基于加速度傳感器的無線人體動作測量設備
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ADXL345是ADI公司的三軸數(shù)字加速度傳感器，主要應用于消費電子的微型慣性器件，最大可感知土16g的加速度，感應精度可達3.9mg ／LSB，傾角測量典型誤差小于1°。通過其內(nèi)置的ADC將加速度信號轉換為數(shù)字量存放在片內(nèi)緩沖區(qū)，使用SPI總線讀取數(shù)據(jù)。在實際使用中，為提高輸出數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，設置感應范圍為±2 g，感應精度為3．9 mg，可以滿足人體動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)，因為無線發(fā)送數(shù)據(jù)需要時間較長，并且低采樣速率可以降低噪聲干擾，將采樣速度設定在100Hz，即10ms輸出1組數(shù)據(jù)。
控制模塊由ATmega88單片機及配套電路構成。ATmega88為8位AVR單片機，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1～2 Mb／s。它可以同時支持6個無線器件的接收，由此實現(xiàn)了1組數(shù)據(jù)接收模塊同時接收5組運動測量模塊發(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，最大可負載200 mA電流，滿足設備需要。
2．2 數(shù)據(jù)接收模塊硬件設計
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、增強型8051微控制器，數(shù)據(jù)的傳輸率可達到56 MB，最大4 K USB端點緩沖區(qū)，時鐘頻率可達48 MHz。由于CY7C68013A本身并沒有硬件SPI接口，同時又需要SPI與無線射頻模塊通信，實際中使用GPIO口軟件模擬4線SPI進行通信。CY7C68013A不斷掃描無線射頻模塊狀態(tài)，當有接收數(shù)據(jù)到來時，使用SPI接收數(shù)據(jù)并通過USB上傳給計算機。
數(shù)據(jù)接收模塊硬件結構如圖5所示。本文引用地址：http://www.antipu.com.cn/article/161551.htm
3 系統(tǒng)軟件設計
軟件設計主要包括2個部分，動作測量模塊主控制器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 運動測量模塊軟件設計
使用ATmega88的定時器控制采樣時間，由于已經(jīng)將ADXL345的輸出頻率定為100 Hz，這里將程序設定為每隔10 ms進行一次采樣，采樣后將數(shù)據(jù)發(fā)送至無線射頻模塊進行數(shù)據(jù)發(fā)送，發(fā)送成功后進行下一次采樣，否則重新發(fā)送。測量模塊軟件流程如圖6所示。
3．2 數(shù)據(jù)接收模塊軟件設計
數(shù)據(jù)接收模塊CY7C68013A通過不斷查詢nRF24L01的中斷引腳來檢測有無數(shù)據(jù)到來；當有接收數(shù)據(jù)到時，使用SPI總線讀取加速度信息，判斷該數(shù)據(jù)來自哪個發(fā)送端，并將數(shù)據(jù)存放在相對應的USB端點緩沖區(qū)，等待上位機取走。若上位機不取數(shù)據(jù)，舊數(shù)據(jù)會自動被新數(shù)據(jù)沖掉，保證數(shù)據(jù)的實時性。中央處理模塊軟件流程如圖7所示。
4 實驗結果與分析
實驗中使用面包板模擬人體手臂進行角度測量實驗，因為真實手臂平面有一定弧度，測量模塊不同的放置位置對測量結果會有影響，而面包板為規(guī)則長方體，有非常平坦的一面可以放置測量模塊，并且棱角清晰方便進行傾斜角度測量。在具體實驗中，模擬測量模塊佩戴在右手肘關節(jié)外側的情況，設計2種測試例。右手向右伸臂的動作，如圖8所示。右手向前抬臂的動作如圖9所示。
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