全功能計(jì)步器設(shè)計(jì)

1、伐。MEMS慣性傳感器可以更準(zhǔn)確地檢測步伐，誤檢率更低。 寸和低功耗的特點(diǎn)，因此越來越多的便攜式消費(fèi)電子設(shè)備開始集成計(jì)步器功能,等。ADI公司的3軸加速度計(jì) ADXL335, ADXL345這種應(yīng)用。和ADXL346小巧纖薄，功耗極低，非常適合FORWARD ERECTION (ROLL-AXJSJ全功能計(jì)步器設(shè)計(jì)簡介計(jì)步器是一種頗受歡迎的日常鍛煉進(jìn)度監(jiān)控器，可以激勵人們挑戰(zhàn)自己，增強(qiáng)體質(zhì)，幫助瘦身。早期 設(shè)計(jì)利用加重的機(jī)械開關(guān)檢測步伐，并帶有一個簡單的計(jì)數(shù)器。晃動這些裝置時，可以聽到有一個金 屬球來回滑動，或者一個擺錘左右擺動敲擊擋塊。如今，先進(jìn)的計(jì)步器利用 MEMS （微機(jī)電系統(tǒng)）慣性傳感

2、器和復(fù)雜的軟件來精確檢測真實(shí)的步 MEMS慣性傳感器具有低成本、小尺 如音樂播放器和手機(jī)VERTICAL a RECTI ON(YAWXIS)«i40SIDE DIRECTION(PITCH-AKIS)本文以對步伐特征的研究為基礎(chǔ)，描述一個采用圖1.各軸的定義讓我們考慮步行的特性。圖2描繪了一個步伐，我們將其定義為單位步行周期，圖中顯示了步 行周期各階段與豎向和前向加速度變化之間的關(guān)系。圖3顯示了與一名跑步者的豎向、前向和側(cè)向加速度相對應(yīng)的X、y和z軸測量結(jié)果的典型圖樣。無論如何穿戴計(jì)步器，總有至少一個軸具有相對較大的周期性加速度變化，因此峰值檢測和針對 所有三個軸上的加速度的動態(tài)閾

3、值決策算法對于檢測單位步行或跑步周期至關(guān)重要。-4SAMPLE3 3 卞 O 一旦 ZOLL<5riou<71«1圖3.從一名跑步者測得的x、y和z軸加速度的典型圖樣算法步伐參數(shù)數(shù)字濾波器：首先，為使圖3所示的信號波形變得平滑，需要一個數(shù)字濾波器?？梢允褂盟膫€寄存器 和一個求和單元，如圖4所示。當(dāng)然，可以使用更多寄存器以使加速度數(shù)據(jù)更加平滑，但響應(yīng)時間會 變慢。DATA IN-1.01iiFILTER OUT圖4.數(shù)字濾波器圖5顯示了來自一名步行者所戴計(jì)步器的最活躍軸的濾波數(shù)據(jù)。對于跑步者，峰峰值會更高。0.2 -I_iiFILTERED DATA -THRESHOLD

4、MAXIMUM« MINIMUM23TIME 心 “on 曲）圖5.最活躍軸的濾波數(shù)據(jù)動態(tài)閾值和動態(tài)精度：系統(tǒng)持續(xù)更新 3軸加速度的最大值和最小值，每采樣50次更新一次。平均值(Max + Min)/2稱為動態(tài)閾值”接下來的50次采樣利用此閾值判斷個體是否邁岀步伐。6所示。由于此閾值每50次采樣更新一次，因此它是動態(tài)的。這種選擇具有自適應(yīng)性，并且足夠快。除動態(tài) 閾值外，還利用動態(tài)精度來執(zhí)行進(jìn)一步濾波，如圖ACCELERATION7SAMPLE.RESULTCHANGES > PRECISION*SAMPLE_WEW LJ SAMPLE.OLDACCELERAnON CHANGE

5、S < PRECISION!DEClStONOUTPUT STEP圖6.動態(tài)閾值和動態(tài)精度利用一個線性移位寄存器和動態(tài)閾值判斷個體是否有效地邁岀一步。該線性移位寄存器含有 個寄存器：sample_new 寄存器和sampie_old 寄存器。這些寄存器中的數(shù)據(jù)分別稱為 sample_new 和sample_old 。當(dāng)新采樣數(shù)據(jù)到來時，sample_new無條件移入 sample_old 寄存器。然而，sample_result是否移入sample_new寄存器取決于下述條件：如果加速度變化大于預(yù)定義精度，則最新的采樣結(jié)果sample_result 移入sample_new 寄存器，否則

6、sample_new 寄 存器保持不變。因此，移位寄存器組可以消除高頻噪聲，從而保證結(jié)果更加精確。步伐邁岀的條件定義為：當(dāng)加速度曲線跨過動態(tài)閾值下方時，加速度曲線的斜率為負(fù)值(sample_new < sample_old)。.峰值檢測：步伐計(jì)數(shù)器根據(jù) x、y、z三軸中加速度變化最大的一個軸計(jì)算步數(shù)。如果加速度變 化太小，步伐計(jì)數(shù)器將忽略。步伐計(jì)數(shù)器利用此算法可以很好地工作，但有時顯得太敏感。當(dāng)計(jì)步器因?yàn)椴叫谢蚺懿街獾脑蚨浅Ｑ杆倩蚍浅＞徛卣駝訒r，步伐計(jì)數(shù)器也會認(rèn)為它是步伐。為了找到真正的有節(jié)奏的步伐， 必須排除這種無效振動。利用時間窗口 ”和計(jì)數(shù)規(guī)則”可以解決這個問題。5步，最慢

7、的步行速度為每2 之內(nèi)，時間間隔超岀該時間窗時間窗口 ”用于排除無效振動。假設(shè)人們最快的跑步速度為每秒秒1步。這樣，兩個有效步伐的時間間隔在時間窗口0.2 s - 2.0 s口的所有步伐都應(yīng)被排除。表 1 列岀了 TA = 25°C, VS =ADXL345的用戶可選輸岀數(shù)據(jù)速率特性有助于實(shí)現(xiàn)時間窗口。2.5 V, and VDD I/O = 1.8 V時的可配置數(shù)據(jù)速率(以及功耗)。表1.數(shù)據(jù)速率和功耗輸出數(shù)據(jù)速率(Hz)帶寬(Hz)速率代碼IDD ( (lA)3200160011111461600800111010080040011011454002001100145200100

8、10111451005010101455025100110025112.510006512.516.250111556.253.12501104050 Hz數(shù)據(jù)速率(20 ms)。采用interval的寄存器記錄兩步之間的數(shù)據(jù)更新次數(shù)。 與100之間，則說明兩步之間的時間在有效窗口之內(nèi)；否則，時間間隔在時間窗口此算法使用 如果間隔值在10 之外，步伐無效。計(jì)數(shù)規(guī)則”用于確定步伐是否是一個節(jié)奏模式的一部分。步伐計(jì)數(shù)器有兩個工作狀態(tài)：搜索規(guī) 則和確認(rèn)規(guī)則。步伐計(jì)數(shù)器以搜索規(guī)則模式開始工作。假設(shè)經(jīng)過四個連續(xù)有效步伐之后，發(fā)現(xiàn)存在某 種規(guī)則(in regulation)，那么步伐計(jì)數(shù)器就會刷新和顯示結(jié)

9、果，并進(jìn)入確認(rèn)規(guī)則”工作模式。在這種模式下工作時，每經(jīng)過一個有效步伐，步伐計(jì)數(shù)器就會更新一次。 但是，如果發(fā)現(xiàn)哪怕一個無效步伐， 步伐計(jì)數(shù)器就會返回搜索規(guī)則模式，重新搜索四個連續(xù)有效步伐。圖7顯示了步伐參數(shù)的算法流程圖。STARTRESET SAMPUr*GCOUNiTEfi TO 0INITIATE THE VALUES OF THE MAX AMO MINI VALUES FOR COMPARINGMAKE THE MAXIMUM HE GISH AND MINIMUM REGISTER MA THAT THEY CAN BE UPDATED NEXT CYCLE IMMEDIATElCO

10、MPUTE PEAK-TO-PEAK VALUEA忡D DC VALUE FOR EACH AXISSAVH THE LAST 3-AXISSAMPLES TO THE SHIFT REGISTERSFOR SUM FILTERINGX_AX(S_RESULT-(|M VZAXISZRESULT = (|/4 ZZAXISZRESULT = I 樹REIiMTlATT THE VALUES Of THE MAXAND MIN FOR COMPARINGFIND J-AXIS MAX VALUE ANDM4M VALUEFIND XSXI&MAX AND VALUE MlFlhtD V-

11、AXJ3 MAX AMD VALUE Ml RND Z-AXJS MAX AND VALUE MlRESET THE FLAG OF A FAULTSTEP TO 0SAMPUNG COUNTERSNNVBASED ON THE V p-p. SETTHE DYNAMIC PRECISION!,用ESE VALUES ARE DETERMINED BY CUSTOMER> PREC S ON?SAMPLINGCOUNTER * SO?I RESULT-NEW FIMIEDIRECORD THE SAMPLE TIMKEW FIXEQNEVtf FIXEDNEvCFIXEO OLDjrXE

12、DOLD F XEODC>MEW F XEO7yCALL TIME VMNDOWO ROUTINGRESULT->NEWF1XED IMEW.FIXED->oCbJFIKEDFIND THE AXIS WHOSE ACCELERA-TION CHANGE IS THE LARGESTSAVERESULTEND圖7.步伐參數(shù)算法流程圖距離參數(shù)根據(jù)上述算法計(jì)算步伐參數(shù)之后，我們可以使用公式1獲得距離參數(shù)。距離=步數(shù)X每步距離每步距離取決于用戶的速度和身高。如果用戶身材較高或以較快速度跑步，步長就會較長。參 考設(shè)計(jì)每2秒更新一次距離、速度和卡路里參數(shù)。因此，我們使用每2秒計(jì)數(shù)到的步

13、數(shù)判斷當(dāng)前跨 步長度。表2顯示了用于判斷當(dāng)前跨步長度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。表2.跨步長度與速度(每2秒步數(shù))和身高的關(guān)系每2秒步數(shù)跨步(m/s)02身高/523身高/434身高/345身高/256身高/1.268身高>=81.2 標(biāo)高2秒的時間間隔可以利用采樣數(shù)精確算岀。以50 Hz數(shù)據(jù)速率為例，處理器可以每100次采樣發(fā)送一次相應(yīng)的指令。處理器利用一個名為m_n Last Pedometer的變量記錄每個2秒間隔開始時的步數(shù)，并利用一個名為 m_nPedometerValue的變量記錄每個2秒間隔結(jié)束時的步數(shù)。這樣，每 2 秒步數(shù)等于 m_nP edometerValue與 m_n Last P

14、edometer之差。雖然數(shù)據(jù)速率為50 Hz,但ADXL345的片內(nèi)FIFO使得處理器無需每20 ms讀取一次數(shù)據(jù)， 極大地減輕了主處理器的負(fù)擔(dān)。該緩沖器支持四種工作模式：旁路、FIFO、流和觸發(fā)。在FIFO模式下，x、y、z軸的測量數(shù)據(jù)存儲在FIFO中。當(dāng)FIFO中的采樣數(shù)與FIFO_CTL寄存器采樣數(shù)位規(guī)定 的數(shù)量相等時，水印中斷置1。如前所述，人們的跑步速度最快可達(dá)每秒5步，因此每0.2秒刷新一次結(jié)果即可保證實(shí)時顯示，從而處理器只需每0.2秒通過水印中斷喚醒一次并從 ADXL345讀取數(shù)據(jù)。FIFO的其它功能也都非常有用。利用觸發(fā)模式，F(xiàn)IFO可以告訴我們中斷之前發(fā)生了什么。由于所述解

15、決方案沒有使用 FIFO的其它功能，因此筆者將不展開討論。本文來自電子發(fā)燒友網(wǎng)(htt p:/)速度參數(shù)速度=距離/時間，而每2秒步數(shù)和跨步長度均可根據(jù)上述算法計(jì)算，因此可以使用公式2獲得速度參數(shù)。速度=每2秒步數(shù)X跨步/2 s卡路里參數(shù)我們無法精確計(jì)算卡路里的消耗速率。決定其消耗速率的一些因素包括體重、健身強(qiáng)度、運(yùn)動水平和 新陳代謝。不過，我們可以使用常規(guī)近似法進(jìn)行估計(jì)。 表3顯示了卡路里消耗與跑步速度的典型關(guān)系。X跑步速度(km/h)km/h轉(zhuǎn)換為m/s可得公式4。X速度(m/s)X3600/1000由表3可以得到公式。卡路里(C/kg/h) = 1.25以上所用的速度參數(shù)單位為m/s，將

16、卡路里(C/kg/h) = 1.25卡路里參數(shù)隨同距離和速度參數(shù)每 2秒更新一次。為了考慮運(yùn)動者的體重，我們可以將公式4轉(zhuǎn)換為公式5。體重(kg)為用戶輸入量，一個小時等于1800個2秒間隔。(5)此時的卡路里消耗可卡路里(C/2 S)= 4.5速度X體重/1800如果用戶在步行或跑步之后休息，則步數(shù)和距離將不變化，速度應(yīng)為以利用公式6計(jì)算(休息時的卡路里消耗約為 1 C/kg/h )。(6)卡路里(C/2 S) = 1咻重/1800最后，我們可以將所有2秒間隔的卡路里相加，獲得總卡路里消耗量。硬件連接ADXL345易于連接到任何使用I2C?或SPI數(shù)字通信協(xié)議的處理器。圖8給岀了演示設(shè)備的原

17、理示 意圖，它采用3V電池供電。ADXL345的/CS引腳連接到板上的VS，以選擇I2C模式。利用一個 低成本精密模擬微控制器 ADUC7024 從ADXL345讀取數(shù)據(jù)，執(zhí)行算法，并通過UART將結(jié)果發(fā)送 至PC。SDA和SCL分別為I2C總線的數(shù)據(jù)和時鐘引腳，從 ADXL345連接到ADuC7024 的對應(yīng) 引腳。ADXL345的兩個中斷引腳連接到 ADUC7024 的IRQ輸入，以產(chǎn)生各種中斷信號并喚醒處理 器。PC1丹l lUSER INTERFACE!BATTERIESTTY4申IN UART'IROO=10 171 IRQIklIHTi 'AO11C70.24 言N

18、SCL 1 AD)CL3461 SDAFySDA 1JKSTO 1 GNO1Fr圖8.硬件系統(tǒng)的原理示意圖用戶界面用戶界面顯示測試數(shù)據(jù)，并對操作員的指令做岀響應(yīng)。用戶界面(UI)運(yùn)行之后，串行端口應(yīng)打開，通信鏈路應(yīng)啟動，隨后演示程序?qū)⒊掷m(xù)運(yùn)行。 圖9顯示了用戶佩戴計(jì)步器步行或跑步時的測試情況。用戶可以輸入其體重和身高數(shù)據(jù)，距離、速度和卡路里參數(shù)將根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算?？?PedonetM|OOM1Heght ；,crn'Jpd«* 討1 飾 i CorLfWuS Steq |openportDiaance<nij153 233JCHBOCOM'. Ii6-0O.SStffiiSpelCLOSEPORTCai0»¥O圖9.用戶佩戴計(jì)步器步行或跑步時的測試情況結(jié)論ADXL345是一款岀色的加速度計(jì)，非常適合計(jì)步器應(yīng)用。它具有小巧纖薄的特點(diǎn)，采用3 mm X 5mm X 0.95 mm 塑封封裝，利用它開發(fā)的計(jì)步器已經(jīng)岀現(xiàn)在醫(yī)療儀器和高檔消費(fèi)電子設(shè)備中。它 在測量模式下的功耗僅40卩A，待機(jī)模式下為0.1叭，堪稱電池供電產(chǎn)品的理想之選。嵌入式FIFO極大地減輕了主處理器的負(fù)荷，使功耗顯著降低。此外，可以利