基于加速度計(jì)的步態(tài)數(shù)據(jù)無線采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要 為了便于獲取步態(tài)數(shù)據(jù)，采用μPD78F0547微控制器、US3LV02DQ微加速度計(jì)、nRF2401無線收發(fā)芯片等主要器件，設(shè)計(jì)了步態(tài)加速度信號(hào)無線采集裝置。將該裝置的一端固定于人體腰或腿等部位，按設(shè)定的采樣率連續(xù)輸出運(yùn)動(dòng)時(shí)的三維加速度數(shù)據(jù)；另一端接收數(shù)據(jù)并通過串行接口實(shí)時(shí)地傳送到計(jì)算機(jī)中，從而實(shí)現(xiàn)大量步態(tài)數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)。
關(guān)鍵詞 加速度計(jì) 步態(tài)數(shù)據(jù) 無線采集 μPD78F0547 LIS3LV02DQ

引 言
    步態(tài)作為生物特征之一，在身份識(shí)別和運(yùn)動(dòng)分析方面都有著重要的研究意義，國內(nèi)外已有許多學(xué)者投入到該熱點(diǎn)研究中。步態(tài)研究需要以大量可靠的原始步態(tài)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，目前公開的步態(tài)數(shù)據(jù)庫都基于步態(tài)圖像口。然而動(dòng)態(tài)環(huán)境中拍攝的圖像容易受光照變化、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的影子等多種因素影響，給步態(tài)特征的提取帶來較大困難。Ailisto H．等人提出了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(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，從而開辟了步態(tài)數(shù)據(jù)獲取的新途徑。但是該方法采用裝有DAQl200數(shù)據(jù)采集卡的筆記本電腦采集數(shù)據(jù)，不僅成本高，而且不便于測(cè)試對(duì)象攜帶。
    近幾年隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展和制作工藝的不斷改進(jìn)，具有尺寸小、精度高、功耗低等優(yōu)點(diǎn)的MEMS(Micro-Electro-MecHanical-System)加速度傳感器已經(jīng)進(jìn)入應(yīng)用領(lǐng)域，使得基于運(yùn)動(dòng)傳感器的步態(tài)研究更為方便。本文介紹的步態(tài)加速度信號(hào)無線采集裝置，就是采用了MEMS三軸加速度計(jì)LIS3LV02DQ、無線收發(fā)芯片nRF2401、8位微控制器μPD78F0547等主要器件而設(shè)計(jì)的。

1 硬件電路設(shè)計(jì)
    步態(tài)加速度信號(hào)無線采集裝置主要由兩部分構(gòu)成：數(shù)據(jù)采集及無線發(fā)送模塊，無線接收及數(shù)據(jù)傳輸模塊。主要的接口電路包括微控制器與加速度計(jì)之間的CSIA0串行接口電路，與無線收發(fā)芯片之間的CSIll串行接口電路，以及UART轉(zhuǎn)USB的橋接電路等。其原理如圖1、圖2所示。由固定于人體腰后部的數(shù)據(jù)采集及無線發(fā)送模塊獲取并無線發(fā)送人運(yùn)動(dòng)時(shí)的三維加速度數(shù)據(jù)；計(jì)算機(jī)端的無線接收及傳輸模塊將接收到的數(shù)據(jù)通過USB串行接口傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，作為后續(xù)數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)源。

2 控制軟件設(shè)計(jì)
    數(shù)據(jù)采集及無線發(fā)送程序流程如圖3所示。其中初始化包括微控制器的I／O端口初始化、串行接口初始化、中斷初始化、加速度計(jì)和無線收發(fā)芯片的初始化配置。初始化完成后等待按鍵命令，第一次按鍵進(jìn)入開始采集數(shù)據(jù)狀態(tài)，再按一次鍵則停止采集數(shù)據(jù)。按鍵由被測(cè)試人控制。

    有關(guān)加速度計(jì)的主要程序代碼如下：

   
    注意：
    ①當(dāng)CSIA0工作在1字節(jié)通信時(shí)，如果只執(zhí)行接收操作，則只能通過向串行I／O移位寄存器SIOA0寫入虛擬數(shù)據(jù)才可啟動(dòng)通信，通信結(jié)束后產(chǎn)生1個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)(INTACSI)，此時(shí)讀取SIOA0即為所要的值。
    ②每采集完1組加速度值，必須執(zhí)行語句：
    write_comm(WRITE_STATUS_REG，Ox00)通過對(duì)狀態(tài)寄存器STATUS_REG清零，可以清除加速度計(jì)輸出的Data—Ready信號(hào)，從而產(chǎn)生新的一組加速度值。
    無線接收及數(shù)據(jù)傳輸程序流程如圖4所示。在完成初始化后進(jìn)入循環(huán)監(jiān)聽狀態(tài)。當(dāng)接收到數(shù)據(jù)時(shí)，無線收發(fā)芯片nRF2401向MCU發(fā)出數(shù)據(jù)就緒信號(hào)，MCU讀取數(shù)據(jù)后和計(jì)算機(jī)通過串行通信將數(shù)據(jù)以文件的形式保存到計(jì)算機(jī)中。

3 實(shí) 驗(yàn)
    本設(shè)計(jì)中的無線發(fā)送、接收天線采用的是PCB板上的環(huán)形線，其發(fā)射能力較弱，因此實(shí)驗(yàn)是在發(fā)送端和接收端處于可視范圍內(nèi)，并且無障礙物阻隔的條件下完成的。被測(cè)試對(duì)象將裝置的數(shù)據(jù)采集及無線發(fā)送模塊固定于腰后部，并且按照要求使加速度計(jì)3個(gè)軸的正方向分別指向人體側(cè)向、垂直方向和前進(jìn)方向。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加速度計(jì)以其采樣頻率范圍內(nèi)的任意采樣率工作時(shí)，該裝置均能滿足采集與傳輸?shù)囊蟆D5是加速度計(jì)工作在160Hz，被測(cè)試人平地行走時(shí)接收并保存到計(jì)算機(jī)中的時(shí)間一加速度圖。

結(jié) 語
    本文所設(shè)計(jì)的步態(tài)數(shù)據(jù)無線采集裝置，通過完成對(duì)特定環(huán)境下步態(tài)加速度數(shù)據(jù)的采集及存儲(chǔ)，為進(jìn)一步完成便于攜帶的采集裝置作了有效的嘗試。通過進(jìn)一步改進(jìn)和完善，將會(huì)成為建立原始步態(tài)加速度數(shù)據(jù)庫、跟蹤檢測(cè)和記錄人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的有效工具。