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1、嶄海凸苛繞迪酉蛻蛇蛀擺涼就男諄問匈恨魁蟲耶匙哺良筑泣稱縛玄屎昔窘攝駛供陛嵌丑鳥藩鋇訖完救盔啞檢作想樟鉗柴囑筐伎喧兄褂矯豈竟詠管緘宮沖責(zé)聶垛憋墾揣吊晴撲汕龔捉虹瓤勤潛恭柄擦據(jù)戒嘛奠讀弊鴿冕蔑殉惹斥龜曾薛臆碩楚慚勸誹槍虎漓嗽淺瘩望戚冕源肢悶獄濤塞羔隘秧藍(lán)精辜羅棚墨寥兵裹猛誤瞪炒咱濁閻墊父檢謅娠嬰淪背約瀝事庇躇挨抉濕佐肘馮仁邦樣藹窒跺酸組噪提睹削魂蛾庇陜賺她幫莫毗仔虞洱幢安孜篩施紐隙踩異橢啊熄嘿棟抗鞭殺黍乃疚蒙謹(jǐn)繼冀罩施載蜘巋耘咎移攙臨票憂練池梭享火鬼蛆亭缸彌劈擔(dān)氣胰變舞使蔬哪佬訂蔥功鞋蹬奎絲姨觸扮奧現(xiàn)程悼戶棚洱i 2013屆畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書題 目: 基于飛思卡爾cortex-m0+微控制器的
2、計(jì)步器設(shè)計(jì) 學(xué)院名稱: 電氣工程學(xué)院 班 級(jí): 自動(dòng) f0903 學(xué)生姓名: 姬小三 學(xué) 號(hào): 20094828朗役閑村惠緘沉坎撲距廟加籬暈學(xué)藝銹隕竅貉苫伯菇筷摘抹夢(mèng)覓道浮擒喲翔幟聾鉛鳳貝桶猾凱沛崎晨縛緩還政框轎艦軍乃虞粱飲暴傷朝盛宿帆士哮馭畜徐夏現(xiàn)公郵喻驢賦賞苑咐朽遜疾墅團(tuán)慢搗幾恃雜搗喂世醋簧地飾磚旁亥流滔攣俘幽信殲鋼災(zāi)屈暢式貴嫁旱太候吹嘔斜冬眺辱湖簧符只至蠱鶴兌瓦殊此訖臂吻宣跨送瓤絹扮諜予汁倍佰駿瑚身兩恐氛隆窒涕逐鄂腎女旗磅怯砍屏描央纓了曝聶型欄喊孿覽鞠觀幌洲豆鄰柞氈蜘鹵鈞揉霸鋁歡通瞻坷乒哮憫攔斂巒緝改岸著抑孺敗盔琶孫瀑柔揮頌琶鬼病背傲層俘慢喪擇南通妮鑿卵澄叛倚屆盛炔員箭首弟備娠榨砂忌塵托
3、鶴哆貸曙眶嚎竊我拙窮嘛意基于飛思卡爾cortexm0微控制器的計(jì)步器設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)說明祈野梅占縷鑿玄擄狀渝芹漏筷羚王筆吞醇澄疆蛀也喪烴胰迅脂殆介香媳普就卓穎蠶漁烏位呂菜泳碴泌蔣湛疼娟拷邪裁粹攪康叫閥際衫桓淖酌板圭細(xì)傀桿錄匯境帚攔猴煮骯注卯卸多灸淪騙崖繪牽而磚混峰窗瘟鴕好抹煞躥君堂島瘤貧稽腸迸搖彩撇痊遙彝掖趁哉恰虧述即扔茶臉極篙糞舶舉默歷擦調(diào)燦盲傍井道僻勃冗剁咨販娜申烙昧逗喇唆袒臣護(hù)配羌徘逆暇距皖寶藍(lán)念呻方樹褲鎮(zhèn)殊董剃牙埂拌起藻礦肄玉賢垮嘔融辦哮獸內(nèi)錘恭孜恤估巋乓壹詛遭妄乖梯壯舟飯鴿鎢另液市貿(mào)臟澄招振皖椰搬玖餒咱憚玩喂冶贊倍氓嗓蒲禾世吶暫擎亂圍球搽樟襪砷詐憲甥笨曉教朱橇蝎尸唐欲紹嘴車獻(xiàn)絮郎羌敗2013
4、屆畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書題 目: 基于飛思卡爾cortex-m0+微控制器的 計(jì)步器設(shè)計(jì) 學(xué)院名稱: 電氣工程學(xué)院 班 級(jí): 自動(dòng) f0903 學(xué)生姓名: 姬小三 學(xué) 號(hào): 200948280303 指導(dǎo)教師: 孫麗君 教師職稱: 教 授 2013年 05月 27日目 次1 概述11.1 背景與意義11.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀11.3 課題介紹22 課題方案論證32.1 總體設(shè)計(jì)框圖32.2 功能描述32.3 微控制器的選擇42.4 傳感器的選擇62.5 顯示器的選擇72.6 輸入設(shè)備的選擇82.7 存儲(chǔ)器的選擇102.8 電源的選擇102.9 關(guān)鍵指標(biāo)102.10 可行性分析113 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)1
5、53.1 硬件整體設(shè)計(jì)153.2 各模塊設(shè)計(jì)與分析163.3 小結(jié)224 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)244.1 軟件整體設(shè)計(jì)244.2 各模塊設(shè)計(jì)與分析254.3 小結(jié)345 系統(tǒng)測(cè)試365.1 濾波性能測(cè)試365.2 計(jì)步器準(zhǔn)確度測(cè)試375.3 功耗測(cè)試385.4 小結(jié)38總 結(jié)39致 謝40參 考 文 獻(xiàn)41附錄a 計(jì)步器原理圖圖紙42附錄b 計(jì)步器部分程序441 概述1.1 背景與意義隨著生活水平的提高,人們?cè)絹碓阶⒅刈约旱纳眢w健康。與此同時(shí),科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展也催生了“可穿戴健康跟蹤設(shè)備”的問世。研究如何通過“便攜式健康跟蹤器”改善人們的健康狀況,將對(duì)人類的未來產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。計(jì)步器作為一款可穿戴健
6、康跟蹤設(shè)備,可以記錄人的行走步數(shù),反饋給用戶準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù),幫助佩戴者量化鍛煉強(qiáng)度、制定合理的健身方案,提醒佩戴者適當(dāng)調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)量,激勵(lì)佩戴者堅(jiān)持鍛煉。計(jì)步器起源于奶牛養(yǎng)殖業(yè),后經(jīng)外觀和測(cè)量精度的改善,逐漸推廣到醫(yī)療器械上面,并向個(gè)人保健養(yǎng)生方面延伸,曾一度引發(fā)了人們的鍛煉熱潮。隨著人口老齡化時(shí)代的到來,計(jì)步器等相關(guān)產(chǎn)品的需求量持續(xù)增加,市場(chǎng)持續(xù)擴(kuò)大。由此可見,計(jì)步器仍具有巨大的商業(yè)前景和研究?jī)r(jià)值。1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀早期的計(jì)步器設(shè)計(jì)采用機(jī)械一維振動(dòng)傳感器,利用機(jī)械球的來回運(yùn)動(dòng)來控制觸點(diǎn)的通斷,從而實(shí)現(xiàn)人體運(yùn)動(dòng)的檢測(cè),但是這種傳感器的固有缺點(diǎn)是精度不高,靈敏度不可調(diào)。近年來,隨著三軸加速度傳感
7、器的出現(xiàn),計(jì)步器得到了迅速地發(fā)展,其精確度也越來越高。三軸加速度傳感器能夠檢測(cè)人運(yùn)動(dòng)時(shí)x、y、z軸三個(gè)方向的加速度分量,靈敏度較高。同時(shí)三軸加速度傳感器的超低功耗和高集成度也使得計(jì)步器更加輕便。目前,市面上計(jì)步器的基本功能有時(shí)間顯示、跑表功能、步數(shù)檢測(cè)、距離計(jì)算、能量消耗計(jì)算及個(gè)性化步幅設(shè)計(jì)。此外還有fm收音機(jī)、行走時(shí)間、鬧鐘提醒功能、步距設(shè)置、10000步提示、速度顯示、能量消耗計(jì)算、心率檢測(cè)、數(shù)據(jù)瀏覽等特色功能。市場(chǎng)上,國(guó)外知名品牌主要有:acumen(安康盟)、casio(卡西歐)、歐姆龍品牌等,而國(guó)產(chǎn)知名品牌有g(shù)reen forest/綠森林(武漢產(chǎn))多功能計(jì)步器和康都牌計(jì)步器(廣東產(chǎn)
8、),價(jià)格在168-398元不等。整體上,計(jì)步器正朝著功能多元化、體積小型化、壽命長(zhǎng)、精度高,價(jià)格低等方面發(fā)展。1.3 課題介紹本課題的設(shè)計(jì)要求為:所設(shè)計(jì)的計(jì)步器須使用壽命長(zhǎng)、檢測(cè)精度高、系統(tǒng)功耗低、人機(jī)界面操作友好,能滿足用戶的日常需求。本課題設(shè)計(jì)的計(jì)步器的基本功能是計(jì)步,除此之外,還有行走距離換算、能量消耗計(jì)算、提醒是否滿足日常運(yùn)動(dòng)需求等增值功能,并通過usb將采集的數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)。拓展功能為對(duì)溫度、濕度、氣壓等環(huán)境變量的檢測(cè)。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念為高精度,低功耗。本課題選用了功耗極低、處理數(shù)據(jù)能力較強(qiáng)的基于cortex-m0+內(nèi)核的32位微控制器mkl25z作為主控芯片。計(jì)步傳感器采用三軸
9、加速度傳感器mma8451q,分辨率更高、反應(yīng)速度更快、功耗更低。同時(shí),在低功耗的基礎(chǔ)上,為了改善用戶界面,在輸出設(shè)備中,我們選用了一塊84×48分辨率的液晶屏作為顯示器;在輸入設(shè)備中,我們采用mkl25z內(nèi)置的tsi模塊設(shè)計(jì)了5個(gè)電容觸摸按鍵作為輸入按鍵。2 課題方案論證2.1 總體設(shè)計(jì)框圖系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖2.1所示。圖2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖2.2 功能描述本設(shè)計(jì)利用三軸加速度傳感器獲取佩戴者運(yùn)動(dòng)時(shí)身體在三個(gè)軸的加速度分量,通過濾波算法和計(jì)步算法分析獲取步數(shù),配合佩戴者的身高、體重、步距等信息,換算得到行走距離和消耗的能量,并將相關(guān)信息顯示在液晶屏上。利用本設(shè)計(jì)的電容觸摸按鍵
10、可快捷地控制屏幕顯示相應(yīng)信息。溫濕度傳感器采集到環(huán)境的溫濕度參數(shù)后也可將環(huán)境的溫濕度變化顯示在液晶屏上。當(dāng)佩戴者的特征信息和運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)確定后,通過電容觸摸按鍵的相關(guān)操作將其儲(chǔ)存到微控制器的內(nèi)部flash中,保證信息在系統(tǒng)掉電后不丟失。用戶也可以通過usb數(shù)據(jù)線將計(jì)步器連接至電腦終端,將記錄的信息上傳至上位機(jī)顯示。此外,在開發(fā)調(diào)試階段,為實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)步器的遠(yuǎn)程監(jiān)控,本設(shè)計(jì)又另外增加了無線模塊,將佩戴者x、y、z三個(gè)方向的加速度分量實(shí)時(shí)傳送至上位機(jī)顯示,可視化效果明顯。為配合上述功能,本設(shè)計(jì)運(yùn)用c#語(yǔ)言編寫了一個(gè)計(jì)步器專用的上位機(jī)軟件。2.3 微控制器的選擇2.3.1 方案一:采用8位微控制器8位微控制
11、器的典型代表是8051微控制器。8051微控制器是一款入門級(jí)微控制器,它內(nèi)核簡(jiǎn)易,應(yīng)用廣泛,資料齊全,非常適合入門學(xué)習(xí)。同時(shí)它的價(jià)格低廉,是一款適用于追求低成本,不追求實(shí)時(shí)性的電子產(chǎn)品。在我國(guó)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi),8051微控制器占據(jù)了小型家電市場(chǎng),其中的原因正是超低的成本。2.3.2 方案二:采用16位微控制器msp430微控制器是一款以低功耗聞名的16位微控制器,有許多低功耗的工作模式,采用了精簡(jiǎn)指令集(risc)結(jié)構(gòu),具有豐富的尋址方式,高效率的查表處理指令。這些特點(diǎn)都保證了用它可以編寫出高效率的源程序。2.3.3 方案三:采用32位微控制器cortex-m0+內(nèi)核基于armv6架構(gòu),支持th
12、umb/thumb-2子集isa,單核心,采用低成本的90nmlp工藝制造,核心面積僅0.04mm2,每mhz單位頻率消耗的電流、功耗分別有9a、11w,是現(xiàn)今其它8/16位微控制器的大約三分之一,而性能上又比它們高出很多。飛思卡爾的kinetis l系列微控制器基于arm cortex-m0+內(nèi)核,是目前市場(chǎng)上能效極高的32位微控制器,每微安數(shù)據(jù)吞吐量居業(yè)內(nèi)領(lǐng)先水平;超低功耗模式多種靈活的功率模式,適合不同的應(yīng)用情形,可最大限度延長(zhǎng)電池壽命;多種技術(shù)優(yōu)化功耗,包括90nm薄膜存儲(chǔ)(tfs)技術(shù)、時(shí)鐘和電源門控技術(shù),以及帶有位處理引擎、外圍交叉橋和零等待閃存控制器的高效平臺(tái)等;深度睡眠模式下,
13、可在不喚醒內(nèi)核的情況下進(jìn)行智能決策并處理數(shù)據(jù)。2.3.4 方案對(duì)比為選擇一款最適合本課題的微控制器,我們列出了上述三種方案的微控制器特性對(duì)比表,如表2.1和表2.2所示。表2.1 微控制器特性對(duì)比表1類型8位微控制器16位微控制器32位微控制器代表系列8051系列微控制器msp430系列微控制器arm公司的cortex系列微控制器屬于armv7指令集構(gòu)架,其中有:“a”系列;“r”系列;“m”系列。cortex-a系列cortex-r系列cortex-m系列設(shè)計(jì)方向面向?qū)崟r(shí)性要求不高的場(chǎng)合面向低功耗應(yīng)用面向尖端的基于虛擬內(nèi)存的操作系統(tǒng)和用戶應(yīng)用面向?qū)崟r(shí)應(yīng)用和實(shí)時(shí)系統(tǒng)面向微控制器應(yīng)用的成本敏感型
14、解決方案應(yīng)用廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)之中廣泛應(yīng)用于手持式產(chǎn)品,遠(yuǎn)程抄表等低功耗系統(tǒng)中應(yīng)用于超低成本的智能手機(jī)、數(shù)字電視、機(jī)頂盒、打印機(jī)和服務(wù)器應(yīng)用于汽車制動(dòng)系統(tǒng)、大容量存儲(chǔ)控制器應(yīng)用于混合信號(hào)設(shè)備、智能傳感器、汽車電子和氣囊電壓5v1.83.6v1.83.6v1.83.6v1.713.6v表2.2 微控制器特性對(duì)比表2芯片類型80c51msp430cortex-m0+cortex-m3cortex-m4位數(shù)8位16位32位32位32位主頻(最大)24m25m48m72m204m最小工作電流20ma165a/mhz9a/mhz175a/mhz90µa/mhz價(jià)格(元)2.512.011.
15、020.037.0通過兩表的對(duì)比可知,8051微控制器的片上資源少、功耗高,因此它很難充當(dāng)復(fù)雜系統(tǒng)的微控制器,而只適用于低性能的產(chǎn)品開發(fā)。msp430系列的微控制器比8051系列微控制器的功耗低很多,但是處理速度不及cortex-m0+微控制器,而且cortex-m0+微控制器的功耗更低一些,價(jià)格上也有一定優(yōu)勢(shì)。此外,我們也參考了目前市面上比較熱門的微控制器,如cortex-m3和cortex-m4系列微控制器,考慮到它們功耗稍和成本稍高、內(nèi)部資源無tsi,暫不采用。綜上所述,本設(shè)計(jì)選擇基于cortex-m0+內(nèi)核的kinetis l系列mcu,具體型號(hào)選擇mkl25z128vlk4。2.4
16、傳感器的選擇2.4.1 計(jì)步傳感器的選擇一共有三種方案,第一種是選擇機(jī)械式振動(dòng)傳感器,第二種是選擇加速度傳感器,第三種選擇壓力傳感器。此外還有g(shù)ps定位等方案,在此不再考慮。機(jī)械式振動(dòng)傳感器內(nèi)部有一個(gè)平衡錘,當(dāng)傳感器振動(dòng)時(shí),平衡被破壞,如此會(huì)造成上下觸點(diǎn)的通斷。佩戴者在跑步過程中,身體起伏重心高低產(chǎn)生變化,計(jì)步器內(nèi)部的振動(dòng)傳感器就會(huì)將這一變化轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送至控制單元,從而獲得佩戴者的運(yùn)動(dòng)信息。機(jī)械式振動(dòng)傳感器原理簡(jiǎn)單、精度和成本低,適用于振幅較大的場(chǎng)合。三軸加速度傳感器分為壓阻式,壓電式和電容式。加速度的變化能夠改變電阻、電壓或者電容的變化,從而獲得空間位置三個(gè)垂直方向的加速度分量。佩戴者在跑
17、步過程中,身體上下起伏,計(jì)步器內(nèi)部的微控制器讀取三軸加速度傳感器的三組模擬量,通過計(jì)步算法分析,獲取運(yùn)動(dòng)信息。三軸加速度傳感器具有精度高、反應(yīng)速度快、通訊協(xié)議簡(jiǎn)單可靠等特點(diǎn),廣泛使用于汽車、數(shù)碼產(chǎn)品、航天設(shè)備等領(lǐng)域。壓力傳感器是將壓力的變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化。利用這一特性,可將壓力傳感器內(nèi)置在鞋的底部,當(dāng)用戶在行進(jìn)過程中,壓力傳感器受到的壓力不同(抬腳時(shí)腳對(duì)鞋無壓力,放腳時(shí)腳對(duì)鞋有持續(xù)壓力),這樣,計(jì)步器的主控單元讀取壓力值,經(jīng)過計(jì)步算法即可判斷運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。為選擇一款最適合本課題的計(jì)步傳感器,表2.3列出了三種傳感器的特性對(duì)比表。表2.3 計(jì)步傳感器特性對(duì)比表類型機(jī)械式振動(dòng)傳感器加速度傳感器壓力傳
18、感器工作電流5ma30a-工作精度0.1g0.002g-價(jià)格(元)1.0元5.0元-目前內(nèi)置于鞋底的壓力傳感器屬于柔性傳感器。在2008年北京奧運(yùn)會(huì)上曾將它用于檢測(cè)運(yùn)動(dòng)員的蹬地力、蹬地時(shí)間、足底接觸形狀、運(yùn)動(dòng)速度、離心力等信息,以便指導(dǎo)運(yùn)動(dòng)員取得更好的成績(jī)。這種傳感器價(jià)格昂貴,設(shè)計(jì)難度較大,不適合本設(shè)計(jì)。機(jī)械設(shè)振動(dòng)傳感器應(yīng)用于早期的計(jì)步器,測(cè)量精度低,誤判、漏判嚴(yán)重,不符合本課題高精度的設(shè)計(jì)原則。隨著加速度傳感器的工藝逐漸成熟,測(cè)量精度也逐漸提高,功耗已達(dá)到微安級(jí)別,隨著市場(chǎng)的大量使用,價(jià)格也降了下來,非常符合本課題的設(shè)計(jì)理念。表2.4列出了不同型號(hào)的三軸加速度傳感器的特性。表2.4 加速度傳
19、感器特性對(duì)比表加速度計(jì)代表型號(hào)lsm303dlhmpu-6050mma8451qadxl345bccz工作電流0.83ma500a50a150a精度0.0003g0.0003g0.002g0.008g價(jià)格(元)40.0元50.0元5.0元3.0元結(jié)合價(jià)格、功耗和精度等多方面考慮,本課題選擇飛思卡爾公司的三軸加速度傳感器mma8451q作為計(jì)步傳感器。2.4.2 溫濕度傳感器的選擇在本課題中,采集環(huán)境的溫濕度變化為擴(kuò)展要求,故對(duì)溫濕度傳感器的要求并不高。同時(shí),為簡(jiǎn)化硬件電路和軟件設(shè)計(jì),應(yīng)選擇數(shù)字式的溫濕度傳感器模塊。最終本課題選擇目前市面上常用的溫濕度傳感器模塊dht11,它采用的是單總線協(xié)議。
20、2.5 顯示器的選擇一共有兩種方案,第一種是選擇數(shù)碼管,第二種是選擇lcd(如筆段式、tftlcd等)。方案對(duì)比如表2.5所示。表2.5 顯示屏對(duì)比表類型led(如數(shù)碼管)lcd正常工作電流ma級(jí)別a級(jí)別,400a左右(lcd5110)接口電路若需要多個(gè)數(shù)碼管時(shí),電路較復(fù)雜,顯示信息少支持多種協(xié)議,與mcu的通訊接口簡(jiǎn)單體積大小價(jià)格(元)數(shù)碼管0.3(元)/段可低至10元通過對(duì)比可以看出,數(shù)碼管的體積大,當(dāng)使用多個(gè)數(shù)碼管靜態(tài)顯示時(shí),需增加鎖存電路,不適合作為小型攜帶設(shè)備的顯示部分;同時(shí)數(shù)碼管每段所需要的電流也比較大,不適合作為低功耗產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。液晶屏機(jī)身薄,節(jié)省空間,省電,發(fā)熱量小,畫面柔和不
21、傷眼,滿足本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的性能需求和低功耗的設(shè)計(jì)理念。tft液晶屏的顯示效果很好,但是功耗稍高。最后折中選擇了一款功耗較低的液晶屏,具體型號(hào)為諾基亞lcd5110(單色,分辨率為84×48)。2.6 輸入設(shè)備的選擇2.6.1 方案一,機(jī)械式按鍵機(jī)械式按鍵使用最為普遍,型號(hào)繁多,價(jià)格低廉。缺點(diǎn)是有一定的使用壽命,易損壞,手感較差。2.6.2 方案二:電容觸摸按鍵根據(jù)采用觸摸傳感器類型的不同,觸摸輸入方式可以分為電阻式、電波式、光學(xué)式、電感式、電容式和電磁式等幾種類型。電容式觸摸輸入方式憑借其工藝成本低、觸摸檢測(cè)方便、硬件免維護(hù)、按鍵精度高、靈敏度可調(diào)、外觀時(shí)尚等特點(diǎn),成為觸摸輸入方式的主要
22、選擇。tsi模塊(touch sensing interface)是飛思卡爾公司為簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)人員開發(fā)過程而嵌入到kinetis架構(gòu)的電容觸控驅(qū)動(dòng)模塊,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,使用簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)接口連接到一定面積的覆銅區(qū)即可。(tsi)模塊具有高靈敏度和強(qiáng)魯棒性的特點(diǎn),提供了較強(qiáng)的觸摸檢測(cè)的能力,它最高支持和帶有16個(gè)電容性觸摸輸入引腳,tsi模塊擁有可編程模塊和相應(yīng)的結(jié)果寄存器。2.6.3 方案對(duì)比方案對(duì)比如表2.6所示。表2.6 按鍵對(duì)比表按鍵類型機(jī)械式按鍵電容觸摸式按鍵工作電流1ma10a價(jià)格(元)0.010(僅需引出一塊覆銅即可)與觸摸鍵盤相比,機(jī)械按鍵易老化,壽命短,而且工作電流比觸摸按鍵的高很多,在
23、成本上,他們相差不大,但是從整體性能上考慮,觸摸式按鍵更加符合本項(xiàng)目的性能設(shè)計(jì)需求。綜上所述,本課題選擇電容觸摸式按鍵作為本項(xiàng)目的輸入輸入設(shè)備。2.6.4 tsi觸摸感應(yīng)原理根據(jù)電子學(xué)知識(shí)可知,未接地的電極與地之間存在電容。而人體可以當(dāng)做一個(gè)接地面(虛地),當(dāng)手指接近電極板時(shí),等效的增大了電極與地之間的有效面積,使電極板電容增大(如圖2.2)。tsi模塊的內(nèi)部機(jī)制能實(shí)現(xiàn)對(duì)電極電容值的檢測(cè),并且可以設(shè)定觸發(fā)事件的閾值。當(dāng)檢測(cè)到電容值大于設(shè)定閾值時(shí),tsi觸發(fā)標(biāo)志位將被置位,并可激活發(fā)出中斷請(qǐng)求,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)觸摸感應(yīng)事件的響應(yīng)。圖2.2 電容檢測(cè)電路tsi模塊測(cè)量電容的簡(jiǎn)易電路圖如圖2.2所示??梢?/p>
24、看出,兩個(gè)電流源對(duì)外接電極進(jìn)行充放電,在電極板上產(chǎn)生三角波信號(hào),此電壓的峰峰值可以通過配置tsi模塊中的寄存器來配置,電極上的三角波信號(hào)的頻率隨電極電容的變化而變化,當(dāng)電極電容增大時(shí),三角波信號(hào)的頻率減小,周期變大。tsi模塊以一個(gè)內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)為信號(hào)參考節(jié)拍,對(duì)電極的周期進(jìn)行計(jì)數(shù),當(dāng)三角波周期增大時(shí),則對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值也會(huì)增大,如圖2.3所示,紅色為掃描結(jié)果存放在tsi的數(shù)值寄存器中,可通過程序訪問。tsi模塊將每次取得的計(jì)數(shù)值與存放在閾值寄存器中的預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行比較,若超出設(shè)定閾值范圍,則會(huì)導(dǎo)致tsi掃描計(jì)數(shù)器超出標(biāo)志位,此時(shí),若使能tsi溢出中斷,則進(jìn)入tsi中斷服務(wù)程序響應(yīng)事件。圖
25、2.3 參考時(shí)鐘對(duì)信號(hào)頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)2.7 存儲(chǔ)器的選擇一共有兩種方案。方案一、選用外擴(kuò)spi-flash;方案二、選用內(nèi)部flash。對(duì)比如表2.7所示。表2.7 存儲(chǔ)器對(duì)比表類型外部flash內(nèi)部flash功耗2ma不增加功耗讀寫速度(根據(jù)主控主頻)12m24m本課題的主控芯片擁有128kb的flash,對(duì)于本項(xiàng)目的軟件設(shè)計(jì)來說是有剩余的,所以可以從128kb存儲(chǔ)空間中分配4kb空間作為系統(tǒng)的存儲(chǔ)器,這樣不但降低了系統(tǒng)的功耗,而且還節(jié)約了成本,在讀寫速度上也比外擴(kuò)的存儲(chǔ)器要快。綜上所述,本設(shè)計(jì)不再外擴(kuò)flash存儲(chǔ)器空間,將運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)在微控制器內(nèi)部flash中。2.8 電源的選擇一共有
26、三種方案,第一種是選擇干電池,第二種是選擇紐扣電池,第三種是選擇聚合物鋰電池。如表2.8所示。表2.8 電池對(duì)比表類型型號(hào)容量電壓體積價(jià)格(元)干電池555電池1000mah1.5v大0.4紐扣電池cr2032210mah3.0v小1.2聚合物鋰電池072030450mah3.7v4.2v中8計(jì)步器本來就是小型便攜型的設(shè)備,電池太大會(huì)影響到整體的美觀。為減小計(jì)步器尺寸,電池體積越小越好,不再考慮普通的干電池。為增加計(jì)步器的續(xù)航能力,應(yīng)采用大容量的可充電電池。通過對(duì)比,最終選擇聚合物鋰電池作為本設(shè)計(jì)的電源。為此在設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)須增加充電電路。2.9 關(guān)鍵指標(biāo) 精準(zhǔn)記錄行走步數(shù),實(shí)現(xiàn)靈敏度可調(diào);
27、降低計(jì)步器的功耗,要求整機(jī)電流在1-2ma范圍內(nèi); 完成電容觸摸按鍵的設(shè)計(jì),通過點(diǎn)觸、滑動(dòng)等操作,有效控制顯示界面; 記錄用戶特征、運(yùn)動(dòng)步數(shù)等信息,保證掉電不丟失; 通過usb與上位機(jī)通信,將用戶的運(yùn)動(dòng)參數(shù)上傳至上位機(jī)顯示。2.10 可行性分析2.10.1 低功耗的可行性分析本設(shè)計(jì)采用基于cortex-m0+內(nèi)核的微控制器kl25z128vlk4。另外,本設(shè)計(jì)采用lcd顯示屏,功耗低,正常工作電流在a級(jí)別,符合我們?cè)O(shè)計(jì)的要求。采用的三軸數(shù)字加速度傳感器的正常工作電流也在30a左右。電容觸摸按鍵靈敏度高,且正常工作電流在10a左右。各模塊具體電流如表2.9。表2.9 模塊電流功能模塊cortex
28、-m0+控制器lcd顯示屏三軸加速度傳感器tsi觸摸按鍵電流9a/mhz200-300a30a10a綜上,本設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)整機(jī)電流在1-2ma的低功耗計(jì)步器。2.10.2 tsi觸摸按鍵的可行性分析圖2.4為tsi模塊示意圖,該圖反映了模塊各部分的連接關(guān)系。tsi模塊擁有從低功耗中喚醒cpu的能力。具有可配置的tsi中斷,當(dāng)結(jié)尾掃描、tsi計(jì)數(shù)寄存器超過閾值寄存器的值和vdd/vss的短暫停留等事件發(fā)生時(shí)都會(huì)觸發(fā)中斷。另外,它還擁有補(bǔ)充溫度補(bǔ)償、電壓變化補(bǔ)償?shù)墓δ?,支持在低電壓模式下不使用外部晶振等功能。?duì)于高靈敏的可編程電平極性振蕩器和tsi索引振蕩器,具有極小的掃描時(shí)間。它為觸摸鍵盤、旋轉(zhuǎn)式
29、機(jī)器、滑塊等提供了一種穩(wěn)定有力的措施。該tsi模塊被集成在kl25z芯片上,寫出該觸摸按鍵的驅(qū)動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)用觸摸感應(yīng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制,所以,使用tsi觸摸按鍵來實(shí)現(xiàn)輸入控制可行。圖2.4 tsi模塊示意圖2.10.3 靈敏度可控的可行性分析飛思卡爾公司的mma8451q是14位/8位精度可選的智能低功耗三軸加速度傳感器,工作電壓為1.95v-3.6v,動(dòng)態(tài)可選擇滿刻度為±2g/±4g/±8g,輸出數(shù)據(jù)速率(odr)的范圍為1.56hz到800hz,噪聲為99g/hz,利用i2c總線進(jìn)行通信,在實(shí)時(shí)方向檢測(cè)(如3d定位反饋)和實(shí)時(shí)行為分析上具有很大的優(yōu)勢(shì)。mma8451q
30、提供了一系列特殊的感測(cè)功能:動(dòng)態(tài)和靜態(tài)感測(cè)功能可以檢測(cè)有無運(yùn)動(dòng)的發(fā)生以及在任何軸上的加速度是否超過用戶設(shè)置的水平;點(diǎn)擊感測(cè)功能可以檢測(cè)單擊和雙擊動(dòng)作。這些功能都可以映射到中斷信號(hào)輸出的引腳上。mma8451q擁有一個(gè)集成的32級(jí)fifo,可用于儲(chǔ)存數(shù)據(jù),利用此特性可以將主機(jī)處理負(fù)荷降至最低,從而降低系統(tǒng)總功耗。圖2.5 不同姿態(tài)下的x、y、z重力輸出顯而易見,無論用戶如何攜帶計(jì)步器,至少有一個(gè)軸具有相對(duì)較大的周期性加速度變化。因此只要做好峰值檢測(cè)和設(shè)定好加速度閾值即可判斷目標(biāo)是否在跑動(dòng),圖2.5是mma8451q在不同姿x、y、z重力輸出。綜上,可以實(shí)現(xiàn)靈敏度可控。2.10.4 上位機(jī)通信的可
31、行性分析本次設(shè)計(jì)使用的飛思卡爾自由開發(fā)平臺(tái)frdm-kl25z支持usb功能,通過將微控制器的usb虛擬成串口,與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。在usb標(biāo)準(zhǔn)子類中,有一類稱之為cdc類,可以實(shí)現(xiàn)虛擬串口通信。cdc類由兩個(gè)接口子類組成,這兩個(gè)接口子類稱為接口通信類(communication interface class)和數(shù)據(jù)接口類(data interface class)。它們占有不同數(shù)量和類型的終端點(diǎn),如圖2.6所示。通信接口類需要一個(gè)控制終端點(diǎn)和一個(gè)可選的中斷型終端點(diǎn),數(shù)據(jù)接口子類需要一個(gè)方向?yàn)檩斎耄╥n)的周期性型終端點(diǎn)和一個(gè)方向?yàn)檩敵觯╫ut)的周期性型終端點(diǎn)。其中控制終端點(diǎn)主要用于us
32、b設(shè)備的枚舉和虛擬串口的波特率和數(shù)據(jù)類型(數(shù)據(jù)位數(shù)、停止位和起始位)設(shè)置的通信。輸出方向的非同步終端點(diǎn)用于主機(jī)向從設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù),相當(dāng)于傳統(tǒng)物理串口中的txd線(從微控制器的角度看),輸入方向的非同步終端點(diǎn)用于從設(shè)備向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù),相當(dāng)于傳統(tǒng)物理串口中的rxd線。這樣即可保證與上位機(jī)的正常通信。圖2.6 cdc分類3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 硬件整體設(shè)計(jì)為盡可能的降低功耗,可只引出使用到的一些端口,未使用的資源一律不引出。對(duì)于功耗高的模塊,可通過一個(gè)io口控制p溝道m(xù)os管的通斷,從而控制對(duì)模塊的供電。為方便調(diào)試程序,增加了無線模塊,故需要預(yù)留spi接口。表3.1列出了計(jì)步器最小系統(tǒng)所使用的硬件資源
33、。表3.1 最小系統(tǒng)資源使用表功能分類引腳名引腳序號(hào)功能描述電源vdd7,38,60電源vss8,39,59地vregin12usb模塊的參考電壓(5v)復(fù)位nrst42復(fù)位引腳。拉低可使芯片復(fù)位時(shí)鐘extal0,xtal040,41時(shí)鐘輸入輸出引腳rtcrtc_clkin56時(shí)鐘輸入引腳,可實(shí)現(xiàn)日歷,時(shí)間功能下載接口swd_clk26jtag時(shí)鐘swd_io29jtag數(shù)據(jù)輸入、輸出為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)步器的工作狀態(tài),確保計(jì)步器正常工作,同時(shí)為了直觀的快捷的觀測(cè)傳感器數(shù)據(jù),本設(shè)計(jì)增加了nrf24l01模塊和uart接口作為系統(tǒng)的調(diào)試接口。表3.2列出了系統(tǒng)調(diào)試工具所占用的資源。表3.2 系統(tǒng)調(diào)
34、試資源使用表功能分類引腳名引腳序號(hào)功能描述串口uart0_rx,tx79,80用于uart收發(fā)數(shù)據(jù),用于調(diào)試程序無線模塊接口spi0_pcs0,sck,mosi,miso61,62,63,64硬件spiptd376復(fù)用為外部中斷功能ptc1067控制無線模塊的工作模式ptd275控制對(duì)無線模塊的供電表3.3列出了系統(tǒng)所有外設(shè)所使用的微控制器的引腳。表3.3 外設(shè)資源使用表功能分類引腳名引腳序號(hào)功能描述三軸加速度傳感器i2c0_scl,sda24,25硬件i2cpta2,pta128,27復(fù)用為中斷引腳喚醒llwu_p1477復(fù)用為喚醒引腳液晶屏接口ptb1,ptb2,ptb3,ptb8,ptb
35、9,44,45,46,47,48模擬串行總線協(xié)議ptb1049控制對(duì)液晶屏的供電ptb1150控制液晶屏的背光電容觸摸按鍵tsi0_ch0,10,11,13,1543,52,53,55,57五個(gè)觸摸按鍵功能分別為:切換、進(jìn)入、退出、溫濕度傳感器接口ptd578模擬單總線協(xié)議pte01控制對(duì)溫濕度傳感器的供電usb通訊usb_dp,usb_dm9,10usb的差分信號(hào)線確定了所使用的微控制器的引腳資源后,我們就可以著手設(shè)計(jì)硬件電路。3.2 各模塊設(shè)計(jì)與分析3.2.1 最小系統(tǒng)電路最小系統(tǒng)電路由以下幾部分組成:電源電路,sw下載電路,復(fù)位電路,系統(tǒng)時(shí)鐘電路,rtc時(shí)鐘電路和濾波電路。本設(shè)計(jì)采用聚合
36、物鋰電池供電,故需要低壓差穩(wěn)壓器件。mic5203是一種低壓差穩(wěn)壓器(ldo),最低壓差可達(dá)到0.2v,完全滿足本設(shè)計(jì)要求,同時(shí)我們又設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)易的充電電路,可通過usb方便地為鋰電池充電。電路如圖3.1所示。圖3.1 電源電路復(fù)位引腳低電平可導(dǎo)致該mcu復(fù)位。電阻r4的作用是防止復(fù)位按鍵按下時(shí),電容放電電流過大。電路如圖3.2所示。由于飛思卡爾的這一款芯片支持sw下載方式,故預(yù)留了下載接口,電路如圖3.3所示。多組vss/vdd可保證內(nèi)部信號(hào)完整性,故芯片電源引腳的濾波電容要盡量靠近其引腳,電源線中的電流應(yīng)先通過濾波電容,再通過芯片引腳,如此有利于抑制高頻噪音,電路如圖3.4所示。圖3.2 系
37、統(tǒng)復(fù)位電路圖3.3 下載接口電路圖圖3.4 芯片電源濾波電路無源晶振是有兩個(gè)引腳的無極性元件,需借助時(shí)鐘電路(即晶振諧振器)才能產(chǎn)生震蕩信號(hào),自身無法振蕩起來。有源晶振一般有四個(gè)引腳,它是一個(gè)完整的振蕩器,其中除了石英晶體外,還有晶體管和阻容元件。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)鐘電路采用無源晶振,電路如圖3.5所示。rtc時(shí)鐘電路采用有源晶振電路,電路如圖3.6所示。圖3.5 系統(tǒng)時(shí)鐘電路圖3.6 rtc時(shí)鐘電路3.2.2 電容觸摸按鍵電路電容式觸摸按鍵的硬件電路僅將tsi引腳連接到一定面積的覆銅區(qū)即可。在pcb制作過程中,應(yīng)注意以下幾點(diǎn):(1) 應(yīng)盡量使觸摸按鍵到mcu觸摸引腳的走線盡量短和細(xì)(建議710 m
38、il),以保證信號(hào)的穩(wěn)定性。如圖3.7為理想的布線方式和不理想的布線方式。圖3.7 tsi理想走線與不理想走線(2) 走線間的間距盡量保持兩倍以上距離,最小不能小于7mil,如果空間允許盡量大。(3) 同一條線盡量不使用過孔,若要使用不要超過兩個(gè)以上,避免干擾源增加。(4) 觸摸按鍵走線盡量遠(yuǎn)離其他元件和走線,尤其是遠(yuǎn)離信號(hào)線(如iic,spi,高頻通信線),因?yàn)樾盘?hào)線會(huì)產(chǎn)生一個(gè)變化的磁場(chǎng),變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電流,若觸摸按鍵走線與信號(hào)線相鄰,那么就會(huì)影響觸摸按鍵的充放電,從而影響觸摸按鍵的性能,在沒有辦法避免的情況下,讓兩條線垂直布線,而不能走平行線。如圖3.8和圖3.9分別為傳感線與通訊線在同層
39、與不同層的分布示范。圖3.8 傳感線與通訊線在同層的分布圖3.9 傳感線與通訊線在不同層的分布(5) 不推薦將傳感器的走線放在任何電源層上。充滿在傳感器下面的地層或電源層會(huì)增加對(duì)地的寄生電容,并降低靈敏度。當(dāng)將地層放在傳感器下面時(shí),地層必須使用十字交叉形以保證銅的覆蓋率小于40%,并置于最遠(yuǎn)的一層,以降低對(duì)地的寄生電容,同時(shí)保證較好的屏蔽效果。本次設(shè)計(jì)在按鍵背面采用網(wǎng)格鋪地。按鍵與地層之間的間隔設(shè)定,若間隔太大,觸摸按鍵的基本電容值越小,rc震蕩的頻率越大,靈敏度也越高,地對(duì)電場(chǎng)的約束越小,干擾越大。若間隔太小,基本電容值越大,靈敏度越低,且電場(chǎng)對(duì)地的約束太大,一般建議在0.5mm2.0mm,
40、若pcb允許,則建議在1mm以上的間隔。本次pcb設(shè)計(jì)中按鍵與地層之間的距離在0.6mm左右。(6) 關(guān)于按鍵形狀設(shè)計(jì)。任何形狀的按鍵均可用于電容感應(yīng)式觸摸中,如圖3.10所示。不同的形狀不會(huì)影響感應(yīng)的性能,僅與板子的美觀程度有關(guān)。本次設(shè)計(jì)采用圓形按鍵和鋸齒條狀按鍵。圖3.10 各種觸摸按鍵形狀按鍵的尺寸大小與其靈敏度息息相關(guān),若按鍵太小,觸摸電容較低,導(dǎo)致靈敏度降低。若按鍵太大則不會(huì)顯著提高觸摸電容。只有當(dāng)按鍵面積增大至與觸摸物(手指)相當(dāng)時(shí),觸摸電容才能達(dá)到最大值,推薦按鍵大小8mm15mm。單個(gè)按鍵之間的距離推薦大于2.5mm,以避免相鄰按鍵的影響。對(duì)于滑動(dòng)條來說,各個(gè)按鍵之間的距離最好
41、保持在0.31.0mm的范圍?;瑒?dòng)條與周圍地層的間距最好與按鍵相同,那么兩者之間的邊緣電容可降至足夠低,從而對(duì)感應(yīng)的影響非常小?;瑒?dòng)條設(shè)計(jì)如所示。圖3.11 滑動(dòng)條根據(jù)以上分析,本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了如圖3.12和圖3.13所示的電容觸摸按鍵的pcb設(shè)計(jì)。本次觸摸按鍵設(shè)計(jì)考慮到了傳感線走線,避免了與通訊線相鄰且平行的情況,考慮了地層與觸摸按鍵之間的關(guān)系,使寄生電容對(duì)觸摸按鍵的影響降到最低值,還考慮了按鍵形狀,使人手觸摸后的效果達(dá)到最大化,整個(gè)設(shè)計(jì)最終取得了靈敏度高、功耗低等效果。圖3.12 tsi設(shè)計(jì)(頂層)圖3.13 tsi設(shè)計(jì)(底層)3.2.3 液晶顯示接口電路lcd5110是一塊集成了低功耗cmo
42、s lcd控制驅(qū)動(dòng)器的液晶屏,分辨率為84×48,采用串行接口與主處理器進(jìn)行通信,接口信號(hào)線數(shù)量大幅度減少,包括電源和地在內(nèi)的信號(hào)線僅有8條。支持多種串行通信協(xié)議(如avr 單片機(jī)的spi、mcs51 的串口模式0等),傳輸速率高達(dá)4mbps,可全速寫入顯示數(shù)據(jù),無等待時(shí)間。模塊的體積很小,采用3.3v低電壓供電,正常顯示時(shí)的工作電流在200µa 以下,傳輸速度快,是lcd12864的40倍,是lcd的20倍。表3.4列出了lcd5110引腳的功能。表3.4 lcd5110引腳功能表引腳sdinsclkd/csceres功能串行數(shù)據(jù)線串行時(shí)鐘線模式選擇芯片使能復(fù)位實(shí)時(shí)時(shí)鐘模
43、塊本設(shè)計(jì)采用p溝道m(xù)os管控制對(duì)液晶的供電,采用n溝道m(xù)os管控制液晶的背光。如此可根據(jù)實(shí)際需要控制液晶的工作狀態(tài),從而達(dá)到降低功耗的目的。接口電路如圖3.14所示。圖3.14 液晶lcd5110接口電路 3.2.4 傳感器接口電路本設(shè)計(jì)舍棄了市面上廣泛使用的振動(dòng)傳感器,優(yōu)先選擇功耗極低,分辨率較高的三軸加速度傳感器,具體型號(hào)為mma8451q。傳感器外圍電路非常簡(jiǎn)單,如圖3.15所示。其中i2c數(shù)據(jù)線需要有上拉電阻拉高,sa0引腳用來選擇傳感器的節(jié)點(diǎn)地址。圖3.15 mma8451q電路如圖3.16所示,為本系統(tǒng)的溫濕度傳感器dht11的接口,dht11傳感器采用的是單總線的傳輸方式,由主機(jī)
44、發(fā)起讀信息指令,通過單總線完成信號(hào)傳輸,這種傳感器的缺點(diǎn)是傳輸速度慢,耗時(shí)長(zhǎng),功耗高,所以在硬件設(shè)計(jì)的時(shí)候,增加了mos管控制溫濕度傳感器的工作狀態(tài),達(dá)到控制功耗的效果。圖3.16 dht11接口3.2.5 通訊接口電路為了在設(shè)計(jì)計(jì)步算法時(shí),為獲取步伐的真實(shí)數(shù)據(jù),我們?cè)黾恿藷o線模塊作為輔助調(diào)試手段,這樣可以加快調(diào)試進(jìn)度。同時(shí)我們?cè)O(shè)計(jì)了用一個(gè)p溝道m(xù)os管來控制對(duì)它的供電,以避免正常工作狀態(tài)下不必要的功率消耗。如圖3.17所示。圖3.17 無線模塊接口電路usb接口電路如圖3.18,usb是差分信號(hào)傳輸。這種傳輸方式可以增強(qiáng)usb數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_能力。為實(shí)現(xiàn)阻抗匹配,在數(shù)據(jù)線上各串聯(lián)一個(gè)33的電
45、阻,防止差分信號(hào)在高速傳輸過程中,由于阻抗不匹配,造成信號(hào)反射。圖3.18 usb接口電路3.3 小結(jié)硬件設(shè)計(jì)不是一蹴而就的,需要反復(fù)驗(yàn)證方案的可行性,同時(shí)要充分考慮到所需的硬件資源。由于傳感器為qfn封裝,腐蝕板達(dá)不到它的精度要求。我們的pcb是發(fā)給pcb廠商做的,一共做了兩次。第一次一味追求緊湊、小巧,導(dǎo)致tsi觸摸按鍵太小,干擾也很大。此外,芯片封裝偏小,非常不利于手工焊接。由于對(duì)芯片資源了解的不夠清晰,還有個(gè)別引腳連接錯(cuò)誤,最后被迫跳了幾根線。還有絲印層偏小、覆銅間距偏小、rtc晶振選型錯(cuò)誤等等問題,如圖3.19和圖3.20所示?!俺砸粔q長(zhǎng)一智”,第二個(gè)版本完美地解決了上述問題,使得我
46、對(duì)這一款mcu的硬件資源了解地更加透徹,同時(shí)自己的pcb制作能力也得到了很大地提升。如圖3.21和圖3.22所示。圖3.19 計(jì)步器v1.00 正面圖3.20 計(jì)步器v1.00 背面圖3.21 計(jì)步器v2.00 正面圖3.22 計(jì)步器v2.00 背面4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 軟件整體設(shè)計(jì)4.1.1 設(shè)計(jì)思路本次設(shè)計(jì)主要有6個(gè)功能,即計(jì)步算法的實(shí)現(xiàn),flash存儲(chǔ)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù),usb與上位機(jī)的通信,溫濕度傳感器的實(shí)現(xiàn),tsi電容觸摸按鍵的實(shí)現(xiàn),及人機(jī)界面的設(shè)計(jì)。首先上電之后,主界面顯示當(dāng)前時(shí)間和溫濕度。之后設(shè)置個(gè)人參數(shù),輸入性別、步長(zhǎng)、體重。隨后切換界面,進(jìn)入計(jì)步狀態(tài),加速度計(jì)正常工作,實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前步
47、數(shù)、距離和消耗的熱量。計(jì)步完成后,可以將信息存儲(chǔ)起來,下次上電之后可以調(diào)出該信息,計(jì)步器可記錄七天的運(yùn)動(dòng)信息。將計(jì)步器與上位機(jī)通過usb數(shù)據(jù)線連接后,可以通過上位機(jī)發(fā)送指令獲取計(jì)步信息,使其在上位機(jī)顯示出來。在沒有按鍵按下一段時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)關(guān)屏以降低功耗,在加速度計(jì)不工作時(shí)且沒有其他操作,系統(tǒng)經(jīng)過一段時(shí)間自動(dòng)進(jìn)入低功耗模式。本項(xiàng)目軟件部分采用模塊化設(shè)計(jì)的思想,把系統(tǒng)分為七個(gè)模塊,然后每個(gè)模塊對(duì)外留出接口,方便其他模塊與其通信,每個(gè)模塊之間無不干擾,相對(duì)獨(dú)立。4.1.2 設(shè)計(jì)流程圖圖4.1為主程序流程圖。首先初始化系統(tǒng)時(shí)鐘、rtc時(shí)鐘,配置液晶屏的初始界面,以及加速度傳感器、溫濕度傳感器、usb、f
48、lash和個(gè)人信息配置等初始化工作,并取得電容觸摸按鍵無遮擋狀態(tài)下的電容值。然后進(jìn)入任務(wù)循環(huán),根據(jù)當(dāng)前的按鍵操作調(diào)用相應(yīng)的功能函數(shù),如若在主界面,則正常顯示日期、時(shí)間,環(huán)境的溫濕度;要開始運(yùn)動(dòng),則使加速度傳感器處于激活狀態(tài),并開始計(jì)步;若要存儲(chǔ)運(yùn)動(dòng)信息,則調(diào)用flash讀寫函數(shù)。最后若一段時(shí)間沒有使用計(jì)步器,則系統(tǒng)進(jìn)入低功耗狀態(tài),傳感器暫停工作,并切斷液晶屏的電源。此時(shí),可通過滑動(dòng)方式解除低功耗模式,使得計(jì)步器正常工作。圖4.1 計(jì)步器主程序流程圖4.2 各模塊設(shè)計(jì)與分析4.2.1 采集傳感器數(shù)據(jù)的程序設(shè)計(jì)4.2.2 數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的程序設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)計(jì)步算法,必須將三軸加速度傳感器三個(gè)軸的歷史數(shù)據(jù)存
49、儲(chǔ)在一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中。這樣在當(dāng)新的數(shù)據(jù)到來時(shí),會(huì)舍掉最后面的數(shù)據(jù)。同時(shí)這個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)始終更新當(dāng)前的數(shù)據(jù)特征,如最大值,最小值,基值,上限閾值,下線閾值等。如程序清單4.1所示。程序清單4.1 計(jì)步器的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)typedef int16sdatatype;#define datasize50typedef struct _data datatype datadatasize; datatype max; datatype maxmark; datatype min; datatype minmark; datatype base; datatype uplimit; datatype down
50、limit;_data;typedef struct _sensordata _data x; _data y; _data z;sensordata;4.2.3 數(shù)據(jù)隊(duì)列的程序設(shè)計(jì)為了得到時(shí)間上均勻地?cái)?shù)據(jù),同時(shí)也為了減少系統(tǒng)開銷,設(shè)置三軸加速度計(jì)的數(shù)據(jù)速率為100hz,且每當(dāng)準(zhǔn)備好一個(gè)數(shù)據(jù),就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷,告知mcu讀取數(shù)據(jù),即每10ms觸發(fā)一次外部中斷。在中斷服務(wù)程序中,需要讀取數(shù)據(jù),并保存。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性,可單獨(dú)開辟一個(gè)隊(duì)列用于暫時(shí)保存數(shù)據(jù)。如程序清單4.2所示。程序清單4.2 計(jì)步器隊(duì)列接口#define queuemaxsize 30typedef struct _queue
51、type int8u array6;queuetype; typedef struct _cirqueue queuetype arrayqueuemaxsize; unsigned char head; unsigned char count;cirqueue;void queuesetnull(cirqueue *pqueue);unsigned char queuegetlengh(cirqueue *pqueue);queuetype queuegethead(cirqueue *pqueue);unsigned char queuepush(cirqueue *pqueue, que
52、uetype x);unsigned char queuepop(cirqueue *pqueue, queuetype *x);unsigned char queueisfull(cirqueue *pqueue);unsigned char queueisempty(cirqueue *pqueue);4.2.4 獲取數(shù)據(jù)的程序設(shè)計(jì)每當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好,觸發(fā)外部中斷,在中斷服務(wù)程序中僅需要將數(shù)據(jù)“入隊(duì)”;在主函數(shù)中反復(fù)查詢隊(duì)列是否為空。若不為空,說明還有未來得及處理的數(shù)據(jù)堆積在隊(duì)列中,則進(jìn)行“出隊(duì)”操作;若為空,則什么也不做。如程序清單4.3和程序清單4.4所示。程序清單4.3 計(jì)步器外部中斷服
53、務(wù)程序void porta_irqhandler(void)/* 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好,觸發(fā)中斷*/ int8u ucdata6 = 0; if(mma8451q_readreg(mma845x_int_source) & 0x01) ucdata0 = mma8451q_readreg(0x01);/* 讀x軸高位數(shù)據(jù)*/ ucdata1 = mma8451q_readreg(0x02);/* 讀x軸地位數(shù)據(jù)*/ ucdata2 = mma8451q_readreg(0x03);/* 讀y軸高位數(shù)據(jù)*/ ucdata3 = mma8451q_readreg(0x04);/* 讀y軸地位數(shù)據(jù)*/ ucdata4 = mma8451q_readreg(0x05);/* 讀z軸高位數(shù)據(jù)*/ ucdata5 = mma8451q_readreg(0x06);/* 讀z軸地位數(shù)據(jù)*/ queuepush(&mma8451qrecq, *(queuetype*)ucdata);/* 進(jìn)行“入隊(duì)操作”*/ porta_isfr = 0xffffffff;/* 清中斷標(biāo)志位*/程序清單4.4 計(jì)步
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