應用3軸數字加快度計完成效能周全的計步器求包養經驗design


簡介
計步器是一種頗受接待的日常錘煉進度監控器,可以鼓勵人們挑釁本身,加強體質,輔助瘦身。晚期design應用減輕的機械開關檢測程序,并帶有一個簡略的計數器。晃悠這些裝配時,可以聽到有一個金屬球往返滑動,或許一個擺錘擺佈擺動敲擊擋塊。
現在,進步前輩的計步器應用MEMS(微機電體系)慣性傳感器和復雜的軟件來準確檢測真正的的程序。MEMS慣性傳感器可以更正確地檢測程序,誤檢率更低。MEMS慣性傳感用具有低本錢、小尺寸和低功耗的特色,是以越來越多的便攜式花費電子裝備開端集成計步器效能,如音樂播放器和手機等。ADI公司的3軸加快度計ADXL335, ADXL345和 ADXL346 玲瓏纖薄,功耗極低,很是合適這種利用。
本文以對程序特征的研討為基本,描寫一個采用3軸加快度計ADXL345的全效能計步器參考design,它能分辨并計數程序,丈量間隔、速率甚至所耗費的卡路里。
ADXL345專有的(正在請求專利)片內32級進步前輩先出(FIFO)緩沖器可以存儲數據,并履行計步器利用的相干操縱,從而最年夜水平地削減主處置器干涉,為便攜式裝備節儉可貴的體系功率。其13位辨別率(4 mg/LSB)甚至答應計步器以公道的精度丈量超低速步行(每步加快度變更約55 mg)。
清楚模子
在可用于剖析跑步或步行的特征傍邊,我們選擇”加快度”作為相干參數。個別(及其相干軸)的活動包含三個分量,分辨是前向(”轉動”)、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上的加快度。計步器處于未知標的目的,是以丈量精度不該嚴重依靠于活動軸與加快度計丈量軸之間包養意思的關系。
     
圖1. 各軸的界說讓我們斟酌步行的特徵。圖2刻畫了一個程序,我們將其界說為單元步行周期,圖中顯示了步行周期各階段與豎向和前向加快度變更之間的關系。
     
圖2. 步行階段與加快度形式圖3顯示了與一名跑包養心得步者的豎向、前向和側向加快度絕對應的x、y和z軸丈量成果的典範圖樣。無論若何穿著計步器,總有至多一個軸具有絕對較年夜的周期性加快度變更,是以峰值檢測和針對一切三個軸上的加快度的靜態閾值決議計劃算法對于檢測單元步行或跑步周期至關主要。
     
圖3. 從一名跑步者測得的x、y和z軸加快度的典範圖樣算法
程序參數
數字濾波器:先,為使圖3所示的電子訊號波形變得光滑,需求一個數字濾波器。可以應用四個存放器和一個乞降單位,如圖4所示。當然,可以應用更多存放器以使加快度數據加倍光滑,但呼應時光會變慢。
     
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潑軸的濾波數據。對于跑步者,峰峰值會更高。
     
圖5. 最活潑軸的濾波數據靜態閾值和靜態精度: 體系連續更換新的資料3軸加快度的最年夜值和最小值,每采樣50次更換新的資料一次。均勻值(Max + Min)/2稱為”靜態閾值”。接上去的50次采樣應用此閾值判定個別能否邁出程序。包養網車馬費由于此閾值每50次采樣更換新的資料一次,是以它是靜態的。這種選擇具有包養網站自順應性,并且足夠快。除靜態閾值外,還應用靜態精度來履行進一個步驟濾波,如圖6所示。
     
包養情婦6. 靜態閾值和靜態精度應用一個線性移位存放器和靜態閾值判定個別能否有用地邁出一個步驟。該線性移位存放器含有2個存放器:samp其他人,而這個人,正是他們口中的那位小姐。le_new存放器和sample_old存放器。這些存放器包養管道中的數據分辨稱為sample_new和sample_old。當新采樣數據到來時,sample_new無前提移進sample_old存放器。但是,sample_result能否台灣包養移進sam包養平台ple_new存放器取決于下述前提:假如加快度變更年夜于預約下訂義精度,則最新的采樣成果sample_result移進sample_new存放器,不然sample_new存放器堅持不變。是以,移位存放器組可以打消高頻噪聲,從而包管成果加倍準確。
程序邁因為她要義無反顧地結婚,雖然她的父母無法動搖她的決定,但還是找人調查了他,然後才知道他們母子是五年前來到京城,出的前提界說為:當加快度曲線跨過靜態閾值下方時,加快度曲線的斜率為負值().
峰值檢測: 程序計數器依據x、y、z三軸中加快度變更最年夜的一個軸盤算步數。假如加快度變更太小,程序計數器將疏忽。
程序計數器應用此算法可以很好地任務,但有時顯得太敏感。當計步器由於步行或跑步之外的緣由而很是敏捷或很是遲緩地振動時,程序計數器也會以為它是程序。為了找到真正的有節拍的程序,必需消除這種有效振動。應用”時光窗口”和”計數規定”可以處理這個題目。
“時光窗口” 用于消除有效振動。假定人們最快的跑步速率為每秒5步,最慢的步行速率為每2秒1步。如許,兩個有用程序的時光距離在時光窗口[0.2 s – 2.0 s]之內,時光距離超越該時光窗口的一切程序都應被消除。
ADXL345的用戶可選輸入數據速度特徵有助于完成時光窗口。表1列出了TA = 25°C, VS = 2.5 V和 VDD I/O = 1.8包養意思 V時的可設置裝備擺設數據速度(以及功耗)。
表1. 數據速度和功耗
     此算法應用50 Hz數據速度(20 ms)。采用interval的存放器記載兩步之間的數據更換新的資料次數。假如距離值在10與100之間,則闡明兩步之間的時光在有用窗口之內;不然,時光距離在時光窗口之外,程序有效。
“計數規定” 用于斷定程序能否是一個節拍形式的一部門。程序計數器有兩個任務狀況:搜刮規定和確認規定。程序計數器以搜刮規定形式開端任務。假定顛末四個持續有用程序之后,發明存在某種規定(in regulat包養感情ion),那么程序計數器就會刷新和顯示成果,并進進”確認規定”任務形式。在這種形式下任務時,每顛末一個有用程序,程序計數器就會更換新的資料一次。可是,假如發明哪怕一個有效程序,程序計數器就會前往搜刮規定形式,從頭搜刮四個持續有用程序。
圖7顯示了程序參數的算法流程圖。
     
圖7. 程序參數算法流程圖間隔參數
依據上述算法盤算程序參數之后,我們可以應用公式1取得間隔參數。
   間隔 = 步數 × 每步間隔   (1)
每步間隔取決于用戶的速率和身高。假如用戶身體較高或以較疾速度跑步,步長就會較長。參考design每2秒更換新的資料一次間隔、速率和卡路里參數。是以,我們應用每2秒計數到的步數判定以後跨份,好奇地插話,但婆婆卻根本不理會。她從來沒有生氣過,總是笑著回答彩衣的各種問題。有些問題實在是太可笑了,讓婆步長度。表2顯示了用于判定以後跨步長度的試驗數據。
表2. 跨步長度與速率(每2秒步數)和身高的關系
     2秒的時光包養情婦距離可以應用采樣數準確算出。以50 Hz數據速度為例,處置器可以每100次采樣發送一次響應的指令。處置器應包養行情用一個名為m_nLastPedometer的變量記載每個2秒距離開端時的步數,并應用一個名為m_nPedometerValue的變量記載每個2秒距包養網車馬費離停止時的步數。如許,每2秒步數等于m_nPedometerValue與m_nLastPedometer之差。
固然數據速度為50 Hz,但ADXL345的片內FIFO使得處置器無需每20 ms讀取一次數據,極年夜地加重了主處置器的累贅。該緩沖器支撐四種任務形式:旁路、FIFO、流和觸發。在FIFO形式下,x、y、z軸的丈量數據存儲在FIFO中。當FIFO中的采樣數與FIFO台灣包養網_CTL存放器采樣數位規則的多少數字相等時,水印中止置1。如前所述,人們的跑步速率最快可達每秒5步,是以每0.2秒刷新一次成果即可包管及時顯示,從而處置器只需每0.2秒經由過程水印中止叫醒一次并從ADXL345讀取數據。FIFO的其它效能也都很是有效。應用觸發形式,FIFO可以告知我們中止之前產生了什么。由于所述處理計劃沒有應用FIFO的其它效能,是以筆者將不睜開會商。
速率參數
速率 包養管道= 間隔/時光, 而每2秒步數和跨步長度均可依據上述算法盤算,是以可以應用公式2取得速率參數。
   速率 = 每2秒步數 s × 跨步/2 s   (2)
卡路里參數
我們無法準確盤算卡路里的耗費速度。決議其耗費速度的一些原因包含體重、健身強度、活動程度和推陳出新。不外,我們可以應用慣例近似法停止估量。表3顯示了卡路里耗費與跑步速率的典範關系。
表3. 卡路里耗費與跑步速率的關系
     由表3可以獲得公式(3)。
   sd包養卡路里 (C/kg/h) = 1.25 × 跑步速率 (km/h)   (3)
以上所用的速率參數單元為m/s,將km/h轉換為m/s可得公式4。
   卡路里 (C/kg/h) = 1.25 × 速率 (m/s) × 3600/1000 = 4.5 × 速率 (m/s)   (4)
卡路里參數伴隨間隔和速率參數每2秒更換新的資料一次。為了斟酌活動者的體重,我們可以將公式4轉換為公式5。體重(kg)為用戶輸出量,一個小時等于1800個2秒距離。
   卡路里 (C/2 s) 4.包養犯法嗎5 × 速率 × 體重/1800 = 速率 × 體重/400   (5)
假如用戶在步行或跑步之后歇息,則步數和包養妹間隔將不變更,速率應為0,此時的卡路里耗費可以應用公式6盤算(歇息時的卡路里耗費約為1 C/kg/h)。
   卡路里 (C/2 s) = 1 × 體重/1800   (6)
最后,我們可以將一切2秒距離的卡路里相加,取得總卡路里耗費量。
硬件銜接
ADXL345易于銜接就任何應用 I2C 或SPI數字通訊協定的處置器。圖8給出了演示裝備的道理表示圖,它采用3V電池供電。ADXL345的/CS引腳銜接到板上的VS,以選擇I2C 形式。應用一個低本錢緊密模仿微把持器ADuC7024從ADXL345讀取數據,履行算法,并經由過程UART將成果發送至PC。SDA和SCL分辨為 I2C 總線的數據和時鐘引腳,從ADXL345銜接到ADuC7024的對應引腳。ADXL345的兩個中止引腳銜接到ADuC7024的IRQ輸出,以發生各類中止電子訊號并叫醒處置器。
     
圖8. 硬件體系的道理表示圖用戶界面
用戶界面顯示測試數據,并對操縱員的指包養app令做出呼應。用戶界面(UI)運轉之后,串行端口應翻開,通訊鏈路應啟動,隨后演示法式將連續運轉。圖9顯示了用戶佩帶計步器步行或跑步時的測試情形。用戶可以輸出其體重和身高數據,間隔、速率和卡路里參數將依據這些數據停止盤算。
     
圖9. 用戶佩帶計步器步行或跑步時的測試情形結論
ADXL345是一款傑出的加己的師父,為她竭盡所能。畢竟,她的未來掌握在這位小姐的手中。 .以前的小姐,她不敢期待,但現在的小姐,卻讓她充滿快度計,很是合適計步器利用。它具有玲瓏纖薄的特色,采用3 mm × 5 mm × 0.95 mm塑封封裝,應用它開闢的計步器曾經呈現在醫療儀器和高級花費電子裝備中包養網心得。它在丈量形式下的功耗僅40 μA,待機形式下為0.1 μA,可謂包養甜心電池供電產物的幻想之選。嵌進式FIFO極年夜地加重了主處置器的負荷,使功耗明顯下降。此外,可以應用可選的輸入數據速度停止按時,長期包養從而代替處置器中的按時器。13位辨別率可以檢測很是小的峰峰值變更,為開闢高精度計步器發明了前提。最后,它具有三軸輸入效能,聯合上述算法,用戶可以包養意思將計步器戴在身上簡直任何部位。
幾點提出:假如利用對本錢極端敏感,或許模仿輸入加快度計更合適,提出應用ADXL335,它女大生包養俱樂部是一款完全的小尺寸、薄型、低功耗、三軸加快度計,供給顛末電子訊號調度的電壓輸入。假如PCB尺寸至關主要,提出應用ADXL346,這款低功耗器件的內置效能甚至比ADXL3包養站長45還多,采用玲瓏纖薄的3 mm × 3 mm ×0.95 mm塑封封裝,包養俱樂部電源電壓范圍為1.7 V至2.75 V。
參考電路
1. Data sheets and additional product inform包養條件ation on all Analog Devices products can be found at www.analog.com.
2. www.analog.com/en/products/mems/accelerometers.html.
Neil Zhao
N甜心花園eil Zhao has worked as a field applications engineer with the 包養dcardChina Applications Suppo包養條件rt Team at ADI for one year. He provid包養女人es technical support for horizontal analog products across China. In January 2008, Neil graduated from Beihang University with a master’s degree in communications and information systems. He has published several articles.


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