基于加速度傳感器的無線人體動(dòng)作測(cè)量設(shè)備
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ADXL345是ADI公司的三軸數(shù)字加速度傳感器，主要應(yīng)用于消費(fèi)電子的微型慣性器件，最大可感知土16g的加速度，感應(yīng)精度可達(dá)3.9mg ／LSB，傾角測(cè)量典型誤差小于1°。通過其內(nèi)置的ADC將加速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量存放在片內(nèi)緩沖區(qū)，使用SPI總線讀取數(shù)據(jù)。在實(shí)際使用中，為提高輸出數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，設(shè)置感應(yīng)范圍為±2 g，感應(yīng)精度為3．9 mg，可以滿足人體動(dòng)作加速度范圍與精度要求。傳感器采樣速度在6．25～3 200 Hz之間可調(diào)，因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://www.biyoush.com/news/listbylabel/label/無線">無線發(fā)送數(shù)據(jù)需要時(shí)間較長(zhǎng)，并且低采樣速率可以降低噪聲干擾，將采樣速度設(shè)定在100Hz，即10ms輸出1組數(shù)據(jù)。
控制模塊由ATmega88單片機(jī)及配套電路構(gòu)成。ATmega88為8位AVR單片機(jī)，在3．3 V電壓模式下可以工作于8 MHz，片內(nèi)擁有8 KB Flash與1 KB SRAM。其主要任務(wù)為初始化加速度傳感器和無線射頻芯片，并從加速度傳感器中讀取測(cè)量數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)初步整理后傳送至無線射頻芯片。
無線射頻模塊主要由nRF24L01構(gòu)成，是一款單片射頻收發(fā)器件，它工作于2．4～2．5 GHz ISM頻段。內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等。數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)1～2 Mb／s。它可以同時(shí)支持6個(gè)無線器件的接收，由此實(shí)現(xiàn)了1組數(shù)據(jù)接收模塊同時(shí)接收5組運(yùn)動(dòng)測(cè)量模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)。
電源模塊使用低壓差線性穩(wěn)壓器件(LDO)SP6201，將鋰電池的4．2 V電壓降至3．3 V，最大可負(fù)載200 mA電流，滿足設(shè)備需要。
2．2 數(shù)據(jù)接收模塊硬件設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)接收模塊使用芯片CY7C68013A，片內(nèi)集成USB2．0收發(fā)器、串行接口引擎、增強(qiáng)型8051微控制器，數(shù)據(jù)的傳輸率可達(dá)到56 MB，最大4 K USB端點(diǎn)緩沖區(qū)，時(shí)鐘頻率可達(dá)48 MHz。由于CY7C68013A本身并沒有硬件SPI接口，同時(shí)又需要SPI與無線射頻模塊通信，實(shí)際中使用GPIO口軟件模擬4線SPI進(jìn)行通信。CY7C68013A不斷掃描無線射頻模塊狀態(tài)，當(dāng)有接收數(shù)據(jù)到來時(shí)，使用SPI接收數(shù)據(jù)并通過USB上傳給計(jì)算機(jī)。
數(shù)據(jù)接收模塊硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。本文引用地址：http://www.biyoush.com/article/161551.htm
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)主要包括2個(gè)部分，動(dòng)作測(cè)量模塊主控制器ATmega88的數(shù)據(jù)采集及發(fā)送部分、數(shù)據(jù)接收模塊控制器CY7C68013A的數(shù)據(jù)接收及上傳部分。
3．1 運(yùn)動(dòng)測(cè)量模塊軟件設(shè)計(jì)
使用ATmega88的定時(shí)器控制采樣時(shí)間，由于已經(jīng)將ADXL345的輸出頻率定為100 Hz，這里將程序設(shè)定為每隔10 ms進(jìn)行一次采樣，采樣后將數(shù)據(jù)發(fā)送至無線射頻模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，發(fā)送成功后進(jìn)行下一次采樣，否則重新發(fā)送。測(cè)量模塊軟件流程如圖6所示。
3．2 數(shù)據(jù)接收模塊軟件設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)接收模塊CY7C68013A通過不斷查詢nRF24L01的中斷引腳來檢測(cè)有無數(shù)據(jù)到來；當(dāng)有接收數(shù)據(jù)到時(shí)，使用SPI總線讀取加速度信息，判斷該數(shù)據(jù)來自哪個(gè)發(fā)送端，并將數(shù)據(jù)存放在相對(duì)應(yīng)的USB端點(diǎn)緩沖區(qū)，等待上位機(jī)取走。若上位機(jī)不取數(shù)據(jù)，舊數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)被新數(shù)據(jù)沖掉，保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。中央處理模塊軟件流程如圖7所示。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
實(shí)驗(yàn)中使用面包板模擬人體手臂進(jìn)行角度測(cè)量實(shí)驗(yàn)，因?yàn)檎鎸?shí)手臂平面有一定弧度，測(cè)量模塊不同的放置位置對(duì)測(cè)量結(jié)果會(huì)有影響，而面包板為規(guī)則長(zhǎng)方體，有非常平坦的一面可以放置測(cè)量模塊，并且棱角清晰方便進(jìn)行傾斜角度測(cè)量。在具體實(shí)驗(yàn)中，模擬測(cè)量模塊佩戴在右手肘關(guān)節(jié)外側(cè)的情況，設(shè)計(jì)2種測(cè)試?yán)?。右手向右伸臂?a class="contentlabel" href="http://www.biyoush.com/news/listbylabel/label/動(dòng)作">動(dòng)作，如圖8所示。右手向前抬臂的動(dòng)作如圖9所示。
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