如今，先進的計步器利用MEMS（微機電係統）慣性傳感器和複雜的軟件來精確檢測真實的步伐。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，因此越來越多的便攜式消費電子設備開始集成計步器功能，如音樂播放器和手機等。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，描述一個采用3軸加速度計ADXL345的全功能計步器參考設計，它能辨別並計數步伐，測量距離
、速度甚至所消耗的卡路裏。

 

ADXL345專有的（正在申請專利）片內32級先進先出(FIFO)緩衝器可以存儲數據
，並執行計步器應用的相關操作，從而最大程度地減少主處理器幹預，為便攜式設備節省寶貴的係統功率。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

 

在可用於分析跑步或步行的特征當中
，我們選擇"加速度"作為相關參數。個體（及其相關軸）的運動包括三個分量，分別是前向（"滾動"）、豎向（"偏航"）和側向（"俯仰"），如圖1所示。ADXL345檢測其三個軸——x、y和z上的加速度。計步器處於未知方向，因此測量精度不應嚴重依賴於運動軸與加速度計測量軸之間的關係。

 

圖1. 各軸的定義

 

讓我們考慮步行的特性。圖2描繪了一個步伐
，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係。

 

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zhou測ce量liang結jie果guo的de典dian型xing圖tu樣yang。無wu論lun如ru何he穿chuan戴dai計ji步bu器qi，總zong有you至zhi少shao一yi個ge軸zhou具ju有you相xiang對dui較jiao大da的de周zhou期qi性xing加jia速su度du變bian化hua，因yin此ci峰feng值zhi檢jian測ce和he針zhen對dui所suo有you三san個ge軸zhou上shang的de加jia速su度du的de動dong態tai閾yu值zhi決jue策ce算suan法fa對dui於yu檢jian測ce單dan位wei步bu行xing或huo跑pao步bu周zhou期qi至zhi關guan重zhong要yao。

 

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
，需要一個數字濾波器。可以使用四個寄存器和一個求和單元，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
，但響應時間會變慢。

 

圖4. 數字濾波器

 

圖5顯示了來自一名步行者所戴計步器的最活躍軸的濾波數據。對於跑步者
，峰峰值會更高。

 

圖5. 最活躍軸的濾波數據

 

動態閾值和動態精度： 係統持續更新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稱為"動態閾值"。接下來的50次采樣利用此閾值判斷個體是否邁出步伐。由於此閾值每50次采樣更新一次，因此它是動態的。這種選擇具有自適應性
，並且足夠快。除動態閾值外，還利用動態精度來執行進一步濾波，如圖6所示。

 

圖6. 動態閾值和動態精度

 

利用一個線性移位寄存器和動態閾值判斷個體是否有效地邁出一步。該線性移位寄存器含有2個寄存器：sample_new寄存器和sample_old寄存器。這些寄存器中的數據分別稱為sample_new和sample_old。當新采樣數據到來時，sample_new無條件移入sample_old寄存器。然而，sample_result是否移入sample_new寄存器取決於下述條件：如果加速度變化大於預定義精度，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：當加速度曲線跨過動態閾值下方時，加速度曲線的斜率為負值().

 

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軸計算步數。如果加速度變化太小，步伐計數器將忽略。

 

步bu伐fa計ji數shu器qi利li用yong此ci算suan法fa可ke以yi很hen好hao地di工gong作zuo，但dan有you時shi顯xian得de太tai敏min感gan。當dang計ji步bu器qi因yin為wei步bu行xing或huo跑pao步bu之zhi外wai的de原yuan因yin而er非fei常chang迅xun速su或huo非fei常chang緩huan慢man地di振zhen動dong時shi，步bu伐fa計ji數shu器qi也ye會hui認ren為wei它ta是shi步bu伐fa。為wei了le找zhao到dao真zhen正zheng的de有you節jie奏zou的de步bu伐fa，必bi須xu排pai除chu這zhe種zhong無wu效xiao振zhen動dong。利li用yong"時間窗口"和"計數規則"可以解決這個問題。

 

"時間窗口" 用於排除無效振動。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，兩個有效步伐的時間間隔在時間窗口[0.2 s - 2.0 s]之內，時間間隔超出該時間窗口的所有步伐都應被排除。

 

ADXL345的用戶可選輸出數據速率特性有助於實現時間窗口。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，則說明兩步之間的時間在有效窗口之內；否則
，時間間隔在時間窗口之外
，步伐無效。

 

"計數規則" 用於確定步伐是否是一個節奏模式的一部分。步伐計數器有兩個工作狀態：搜索規則和確認規則。步伐計數器以搜索規則模式開始工作。假設經過四個連續有效步伐之後
，發現存在某種規則(in regulation)，那麼步伐計數器就會刷新和顯示結果，並進入"確認規則"工gong作zuo模mo式shi。在zai這zhe種zhong模mo式shi下xia工gong作zuo時shi，每mei經jing過guo一yi個ge有you效xiao步bu伐fa，步bu伐fa計ji數shu器qi就jiu會hui更geng新xin一yi次ci。但dan是shi
，如ru果guo發fa現xian哪na怕pa一yi個ge無wu效xiao步bu伐fa
，步bu伐fa計ji數shu器qi就jiu會hui返fan回hui搜sou索suo規gui則ze模mo式shi
，重zhong新xin搜sou索suo四si個ge連lian續xu有you效xiao步bu伐fa。

 

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後
，我們可以使用公式1獲得距離參數。

 

     距離 = 步數 × 每步距離   (1)

 

每步距離取決於用戶的速度和身高。如果用戶身材較高或以較快速度跑步，步長就會較長。參考設計每2秒更新一次距離、速度和卡路裏參數。因此，我們使用每2秒計數到的步數判斷當前跨步長度。表2顯示了用於判斷當前跨步長度的實驗數據。

 

表2. 跨步長度與速度（每2秒步數）和身高的關係

 

2秒的時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次采樣發送一次相應的指令。處理器利用一個名為m_nLastPedometer的變量記錄每個2秒間隔開始時的步數，並利用一個名為m_nPedometerValue的變量記錄每個2秒間隔結束時的步數。這樣，每2秒步數等於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。該緩衝器支持四種工作模式：旁路
、FIFO、流和觸發。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，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時顯示，從而處理器隻需每0.2秒通過水印中斷喚醒一次並從ADXL345讀取數據。FIFO的其它功能也都非常有用。利用觸發模式，FIFO可以告訴我們中斷之前發生了什麼。由於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。

 

速度參數

 

速度 = 距離/時間, 而每2秒步數和跨步長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)

 

卡路裏參數

 

我們無法精確計算卡路裏的消耗速率。決定其消耗速率的一些因素包括體重
、健身強度、運動水平和新陳代謝。不過，我們可以使用常規近似法進行估計。表3顯示了卡路裏消耗與跑步速度的典型關係。

 

表3. 卡路裏消耗與跑步速度的關係

 

由表3可以得到公式(3)。

 

     卡路裏 (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。

 

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

 

卡路裏參數隨同距離和速度參數每2秒更新一次。為了考慮運動者的體重，我們可以將公式4轉換為公式5。體重(kg)為用戶輸入量
，一個小時等於1800個2秒間隔。

 

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

 

如果用戶在步行或跑步之後休息，則步數和距離將不變化，速度應為0，此時的卡路裏消耗可以利用公式6計算（休息時的卡路裏消耗約為1 C/kg/h）。

 

     卡路裏 (C/2 s) = 1 × 體重/1800   (6)

 

最後，我們可以將所有2秒間隔的卡路裏相加

，獲得總卡路裏消耗量。

 

硬件連接

 

ADXL345易於連接到任何使用 I²C 或SPI數字通信協議的處理器。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。利用一個低成本精密模擬微控製器ADuC7024從ADXL345讀取數據
，執行算法，並通過UART將結果發送至PC。SDA和SCL分別為 I²C 總線的數據和時鍾引腳，從ADXL345連接到ADuC7024的對應引腳。ADXL345的兩個中斷引腳連接到ADuC7024的IRQ輸入，以產生各種中斷信號並喚醒處理器。

 

圖8. 硬件係統的原理示意圖

 

用戶界麵

 

用戶界麵顯示測試數據，並對操作員的指令做出響應。用戶界麵(UI)運行之後
，串行端口應打開，通信鏈路應啟動
，隨後演示程序將持續運行。圖9顯示了用戶佩戴計步器步行或跑步時的測試情況。用戶可以輸入其體重和身高數據，距離
、速度和卡路裏參數將根據這些數據進行計算。

 

圖9. 用戶佩戴計步器步行或跑步時的測試情況

 

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，采用3 mm × 5 mm × 0.95 mm塑封封裝
，利用它開發的計步器已經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，堪稱電池供電產品的理想之選。嵌入式FIFO極大地減輕了主處理器的負荷

，使功耗顯著降低。此外，可以利用可選的輸出數據速率進行定時

，從而取代處理器中的定時器。13weifenbianlvkeyijiancefeichangxiaodefengfengzhibianhua
，weikaifagaojingdujibuqichuangzaoletiaojian。zuihou，tajuyousanzhoushuchugongneng，jieheshangshusuanfa，yonghukeyijiangjibuqidaizaishenshangjihurenhebuwei。

 

幾點建議：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，提供經過信號調理的電壓輸出。如果PCB尺寸至關重要
，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

，電源電壓範圍為1.7 V至2.75 V。

 

致謝

 

本文借鑒了Charles Lee和Harvey Weinberg二位的技術經驗，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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