceleration SensorABSTRACTHuman has always paid broad attention to body motion relating close to human health. With the development of motion biomechanics and anthropometry, people have increasingly deeply studied human body motion. The

4、 paper focuses on the measurement of body motion parameters and analysis method of body motion based on the theory of motion biomechanics. The contents involve the study on the relationship between parameters of motion biomechanics, the analysis of the law of body motion by measuring motion biomecha

5、nics parameters to provide theoretical guidance for recognition of human gesture, physical training, and so on.Human structure and characteristics of body motion are analyzed and summarized,on the basis of which rod model and coordinate system of human body are built to provide convenience for the s

6、tudy of body motion. The method of measuring body motion with acceleration sensor is presented with the analysis of common measurement method of body motion parameters. The measurement of extremity is performed by acceleration sensor; other motion parameters are solved by the mathematical relationsh

7、ip between acceleration parameter and velocity, displacement,etc. Thereby, motion gesture and action trace of human body can be analyzed.A system which consists of signal collection unit and data processing unit is developed to complete collection and data analysis from the motion information at mos

8、t 5 sensor network nodes using msp430 and ADXL330.The results show that collecting and analyzing motion information of human body by the system is a feasible method.The analysis of simple body motion using acceleration parameter is a convenient and feasible method. But more information is required t

9、o be analyzed synthetically in the complex motion. Therefore, it is necessary for the study of body motion to synthesize a variety of methods and obtain as much information as possible, which makes the analysis of body motion more scientific and rational.Key Words：Motion biomechanics, Collection of

10、motion information, Acceleration sensor, Motion Measure men目錄1 緒論11.1 課題研究的背景11.2 國內外研究現狀11.3 研究意義22 運動信息采集與分析42.1 運動生物力學的基本運動參數62.2 運動信息采集的方法72.2.1 光學測量方法72.2.2 非電量電測法82.2.3 肌電信號測量法82.3 基于加速度傳感器的運動信息采集與分析83 運動信息采集系統(tǒng)的硬件設計123.1 系統(tǒng)總體設計123.2 信號采集單元電路設計123.3信號處理單元設計163.3.1 主控制器的選型173.3.2 外圍電路設計173.3.3 輸

11、入輸出電路183.3.4 現場總線通信電路設計183.3.5 現場總線供電電路設計193.3.6 現場總線供電分析194 系統(tǒng)軟件設計234.1 信號處理單元程序設計234.2 數據處理單元程序設計245 總結與展望285.1 總結285.2 展望28參考文獻30附錄A 總體電路原理圖32附錄B 頂層PCB33附錄C 底層PCB34致謝351 緒論1.1課題研究的背景物質的運動是絕對的。宇宙空間的任何物質、物體無時無刻不在運動中，大到星系、宇宙天體的宏觀相對或絕對運動，小到微觀世界的分子熱運動、電子運動等。人類在認識自然、改造物質世界以及認識自身的過程中，對運動的研究不斷深入，研究領域也不斷拓

12、寬。而運動與人類密切相關。運動與我們是密切相關的，現有科學技術也明確的告訴我們，物質的運動時絕對的，大到宏觀世界宇宙間的天體、星系，小到微觀世界的分子、離子、電子等，都是無時無刻不在運動，我們在社會的不斷發(fā)展進步中，對運動的認識也在逐步深入，研究的范圍也在不斷拓展。隨著時代的發(fā)展，當代的人們對健康的更加關注及需求，也推動著與其息息相關的人體運動研究的發(fā)展。從而使得運動測量學、運動生物力學等學科的研究也取得了巨大的進步1。而且各種體育賽事已經深入到每一個角落，體育競技的強度也在不斷提升，整個社會都在努力地尋求突破，需要掌握更多的人體運動信息，這也進一步促進了整個人類社會在這個領域的巨大投入。對于

13、運動研究需要多種學科的交叉，其應用范圍也就相應的十分廣泛2。運動力學根據運動學、動力學等方面的知識，利用測量技術進行信息的采集，對運動器官系統(tǒng)力學及運動體在空間進行局部或整體運動時，在各種力的作用下，運動體在時間和空間中的位置、姿勢、運動速度等的變化規(guī)律進行研究。要進行運動的研究，最重要的一步自然是對運動體運動信息的檢測，而人體運動檢測技術是由多學科相互交融所產生的一項應用非常廣泛的技術34，其基本原理涉及醫(yī)學、數學、物理學、計算機科學等學科，并與虛擬現實技術、建模技術、計算機動畫技術、模式識別技術、人機交互技術、數據可視化技術及傳感器技術等密切相關。因此，對運動體運動信息的研究也就成了現代科

14、學研究的一項重要的學科，以人體的運動為研究對象，精確地獲取人體在運動過程中位移、速度、加速度、力以及肌電信號等，并進行處理以及分析5，是現代生物醫(yī)學發(fā)展的重要推動力，也備受青睞及關注。1.2國內外研究現狀以測量及同步測量技術為標志的現代運動生物力學測量技術，己經使得運動體的運動測量可實現實時化、可視化以及三維空間范圍內的測量分析6。雖然現代測量技術為運動生物力學的發(fā)展提供了強有力的催化劑，但是我們應該認識到研究生物運動的力學問題，根本上取決于測量研究技術以及分析技術。學術界的研究者己經意識到現代測量技術應用于人體運動分析的局限性源于對人體運動力學的本質認識還不夠深入。運動生物力學的測量技術還依

15、賴于其他學科，如計算機技術、電子測量技術、等相關學科的發(fā)展7。國內有很多單位在此方面進行了深入的研究，如西安市第四軍醫(yī)大學，生物醫(yī)學工程系的焦純、楊國勝等人利用三維加速度傳感器設計并研制了一種訓練強度監(jiān)測儀用于評估士兵訓練狀況和訓練效率8。在考慮人體運動加速度幅值、頻率的有效范圍下，為實現對靜、穩(wěn)態(tài)和動態(tài)激勵都有較好的響應，其選用了具有頻帶寬、靈敏度高、內置防震裝置、性價比較高的壓阻式加速度傳感器，即ICSENSOR公司生產的3個3031型單軸加速度傳感器9，并通過正交組合成三維加速度傳感器，及相應的電路信號處理、運動數據記錄與分析處理等實現對訓練現場的運動等進行記錄與評估。當代高科技理論與技

16、術對運動訓練領域全面、深入的滲透和介入已成為當今競平的體育訓練和大賽中，運動員的整套動作都將被詳細記錄，用于賽后技體育發(fā)展的主要趨勢10。目前在體育訓練中，有著相對成熟的訓練規(guī)律和方法，但是人體的個體差異性較大，如何能夠科學地運用這些規(guī)律就要求對運動員的訓練要因人而異，這就要求對人體運動的相關信息進行盡可能詳細的采集和分析。國外研究現狀,運動體運動研究從力學原理性分析階段進入實驗測量階段的早期學者是法國生理學家韋伯兄弟。他們在1836年用時鐘計時的方法11測量了人在走路過程中的時間空間特征，并得出了步速和身體支撐時間成反比關系的結論。他們的法國同行繆勒(G.Muller)用同樣的方法測量了人體

17、走和跑時下肢支撐期和擺動期的時間和比例關系，此時的人體運動測量手段應該說很簡陋。后來攝影影像技術的引入，使運動測量手段有了很大的飛躍。1877年，美國攝影師麥布里奇(E.Muybridge)用24臺照相機拍攝了馬奔跑的連續(xù)照片12，后來他又拍攝了人體走、跑等動作的連續(xù)照片，并在1901年發(fā)表了專著運動中的人體運動圖像，從而奠定了影像測量方法的基礎。幾年后，馬勒(Maler)、德美尼(Demeni)等提出了運動軌跡定位照相法和連續(xù)光點照相法，這些方法直到現在仍被用來研究人體運動13。20世紀30年代英國生理學家希爾(A.V.Hill)開展了關于肌力的研究14，取青蛙的縫匠肌為試樣，通過測量肌肉在

18、縮短過程中的肌張力、肌肉縮短速度、肌肉產生的熱量及肌肉維持痙攣狀態(tài)所需的熱量，并按照熱力學第一定律建立了與實驗結果一致的希爾方程15。從此，人體運動生物力學的一個重要領域：肌力與肌肉的生理特性的相關研究逐漸發(fā)展起來。20世紀后半葉以來，計算機及電子技術的飛速發(fā)展以及傳感技術、優(yōu)化技術等智能分析技術的應用帶來更為準確便捷的現代測量技術16。繼阿馬爾(Amaer)研制了第一臺兩分量測力臺，使運動生物力學進入在體動力學測量后，萊曼德(Reymond)在伽伐尼(Galvani)論在肌肉運動中的電力的基礎上17，創(chuàng)立了肌電測量技術。阿馬爾和埃弗特曼(Elftman)基于人體運動效率，創(chuàng)立了力能學測量技術

19、，后人從此技術進一步發(fā)展了肌力優(yōu)化技術和能量優(yōu)化技術。高速攝影技術、傳感測量技術以及同步測量技術應用于運動生物力學的測量后，使得人體運動生物力學測量的研究進入了三維運動學和空間力學研究的層面上，為全面研究人體運動效能提供了良好的保證18。與此同時，多剛體動力學和計算力學的在解決人體運動學問題的同時，獲得了實驗技術的支持。國外將加速度傳感器應用于體育訓練的研究比較領先。較早有CarlijnV.C.Bouten等人19，采用壓阻式三軸加速度傳感器測量人體運動加速度與能量消耗的關系。實現對人體在坐、行走等日常活動中運動加速度的測量20，進而由實驗獲得加速度值與人體運動能量消耗的關系。從其測量結果分析

20、來說，加速度值能反映被測人體一定的運動強度。利用加速度傳感器輸出值與人體站、坐、走、跑、跳、騎等日常生活運動能量消耗之間的關系，結合相關皮膚溫度、心率等測量傳感器，經相關算法軟件分析及實驗標定等。這種設備能用于對運動員訓練強度實時檢測、分析，從而為運動員體能訓練提供可行、準確、實時的測量，用以指導體能訓練。在人體生理力學研究方面，運動的計算機仿真是更高層次的研究內容，是研究人體運動規(guī)律的有效手段，并具有很高的理論和實際應用價值，如用于碰撞的仿真、分析人的運動特征、醫(yī)療中腦神經外科診斷以及步態(tài)研究等21。當然研究人體運動的手段和方法很多，其中實驗方法是一個非常有前景的研究方法，充分利用實驗所獲得

21、的測試數據，可以簡化建模的復雜性，縮短研究周期，模擬運動體運動的實例。通常采用運動生物力學測試手段，可以得到相關運動體運動的數據，當然還要借助于影像儀、多維測力臺、肌電儀等設備。但要獲取全面的人體運動測試數據，必須綜合利用這些設備，因此人體運動信息的采集、應用、研究的發(fā)展很大程度上要依賴于人體運動測試和感知技術。1.3研究意義在研究人體運動時，我們實際上把人體當做一個物質的合成體，通過人體的外部運動表現出來信息，去分析人體的內部運動，諸如腦部的運動：思維、決策等形成完成外部動作的指令的過程等。而且我們必須由外到內的去分析研究，分析兩者之間的聯(lián)系及紐帶，這樣才能更好地認識人體自身，獲得足夠的科學

22、依據，來為人類社會的發(fā)展做出應有的貢獻?？偹苤梭w的構造十分的復雜，故而對人體運動學的研究也就要涉及的很多的學科，要找到這些學科如運動學、動力學、人體解剖學等諸多學科的交叉，采集人體運動信息，以及在各種力的作用下，人體內部器官系統(tǒng)力學與人體進行局部或者整體運動時，人體在時間和空間的位置，姿勢、運動狀態(tài)等的變化規(guī)律，繼而進行分析研究。在對人體運動信息的研究過程中，最關鍵的一環(huán)就是對人體運動信息的檢測和采集，而人體運動檢測技術囊括了醫(yī)學、物理學、數學、計算機科學等諸多學科，又與虛擬現實技術、建模技術、計算機動畫技術、模式識別技術、人機交互技術、數據可視化技術、及傳感器技術息息相關22。相應的，

23、人體運動學的應用領域也是十分的廣闊，主要包括在以下幾個領域23：醫(yī)學保健領域，主要應用于對人體運動功能及損傷做出更直接有效地評估，分析受損原因，以利于更好地救治及預防；體育領域，可以通過對運動員運動時所蘊藏的生物力學信息探測分析來塑造運動技術的標準模式，找到運動技術最佳的途徑，從而改善訓練的方式，使運動員能夠在運動技術上有所突破，更有力地參與到競技比賽中，獲得更加優(yōu)異的成績；教育交流領域，可以通過對肢體語言所傳達的信息去分析人體的內部活動，甚至可以解決與聾啞人的交流問題；虛擬現實領域，主要應用于人與虛擬現實環(huán)境的交互，將真實生活中的人體運動映射到虛擬環(huán)境。因此，對人體運動信息的采集無論是在理論

24、研究還是實際應用中都有著非常廣泛的應用和非常重大的意義。2 運動信息采集與分析2.1運動生物力學的基本運動參數運動生物力學的發(fā)展，對人體運動測量學起到了巨大的推動作用，運動生物力學研究的內容是人體運動中的機械運動規(guī)律。人體運動的含義可以理解為人體整體、肢體位置的移動（位移），包括競技體育運動、大眾體育運動、日?；顒雍蜕a勞動等。運動生物力學應用生物學和力學的理論、方法，研究人體從事各種運動、活動和勞動的動作技術, 使復雜的人體動作技術奠基于最基本的生物學和力學規(guī)律之上，并以數學、力學、生物學以及動作技術原理的形式加以定量描述8。人體運動、活動和勞動中的各種動作技術，可以通過運動生物力學方法進行

25、測試研究，從而提高運動技術水平9。運動生物力學通過研究人體在運動中表現出的力、速度、加速度等參數與人體結構特性的關系，來揭示人體運動的基本規(guī)律，獲得有價值的運動參數，從而進一步了解復雜的人體運動，為更深入地研究人體運動的相關技術提供重要依據。為了更準確地對人體運動進行研究分析，首先要對運動生物力學常用的基本運動參數進行了解。運動生物力學常用的參數主要有：位置、位移、速度、加速度、角位移、角速度、角加速度、力、功、功率、動量、沖量、動量、力矩、動量矩、沖量矩、動能、位能、質量、重量、重心、人體環(huán)節(jié)質量、重量、重心、軀干傾角、著地角、離地角、前蹬角、后蹬角、騰起角、出手角、姿勢角、攻角、穩(wěn)定角等。

26、對于人體運動的分析和描述都離不開以上運動生物力學參數，其中部分參數可通過儀器直接測量得到，另一些參數則需要根據其它參數進行運算得到9。運動信息采集與分析是指運用某種手段跟蹤、捕捉人體的運動，獲得人體運動的部分參數，并對這些參數進行分析和處理，從而得以重建人體的結構和姿態(tài)或進行其它的應用。人體在運動過程中所表現出來的運動信息主要體現在身體位置、關節(jié)角度、身體和肢體的位移、速度和加速度、力的大小和方向、動態(tài)力的變化速率等方面。對這些信息進行測量并利用生物運動學技術進行分析，可以對人體在運動中的狀態(tài)進行評價。人體運動分析的過程主要由運動的跟蹤測量、信號處理、數據分析所組成。2.2 運動信息采集的方法

27、隨著科學技術的發(fā)展，越來越多的高新技術被應用到人體運動信息采集的研究中，目前運動信息采集的主要方法有：光學測量方法、非電量電測法、生物電信號測量法。2.2.1 光學測量方法為了對采集到的圖像信息進行分析，需要對其進行數字化處理，對于高速攝影所得到的運動信息一般通過影片解析儀，完成影片的數字化過程，圖2.1所示為影片數字化原理的示意圖。如圖3.1中所示，分析放影機將攝影機所拍攝到的圖像放大后投影到數字化板上，然后用游標鍵盤取出需要的坐標值（x,y）輸入到計算機中存儲或進行數據處理。圖2.1 影片數字化原理通過上述的原理介紹可知，一臺攝影機只能對物體或人體運動進行平面分析，而且當遇到遮擋或進行旋轉

28、動作時，只能對測量點進行估算。若要準確地反映事物的運動特征，必須進行三維立體分析。原則上要通過兩臺攝影機從不同角度同步進行拍攝，這樣就能把物體或人體運動的空間特征描述出來。采用多臺攝影機同步工作在技術上存在一定難度，一般常用的方法有兩種：1、定點三維正交法；2、定點三維直接線性變換法。完成拍攝后的數字化過程也更為復雜，在數據處理過程中需要對兩臺攝影機的的數據進行正交合成，一般通過專用的影像解析軟件12系統(tǒng)來完成。以上介紹的高速攝影和攝像方法，可以對人體不施加任何約束，是正式比賽時可行的方法，但是為了從畫面中獲取關節(jié)點的位置信息，就需要在數字化儀上對著進行逐幀分析，光電技術開始被應用于運動檢測中

29、。目前得到廣泛應用的產品主要有SELSPOT系統(tǒng)、VICON系統(tǒng)和COD系統(tǒng)。2.2.2 非電量電測法非電量電測法是把傳感器或傳感元件固定在被測物上，然后把被測物的力學參數由傳感器轉換為模擬電量，通過放大器將微弱的模擬電量放大并調理后經模數轉換器轉換為數字量后進行計算機處理。其原理框圖如圖2.2所示。傳感器或傳感原件力學參量放大器A/D轉換計算機輸出設備圖2.2 非電量電測法原理框圖在人體運動測量中，用于將力學參量轉換成電量的傳感器或傳感裝置主要有：測角儀、位移傳感器、力傳感器、慣性傳感器等。2.2.3 肌電信號測量法肌電測量包括有損傷測量和無損傷測量兩大類。運動實踐中的肌電測量大多采用無損傷

30、類的表面肌電遙測技術，描記出肌肉活動中的電信號變化過程，稱之為肌電圖。利用肌電圖可以說明：(1)某塊肌肉或一塊肌肉的哪些部分參與活動；(2)運動中所測各塊肌肉參與活動的時間；(3)運動中所測各塊肌肉收縮時間的長短和收縮強度。肌電圖在體育運動中應用比較廣泛，用肌電圖研究肌肉的不同狀態(tài)、肌肉之間的協(xié)調程度、收縮類型及強度、判斷肌肉疲勞程度及損傷、評定肌肉素質等等都有比較成功的例子。當人體進行運動時，相應的肌肉會收縮、變形，肌肉收縮所產生的微弱肌電信號被電極檢測到，測量裝置的信號處理放大環(huán)節(jié)會對此信號進行放大和濾波，去除干擾并得到有用的肌電信號，再經過A/D轉換環(huán)節(jié)，則得到數字量的數據，測量裝置的C

31、PU對此數據再進行相關的分析和處理，即可得出運動過程中相關肌肉作用的結論。2.3基于加速度傳感器的運動信息采集與分析人體的運動最終以肢體在空間中姿態(tài)、位置的變化來體現，對于運動過程的儲多信息如加速度、速度、位移、位姿、力等之間存在著一定的聯(lián)系，只要得到加速度信息，其它參數信息可通過對其積分得到，下面以人體前臂運動的信息測量為例，說明加速度傳感器在人體運動信息采集中的應用方法。人體前臂在運動過程中始終和豎直方向(或水平方向)成一定的角度關系。通過固定于前臂上的三軸加速度傳感器的各個軸與重力方向(豎直向下)之間的夾角就可以檢測出人體前臂的運動姿態(tài)。在進行前臂運動檢測時，首先將傳感器固定于前臂上，隨

32、著前臂的運動狀態(tài)改變，傳感器輸出的變化信號經處理后可以得到前臂的運動姿態(tài)改變的參數。以簡單平面運動為例，待測者肘關節(jié)置于桌面上不動，前臂繞肘關節(jié)做豎直平面的屈肘動作，加速度傳感器安裝于腕關節(jié)，注意在運動過程中，應保持其位置不變。在以上約束條件下，當前臂不動時，只需檢測當前加速度傳感器各敏感軸與重力方向的夾角，即可分析出前臂的姿態(tài)。圖2.3 重力加速度對傳感器作用示意圖當傳感器保持相對靜止時，會受到重力的作用，這樣加速度傳感器輸出與重力加速度方向相反、大小相等的加速度信號，此加速度信號在三個軸上的輸出分量取決于三個敏感軸與重力方向的夾角。圖3.3所示為傳感器相對靜止時的各敏感軸與重力方向的夾角分

33、別為、，如果重力加速度的大小為g，此時傳感器三個軸輸出的電壓信號分別為：式中：vx、vy、vz表示加速度計 X、Y、Z三個軸所輸出的電壓信號，k表示加速度計的靈敏度，k表示加速度計的靈敏度，g表示重力加速度，V0表示加速度為0時，加速度計輸出的電壓。對上式求反函數可得到：從而可以求手臂的空間姿態(tài)?？蓪⑹直垡暈橐粋€剛體，將肘關節(jié)視為支點，手臂運動則可看成是剛體圍繞支點的平面運動。繼而可以通過一系列數學運算對瞬時的加速度、速度、力等參數進行分析。圖2.4運動體運動模型假設重力加速度g在Y軸和Z軸上的分量分別為gy和z，測量點的線加速度為a，傳g感器Y軸和Z軸輸出電壓經變換后得到的加速度值分別為ay

34、和az，根據矢量關系，可得出：由于被測點實際加速度a與Y軸成90度夾角，所以對傳感器Y軸的輸出不會產生影響，傳感器Y軸的輸出依然滿足下式：所以，手臂運動過程中瞬時姿態(tài)的求法，與靜態(tài)時相對，但運動狀態(tài)中還需要對瞬時的加速度、速度、力等參數進行分析。瞬時加速度：當上式計算結果為正時，表示加速度方向與 Z 軸正方向相同，否則相反。瞬時速度：式中：v表示測量的初始速度。在工程計算中，一般要將時間微分成若干小的區(qū)間，在每一個小的時間區(qū)間認為質點的加速度是不變的，以方便計算。則上式可簡化成：瞬時力：式中：m表示質點質量，對于體不同質點的質量，國內外多名學者專家通種手段進行了測量，可根據世界衛(wèi)生組織公布的信

35、息查詢。3運動信息采集系統(tǒng)的硬件設計運動信息采集系統(tǒng)利用人體運動的非電量電測法，利用加速度傳感器采集人體運動時的加速度參數，系統(tǒng)通過對采集到的加速度數據進行處理、分析，可得到肢體在空間運動的相關信息14，如加速度、速度矢量的變化、肢體位移軌跡、空間姿態(tài)等信息。3.1 系統(tǒng)總體設計本課題以單片機為核心控制器并使用現場總線傳輸，并配合相關硬件電路完成設計，其設計方案圖如下：力學參量信號調理單片機處理現場總線傳輸上位機加速度傳感器信號采集電源圖3.1系統(tǒng)總體設計框圖力學參量經過加速度傳感器采集轉換后，經過信號調理后送往單片機，通過單片機處理后可以使用現場總線傳輸給上位機完成數據通信。3.2信號采集單

36、元電路設計信號采集單元的作用是實時同步采集被測點的三維加速度信息，并將所采集到的加速度信息上傳至系統(tǒng)的數據處理單元。信號采集單元是通過三軸傳感信號經過調理電路上傳至單片機進行處理。（1）加速度傳感器的選型由于設計本系統(tǒng)主要的目的是采集人體運動的加速度信號，所以需要選擇一款合適的加速度傳感器作為加速度信號的獲取元件，傳感器的選型要以人體運動時產生的加速度信號的特點為依據16。在正常情況下，人體運動加速度的頻率和幅度都較低，加速度頻率的極大值出現在跑或跳的運動中。運動加速度的幅度：在行走運動中加速度的幅度在垂直方向上均大于側向和前后向，而且從人體的頭部到腳部，幅度越來越大，頻譜逐漸向較高頻率移動。

37、行走時，垂直方向的加速度幅度為-0.3g0.8g，而水平方向上頭部為-0.2g0.2g，腰部為-0.3g0.4g。在脛骨，垂直方向上加速度的幅度為-1.7g3.3g，而水平方向上為-2.1g2.3g，以自然速度行走時，垂直方向上人體上部的加速度頻率范圍為0.8Hz5Hz，而其峰值出現在腳部接觸到地面的時刻16。較高的頻率成分均是由腳和地面的沖擊力所造成的，并不是由自主的肌肉收縮所導致。根據人體運動時加速度參數的特點，用于測量人體運動的加速度計的頻率范圍在0Hz20Hz即可滿足要求，測量幅度范圍為-3g+3g。為了便于在人體上進行安裝，并盡可能減小加速度傳感器本身對運動所產生的影響，在選擇加速度

38、計時除了考慮其性能還要考慮體積盡可能小、集成度高、成本低的產品。綜合上述因素，在本系統(tǒng)中選擇基于MEMS技術的加速度傳感器ADXL330，這是一款小型低功耗三軸加速度傳感器，具有信號調理電壓輸出，能測量滿刻度2g的加速度，它能夠測量在傾斜應用的靜態(tài)重力加速度以及運動，振動的動態(tài)加速度，具有三路模擬量輸出，分別表示x、y、z三個敏感軸的加速度信號，盡管其測量幅度范圍較小，但由于其價格低且基本可以滿足實驗研究的要求，故選擇此款傳感器，圖4.3所示為加速度傳感器ADXL330的內部原理框圖。圖3.2 ADXL330 內部結構圖ADXL330是基于熱對流效應的三軸加速度傳感器，是基于單片CMOS工藝的

39、完整的加速度測量系統(tǒng)，以可移動的熱對流氣團作為質量塊，通過測量由加速度引起的腔體內氣團位置的變化來測量加速度。如圖3.3所示，一個被放置在芯片中央的熱源在空腔中產生一個懸浮的熱氣團，同時4個由鋁和多晶硅組成的熱電耦組被等距離且對稱地放置在熱源17的4個方向。在未產生加速度或水平放置時，其溫度的下降陡度是以熱源為中心而完全對稱的，此時，所有4個熱電耦組因感應溫度相同而產生相同的電壓。傳感器的剖面結構，上面是一個空腔氣室，無外力作用時，熱氣團位于正中央。受到外力作用后，熱氣團位置偏移，4個熱電耦組的平衡被破壞，其溫度的下降陡度是以熱源為中心而產生差值。由于自由對流熱場的傳遞性,任何方向的加速度都會

40、擾亂熱場的輪廓,導致其不對稱，此時，4個熱電耦組的輸出電壓會出現差異，而這種差異是直接與所感應的加速度成比例的。在加速度傳感器內部有兩條完全相同的加速度信號傳輸路徑，一條用于測量X軸上所感應的加速度，另一條則用于測量Y軸上所感應的加速度。（加速度為 0）（加速度不為 0）圖3.3基于熱對流效應的加速度傳感器工作原理由ADXL330具有體積小、重量輕、性能穩(wěn)定、成本低等特點，且各方面指標能夠滿足對人體運動加速度信號采集的基本要求，所以在本系統(tǒng)中選擇此芯片作為系統(tǒng)的傳感元件。（2）信號的抗干擾處理人體運動過程中，加速度傳感器所采集的信號除了有效的加速度信號還存在來自外部的其它干攏信號，如果對傳感器

41、的輸出不進行任何處理而直接進行分析應用，顯然無法得到準確的結果，所以必須對傳感器輸出的信號進行相應的降噪處理，以得到正確的加速度信息。由于前述人體運動加速度的頻率一般為020Hz，所以對于高于 20Hz的加速度信號，可視為干擾，為了減小干擾信號的影響，在傳感器的輸出端設計一截止頻率為20Hz的低通濾波器，以去除高頻噪聲18。為了減小加速度傳感器輸出信號在傳遞過程中的衰減，利用電壓跟隨器進行阻抗的匹配，以提高下一級電路的輸入阻抗，如圖3.4所示。圖3.4 利用運算放大器實現電壓跟隨器濾波器分為無源濾波器和有源濾波器兩類，由電阻、電容、電感等無源元件組成的RC、LC濾波器屬于無源濾波器，無源濾波器

42、電路形式簡單，但在信號傳遞過程中會消耗信號的能量，造成輸出信號的衰減。為了避免能量的衰減，本系統(tǒng)采用集成運算放大器NE5532和RC濾波網絡組成巴特沃斯二階有源濾波電路，加快帶寬外傳輸系數的衰減速度，電路如圖4.6所示。（4-1）其中，RFILT=35K，帶寬BW=20Hz，C=0.25uF，實際電路中，可選取 0.22uF的電容值。圖3.5某一軸加速度信號調理電路圖中濾波器的幅頻響應表達式為（4-2）式中,Auf=1+R6/R7，w2=1/RC，（R=R1=R2,C=C4=C5）,Q=1/(3-Auf)此低通濾波器的上限截止頻率為fH=1/（2RC）。令fH=20Hz，則RC=1/（40）。

43、取R=33K，則C=0.24uf，所以電路中R1、R2取值為33K，C4、C5取值為0.22Uf19。3.3信號處理單元設計加速度傳感器輸出的模擬信號經濾波處理后，還要進行模數轉換，以進行數據的處理，A/D轉換環(huán)節(jié)采用從機的控制芯片MSP430單片機內部自帶的8位A/D轉換器。由加速度傳感器ADXL330、信號調理電路與單片機MSP430及相關外圍電路組成信號處理單元，完成對信號的轉換與處理。單片機通過現場總線控制單片機進行信號的采集以及轉換結果的讀取，并將轉換結果以現場總線協(xié)議的方式發(fā)送回PC存儲。采集電路設計如圖3.6所示。圖3.6信號處理單元外圍電路原理圖圖中K1K4主要用于對信號處理單

44、元進行功能設置，與主機I/O口直接相連，主機通過現場總線協(xié)議與單片機的I/O口產生通訊的請求信號。數據處理單元主要完成對信號采集單元所采集到的多路加速度數據進行分析和處理，可以實現系統(tǒng)功能的設定、數據的存儲以及與信號采集單元之間、與上位機之間的通信。數據處理單元的硬件組成主要包括：CPU單元、存儲器擴展電路、輸入輸出電路、通信電路、時鐘電路以及電源電路。3.3.1主控制器的選型MSP430單片機在CIP-51內核和外設方面有幾項關鍵性的改進，提高了整體性能，更易于在最終應用中使用。擴展的中斷系統(tǒng)允許大量的模擬和數字外設獨立于微控制器工作，只在必要時中斷微控制器。一個中斷驅動的系統(tǒng)需要較少的MC

45、U干預，因而有更高的執(zhí)行效率，并使多任務實時系統(tǒng)的實現更加容易。MSP430單片機內部有一個12位SAR ADC和一個27通道單端輸入多路選擇器，該ADC的最大轉換速率為200ksps。ADC系統(tǒng)包含一個可編程的模擬多路選擇器，用于選擇ADC的輸入。端口02可以作為ADC的輸入；另外，片內溫度傳感器的輸出和電源電壓（VDD）也可以作為ADC的輸入。用戶固件可以將ADC置于關斷狀態(tài)或使用突發(fā)模式以節(jié)省功耗。MSP430單片機內部24個I/O引腳，端口引腳被組織為三個8位端口。端口的工作情況與標準8051相似，但有一些改進。每個端口引腳都可以被配置為數字或模擬I/O引腳。被選擇作為數字I/O的引腳

46、還可以被配置為推挽或漏極開路輸出。在標準8051中固定的“弱上拉”可以被單獨或總體禁止，以降低功耗。根據設計要求，MSP430單片機單片機足以滿足控制要求，功耗較低。因此選擇MSP430單片機作為主控制器。3.3.2外圍電路設計為了CPU正常工作，使系統(tǒng)能夠完成其功能要求，需要設計必要的外圍電路。本系統(tǒng)的時鐘電路，如圖3.7所示，圖3.8復位電路為系統(tǒng)提供上電復位及手動復位。圖3.7系統(tǒng)時鐘電路原理圖圖3.8系統(tǒng)復位電路原理圖3.3.3輸入輸出電路系統(tǒng)輸入輸出電路主要用于用戶輸入指令或進行功能設定以及輸出顯示各類相關信息，輸入部分采用按鍵方式，直接接到單片機的I/O口上，共四個功能鍵，分別定義

47、為：設定、增量、減量、確定；輸入部分的電路分別如圖3.9所示。3.9輸入接口原理圖按鍵一端經上拉電阻接至電源，另一端接地，并聯(lián)0.1uF電容起到硬件防抖動的功能，當按鍵被按下時，I/O口檢測為低電平。3.3.4現場總線通信電路設計系統(tǒng)通信部分主要包括數據處理單元與PC的之間的通信。數據處理單元與信號PC遠程之間采用PROFIBUS-PA現場總線的通信方式，如圖3.10所示。圖3.10與上位機通信電路原理圖3.3.5現場總線供電電路設計數據處理單元供電可采用兩種模式，一是采用外部直流電源供電；二是用LM7805穩(wěn)壓芯片對輸入電壓進行穩(wěn)壓，產生5V直流電壓，供給系統(tǒng)中各個單元，如圖3.11所示。圖

48、3.11電源部分原理圖3.3.6現場總線供電分析本文對本質安全現場總線設備的供電方式做了比較,包括隔離供電、集中式供電和總線供電,討論和分析了常用總線供電儀表的能量獲取方式和信號傳輸原理,這為特定場所的現場總線系統(tǒng)供電方案的選擇提供了有益的參考?，F場總線設備的供電可分為總線供電型和非總線供電型?？偩€供電型節(jié)點設備的電源是通過電纜集中供給。其中又分電源獨立供給型集中式供電;電源和信號復合型總線供電。而非總線供電型節(jié)點設備的電源則是由各自獨立的電源供電?？偩€供電的本質安全型儀表，其工作電流和系統(tǒng)中儲能元件的使用都受到了嚴格的限制。非總線供電儀表由于沒有嚴格的功耗限制,其硬件設計相對簡單。非總線供電

49、型在實際使用中一般采用隔離供電的方法, 一般將節(jié)點設備的電源分為工作電源與通訊傳輸電源。節(jié)點工作電源可就地供給，通訊傳輸電源或由本地電源隔離供給或由電纜集中供給。該種方法需增加光電隔離電路，以便將節(jié)點的工作電路和傳輸電路隔離、通訊信號于工作信號相隔離，保證系統(tǒng)的本質安全防爆性能。因通訊傳輸電源的功率要求不高，總線的負載較輕。所以，在本質安全型防爆電源輸出功率允許的條件下，采用隔離供電時，總線上連接的節(jié)點數量較多。集中式供電法就是節(jié)點設備的工作電流和傳輸電源均由總線供給。即工業(yè)現場控制網絡不僅能傳輸通信信息，而且要能夠為現場設備傳輸工作電源。傳輸媒介采用4芯電纜。其中4芯用于向節(jié)點設備供電，采用

50、集中式供電主要是從線纜鋪設和維護方便考慮，總線供電能減少線纜，降低布線成本。其缺點是總線上所接節(jié)點數量小。這是因為本質安全防爆電源的輸出功率受防爆要求限制不能太大,特別是電纜的分布參數和節(jié)點設備中的儲能元件(電感和電容) 將進一步制約本質安全型防爆電源的輸出功率。當需連接節(jié)點數多時,可以采用多條總線并聯(lián)的辦法來解決。圖3.12集中式供電現有符合本質安全要求的現場總線儀表幾乎都采用了總線供電技術，即維持儀表工作的能量全部從傳輸信號的兩根總線上獲取。總線供電設備由于電源本身即取自信號線，所以在構成本質安全的防爆結構時，具有很大的優(yōu)勢。圖3.13總線并聯(lián)法供電具有總線供電能力的現場總線有HART(H

51、ighway Addressable Remote Transducer)、FF(Foundation Fieldbus)、PROFIBUS-PA和LonWorks。根據物理層協(xié)議的不同,其能量提供、獲取方式各不相同。本課題采用PROFIBUS-PA的現場總線供電，PROFIBUS-PA總線的物理層協(xié)議均遵從IEC1158-2標準，數據傳輸采用非直流傳輸的位同步、曼徹斯特編碼協(xié)議(也成H1編碼)，用曼徹斯特編碼傳輸數據時，信號沿從0變到1時發(fā)送二進制“0”，信號沿從1變到0時發(fā)送二進制“1”。數據的發(fā)送采用調節(jié)電流9mA到總線系統(tǒng)的基本電流Ib的方法來實現。這種編碼的特點是信號不會出現長時間的

52、高電平或低電平，且處于高、低電平的時間大體相等。這一點對實現總線供電極為關鍵?？偩€供電電源的電壓范圍為932V，典型連接方法如下圖所示，電源必須通過阻抗器(或使用內置阻抗器的總線專用電源)與總線相接，如圖3.14，使其在不同頻率范圍內具有不同的輸出阻抗。接于電源附近和總線最遠端的兩個終端器，除了用于匹配傳輸線的阻抗外，也是產生電壓信號的重要器件。圖3.14總線供電型拓撲圖現場總線儀表以31.25Kbit/s的速率通過改變其從總線上吸取的電流來發(fā)送信號。發(fā)送儀表的電流變化波形的峰-峰值應在1530mA之間，電流的變化應該能夠在50等效負載上產生0.751.5V峰-峰值的電壓信號。如果取電流峰-峰

53、值20mA，則儀表從總線上吸取的電流將在IQ=10mA之間變化，在信號的低電平狀態(tài)，儀表從總線上吸取的電流可以很小，甚至為0，而不會影響儀表的正常工作。這是由于信號是以曼徹斯特碼的形式輸出的。發(fā)送信號在低電平狀態(tài)的停留時間最多只有2個時鐘周期(64s),在此期間，器件的工作電流可由儀表內部的電容提供，在接下來的高電平狀態(tài),儀表將從總線上吸取IQ=10mA，為電容充電。這個過程與常用的電源電路的整流濾波過程很相似，整流橋輸出的電流是脈動的，但在電容濾波后提供給負載的電流則是連續(xù)的。4系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)的軟件設計主要包括兩個部分：一是信號采集單元程序設計，二是以MSP430為主控制器的數據處理單元程

54、序。由于信號采集單元的每一個傳感器的網絡節(jié)點都是獨立的，分別通過信號調理電路送往單片機完成信號的采集，而所有的網絡節(jié)點受一個主機控制，主機完成對多個從機的管理以及數據的上傳等功能；MSP430單片機的數據處理單元程序主要完對信號采集單元上傳的數據進行處理，并根據運動測量系統(tǒng)的具體應用作出相應的判斷或決策25。4.1信號處理單元程序設計信號采集單元完成加速度信號的采集和模數轉換，PC的作用則是控制從機同步進行信號的采集并匯總所有從機的采集結果上傳至數據處理單元，下面分別介紹信號處理單元的程序設計。信號采集單元通過單片機的開始指令完成相應的采集任務，主要包括啟動信號采集、上傳采集數據、刪除數據的功

55、能。當單片機啟動采集的指令后，將以一定的頻率對加速度計ADXL330輸出的三通道模擬量進行AD轉換，并將結果暫存在片內的RAM中，當接收到PC發(fā)出的上傳指令后，將存儲區(qū)的數據通過現場總線協(xié)議上傳至PC，單片機的主程序及中斷服務程序流程圖如圖4.1所示。系統(tǒng)初始化對傳感器X/Y/Z輸出進行A/D轉換暫存轉換結果存儲區(qū)滿開始地址指針復位NY響應中斷保護斷點命令類型發(fā)送數據設定參數刪除全部數據恢復斷點中斷返回開始圖4.1 單片機對信號采集流程圖單片機程序在運行時，只響應I/O中斷請求，在沒有中斷信號時，以固定的采樣頻率對加速度傳感器輸出的模擬量進行數據采集并存儲，當PC發(fā)出中斷請求時，單片機響應中斷

56、，根據PC的命令類型，進行數據的上傳或其它操作。前面已經介紹，人體在自然運動時其加速度變化頻率一般小于20Hz，根據奈奎斯特采樣定理，有fs2fmax，即系統(tǒng)采樣頻率必須是被測信號成分中最大頻率的兩倍以上，才能正確地復現原始信號，為了更準確地反映出人體運動時肢體被測點的加速度變化，單片機以300Hz的頻率對ADXL330的三路模擬量輸出進行A/D采樣，對于加速度計X、Y、Z每個通道輸出的采樣頻率也就是100Hz。為了保證采樣頻率的穩(wěn)定性，從機采用定時中斷的方式啟動A/D轉換對加速度信號進行采樣。單片機對PC完成匯總和上傳功能，PC根據預設功能可對轉換數據進行實時上傳或定時上傳，功能的預設通過按

57、鍵完成。4.2 數據處理單元程序設計數據處理單元主要完成如下功能：由單片機接收加速度數據后對其進行數字濾波，利用合理的算法對數據進行分析處理得到相關結論；與上位機通信等，其軟件流程圖如圖4.2所示。開始系統(tǒng)初始化采集單元準備好？功能設置？讀入轉換數據數字濾波處理數據處理結論輸出進行相關設置NYNY圖4.2 單片機對數據處理流程圖系統(tǒng)初始化環(huán)節(jié)主要是對MSP430單片機自身以及相關外圍器件進行初始化，保證各環(huán)節(jié)處于正常工作狀態(tài)。完成了系統(tǒng)的初始化之后，查詢等待信號采集單元上傳就緒信號，如超出系統(tǒng)等待時間，系統(tǒng)將嘗試再次與采集單元進行通信，如通信失敗，系統(tǒng)進入待機狀態(tài)。在系統(tǒng)完成了初始化工作后，用戶可通過數據處理單元功能按鍵進行相關的功能、參數設置，系統(tǒng)會保存當前設置，如不對功能進行設置，系統(tǒng)則默認為上一次的設置值。功能、參數的設置主要的意義在于，加速度傳感器可能應用于不同的場合，如動作規(guī)范性判斷、運動速度測量、位移測量等，對于不同的應用場合精度、算法會有不同，所以要進行功能及參數的設置。系統(tǒng)主要可設置的功能包括：（1）空間位移測量；（2）動作規(guī)范性訓練；（3）動作識別。系統(tǒng)參數設置主要是針對系統(tǒng)的靈敏度。數據處理單元的