步態(tài)加速度信號(hào)的無(wú)線采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要 為實(shí)現(xiàn)步態(tài)加速度信號(hào)的無(wú)線采集，提出一種基于內(nèi)嵌8051的無(wú)線收發(fā)芯片CC1010的有效方法。簡(jiǎn)要介紹步態(tài)加速度信號(hào)無(wú)線采集系統(tǒng)的工作原理，詳細(xì)說(shuō)明該系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)采用路由和重傳機(jī)制，以確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸。利用本采集系統(tǒng)成功建立一個(gè)36人的步態(tài)加速度數(shù)據(jù)庫(kù)，可供不同領(lǐng)域的步態(tài)研究者進(jìn)行分析。
關(guān)鍵詞 步態(tài)加速度 CC1010 MMA7260 路由 無(wú)線采集

　　步態(tài)，即人走路的姿勢(shì)。作為一種生物特征，它具有不受距離影響、非侵犯性、難以偽裝、受環(huán)境影響小等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，因而近年來(lái)備受關(guān)注。國(guó)內(nèi)外的許多知名大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)，如美國(guó)麻省理工學(xué)院、中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所等，都廣泛展開(kāi)了步態(tài)識(shí)別研究工作[1]。步態(tài)的獨(dú)特性為人的身份識(shí)別和認(rèn)證提供了有效線索，對(duì)醫(yī)療上的異步病態(tài)、偏癱等疾病的預(yù)防、診斷和康復(fù)也可以起到很顯著的輔助作用。而且，在現(xiàn)代化的體育訓(xùn)練中,也可以通過(guò)步態(tài)特征來(lái)監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)員的體能消耗情況、動(dòng)作準(zhǔn)確程度等，制定科學(xué)的訓(xùn)練方案。此外，步態(tài)在機(jī)器人的行走、人的行為理解等科學(xué)研究上也占有舉足輕重的地位。

　　目前，國(guó)內(nèi)外的步態(tài)研究都剛剛起步。各個(gè)步態(tài)研究領(lǐng)域都需要大量可靠的原始步態(tài)數(shù)據(jù)。現(xiàn)在公開(kāi)的步態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)主要有南安普敦大學(xué)的SOTON步態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)、麻省理工學(xué)院的MIT步態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的CMU步態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，以及中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所提供的NLPR步態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)。以上數(shù)據(jù)庫(kù)都是基于圖像的。然而，動(dòng)態(tài)環(huán)境中拍攝的圖像受光照變化、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的影子等多方面因素的影響，會(huì)給基于圖像的步態(tài)特征提取帶來(lái)較大困難。所以，Heikki Ailisto等人[2-3]提出一種采用加速度傳感器來(lái)獲取步態(tài)數(shù)據(jù)的新方法，避免了動(dòng)態(tài)環(huán)境中多方面因素對(duì)捕捉圖像的不利影響，降低了數(shù)據(jù)處理的難度，開(kāi)辟了步態(tài)數(shù)據(jù)獲取的新途徑；但此方法采用裝備有DAQ1200數(shù)據(jù)采集卡的筆記本電腦來(lái)采集數(shù)據(jù)，不僅成本高，而且不便于測(cè)試對(duì)象攜帶。

　　步態(tài)加速度信號(hào)的提取方法成了步態(tài)研究的一個(gè)瓶頸；但是，隨著各項(xiàng)技術(shù)的迅速發(fā)展，自動(dòng)化、智能化的采集步態(tài)加速度信號(hào)成為了可能。

　　本文提出了一種基于無(wú)線收發(fā)芯片CC1010的步態(tài)加速度信號(hào)無(wú)線采集的有效實(shí)現(xiàn)方法。該方法采用三軸加速度傳感器MMA7260測(cè)量步態(tài)的加速度信號(hào)，并用Chipcon公司的內(nèi)嵌8051的無(wú)線收發(fā)芯片CC1010作為核心控制器，控制其內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行采樣、A/D轉(zhuǎn)換，然后在無(wú)線發(fā)射模塊和接收模塊間借助于路由實(shí)現(xiàn)了步態(tài)加速度信號(hào)可靠的無(wú)線傳輸。該采集系統(tǒng)由450 mAh的鋰電池為其供電，可脫機(jī)使用。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

　　首先使用三軸加速度傳感器來(lái)感測(cè)人行走時(shí)產(chǎn)生的三維加速度信號(hào)，然后由A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送至微處理器作預(yù)處理。處理后的步態(tài)加速度數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線發(fā)射電路送至路由，再由路由轉(zhuǎn)發(fā)給無(wú)線接收裝置。最后步態(tài)加速度數(shù)據(jù)通過(guò)串口被送入計(jì)算機(jī)，可以供不同領(lǐng)域的步態(tài)研究者使用。圖1為步態(tài)加速度信號(hào)無(wú)線采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。步態(tài)加速度信號(hào)無(wú)線采集系統(tǒng)由發(fā)射裝置、路由裝置、接收裝置和PC機(jī)4部分組成。發(fā)射裝置由三軸加速度傳感器電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)和無(wú)線發(fā)射電路組成。路由裝置由無(wú)線收發(fā)電路組成。接收裝置由無(wú)線接收電路、單片機(jī)及串口電路組成。PC機(jī)部分主要由PC機(jī)及串口通信軟件組成。

圖1  步態(tài)加速度信號(hào)無(wú)線采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2  硬件電路設(shè)計(jì)

　　硬件電路主要包括CC1010與天線之間的RF收發(fā)電路、CC1010與加速度傳感器的接口電路、按鍵控制電路、LED指示電路及報(bào)警電路。

　　硬件電路的核心部分是無(wú)線加速度傳輸模塊。此模塊既要滿足發(fā)射與接收裝置的功能要求，體積還要盡可能的小，以便于攜帶。這使得硬件電路的設(shè)計(jì)工作有很大的難度。如何做出高質(zhì)量的PCB板成為整個(gè)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。PCB板設(shè)計(jì)主要包含原理圖設(shè)計(jì)、布局設(shè)計(jì)和布線設(shè)計(jì)。

2.1  系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)

　　原理圖的好壞直接影響布局、布線的難度，以及最后板子的性能。為了布局布線時(shí)能清晰地進(jìn)行分區(qū)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)原理圖時(shí)應(yīng)該把數(shù)字電路、模擬電路和 RF電路分開(kāi)；同時(shí)分清關(guān)鍵電路與非關(guān)鍵電路以及哪些元器件對(duì)位置有要求。在無(wú)線傳輸模塊設(shè)計(jì)中，CC1010的RF_IN(4腳)、RF_OUT(5 腳)、L1(10腳)、L2(11腳)等為RF電路，也為關(guān)鍵電路。其ADC相關(guān)的加速度傳感器電路為模擬電路。對(duì)于模擬器件的電源端，如 AVDD_ADC(1腳)、AGND_ADC(64腳)、AVDD_MIX_IF(2腳)、AGND_MIX_IF(3腳)、AVDD_LNA_PA(6 腳)、AGND_LNA_PA(7腳)、AGND_PA(8腳)等，應(yīng)慎重考慮濾波性能，盡量避開(kāi)數(shù)字電路部分的噪聲干擾。此外晶振電路也為關(guān)鍵電路，而 LED指示和按鍵等電路則屬非關(guān)鍵電路。

　　設(shè)計(jì)原理圖時(shí)，除了要考慮功能的實(shí)現(xiàn)、原理的正確外，還要考慮器件的選擇。首先，選擇的器件應(yīng)該在市場(chǎng)上容易買到；其次器件的封裝既要滿足PCB板尺寸的要求，又要考慮焊接的難易程度。對(duì)帶RF的PCB板來(lái)說(shuō)，器件最好能選擇貼片封裝的，以降低不必要寄生參數(shù)的影響。

（1）  CC1010與天線間的RF收發(fā)電路的設(shè)計(jì)
　　本設(shè)計(jì)采用了Chipcon公司推出的單片、多頻段、低功耗、超高頻射頻芯片 CC1010。芯片采用0.35 μm CMOS技術(shù)制成，內(nèi)嵌高性能的8051微控制器、32 KB的Flash程序存儲(chǔ)器、2 048+128字節(jié)SRAM、3通道10位ADC、4個(gè)定時(shí)器、2個(gè)PWM、2個(gè)UART、SPI及26個(gè)通用I/O等。CC1010適用于家庭自動(dòng)化、安防系統(tǒng)、遙控開(kāi)鎖、遙感勘測(cè)、遙控玩具等諸多無(wú)線應(yīng)用領(lǐng)域。本設(shè)計(jì)采用CC1010實(shí)現(xiàn)步態(tài)加速度信號(hào)的無(wú)線采集。

　　RF收發(fā)部分的電路如圖 2所示。C31為輸入匹配電容，L32為輸入匹配電感，同時(shí)L32還用于阻止直流偏置信號(hào)的輸入；C41、C42和L41共同實(shí)現(xiàn)發(fā)射輸出電路的匹配。通過(guò)CC1010內(nèi)部的發(fā)射/接收開(kāi)關(guān)電路，收發(fā)器得以通過(guò)同一個(gè)50 Ω的天線進(jìn)行發(fā)射/接收操作。L1、C8和C9組成一個(gè)低通濾波器，濾除高頻諧波并且增加了頻率的選擇性，其阻抗為50 Ω。元器件參數(shù)既可以按照CC1010datasheet[2]上所給的值，也可利用Chipcon公司的SmartRF Studio軟件得到。

圖2  步態(tài)采集系統(tǒng)無(wú)線收發(fā)部分電路原理

　　壓控振蕩器內(nèi)嵌在CC1010芯片內(nèi)，使用時(shí)只需要外接一個(gè)電感L101。電感最好選擇線繞電感，根據(jù)所給參考值焊接上。然后用頻譜儀查看其頻率，根據(jù)其中心頻率是否滿足要求，適當(dāng)調(diào)整其參數(shù)。L101應(yīng)盡量靠近CC1010，并相對(duì)10和11兩個(gè)引腳呈對(duì)稱布置，其封裝應(yīng)選擇0402或 0603的小型封裝。

　　一般可選擇單鞭天線、螺旋天線或在PCB上的環(huán)形天線。單鞭天線的長(zhǎng)度為波長(zhǎng)的1/4,可通過(guò)式L=7125/f計(jì)算。其中,L表示單鞭天線的長(zhǎng)度,f為發(fā)射/接收頻率。環(huán)形天線布在PCB上,使用非常方便;但由于其福射能力較差,所以接收/發(fā)射性能也稍差些。螺旋天線是單鞭天線和環(huán)形天線的一種折中方案,其尺寸大小和接收/發(fā)射能力介于兩者之間。可根據(jù)需要選擇合適的天線。一般來(lái)說(shuō)螺旋天線更加實(shí)用。

（2）  CC1010與加速度傳感器的接口電路設(shè)計(jì)

　　本無(wú)線采集系統(tǒng)采用了Freescale公司最新推出的一款低成本、單芯片、三軸加速度傳感器MMA7260。該微型電容式加速傳感器融合了信號(hào)調(diào)理、單極低通濾波器和溫度補(bǔ)償技術(shù)，并提供了4種加速度測(cè)量范圍，分別為±1.5 g、±2 g、±4 g和±6 g。

　　在CC1010與MMA7260的接口中，首先要考慮噪聲問(wèn)題。因?yàn)镸MA7260內(nèi)部采用了開(kāi)關(guān)電容濾波器，有時(shí)鐘噪聲產(chǎn)生，所以需要在 MMA7260的XOUT、YOUT和ZOUT三個(gè)輸出端分別接RC濾波器；其次要考慮電壓匹配問(wèn)題，由于X、Y、Z軸方向的電壓輸出是 0.45～2.85，CC1010的ADC最大輸入范圍是0～VDD。此處VDD為3.3 V，其范圍恰好在ADC的輸入范圍之內(nèi)，所以不用考慮額外的分壓電阻。CC1010與MMA7260的接口電路如圖3所示。R31/C31、 R41/C41、R51/C51用于濾除MMA7260內(nèi)部采樣的開(kāi)關(guān)噪聲，GS1、GS2用于量程選擇。

圖3  加速度傳感器電路原理

（3）  按鍵控制、LED指示與報(bào)警電路
　　本無(wú)線采集系統(tǒng)有3個(gè)按鍵S1、S2和S3。其中S1是系統(tǒng)復(fù)位鍵。S2是模式選擇鍵，可使采集系統(tǒng)處于自動(dòng)工作方式或手動(dòng)工作方式。采集系統(tǒng)若工作于自動(dòng)方式，采集與無(wú)線傳輸同步進(jìn)行；若工作于手動(dòng)方式，則先把加速度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中，等按下數(shù)據(jù)發(fā)送開(kāi)始按鍵后再啟動(dòng)無(wú)線發(fā)送。S3是數(shù)據(jù)采集開(kāi)始/停止鍵，用來(lái)控制數(shù)據(jù)采集的開(kāi)始、停止以及手動(dòng)工作模式時(shí)采集完畢后的數(shù)據(jù)發(fā)送鍵。LED指示電路包含電源指示燈、發(fā)送信號(hào)指示燈和接收信號(hào)指示燈。報(bào)警電路由放大電路和蜂鳴器組成，當(dāng)數(shù)據(jù)采集完成時(shí)，蜂鳴器自動(dòng)報(bào)警。

2.2  布局設(shè)計(jì)

　　良好的布局是布線成功的前提，布局時(shí)應(yīng)按左端輸入右端輸出的信號(hào)流方向放置元件，并且重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)方面：

　?、?nbsp; 首先在Protel中的Keepoutlayer層畫出能承受的最大尺寸，讓布局始終做到心中有數(shù)，不至于PCB板尺寸不合適；
　?、?nbsp; 本無(wú)線采集系統(tǒng)的放置位置要求天線必須位于PCB板的右上角。射頻信號(hào)通路越短越好，所以RF電路也應(yīng)該布局在右上角。RF電路部分的器件應(yīng)該盡量緊湊，如L101應(yīng)盡量靠近CC1010，并相對(duì)于它的10和11兩個(gè)引腳呈對(duì)稱布置。對(duì)于RF_IN和RF_OUT應(yīng)該遵守緊湊、暢通、阻抗保持均勻不突變這三個(gè)原則。
　　③  模擬電路分區(qū)中最好沒(méi)有數(shù)字電路存在，否則模擬信號(hào)非常容易被數(shù)字噪聲干擾。
　?、?nbsp; 晶振應(yīng)該盡量靠近CC1010，并與其XOSC_Q1(18腳)和XOSC_Q2(19腳)成對(duì)稱放置，晶振兩端的15 pF電容盡量靠近晶振。

2.3  布線設(shè)計(jì)

　　布線是PCB設(shè)計(jì)的最后一步。為保證RF電路部分的良好性能，需全手工布線，并遵循以下規(guī)則：首先保證RF、晶振等關(guān)鍵電路的布線暢通，最好都在頂層布線；其次保證A/D部分的布線暢通；最后是按照一定順序布線。本設(shè)計(jì)是從右上腳按逆時(shí)針?lè)较虿季€的。

3  軟件部分設(shè)計(jì)

圖4  采集系統(tǒng)程序流程

　　采集系統(tǒng)的軟件流程如圖4所示。軟件部分主要包括初始化程序、按鍵處理程序、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、接收和發(fā)送程序。其中初始化程序包括單片機(jī)端口初始化、RF部分初始化、ADC部分初始化和T0初始化。在按鍵處理程序中，Key2為自動(dòng)方式和手動(dòng)方式選擇鍵。若為自動(dòng)方式，則實(shí)時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)；若為手動(dòng)方式，則等數(shù)據(jù)采集完成后，按下Key1才會(huì)發(fā)送。

4  測(cè)試結(jié)果及分析

　　為了檢測(cè)步態(tài)加速度信號(hào)無(wú)線采集系統(tǒng)的可行性，筆者做了以下實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所為走廊，采集系統(tǒng)的發(fā)射裝置由測(cè)試對(duì)象隨身攜帶，全部放在腰帶的正后方，像攜帶手機(jī)一樣，只是位置在脊椎骨與腰帶的交叉點(diǎn)處，同時(shí)保證MMA7260處于測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)位置，即其X軸、Y軸和Z軸的正方向分別指向人前進(jìn)的方向，人體的正左方和人體的正上方。路由放在實(shí)驗(yàn)室門口，保證其與發(fā)射裝置可視。無(wú)線接收裝置通過(guò)串口與實(shí)驗(yàn)室的PC機(jī)相連。

　　測(cè)試對(duì)象共36個(gè)人，其中16男20女，年齡在24～30周歲之間。測(cè)試中，要求所有測(cè)試對(duì)象都穿平跟鞋，在走廊內(nèi)盡量以正常的步速沿直線行走。每個(gè)測(cè)試對(duì)象要測(cè)5組，結(jié)果共得到1 800組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)中都含有X軸、Y軸和Z軸三個(gè)方向上的數(shù)據(jù)。

　　每個(gè)測(cè)試對(duì)象測(cè)試完畢后，其連續(xù)測(cè)量的5組步態(tài)加速度數(shù)據(jù)隨之保存在PC機(jī)，部分?jǐn)?shù)據(jù)如圖5所示。圖5中的第一列數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)的序號(hào)，試驗(yàn)中要求每個(gè)測(cè)試對(duì)象每組采集5 000個(gè)數(shù)據(jù)；第2、4、6列表示數(shù)據(jù)所占模數(shù)轉(zhuǎn)換的通道號(hào)；第3、5、7列就是相應(yīng)通道的加速度數(shù)據(jù)。

圖5  測(cè)量到的步態(tài)加速度數(shù)據(jù)

　　實(shí)驗(yàn)中，對(duì)所有測(cè)試對(duì)象的X軸、Y軸和Z軸三個(gè)方向的數(shù)據(jù)都采用相同的方式進(jìn)行處理。計(jì)算機(jī)接收到這些數(shù)據(jù)后，首先對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，使其都在0～1的范圍內(nèi)。這樣，在Matlab中利用PLOT()函數(shù)，就可以形象地看到步態(tài)特征信號(hào)的波形。

　　下面以16號(hào)測(cè)試對(duì)象的Z軸方向上的數(shù)據(jù)為例進(jìn)行說(shuō)明。18號(hào)測(cè)試對(duì)象Z軸方向的部分步態(tài)加速度數(shù)據(jù)，如圖5中第3列數(shù)據(jù)所示。在Matlab 中，可以得到其相應(yīng)的波形，如圖6所示。從信號(hào)的輪廓可以看出，步態(tài)信號(hào)是周期性信號(hào)。因?yàn)椤白蟆辈綉B(tài)和“右”步態(tài)不一定完全對(duì)稱，因此信號(hào)被劃分為a步態(tài)和b步態(tài)。

　　圖7為16號(hào)和18號(hào)測(cè)試對(duì)象在Z軸方向的速度信號(hào)。從圖7可以看出：不同的測(cè)試對(duì)象，其加速度信號(hào)的幅度、周期以及變化的速率等有著明顯的差異。

圖6  #16的Z軸方向加速度信號(hào)

圖7  #16和#18測(cè)試對(duì)象Z軸方向加速度信號(hào)

5  結(jié)論

　　通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)得知，內(nèi)嵌8051的無(wú)線收發(fā)芯片CC1010大幅度簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)；同時(shí)因?yàn)镃C1010采用3.3 V電源供電，且在不工作時(shí)處于休眠狀態(tài)，大大降低了采集系統(tǒng)的功耗。實(shí)驗(yàn)中，步態(tài)加速度無(wú)線采集系統(tǒng)的功耗，信號(hào)穩(wěn)定性和靈敏度都達(dá)到了預(yù)期的效果。

　　本文提出的基于無(wú)線收發(fā)芯片CC1010的步態(tài)加速度信號(hào)無(wú)線采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，具有方便、直接、有效的優(yōu)點(diǎn)。該采集系統(tǒng)性價(jià)比高、體積小、便于攜帶，可以應(yīng)用于人的身份識(shí)別、醫(yī)療技術(shù)、體育訓(xùn)練以及運(yùn)動(dòng)健身等領(lǐng)域，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]  http://www.darpa.mil/ito/research/hid/index.html.
[2]  http://www.chipcon.com/index.cfm?kat_id=2&subkat_id=12&dok_id=55
[3]  Jani M?ntyj?rvi, Mikko Lindholm, et al. Identifying Users of Portable Devices from Gait Pattern with Accelerometers[C]. IEEE International Conference on Acoustics,Speech,and Signal Processing.2005, 2:973-976.
[4]  Heikki Ailisto, Mikko Lindholm, et al. Identifying People from Gait Pattern with Accelerometers[J]. Proceedings of SPIE. 2005, 5779:7-14.
[5]  Reinhold Ludwig,Pavel Bretchko.射頻電路設(shè)計(jì)——理論與應(yīng)用[M]. 王子宇,等譯. 北京： 電子工業(yè)出版社，2002.

周兆豐（碩士研究生）,主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)。