【導(dǎo)讀】計(jì)步器是一種頗受歡迎的日常鍛煉進(jìn)度監(jiān)控器，可以激勵(lì)人們挑戰(zhàn)自己，增強(qiáng)體質(zhì)，幫助瘦身。早期設(shè)計(jì)利用加重的機(jī)械開關(guān)檢測(cè)步伐，并帶有一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)數(shù)器。晃動(dòng)這些裝置時(shí)，可以聽到有一個(gè)金屬球來回滑動(dòng)，或者一個(gè)擺錘左右擺動(dòng)敲擊擋塊。
如今，先進(jìn)的計(jì)步器利用MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）慣性傳感器和復(fù)雜的軟件來精確檢測(cè)真實(shí)的步伐。MEMS慣性傳感器可以更準(zhǔn)確地檢測(cè)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)，因此越來越多的便攜式消費(fèi)電子設(shè)備開始集成計(jì)步器功能，如音樂播放器和手機(jī)等。ADI公司的3軸加速度計(jì)ADXL335, ADXL345和 ADXL346 小巧纖薄，功耗極低，非常適合這種應(yīng)用。
本文以對(duì)步伐特征的研究為基礎(chǔ)，描述一個(gè)采用3軸加速度計(jì)ADXL345的全功能計(jì)步器參考設(shè)計(jì)，它能辨別并計(jì)數(shù)步伐，測(cè)量距離、速度甚至所消耗的卡路里。
ADXL345專有的（正在申請(qǐng)專利）片內(nèi)32級(jí)先進(jìn)先出(FIFO)緩沖器可以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并執(zhí)行計(jì)步器應(yīng)用的相關(guān)操作，從而最大程度地減少主處理器干預(yù)，為便攜式設(shè)備節(jié)省寶貴的系統(tǒng)功率。其13位分辨率(4 mg/LSB)甚至允許計(jì)步器以合理的精度測(cè)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(dāng)中，我們選擇"加速度"作為相關(guān)參數(shù)。個(gè)體（及其相關(guān)軸）的運(yùn)動(dòng)包括三個(gè)分量，分別是前向（"滾動(dòng)"）、豎向（"偏航"）和側(cè)向（"俯仰"），如圖1所示。ADXL345檢測(cè)其三個(gè)軸——x、y和z上的加速度。計(jì)步器處于未知方向，因此測(cè)量精度不應(yīng)嚴(yán)重依賴于運(yùn)動(dòng)軸與加速度計(jì)測(cè)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(cè)向加速度相對(duì)應(yīng)的x、y和z軸測(cè)量結(jié)果的典型圖樣。無論如何穿戴計(jì)步器，總有至少一個(gè)軸具有相對(duì)較大的周期性加速度變化，因此峰值檢測(cè)和針對(duì)所有三個(gè)軸上的加速度的動(dòng)態(tài)閾值決策算法對(duì)于檢測(cè)單位步行或跑步周期至關(guān)重要。
圖3. 從一名跑步者測(cè)得的x、y和z軸加速度的典型圖樣
算法
步伐參數(shù)
數(shù)字濾波器：先，為使圖3所示的信號(hào)波形變得平滑，需要一個(gè)數(shù)字濾波器。可以使用四個(gè)寄存器和一個(gè)求和單元，如圖4所示。當(dāng)然，可以使用更多寄存器以使加速度數(shù)據(jù)更加平滑，但響應(yīng)時(shí)間會(huì)變慢。
圖4. 數(shù)字濾波器
圖5顯示了來自一名步行者所戴計(jì)步器的最活躍軸的濾波數(shù)據(jù)。對(duì)于跑步者，峰峰值會(huì)更高。
圖5. 最活躍軸的濾波數(shù)據(jù)
動(dòng)態(tài)閾值和動(dòng)態(tài)精度： 系統(tǒng)持續(xù)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(dòng)態(tài)閾值"。接下來的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(yīng)性，并且足夠快。除動(dòng)態(tài)閾值外，還利用動(dòng)態(tài)精度來執(zhí)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(shù)據(jù)分別稱為sample_new和sample_old。當(dāng)新采樣數(shù)據(jù)到來時(shí)，sample_new無條件移入sample_old寄存器。然而，sample_result是否移入sample_new寄存器取決于下述條件：如果加速度變化大于預(yù)定義精度，則最新的采樣結(jié)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(jié)果更加精確。
步伐邁出的條件定義為：當(dāng)加速度曲線跨過動(dòng)態(tài)閾值下方時(shí)，加速度曲線的斜率為負(fù)值().
峰值檢測(cè)： 步伐計(jì)數(shù)器根據(jù)x、y、z三軸中加速度變化最大的一個(gè)軸計(jì)算步數(shù)。如果加速度變化太小，步伐計(jì)數(shù)器將忽略。
步伐計(jì)數(shù)器利用此算法可以很好地工作，但有時(shí)顯得太敏感。當(dāng)計(jì)步器因?yàn)椴叫谢蚺懿街獾脑蚨浅Ｑ杆倩蚍浅＞徛卣駝?dòng)時(shí)，步伐計(jì)數(shù)器也會(huì)認(rèn)為它是步伐。為了找到真正的有節(jié)奏的步伐，必須排除這種無效振動(dòng)。利用"時(shí)間窗口"和"計(jì)數(shù)規(guī)則"可以解決這個(gè)問題。
"時(shí)間窗口" 用于排除無效振動(dòng)。假設(shè)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(nèi)，時(shí)間間隔超出該時(shí)間窗口的所有步伐都應(yīng)被排除。
ADXL345的用戶可選輸出數(shù)據(jù)速率特性有助于實(shí)現(xiàn)時(shí)間窗口。表1列出了TA = 25°C, VS = 2.5 V和 VDD I/O = 1.8 V時(shí)的可配置數(shù)據(jù)速率（以及功耗）。
表1. 數(shù)據(jù)速率和功耗
此算法使用50 Hz數(shù)據(jù)速率(20 ms)。采用interval的寄存器記錄兩步之間的數(shù)據(jù)更新次數(shù)。如果間隔值在10與100之間，則說明兩步之間的時(shí)間在有效窗口之內(nèi)；否則，時(shí)間間隔在時(shí)間窗口之外，步伐無效。
"計(jì)數(shù)規(guī)則" 用于確定步伐是否是一個(gè)節(jié)奏模式的一部分。步伐計(jì)數(shù)器有兩個(gè)工作狀態(tài)：搜索規(guī)則和確認(rèn)規(guī)則。步伐計(jì)數(shù)器以搜索規(guī)則模式開始工作。假設(shè)經(jīng)過四個(gè)連續(xù)有效步伐之后，發(fā)現(xiàn)存在某種規(guī)則(in regulation)，那么步伐計(jì)數(shù)器就會(huì)刷新和顯示結(jié)果，并進(jìn)入"確認(rèn)規(guī)則"工作模式。在這種模式下工作時(shí)，每經(jīng)過一個(gè)有效步伐，步伐計(jì)數(shù)器就會(huì)更新一次。但是，如果發(fā)現(xiàn)哪怕一個(gè)無效步伐，步伐計(jì)數(shù)器就會(huì)返回搜索規(guī)則模式，重新搜索四個(gè)連續(xù)有效步伐。
圖7顯示了步伐參數(shù)的算法流程圖。
圖7. 步伐參數(shù)算法流程圖
距離參數(shù)
根據(jù)上述算法計(jì)算步伐參數(shù)之后，我們可以使用公式1獲得距離參數(shù)。
距離 = 步數(shù) × 每步距離 (1)
每步距離取決于用戶的速度和身高。如果用戶身材較高或以較快速度跑步，步長就會(huì)較長。參考設(shè)計(jì)每2秒更新一次距離、速度和卡路里參數(shù)。因此，我們使用每2秒計(jì)數(shù)到的步數(shù)判斷當(dāng)前跨步長度。表2顯示了用于判斷當(dāng)前跨步長度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
表2. 跨步長度與速度（每2秒步數(shù)）和身高的關(guān)系
2秒的時(shí)間間隔可以利用采樣數(shù)精確算出。以50 Hz數(shù)據(jù)速率為例，處理器可以每100次采樣發(fā)送一次相應(yīng)的指令。處理器利用一個(gè)名為m_nLastPedometer的變量記錄每個(gè)2秒間隔開始時(shí)的步數(shù)，并利用一個(gè)名為m_nPedometerValue的變量記錄每個(gè)2秒間隔結(jié)束時(shí)的步數(shù)。這樣，每2秒步數(shù)等于m_nPedometerValue與m_nLastPedometer之差。
雖然數(shù)據(jù)速率為50 Hz，但ADXL345的片內(nèi)FIFO使得處理器無需每20 ms讀取一次數(shù)據(jù)，極大地減輕了主處理器的負(fù)擔(dān)。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(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在FIFO中。當(dāng)FIFO中的采樣數(shù)與FIFO_CTL寄存器采樣數(shù)位規(guī)定的數(shù)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(dá)每秒5步，因此每0.2秒刷新一次結(jié)果即可保證實(shí)時(shí)顯示，從而處理器只需每0.2秒通過水印中斷喚醒一次并從ADXL345讀取數(shù)據(jù)。FIFO的其它功能也都非常有用。利用觸發(fā)模式，F(xiàn)IFO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有使用FIFO的其它功能，因此筆者將不展開討論。
速度參數(shù)
速度 = 距離/時(shí)間, 而每2秒步數(shù)和跨步長度均可根據(jù)上述算法計(jì)算，因此可以使用公式2獲得速度參數(shù)。
速度 = 每2秒步數(shù) s × 跨步/2 s (2)
卡路里參數(shù)
我們無法精確計(jì)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(qiáng)度、運(yùn)動(dòng)水平和新陳代謝。不過，我們可以使用常規(guī)近似法進(jìn)行估計(jì)。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(shù)單位為m/s，將km/h轉(zhuǎn)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(shù)隨同距離和速度參數(shù)每2秒更新一次。為了考慮運(yùn)動(dòng)者的體重，我們可以將公式4轉(zhuǎn)換為公式5。體重(kg)為用戶輸入量，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)
如果用戶在步行或跑步之后休息，則步數(shù)和距離將不變化，速度應(yīng)為0，此時(shí)的卡路里消耗可以利用公式6計(jì)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(shù)字通信協(xié)議的處理器。圖8給出了演示設(shè)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(shù)據(jù)，執(zhí)行算法，并通過UART將結(jié)果發(fā)送至PC。SDA和SCL分別為 I2C 總線的數(shù)據(jù)和時(shí)鐘引腳，從ADXL345連接到ADuC7024的對(duì)應(yīng)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(hào)并喚醒處理器。
圖8. 硬件系統(tǒng)的原理示意圖
用戶界面
用戶界面顯示測(cè)試數(shù)據(jù)，并對(duì)操作員的指令做出響應(yīng)。用戶界面(UI)運(yùn)行之后，串行端口應(yīng)打開，通信鏈路應(yīng)啟動(dòng)，隨后演示程序?qū)⒊掷m(xù)運(yùn)行。圖9顯示了用戶佩戴計(jì)步器步行或跑步時(shí)的測(cè)試情況。用戶可以輸入其體重和身高數(shù)據(jù)，距離、速度和卡路里參數(shù)將根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。
圖9. 用戶佩戴計(jì)步器步行或跑步時(shí)的測(cè)試情況
結(jié)論
ADXL345是一款出色的加速度計(jì)，非常適合計(jì)步器應(yīng)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，利用它開發(fā)的計(jì)步器已經(jīng)出現(xiàn)在醫(yī)療儀器和高檔消費(fèi)電子設(shè)備中。它在測(cè)量模式下的功耗僅40 μA，待機(jī)模式下為0.1 μA，堪稱電池供電產(chǎn)品的理想之選。嵌入式FIFO極大地減輕了主處理器的負(fù)荷，使功耗顯著降低。此外，可以利用可選的輸出數(shù)據(jù)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(cè)非常小的峰峰值變化，為開發(fā)高精度計(jì)步器創(chuàng)造了條件。最后，它具有三軸輸出功能，結(jié)合上述算法，用戶可以將計(jì)步器戴在身上幾乎任何部位。
幾點(diǎn)建議：如果應(yīng)用對(duì)成本極其敏感，或者模擬輸出加速度計(jì)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(jì)，提供經(jīng)過信號(hào)調(diào)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(nèi)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(yàn)，筆者對(duì)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.
推薦閱讀：
