如今，先進(jìn)的計步器利用MEMS（微機電系統）慣性傳感器和復雜的軟件來(lái)精確檢測真實(shí)的步伐。MEMS慣性傳感器可以更準確地檢測步伐，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(lái)越多的便攜式消費電子設備開(kāi)始集成計步器功能，如音樂(lè )播放器和手機等。ADI公司的3軸加速度計ADXL335, ADXL345和 ADXL346 小巧纖薄，功耗極低，非常適合這種應用。

 

本文以對步伐特征的研究為基礎，描述一個(gè)采用3軸加速度計ADXL345的全功能計步器參考設計，它能辨別并計數步伐，測量距離、速度甚至所消耗的卡路里。

 

ADXL345專(zhuān)有的（正在申請專(zhuān)利）片內32級先進(jìn)先出(FIFO)緩沖器可以存儲數據，并執行計步器應用的相關(guān)操作，從而最大程度地減少主處理器干預，為便攜式設備節省寶貴的系統功率。其13位分辨率(4 mg/LSB)甚至允許計步器以合理的精度測量超低速步行（每步加速度變化約55 mg）。

 

了解模型

 

在可用于分析跑步或步行的特征當中，我們選擇"加速度"作為相關(guān)參數。個(gè)體（及其相關(guān)軸）的運動(dòng)包括三個(gè)分量，分別是前向（"滾動(dòng)"）、豎向（"偏航"）和側向（"俯仰"），如圖1所示。ADXL345檢測其三個(gè)軸——x、y和z上的加速度。計步器處于未知方向，因此測量精度不應嚴重依賴(lài)于運動(dòng)軸與加速度計測量軸之間的關(guān)系。

 

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、前向和側向加速度相對應的x、y和z軸測量結果的典型圖樣。無(wú)論如何穿戴計步器，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(dòng)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
 

數字濾波器：先，為使圖3所示的信號波形變得平滑，需要一個(gè)數字濾波器?？梢允褂盟膫€(gè)寄存器和一個(gè)求和單元，如圖4所示。當然，可以使用更多寄存器以使加速度數據更加平滑，但響應時(shí)間會(huì )變慢。

 

圖4. 數字濾波器

 

圖5顯示了來(lái)自一名步行者所戴計步器的最活躍軸的濾波數據。對于跑步者，峰峰值會(huì )更高。

 

圖5. 最活躍軸的濾波數據

 

動(dòng)態(tài)閾值和動(dòng)態(tài)精度： 系統持續更新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(chēng)為"動(dòng)態(tài)閾值"。接下來(lái)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(dòng)態(tài)的。這種選擇具有自適應性，并且足夠快。除動(dòng)態(tài)閾值外，還利用動(dòng)態(tài)精度來(lái)執行進(jìn)一步濾波，如圖6所示。

 

圖6. 動(dòng)態(tài)閾值和動(dòng)態(tài)精度

 

利用一個(gè)線(xiàn)性移位寄存器和動(dòng)態(tài)閾值判斷個(gè)體是否有效地邁出一步。該線(xiàn)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。這些寄存器中的數據分別稱(chēng)為sample_new和sample_old。當新采樣數據到來(lái)時(shí)，sample_new無(wú)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定義精度，則最新的采樣結果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，從而保證結果更加精確。

 

步伐邁出的條件定義為：當加速度曲線(xiàn)跨過(guò)動(dòng)態(tài)閾值下方時(shí)，加速度曲線(xiàn)的斜率為負值().

 

峰值檢測： 步伐計數器根據x、y、z三軸中加速度變化最大的一個(gè)軸計算步數。如果加速度變化太小，步伐計數器將忽略。

 

步伐計數器利用此算法可以很好地工作，但有時(shí)顯得太敏感。當計步器因為步行或跑步之外的原因而非常迅速或非常緩慢地振動(dòng)時(shí)，步伐計數器也會(huì )認為它是步伐。為了找到真正的有節奏的步伐，必須排除這種無(wú)效振動(dòng)。利用"時(shí)間窗口"和"計數規則"可以解決這個(gè)問(wèn)題。

 

"時(shí)間窗口" 用于排除無(wú)效振動(dòng)。假設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，時(shí)間間隔超出該時(shí)間窗口的所有步伐都應被排除。

 

ADXL345的用戶(hù)可選輸出數據速率特性有助于實(shí)現時(shí)間窗口。表1列出了T_A = 25°C, V_S = 2.5 V和 V_{DD I/O} = 1.8 V時(shí)的可配置數據速率（以及功耗）。

 

表1. 數據速率和功耗

 

此算法使用50 Hz數據速率(20 ms)。采用interval的寄存器記錄兩步之間的數據更新次數。如果間隔值在10與100之間，則說(shuō)明兩步之間的時(shí)間在有效窗口之內；否則，時(shí)間間隔在時(shí)間窗口之外，步伐無(wú)效。

 

"計數規則" 用于確定步伐是否是一個(gè)節奏模式的一部分。步伐計數器有兩個(gè)工作狀態(tài)：搜索規則和確認規則。步伐計數器以搜索規則模式開(kāi)始工作。假設經(jīng)過(guò)四個(gè)連續有效步伐之后，發(fā)現存在某種規則(in regulation)，那么步伐計數器就會(huì )刷新和顯示結果，并進(jìn)入"確認規則"工作模式。在這種模式下工作時(shí)，每經(jīng)過(guò)一個(gè)有效步伐，步伐計數器就會(huì )更新一次。但是，如果發(fā)現哪怕一個(gè)無(wú)效步伐，步伐計數器就會(huì )返回搜索規則模式，重新搜索四個(gè)連續有效步伐。

 

圖7顯示了步伐參數的算法流程圖。

 

圖7. 步伐參數算法流程圖

 

距離參數

 

根據上述算法計算步伐參數之后，我們可以使用公式1獲得距離參數。

 

     距離 = 步數 × 每步距離   (1)

 

每步距離取決于用戶(hù)的速度和身高。如果用戶(hù)身材較高或以較快速度跑步，步長(cháng)就會(huì )較長(cháng)。參考設計每2秒更新一次距離、速度和卡路里參數。因此，我們使用每2秒計數到的步數判斷當前跨步長(cháng)度。表2顯示了用于判斷當前跨步長(cháng)度的實(shí)驗數據。

 

表2. 跨步長(cháng)度與速度（每2秒步數）和身高的關(guān)系

 

2秒的時(shí)間間隔可以利用采樣數精確算出。以50 Hz數據速率為例，處理器可以每100次采樣發(fā)送一次相應的指令。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(kāi)始時(shí)的步數，并利用一個(gè)名為m_nPedometerValue的變量記錄每個(gè)2秒間隔結束時(shí)的步數。這樣，每2秒步數等于m_nPedometerValue與m_nLastPedometer之差。

 

雖然數據速率為50 Hz，但ADXL345的片內FIFO使得處理器無(wú)需每20 ms讀取一次數據，極大地減輕了主處理器的負擔。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軸的測量數據存儲在FIFO中。當FIFO中的采樣數與FIFO_CTL寄存器采樣數位規定的數量相等時(shí)，水印中斷置1。如前所述，人們的跑步速度最快可達每秒5步，因此每0.2秒刷新一次結果即可保證實(shí)時(shí)顯示，從而處理器只需每0.2秒通過(guò)水印中斷喚醒一次并從ADXL345讀取數據。FIFO的其它功能也都非常有用。利用觸發(fā)模式，FIFO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(méi)有使用FIFO的其它功能，因此筆者將不展開(kāi)討論。

 

速度參數

 

速度 = 距離/時(shí)間, 而每2秒步數和跨步長(cháng)度均可根據上述算法計算，因此可以使用公式2獲得速度參數。

 

     速度 = 每2秒步數 s × 跨步/2 s   (2)

 

卡路里參數

 

我們無(wú)法精確計算卡路里的消耗速率。決定其消耗速率的一些因素包括體重、健身強度、運動(dòng)水平和新陳代謝。不過(guò)，我們可以使用常規近似法進(jìn)行估計。表3顯示了卡路里消耗與跑步速度的典型關(guān)系。

 

表3. 卡路里消耗與跑步速度的關(guān)系

 

由表3可以得到公式(3)。

 

     卡路里 (C/kg/h) = 1.25 × 跑步速度 (km/h)   (3)

 

以上所用的速度參數單位為m/s，將km/h轉換為m/s可得公式4。

 

     卡路里 (C/kg/h) = 1.25 × 速度 (m/s) × 3600/1000 = 4.5 × 速度 (m/s)   (4)

 

卡路里參數隨同距離和速度參數每2秒更新一次。為了考慮運動(dòng)者的體重，我們可以將公式4轉換為公式5。體重(kg)為用戶(hù)輸入量，一個(gè)小時(shí)等于1800個(gè)2秒間隔。

 

     卡路里 (C/2 s) 4.5 × 速度 × 體重/1800 = 速度 × 體重/400   (5)

 

如果用戶(hù)在步行或跑步之后休息，則步數和距離將不變化，速度應為0，此時(shí)的卡路里消耗可以利用公式6計算（休息時(shí)的卡路里消耗約為1 C/kg/h）。

 

     卡路里 (C/2 s) = 1 × 體重/1800   (6)

 

最后，我們可以將所有2秒間隔的卡路里相加，獲得總卡路里消耗量。

 

硬件連接

 

ADXL345易于連接到任何使用 I²C 或SPI數字通信協(xié)議的處理器。圖8給出了演示設備的原理示意圖，它采用3V電池供電。ADXL345的/CS引腳連接到板上的VS，以選擇I²C 模式。利用一個(gè)低成本精密模擬微控制器ADuC7024從ADXL345讀取數據，執行算法，并通過(guò)UART將結果發(fā)送至PC。SDA和SCL分別為 I²C 總線(xiàn)的數據和時(shí)鐘引腳，從ADXL345連接到ADuC7024的對應引腳。ADXL345的兩個(gè)中斷引腳連接到ADuC7024的IRQ輸入，以產(chǎn)生各種中斷信號并喚醒處理器。

 

圖8. 硬件系統的原理示意圖

 

用戶(hù)界面

 

用戶(hù)界面顯示測試數據，并對操作員的指令做出響應。用戶(hù)界面(UI)運行之后，串行端口應打開(kāi)，通信鏈路應啟動(dòng)，隨后演示程序將持續運行。圖9顯示了用戶(hù)佩戴計步器步行或跑步時(shí)的測試情況。用戶(hù)可以輸入其體重和身高數據，距離、速度和卡路里參數將根據這些數據進(jìn)行計算。

 

圖9. 用戶(hù)佩戴計步器步行或跑步時(shí)的測試情況

 

結論

 

ADXL345是一款出色的加速度計，非常適合計步器應用。它具有小巧纖薄的特點(diǎn)，采用3 mm × 5 mm × 0.95 mm塑封封裝，利用它開(kāi)發(fā)的計步器已經(jīng)出現在醫療儀器和高檔消費電子設備中。它在測量模式下的功耗僅40 μA，待機模式下為0.1 μA，堪稱(chēng)電池供電產(chǎn)品的理想之選。嵌入式FIFO極大地減輕了主處理器的負荷，使功耗顯著(zhù)降低。此外，可以利用可選的輸出數據速率進(jìn)行定時(shí)，從而取代處理器中的定時(shí)器。13位分辨率可以檢測非常小的峰峰值變化，為開(kāi)發(fā)高精度計步器創(chuàng )造了條件。最后，它具有三軸輸出功能，結合上述算法，用戶(hù)可以將計步器戴在身上幾乎任何部位。

 

幾點(diǎn)建議：如果應用對成本極其敏感，或者模擬輸出加速度計更適合，建議使用ADXL335，它是一款完整的小尺寸、薄型、低功耗、三軸加速度計，提供經(jīng)過(guò)信號調理的電壓輸出。如果PCB尺寸至關(guān)重要，建議使用ADXL346，這款低功耗器件的內置功能甚至比ADXL345還多，采用小巧纖薄的3 mm × 3 mm ×0.95 mm塑封封裝，電源電壓范圍為1.7 V至2.75 V。

 

致謝

 

本文借鑒了Charles Lee和Harvey Weinberg二位的技術(shù)經(jīng)驗，筆者對此表示感謝。

 

 

參考電路

 

1. Data sheets and additional product information on all Analog Devices products can be found at www.analog.com.

 

2. www.analog.com/en/products/mems/accelerometers.html.

 

 

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