基于3軸加速度計(jì)ADXL345的全功能計(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(gè)簡單的計(jì)數(shù)器。晃動這些裝置時(shí)，可以聽到有一個(gè)金屬球來回滑動，或者一個(gè)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)）慣性傳感器和復(fù)雜的軟件來精確檢測真實(shí)的步伐。MEMS慣性傳感器可以更準(zhǔn)確地檢測步伐，誤檢率更低。MEMS慣性傳感器具有低成本、小尺寸和低功耗的特點(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，如音樂播放器和手機(jī)等。ADI公司的3軸加速度計(jì)ADXL335, ADXL345和 ADXL346小巧纖薄，功耗極低，非常適合這種應(yīng)用。

本文以對步伐特征的研究為基礎(chǔ)，描述一個(gè)采用3軸

圖1. 各軸的定義

讓我們考慮步行的特性。圖2描繪了一個(gè)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2. 步行階段與加速度模式

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(gè)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(gè)軸上的加速度的動態(tài)閾值決策算法對于檢測單位步行或跑步周期至關(guān)重要。

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(gè)數(shù)字濾波器。可以使用四個(gè)寄存器和一個(gè)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(shí)間會變慢。

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。

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(gè)體是否邁出步伐。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6所示。

圖6. 動態(tài)閾值和動態(tài)精度

利用一個(gè)線性移位寄存器和動態(tài)閾值判斷個(gè)體是否有效地邁出一步。該線性移位寄存器含有2個(gè)寄存器：sample_new寄存器和sample_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(shí)，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。

步伐邁出的條件定義為：當(dāng)加速度曲線跨過動態(tài)閾值下方時(shí)，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(gè)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(shí)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(shí)，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(shí)間窗口”和“計(jì)數(shù)規(guī)則”可以解決這個(gè)問題。

“時(shí)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5步，最慢的步行速度為每2秒1步。這樣，兩個(gè)有效步伐的時(shí)間間隔在時(shí)間窗口[0.2 s - 2.0 s]之內(nèi)，時(shí)間間隔超出該時(shí)間窗口的所有步伐都應(yīng)被排除。

ADXL345的用戶可選輸出數(shù)據(jù)速率特性有助于實(shí)現(xiàn)時(shí)間窗口。表1列出了TA = 25°C, VS = 2.5 V, and VDD I/O = 1.8 V時(shí)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

此算法使用50 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)。如果間隔值在10與100之間，則說明兩步之間的時(shí)間在有效窗口之內(nèi)；否則，時(shí)間間隔在時(shí)間窗口之外，步伐無效。

“計(jì)數(shù)規(guī)則” 用于確定步伐是否是一個(gè)節(jié)奏模式的一部分。步伐計(jì)數(shù)器有兩個(gè)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(gè)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)果，并進(jìn)入“確認(rèn)規(guī)則”工作模式。在這種模式下工作時(shí)，每經(jīng)過一個(gè)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(gè)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(gè)連續(xù)有效步伐。

圖7顯示了步伐參數(shù)的算法流程圖。

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)。

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

2秒的時(shí)間間隔可以利用采樣數(shù)精確算出。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(gè)名為m_nLastPedometer的變量記錄每個(gè)2秒間隔開始時(shí)的步數(shù)，并利用一個(gè)名為m_nPedometerValue的變量記錄每個(gè)2秒間隔結(jié)束時(shí)的步數(shù)。這樣，每2秒步數(shù)等于m_nPedometerValue與m_nLastPedometer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(shí)，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(shí)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)(http://www.elecfans.com)