摘要：隨著手機功能的逐漸增多，在手機上實現(xiàn)一些與健康有關(guān)的功能也已成為一種熱點，例如計步器 功能可以根據(jù)計算人的運動情況來分析人體的健康狀況•而人的運動情況可以通過很多特性來進行分析比如人在運動時會產(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涂梢詫崿F(xiàn)計步功能. 設(shè)計了一款基于加速度傳感器ADXL340的計步器.詳細介紹了計步器的軟件算法的實現(xiàn)和硬件設(shè)計方 案•同時，該計步器系統(tǒng)上還具有USB接口，可與PC機進行高速數(shù)據(jù)傳輸.

　　關(guān)鍵詞：計步器；加速度傳感器；USB接口

　　手機在現(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)在很多的手機都有MP3及照相功能， 有的還具有閃信和計步器功能。而手機要想實現(xiàn)閃信 和計步器這類功能，需要處理器能夠?qū)崿F(xiàn)多路模擬輸 入、數(shù)據(jù)的實時處理等，原有的手機很難直接實現(xiàn)這 些功能，這就需要MCU配合完成其功能。本文將以計 步器為例，介紹了計步器的硬件設(shè)計和軟件算法的實 現(xiàn)。該計步器系統(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上位機進行高速數(shù)據(jù)傳輸。

　　1　計步器軟件算法的實現(xiàn)

　　人在行走或者跑步的時候，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行分析。

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

　　為了達到準(zhǔn)確性，在運動過程中，分析了3個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人體運動時加速度的3個方向Analog Devices公司的ADXL340芯片即為一個3 軸（A：軸、F軸、Z軸）的加速度傳感器可檢測出3個坐標(biāo)軸的加速度變化，這3個軸正好可以分別代表人體運動時3個方向。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。

　　在任意時刻可以得到加速度傳感器采集來的3個 軸的加速度數(shù)據(jù)，利用適當(dāng)?shù)乃惴�可計算�?個軸中 的哪個軸的加速度改變最大。由此來進行計步，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.合理的計步器輸出范圍為0.5~5 Hz。這樣需要設(shè)計濾波器來對此范圍以外的 頻率進行濾波。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，還采用了時間窗算 法，前面提到過，相鄰兩步之間的時間間隔必須在0.2~2 s這個時間窗范圍內(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間間隔是否處 于這個時間窗范圍之內(nèi).如果在此時間窗之外則認為此步無效。

　　此外，在軟件算法上還采用了通過設(shè)置動態(tài)參數(shù) 來提供一種自適應(yīng)方法。其中，動態(tài)參數(shù)包括動態(tài)峰 峰值輸出，動態(tài)精度以及動態(tài)閾值。動態(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個移位寄存器。其中一個寄存器用于保存新得到的加速度采樣值，根據(jù)動態(tài)峰峰值，可以確定動態(tài)閾值的大 小，當(dāng)新得到一個加速度采樣值時，將其與新數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)值進行比較，當(dāng)二者的差值的絕對值大于 絕對精度時，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態(tài)精度時，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 計步校準(zhǔn)值，開始時假定系統(tǒng)處于査詢狀態(tài)，當(dāng)有效 步值大于此計步校準(zhǔn)值后，系統(tǒng)進入正式計步狀態(tài)， 此后系統(tǒng)開始計步。

　　經(jīng)過上述算法以后，可以看到圖6為行走時前向 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分別為人體跑步時前向加速度波形分 析以及跑步時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　硬件實現(xiàn)

　　圖10所示為硬件設(shè)計的模塊圖。本設(shè)計中選用的 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接口的單片機來實現(xiàn)。 此類單片機處理速度完全可以達到USB的速度，設(shè)計和調(diào)試比較簡單，電磁兼容性好，器件成本和設(shè)計開發(fā)成本都比較低廉。

 
　　圖6行走時前向加速度波形分析

　　圖8跑步時前向加速度波形分析

　　
圖9跑步時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)置增強型.8051微 控制芯片。3種可編程端點；控制傳輸?shù)腟ETUP和 DATA緩沖區(qū)是分幵的；多達40個通用I/O口。它提 供了一個基于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)的端點和可選的設(shè)置創(chuàng)建一個缺省的USB設(shè)備， 這樣，就可以將USB的固件存儲在主機上，而不必存 入USB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 主機后，USB是根據(jù)外部I2C總線接口上的一個串行 EkOM中進行配置的。
在硬件設(shè)計過程中，需要重點注意一下問題：與標(biāo)準(zhǔn)USB接口連接時，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，實現(xiàn)阻抗匹配。

　　3　結(jié)論

　　介紹了利用人運動時產(chǎn)生加速度變化來檢測步數(shù) 的計步器實現(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)字數(shù)據(jù)，同時芯片中還集成了 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)計簡單，實現(xiàn)方便。該芯片也可以擴展到其 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）

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