基于三軸加速度傳感器的計(jì)步器設(shè)計(jì)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明是基于一種三軸加速度傳感器MMA7455和無線收發(fā)模塊nRF905來實(shí)現(xiàn)計(jì)步的，主控制器采用TI公司的MSP430微處理器來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、計(jì)步、信息傳送控制等。該計(jì)步器具有記步信息實(shí)時(shí)傳送、記步準(zhǔn)確、功耗極低等特點(diǎn)。
【專利說明】
基于三軸加速度傳感器的計(jì)步器設(shè)計(jì)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]步行對(duì)健康起到重要的作用，計(jì)步器就是在你走步的時(shí)候幫你計(jì)算一共走了多少步，是一個(gè)既經(jīng)濟(jì)又科學(xué)的小工具，一個(gè)小巧方便的計(jì)步器是不可或缺的。它是一種健康電子產(chǎn)品，計(jì)步器可以幫我們完成每天走步計(jì)數(shù)目標(biāo)。計(jì)步器的開發(fā)研制對(duì)健康生活極其關(guān)鍵。它不僅僅是一個(gè)計(jì)數(shù)的機(jī)器，更是一個(gè)督促運(yùn)動(dòng)，與健康密切聯(lián)系的必需品。該發(fā)明屬于健康訓(xùn)練領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]以肥胖癥為代表的各種慢性病，以及由此引發(fā)的如高血壓、高血脂、高血糖、心腦血管病等并發(fā)癥的發(fā)生率越來越高，而這很大程度歸咎于現(xiàn)代都市的靜態(tài)生活方式。研究發(fā)現(xiàn)適量的體育運(yùn)動(dòng)對(duì)預(yù)防此類疾病和保持正常體重起著重要作用。而對(duì)患病的人們來說，體育運(yùn)動(dòng)作為綠色藥方對(duì)病人的康復(fù)非常關(guān)鍵。另外，老年人由于身體機(jī)能的降低也正經(jīng)歷著特別的風(fēng)險(xiǎn)，研究發(fā)現(xiàn)增加體育鍛煉能夠降低心血管病、II型糖尿病、癌癥和骨質(zhì)疏松等疾病的發(fā)生率。
[0003]為此，進(jìn)行適量的體育運(yùn)動(dòng)是相當(dāng)必要的。然而，“適量”通常是一個(gè)很主觀的概念。一個(gè)立志減肥但意志力薄弱的人，可能少量的運(yùn)動(dòng)就會(huì)停止；而一個(gè)人遇到自己喜歡的運(yùn)動(dòng)時(shí)又很難停下來。運(yùn)動(dòng)過量會(huì)導(dǎo)致肌肉力量、協(xié)調(diào)性和最大工作能力下降、食欲降低、睡眠質(zhì)量下降、失眠及抵抗力下降等，對(duì)人體健康產(chǎn)生很大損傷。
[0004]所以，為保障適量的體育運(yùn)動(dòng)，防止運(yùn)動(dòng)不足達(dá)不到預(yù)期效果和運(yùn)動(dòng)過量造成損傷，就需要一種便攜式設(shè)備來量化并監(jiān)測(cè)日常運(yùn)動(dòng)。計(jì)步器可以滿足用戶量化運(yùn)動(dòng)和自我監(jiān)測(cè)的需求，使用戶意識(shí)到運(yùn)動(dòng)的重要性，激勵(lì)其運(yùn)動(dòng)并促進(jìn)其制定合理的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，起到鍛煉身體增強(qiáng)免疫力的目的。
[0005]1.幾種短距離通信傳輸方式的比較
[0006]在我們的項(xiàng)目，我們要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)可以傳遞有關(guān)的步驟為其他人來監(jiān)控信息的計(jì)步器。有許多種類的短距離無線通信技術(shù)供我們選擇。他們是紅外線(IrDA)技術(shù)，藍(lán)牙技術(shù)，無線上網(wǎng)(IEEE802.)技術(shù)和Zigbee技術(shù)。我們最終選擇無線模式nRF905。
[0007]nRF905無線模塊的介紹
[0008]nRF905采用Nordic公司的VLSI ShockBurst技術(shù)。nRF905無線模塊的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)如下:
[0009]I)典型 ShockBurst TX 模式:
[0010]①、當(dāng)應(yīng)用MCU有遙控?cái)?shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)時(shí)，接收節(jié)點(diǎn)的地址TX-address和有效數(shù)據(jù)TX-payload通過SPI接口傳送給nRF905應(yīng)用協(xié)議或MCU設(shè)置接口速度；
[0011]②、MCU設(shè)置 TRX_CE、TX_EN 為高來激活 nRF905 ShockBurst 傳輸；
[0012]③、nRF905ShockBurst:
[0013]無線系統(tǒng)自動(dòng)上電數(shù)據(jù)包完成(加前導(dǎo)碼和CRC校驗(yàn)碼)數(shù)據(jù)包發(fā)送(100kbps，GFSK，曼切斯特編碼);
[0014]④、如果AUT0_RETRAN被設(shè)置為高nRF905將連續(xù)地發(fā)送數(shù)據(jù)包直到TRX_CE被設(shè)置為低；
[0015]⑤、當(dāng)TRX_CE被設(shè)置為低時(shí)，nRF905結(jié)束數(shù)據(jù)傳輸并自動(dòng)進(jìn)入standby模式。
[0016]2)典型 ShockBurst RX 模式
[0017]①、通過設(shè)置TRX_CE高，TX_EN低來選擇ShockBurst模式；
[0018]②、650us以后，nRF905監(jiān)測(cè)空中的信息；
[0019]③、當(dāng)nRF905發(fā)現(xiàn)和接收頻率相同的載波時(shí)，載波檢測(cè)CD被置高；
[0020]④、當(dāng)nRF905接收到有效的地址時(shí)，地址匹配AM被置高；
[0021]⑤、當(dāng)nRF905接收到有效的數(shù)據(jù)包(CRC校驗(yàn)正確)時(shí)，nRF905去掉前導(dǎo)碼、地址和CRC位，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒(DR)被置高；
[0022]⑥、MCU設(shè)置TRX_CE低，進(jìn)入standby模式低電流模式；
[0023]⑦、MCU可以以合適的速率通過SPI接口讀出有效數(shù)據(jù)；
[0024]⑧、當(dāng)所有的有效數(shù)據(jù)被讀出后，nRF905將AM和DR置低；
[0025]⑨、nRF905將準(zhǔn)備進(jìn)入 ShockBurst RX、ShockBurst TX 或 Powerdown 模式。
[0026]3)成本
[0027]該nRF905的無線模型是很便宜。
[0028]4)信號(hào)覆蓋
[0029]在200-300米的范圍內(nèi)，NRF905 一般都能夠覆蓋，為實(shí)現(xiàn)無線傳輸提供了一個(gè)計(jì)步器可能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0030]有關(guān)步數(shù)檢測(cè)方法，很多文獻(xiàn)做過這方面研究，分析發(fā)現(xiàn)檢測(cè)方法主要分為兩大類:一類是動(dòng)態(tài)閾值的判斷方法，根據(jù)采樣數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)計(jì)算閾值，當(dāng)信號(hào)跨過閾值下方時(shí)記為有效步伐，這種方法是從正弦波形的下降區(qū)間判斷步伐；另一類是峰值的判斷方法，首先根據(jù)斜率查找信號(hào)峰值，再根據(jù)人體運(yùn)動(dòng)的加速度波形特征判斷步伐，這種方法是從正弦波形的拐點(diǎn)處判斷步伐。
[0031]本發(fā)明是基于一種三軸加速度傳感器MMA7455和無線收發(fā)模塊nRF905來實(shí)現(xiàn)計(jì)步的，主控制器采用TI公司的MSP430微處理器來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、計(jì)步、信息傳送控制等。該計(jì)步器具有記步信息實(shí)時(shí)傳送、記步準(zhǔn)確、功耗極低等特點(diǎn)。
【具體實(shí)施方式】
[0032]1.算法設(shè)計(jì)
[0033]當(dāng)人跑步時(shí)，我們可以使用距離，速度和加速度來描述人類的運(yùn)行的行為?；诩铀俣鹊奶攸c(diǎn)，本文采用加速度的參數(shù)來模擬人類的運(yùn)行模式。通過加速度傳感器(MMA7455)，我們可以得到的人們加速度的模擬信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)處理的算法，該系統(tǒng)可以計(jì)算步數(shù)的確切數(shù)字。
[0034]首先，定義的三個(gè)方向的加速度:垂直，前視圖，側(cè)視圖。
[0035]MMA7455是一個(gè)三軸(X，Y，Z軸)的加速度傳感器，其可以模擬輸出的加速度信號(hào)，所以它可以被用作三個(gè)方向的傳感器:垂直，前視圖，側(cè)視圖。由ΜΜΑ7455的3軸輸出的數(shù)據(jù)是3個(gè)方向的加速度。
[0036]這是因?yàn)镸MA7455的位置被放置可選的，而不是嚴(yán)格水平的，可選的位置的分析是必要的和有效的。限定了包含垂直和X，Y，Z軸之間的角度為A，B，C，則我們可以斷定加速度在X的分量，Y，Z軸是:
[0037]Axv = (cosav) Av,
[0038]Ayv = (cosbv) Av,
[0039]Azv = (coscv) Av，
[0040]用相同的理論，正面和側(cè)面加速度在X的分量，Y，Z軸是
[0041]正面:
[0042]AxF = (cosav)AF
[0043]AzS = (cosav)AS
[0044]AyF = (cosbv)AF，
[0045]邊界:
[0046]Ayv = (cosbS) Av
[0047]Azv = (coscF) Av
[0048]Azv = (coscS)Av，
[0049]因此，當(dāng)有人正在運(yùn)行時(shí)，在X中的加速度，Y，Z軸是:
[0050]AX = AXV+AXF+AXS
[0051]AY = AyV+AYF+AYS
[0052]AZ = AZV+AZF+AZS,
[0053]通過MLB公司生產(chǎn)MMA7455 digital三軸加速度傳感器是MMA7455模塊的核心。所謂的加速度傳感器MMA7455從高電磁兼容性設(shè)計(jì)的，它具有精度輸出，體積小，清楚地標(biāo)明，良好的擴(kuò)展性等的MMA7455模塊的主要參數(shù)包括三個(gè)軸的自我檢查，工作在低電壓的優(yōu)勢(shì):2.4V?3.6V時(shí)，注冊(cè)用戶在指定偏移校準(zhǔn)來使用，可編程閾值輸出，電平移動(dòng)(沖擊，沖擊，自由跌落)的區(qū)分，脈沖檢測(cè)，區(qū)分單脈沖或雙脈沖，64個(gè)靈敏度LSB/g的10位模式下，8位模式可以選擇其中2G，4G，8G的靈敏度。
[0054]2.硬件設(shè)計(jì)
[0055]2.1單片機(jī)性能和工作原理
[0056]微型計(jì)算機(jī)具有體積小、價(jià)格低、使用方便、可靠性高等一系列優(yōu)點(diǎn)，所以一問世就顯示出強(qiáng)大的生命力，現(xiàn)今微處理器已經(jīng)滲透到人類生活的各個(gè)領(lǐng)域。在應(yīng)用于智能化儀器儀表、通信設(shè)備等領(lǐng)域時(shí)，要求的運(yùn)算、控制功能相對(duì)并不是很復(fù)雜，但對(duì)體積、成本、功耗等的要求卻比較苛刻。為適應(yīng)這方面的需求，產(chǎn)生了一種將中央處理器、存儲(chǔ)器、1/0接口電路以及連接它們的總線都集成在一塊芯片上的計(jì)算機(jī)，即所謂的單片微型計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱單片機(jī)。
[0057]對(duì)于便攜式電子產(chǎn)品來說，選用微處理器芯片時(shí)，除了考慮系統(tǒng)時(shí)鐘頻率和內(nèi)存(RAM)的大小外，還要考慮系統(tǒng)低功耗的要求，因?yàn)榇龣C(jī)能耗是制約便攜式產(chǎn)品發(fā)展的關(guān)鍵因素。所以本設(shè)計(jì)選用以超低功耗著稱的德州儀器(TI)的MSP430系列單片機(jī)，根據(jù)設(shè)計(jì)的選型要求和芯片特點(diǎn)，經(jīng)綜合考慮，系統(tǒng)選用MSP430芯片，其具有256kB的flash存儲(chǔ)器，18kB的RAM，20MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘、I2C通信接口以及16位Timer，此型號(hào)在同系列芯片中擁有最大的RAM及很快的處理速度，其特點(diǎn)完全滿足本設(shè)計(jì)的需求。
[0058]2.2傳感器選擇與工作原理
[0059]測(cè)量人體運(yùn)動(dòng)時(shí)，使用三軸加速度傳感器比其他傳感器更能準(zhǔn)確的對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)估，對(duì)人類健康和移動(dòng)醫(yī)療意義重大。為了準(zhǔn)確的反映人的運(yùn)動(dòng)特征，本發(fā)明亦選用三軸加速度傳感器測(cè)量人體運(yùn)動(dòng)加速度。
[0060]本發(fā)明的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)芯片選用意法半導(dǎo)體((STMicroelectronics)公司推出的MEMS傳感器MMA7445，它集成有三軸磁力計(jì)和三軸加速度計(jì)，直接輸出數(shù)字信號(hào)，所以采樣得到的信號(hào)就不必再做模數(shù)轉(zhuǎn)換。三軸加速度計(jì)采用12位ADC，可以達(dá)到Img的測(cè)量精度。芯片采用((3X 5X 1mm)LGA封裝，尺寸比以前的芯片進(jìn)一步縮減。另外，MMA7445內(nèi)置應(yīng)用層FIFO單元和睡眠/喚醒功能，可解決芯片級(jí)和系統(tǒng)級(jí)的能效問題，其工作功耗僅為IlOuA,是便攜式電子產(chǎn)品的理想選擇。
[0061]3.傳感器三軸輸出的實(shí)際意義
[0062]此加速度傳感器是16位數(shù)據(jù)輸出，采用高八位和低八位的輸出方式，由于加速度的靈敏度采用12位表示，所以為了把輸出結(jié)果與實(shí)際意義相對(duì)應(yīng)，需要舍棄最低的四位數(shù)據(jù)，所以對(duì)輸出的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行組合和右移4位運(yùn)算，具體操作如下:
[0063]AXISes X = (zl6_t) ((valuell << 8) I valueZ, ) ；4 ；
[0064]AXlSes Y = (zl6_t) ((valuell << 8) I valueZ, ) ；4 ；
[0065]AXISes Z = (zl6_t) ((valuell << 8) I valueZ, ) ；4 ；
[0066]由于采用12位表示，除去第一位符號(hào)位，輸出的十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制后表示的滿量程大小為211 = 2048。在選定了量程后，靈敏度也隨之確定，即2mg/LSB，則輸出數(shù)據(jù)為I時(shí)表示的加速度大小為2mg，并且2048X 2mg/LSB = 2048mg，約為4g，正好符合要求。
[0067]那么就可以計(jì)算出，當(dāng)輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成十進(jìn)制數(shù)是_512時(shí)，代表Ig的加速度，其他輸出值對(duì)應(yīng)的加速度大小可以類似計(jì)算。
[0068]4.無線收發(fā)模塊
[0069]無線收發(fā)模塊米用nRF905，該模塊米用Nordic公司的VLSI ShockBurst技術(shù)。ShockBurst技術(shù)使nRF905能夠提供高速的數(shù)據(jù)傳輸，而不需要昂貴的高速M(fèi)CU來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)鐘覆蓋。通過將與RF協(xié)議有關(guān)的高速信號(hào)處理放到芯片內(nèi)，nRF905提供給應(yīng)用的微控制器一個(gè)SPI接口，速率由微控制器自己設(shè)定的接口速度決定。nRF905通過ShockBurst工作模式在RF以最大速率進(jìn)行連接時(shí)降低數(shù)字應(yīng)用部分的速度來降低在應(yīng)用中的平均電流消耗。在ShockBurst RX模式中，地址匹配AM和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒DR信號(hào)通知MCU —個(gè)有效的地址和數(shù)據(jù)包已經(jīng)各自接收完成。在ShockBurst TX模式中，nRF905自動(dòng)產(chǎn)生前導(dǎo)碼和CRC校驗(yàn)碼，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒DR信號(hào)通知MCU數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)完成?？傊?，這意味著降低MCU的存儲(chǔ)器需求也就是說降低MCU成本，又同時(shí)縮短軟件開發(fā)時(shí)間。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.本發(fā)明的計(jì)步器采用三軸加速度傳感器MMA7455和無線收發(fā)模塊nRF905來實(shí)現(xiàn)計(jì)步。2.該計(jì)步器的主控制器采用TI公司的MSP430低功耗處理器，具有功耗低、處理速度快等特點(diǎn)。
【文檔編號(hào)】G01C22/00GK105890619SQ201410834563
【公開日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2014年12月25日
【發(fā)明人】陸婷
【申請(qǐng)人】陸婷