步態(tài)加速度信號的無線采集系統(tǒng)設(shè)計
關(guān)鍵詞 步態(tài)加速度 CCl010 MMA7260 路由 無線采集
步態(tài)，即人走路的姿勢。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)境影響小等獨特的優(yōu)點，因而近年來備受關(guān)注。國內(nèi)外的許多知名大學(xué)和研究機構(gòu)，如美國麻省理工學(xué)院、中國科學(xué)院自動化研究所等，都廣泛展開了步態(tài)識別研究工作。步態(tài)的獨特性為人的身份識別和認證提供了有效線索，對醫(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，也可以通過步態(tài)特征來監(jiān)測運動員的體能消耗情況、動作準(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，國內(nèi)外的步態(tài)研究都剛剛起步。各個步態(tài)研究領(lǐng)域都需要大量可靠的原始步態(tài)數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在公開的步態(tài)數(shù)據(jù)庫主要有南安普敦大學(xué)的SOTON步態(tài)數(shù)據(jù)庫、麻省理工學(xué)院的MIT步態(tài)數(shù)據(jù)庫、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的CMU步態(tài)數(shù)據(jù)庫，以及中國科學(xué)院自動化研究所提供的NLPR步態(tài)數(shù)據(jù)庫。以上數(shù)據(jù)庫都是基于圖像的。然而，動態(tài)環(huán)境中拍攝的圖像受光照變化、運動目標(biāo)的影子等多方面因素的影響，會給基于圖像的步態(tài)特征提取帶來較大困難。所以，Heikki Ailisto等人提出一種采用加速度傳感器來獲取步態(tài)數(shù)據(jù)的新方法，避免了動態(tài)環(huán)境中多方面因素對捕捉圖像的不利影響，降低了數(shù)據(jù)處理的難度，開辟了步態(tài)數(shù)據(jù)獲取的新途徑；但此方法采用裝備有DAQl200數(shù)據(jù)采集卡的筆記本電腦來采集數(shù)據(jù)，不僅成本高，而且不便于測試對象攜帶。
步態(tài)加速度信號的提取方法成了步態(tài)研究的一個瓶頸；但是，隨著各項技術(shù)的迅速發(fā)展，自動化、智能化的采集步態(tài)加速度信號成為了可能。
本文提出了一種基于無線收發(fā)芯片CCl0l0的步態(tài)加速度信號無線采集的有效實現(xiàn)方法。該方法采用三軸加速度傳感器MMA7260測量步態(tài)的加速度信號，并用Chipcon公司的內(nèi)嵌805l的無線收發(fā)芯片CCl010作為核心控制器，控制其內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器對加速度信號進行采樣、A／D轉(zhuǎn)換，然后在無線發(fā)射模塊和接收模塊間借助于路由實現(xiàn)了步態(tài)加速度信號可靠的無線傳輸。該采集系統(tǒng)由450 mAh的鋰電池為其供電，可脫機使用。
1 系統(tǒng)設(shè)計原理
首先使用三軸加速度傳感器來感測人行走時產(chǎn)生的三維加速度信號，然后由A／D轉(zhuǎn)換器對模擬信號進行采樣并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，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)通過無線發(fā)射電路送至路由，再由路由轉(zhuǎn)發(fā)給無線接收裝置。最后步態(tài)加速度數(shù)據(jù)通過串口被送入計算機，可以供不同領(lǐng)域的步態(tài)研究者使用。圖l為步態(tài)加速度信號無線采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。步態(tài)加速度信號無線采集系統(tǒng)由發(fā)射裝置、路由裝置、接收裝置和PC機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、單片機和無線發(fā)射電路組成。路由裝置由無線收發(fā)電路組成。接收裝置由無線接收電路、單片機及串口電路組成。PC機部分主要由PC機及串口通信軟什組成。
2 硬件電路設(shè)計
硬件電路主要包括CCl0l0與天線之間的RF收發(fā)電路、CCl0lO與加速度傳感器的接口電路、按鍵控制電路、LED指示電路及報警電路。
硬件電路的核心部分是無線加速度傳輸模塊。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)計工作有很大的難度。如何做出高質(zhì)量的PCB板成為整個設(shè)計的重點。PCB板設(shè)計主要包含原理圖設(shè)計、布局設(shè)計和布線設(shè)計。
2．1 系統(tǒng)原理圖設(shè)計
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。為了布局布線時能清晰地進行分區(qū)設(shè)計，設(shè)計原理圖時應(yīng)該把數(shù)字電路、模擬電路和RF電路分開；同時分清關(guān)鍵電路與非關(guān)鍵電路以及哪些元器件對位置有要求。在無線傳輸模塊設(shè)計中，CCl010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)計原理圖時，除了要考慮功能的實現(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。對帶RF的PCB板來說，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)CCl010與天線間的RF收發(fā)電路的設(shè)計
本沒計采用了Chipeon公司推出的單片、多頻段、低功耗、超高頻射頻芯片CCl010。芯片采用0．35μmCMOS技術(shù)制成，內(nèi)嵌高性能的805l微控制器、32 KB的Flash程序存儲器、2 048+128字節(jié)SRAM、3通道lO位ADC、4個定時器、2個PWM、2個UART、SPI及26個通用I／O等。CCl0l0適用于家庭自動化、安防系統(tǒng)、遙控開鎖、遙感勘測、遙控玩具等諸多無線應(yīng)用領(lǐng)域。本設(shè)計采用CC1010實現(xiàn)步態(tài)加速度信號的無線采集。
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L32還用于阻止直流偏置信號的輸入；C4l、C42和L41共同實現(xiàn)發(fā)射輸出電路的匹配。通過CCl010內(nèi)部的發(fā)射／接收開關(guān)電路，收發(fā)器得以通過同一個50Ω的天線進行發(fā)射／接收操作。Ll、C8和C9組成一個低通濾波器，濾除高頻諧波并且增加了頻率的選擇性，其阻抗為50Ω。元器件參數(shù)既可以按照CCl010datasheet上所給的值，也可利用Chipcon公司的SnaartRF Studio軟件得到。
壓控振蕩器內(nèi)嵌在CCl0lO芯片內(nèi)，使用時只需要外接一個電感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CCl0lO，并相對10和11兩個引腳呈對稱布置，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。單鞭天線的長度為波長的l／4，可通過式L=7125／f計算。其中，L表示單鞭天線的長度，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?？筛鶕?jù)需要選擇合適的天線。一般來說螺旋天線更加實用。
(2)CCl010與加速度傳感器的接口電路設(shè)計
本無線采集系統(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調(diào)理、單極低通濾波器和溫度補償技術(shù)，并提供了4種加速度測量范圍，分別為±1．5 g、±2 g、±4 g和±6g。
在CCl010與MMA7260的接口中，首先要考慮噪聲問題。因為MMA7260內(nèi)部采用了開關(guān)電容濾波器，有時鐘噪聲產(chǎn)生，所以需要在MMA7260的XOUT、YOUT和ZOUT三個輸出端分別接RC濾波器；其次要考慮電壓匹配問題，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)部采樣的開關(guān)噪聲，GS1．GS2用于量程選擇。
(3)按鍵控制、LED指示與報警電路
本無線采集系統(tǒng)有3個按鍵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)處于自動工作方式或手動工作方式。采集系統(tǒng)若工作于自動方式，采集與無線傳輸同步進行；若工作于手動方式，則先把加速度數(shù)據(jù)存儲到存儲器中，等按下數(shù)據(jù)發(fā)送開始按鍵后再啟動無線發(fā)送。S3是數(shù)據(jù)采集開始／停止鍵，用來控制數(shù)據(jù)采集的開始、停止以及手動工作模式時采集完畢后的數(shù)據(jù)發(fā)送鍵。LED指示電路包含電源指示燈、發(fā)送信號指示燈和接收信號指示燈。報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，蜂鳴器自動報警。
2.2 布局設(shè)計
良好的布局是布線成功的前提，布局時應(yīng)按左端輸入右端輸出的信號流方向放置元件，并且重點考慮以下幾個方面：
①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；
②本無線采集系統(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CCl010，并相對于它的10和1l兩個引腳呈對稱布置。對于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原則。
③模擬電路分區(qū)中最好沒有數(shù)字電路存在，否則模擬信號非常容易被數(shù)字噪聲干擾。
④晶振應(yīng)該盡量靠近CClOl0，并與其XOSC_Q1(18腳)和XOSC_Q2(19腳)成對稱放置，晶振兩端的15pF電容盡量靠近晶振。
2．3 布線設(shè)計
布線是PCB設(shè)計的最后一步。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)計是從右上腳按逆時針方向布線的。
3 軟件部分設(shè)計
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、接收和發(fā)送程序。其中初始化程序包括單片機端口初始化、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為自動方式和手動方式選擇鍵。若為自動方式，則實時發(fā)送數(shù)據(jù)；若為手動方式，則等數(shù)據(jù)采集完成后，按下Keyl才會發(fā)送。
4 測試結(jié)果及分析
為了檢測步態(tài)加速度信號無線采集系統(tǒng)的可行性，筆者做了以下實驗。實驗場所為走廊，采集系統(tǒng)的發(fā)射裝置由測試對象隨身攜帶，全部放在腰帶的正后方，像攜帶手機一樣，只是位置在脊椎骨與腰帶的交叉點處，同時保證MMA7260處于測試標(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的方向，人體的正左方和人體的正上方。路由放在實驗室門口，保證其與發(fā)射裝置可視。無線接收裝置通過串口與實驗室的PC機相連。
測試對象共36個人，其中16男20女，年齡在24～30周歲之間。測試中，要求所有測試對象都穿平跟鞋，在走廊內(nèi)盡量以正常的步速沿直線行走。每個測試對象要測5組，結(jié)果共得到1800組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)中都含有X軸、Y軸和Z軸三個方向上的數(shù)據(jù)。
每個測試對象測試完畢后，其連續(xù)測量的5組步態(tài)加速度數(shù)據(jù)隨之保存在PC機，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，試驗中要求每個測試對象每組采集5000個數(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；第3、5、7列就是相應(yīng)通道的加速度數(shù)據(jù)。
實驗中，對所有測試對象的X軸、Y軸和Z軸三個方向的數(shù)據(jù)都采用相同的方式進行處理。計算機接收到這些數(shù)據(jù)后，首先對這些數(shù)據(jù)進行歸一化處理，使其都在0～l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)特征信號的波形。
下面以16號測試對象的Z軸方向上的數(shù)據(jù)為例進行說明。18號測試對象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。從信號的輪廓可以看出，步態(tài)信號是周期性信號。因為“左”步態(tài)和“右”步態(tài)不一定完全對稱，因此信號被劃分為a步態(tài)和b步態(tài)。
圖7為16號和18號測試對象在Z軸方向的速度信號。從圖7可以看出：不同的測試對象，其加速度信號的幅度、周期以及變化的速率等有著明顯的差異。
5 結(jié)論
通過以上實驗得知，內(nèi)嵌8051的無線收發(fā)芯片CCl010大幅度簡化了電路設(shè)計；同時因為CCl010采用3．3 V電源供電，且在不工作時處于休眠狀態(tài)，大大降低了采集系統(tǒng)的功耗。實驗中，步態(tài)加速度無線采集系統(tǒng)的功耗，信號穩(wěn)定性和靈敏度都達到了預(yù)期的效果。
本文提出的基于無線收發(fā)芯片CCl010的步態(tài)加速度信號無線采集系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，具有方便、直接、有效的優(yōu)點。該采集系統(tǒng)性價比高、體積小、便于攜帶，可以應(yīng)用于人的身份識別、醫(yī)療技術(shù)、體育訓(xùn)練以及運動健身等領(lǐng)域，具有實際應(yīng)用價值。
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