CN103148864A - 通用微机电***计步器及计步方法 - Google Patents

Abstract

通用微机电***计步器及计步方法，属于电子计步技术领域。本发明是为了解决现有计步器体积大、计步精度不高且容易损坏的问题。它的MEMS三轴加速度传感器用于采集被计步者行走时的加速度，MEMS三轴加速度传感器的加速度信号通过SPI接口输入给FIR数字低通滤波模块，FIR数字低通滤波模块的滤波信号输出端连接数据处理模块的采集数据信号输入端，数据处理模块的计步信号输出端连接显示控制模块的计步控制信号输入端，显示控制模块的显示控制信号输出端连接段式液晶显示器的显示信号输入端；所述计步方法包括数据采集的步骤、峰值检测的步骤、有效轴检测的步骤和确定步伐的步骤。本发明用于计步。

Description

通用微机电***计步器及计步方法

技术领域

本发明涉及通用微机电***计步器及计步方法，属于电子计步技术领域。

背景技术

计步器是一种监测日常活动量大小的监控器，可以激励人们锻炼身体，增强体质。早期的计步器利用加重的机械开关检测步伐，并带有一个简单的计数器，这种计步器体积、重量都较大，计步精度不高且容易损坏。随着单片机技术的广泛应用和集成电路(IC)工艺技术的迅速发展，微机电***(MEMS)这一新兴技术应用到小型化设备上的条件变的越来越成熟，同时也为实现电子计步器的数字化奠定了基础。

MEMS属于多学科交叉的新领域，是融合微电子与精密机械加工的技术。其目标是把信息的获取、处理和执行集成在一起，组成具有多功能的微型***，集成于大尺寸***中，从而大幅地提高***的自动化，智能化和可靠性水平。基于MEMS技术生产的MEMS器件具有体积小、质量轻、成本低、抗冲击、可靠性高等优点。

MSP430系列单片机是美国德州仪器(TI)1996年开始推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集(RISC)的混合信号处理器(Mixed Signal Processor)，称之为混合信号处理器，其针对实际应用需求，将多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片机”解决方案。该系列单片机多应用于需要电池供电的便携式仪器仪表中。

发明内容

本发明目的是为了解决现有计步器体积大、计步精度不高且容易损坏的问题，提供了一种通用微机电***计步器及计步方法。

本发明所述通用微机电***计步器，它包括单片机、MEMS三轴加速度传感器和段式液晶显示器，

单片机包括FIR数字低通滤波模块、数据处理模块和显示控制模块，

MEMS三轴加速度传感器用于采集被计步者行走时的加速度，MEMS三轴加速度传感器的加速度信号通过SPI接口输入给FIR数字低通滤波模块，FIR数字低通滤波模块的滤波信号输出端连接数据处理模块的采集数据信号输入端，数据处理模块的计步信号输出端连接显示控制模块的计步控制信号输入端，显示控制模块的显示控制信号输出端连接段式液晶显示器的显示信号输入端。

它还包括电池供电***和电源监测显示器，电池供电***用于为单片机、MEMS三轴加速度传感器和段式液晶显示器提供工作电源，电池供电***的电量信号输出端连接电源监测显示器的电量信号输入端。

单片机的型号为MSP430。

MEMS三轴加速度传感器的型号为LIS3DH。

一种基于上述通用微机电***计步器的计步方法，所述计步方法包括数据采集的步骤、峰值检测的步骤、有效轴检测的步骤和确定步伐的步骤，其中：

数据采集的步骤为：单片机通过SPI接口对MEMS三轴加速度传感器输出的加速度数据进行采集，所述数据采集频率为100Hz；

峰值检测的步骤为：设定检测周期为t1，在每个检测周期内，对每个采样周期内MEMS三轴加速度传感器采集的所有数据进行比较，比较获得的数值最大的数据作为该检测周期的峰值；所述检测周期t1为1秒；

有效轴检测的步骤为：将MEMS三轴加速度传感器获得的三个方向中相对于垂直方向夹角最小的方向确定为有效轴；具体方法为：

每个检测周期内峰值检测结果中最大的数据对应的轴为该检测周期的有效轴；

确定步伐的步骤为：根据实时加速度数据流和阈值进行大小比较确定，所述实时加速度数据流由最新的5个加速度数值组成，当该实时加速度数据流中的第一个加速度数值大于阈值而最后一个加速度数值小于阈值时，确定步伐有效，计步器加1。

本发明的优点：本发明通过单片机完成信息的采集、滤波、处理和显示控制，单片机可直接驱动段式液晶显示器进行数据显示，因此所述计步器具有电路简单可靠，续航超长及实用方便的特点。本发明能够长时间可靠运行并能准确记步，具有计步准确及对不同身材、不同行走特点人群的适应性强的特点。

附图说明

图1是本发明所述通用微机电***计步器的原理框图；

图2是计步器的检测原理图；

图3是一位被计步者正常行走时的加速度变化曲线图；

图4是另一位被计步者正常行走时的加速度变化曲线图；

图5是被计步者跑步时的加速度变化曲线图；；

图6是单片机及其***电路原理图；

图7是型号为LIS3DH的MEMS三轴加速度传感器电路原理图；

图8是MEMS三轴加速度传感器采集的加速度信号滤波前后的对比曲线图；

图9是数据处理模块对数据进行处理的流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述通用微机电***计步器，其特征在于，它包括单片机1、MEMS三轴加速度传感器2和段式液晶显示器3，

单片机1包括FIR数字低通滤波模块1-1、数据处理模块1-2和显示控制模块1-3，

MEMS三轴加速度传感器2用于采集被计步者行走时的加速度，MEMS三轴加速度传感器2的加速度信号通过SPI接口输入给FIR数字低通滤波模块1-1，FIR数字低通滤波模块1-1的滤波信号输出端连接数据处理模块1-2的采集数据信号输入端，数据处理模块1-2的计步信号输出端连接显示控制模块1-3的计步控制信号输入端，显示控制模块1-3的显示控制信号输出端连接段式液晶显示器3的显示信号输入端。

本实施方式中，MEMS三轴加速度传感器2采集的被计步者行走时的加速度信号通过SPI传输至FIR数字低通滤波模块1-1进行滤波，滤波后的数据再由数据处理模块1-2进行处理，显示控制模块1-3用于对段式液晶显示器3进行驱动及显示控制。

由于MEMS三轴加速度传感器2的机械噪声、转换控制电路的电路噪声等因素，其输出的数据不可避免会掺杂一些高频成分，如不对其进行滤波处理很容易会使数据处理模块1-2产生错误的判断。因此对MEMS三轴加速度传感器2输出的原始数据进行滤波处理十分必要。

数据处理模块1-2完成对采集的数据的峰值的检测、阈值的自动调整和比较等。

具体实施方式二：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，本实施方式还包括电池供电***4和电源监测显示器5，电池供电***4用于为单片机1、MEMS三轴加速度传感器2和段式液晶显示器3提供工作电源，电池供电***4的电量信号输出端连接电源监测显示器5的电量信号输入端。

电源监测显示器5除用于电池供电***4的电量状况显示，还可监测电池供电***4是否正常工作。

具体实施方式三：本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，本实施方式所述单片机1的型号为MSP430。

本实施方式所述单片机1采用TI公司推出的16位超低功耗单片机MSP430F4152，它拥有16KB Flash，512B RAM和诸多外设，低功耗模式下电流仅为0.9uA。具有48个I/O口和一个温度传感器以及可灵活配置实用的定时器。具有2个支持I2C和SPI总线接口的USART，可与加速度传感器LIS3DH通信；最多可直接驱动144段LCD；并有8路10位AD转换器可对电池电压进行监控。

具体实施方式四：本实施方式对实施方式一、二或三作进一步说明，本实施方式所述MEMS三轴加速度传感器2的型号为LIS3DH。

本实施方式所述MEMS三轴加速度传感器2使用ST公司的LIS3DH，LIS3DH是一款超低功耗三轴加速度传感器，其工作电流最低只有2uA，尺寸只有3×3×1mm。在±2g/±4g/±8g/±16g全量程范围内，LIS3DH可提供非常精确的测量数据输出并且有SPI和I2C两种数字输出方式。

具体实施方式五：下面结合图1至图9说明本实施方式，本实施方式为基于实施方式一所述通用微机电***计步器的计步方法，所述计步方法包括数据采集的步骤、峰值检测的步骤、有效轴检测的步骤和确定步伐的步骤，其中：

数据采集的步骤为：单片机1通过SPI接口对MEMS三轴加速度传感器2输出的加速度数据进行采集，所述数据采集频率为100Hz；

峰值检测的步骤为：设定检测周期为t1，在每个检测周期内，对每个采样周期内MEMS三轴加速度传感器2采集的所有数据进行比较，比较获得的数值最大的数据作为该检测周期的峰值；所述检测周期t1为1秒；

有效轴检测的步骤为：将MEMS三轴加速度传感器2获得的三个方向中相对于垂直方向夹角最小的方向确定为有效轴；具体方法为：

每个检测周期内峰值检测结果中最大的数据对应的轴为该检测周期的有效轴；

确定步伐的步骤为：根据实时加速度数据流和阈值进行大小比较确定，所述实时加速度数据流由最新的5个加速度数值组成，当该实时加速度数据流中的第一个加速度数值大于阈值而最后一个加速度数值小于阈值时，确定步伐有效，计步器加1。

所述阈值为相对峰值的比值，最佳取值为0.85倍，阈值＝峰值×比例系数。

所述阈值是根据相对峰值获得的最合理的比例。该阈值的确定方法采用下述方法：对10位不同身材、年龄的实验者进行系数从0.60-0.95、步进为0.05的多组数据的实验，每组数据采集一千步，然后进行统计分析，根据实验结果显示，比例系数在0.85左右达到最佳。

在确定步伐的步骤中，可以加入时间窗的技术方法来减少误判断。

图1所示，计步器的检测原理主要是根据人体行走时腰间的垂直移位产生的变化，进而获得周期性的加速度变化。

图6所示，采用TI公司推出的16位超低功耗单片机MSP430F4152作为计步器的核心处理器。

图7所示，为MEMS三轴加速度传感器2的电路原理图，在进行加速度传感器的电路设计时将Vdd下1uf的钽电容和Vdd I/O下0.1uf的陶瓷电容置于LIS3DH电源引脚附近，以便对加速度传感器充分去耦，消除电源噪声。并确保从LIS3DH接地端连接至电源接地端具有低阻抗，因为通过地面的噪声与Vdd传播的噪声具有类似效果。因此分别给Vdd和Vdd I/O施加不同的电源，以尽量减少Vdd电源的数字时钟噪声。

FIR数字低通滤波模块1-1的单位抽样响应为有限长，容易实现某种对称性从而获得线性相位，并且易于实现，计算时间延迟小，非常适合实时的信号处理。FIR数字低通滤波模块1-1可以理解为一个分节的延时线，把每一节的输出加权累加，得到输出。FIR滤波器的冲激响应h(n)是有限长的，数学上M阶FIR滤波器可以表示为：

$y\left(n\right)=\underset{i=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}h\left(i\right)x(n-1),$

式中y(n)为滤波后的数据；x(n-i)为滤波前的数据；h(i)为滤波系数。

FIR数字低通滤波模块1-1的***函数H(z)为：

$H\left(z\right)=\underset{n=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}h\left(n\right)z^{-n},$

式中，n为自然数，M为滤波器阶数，h(n)为滤波系数，z^-n不代表实际的量，它表示数据延时一个单位。

FIR数字低通滤波模块1-1等同于FIR数字低通滤波器，FIR滤波器的设计方法有许多种，如窗函数设计法、频率采样设计法和最优化设计法等。其中窗函数设计法的基本原理是用一定宽度窗函数截取无限冲激响应序列以获得有限长的脉冲响应序列。

利用MATLAB设计滤波器，可以随时根据设计要求和滤波器特性调整参数，直观简便，能够减轻工作量，有利于滤波器设计的最优化。在本发明中，由于人运动的步伐最快不会超过5步每秒，所以设定采样频率Fs为100Hz，截止频率为Fc＝5Hz。通带波纹δp≤1dB，阻带衰减δs≥50dB。为使滤波器的滤波算法不至于消耗过多CPU时间，取滤波器阶数M＝16，采用MATLAB中的FDATOOL工具，求得滤波系数h(n)：

h(n)＝0.0025400  0.0057442  0.0147083  0.0314561

0.0554823  0.0834419  0.1098889  0.1288596

0.1357575  0.1288596  0.1098889  0.0834419

0.0554823  0.0314561  0.0147083  0.0057442

0.0025400

FIR滤波采用的程序的实现可用线性差分方程表示：

y(n)＝h(0)*x(n)+h(1)*x(n-1)+...+h(32)*x(n-32)

对加速度原始数据进行滤波前和滤波后的信号对比如图8所示。通过对比可以看出加速度传感器的输出在滤波后有了明显的改善。

本发明的工作过程：

步伐检测的实现需要设计合理的检测算法：

峰值检测：峰值检测对步伐检测算法的实现至关重要，所谓峰值指的是确定的两个有效步伐之间的峰值和谷值，其重要性主要体现在两个方面：首先，有效轴向的检测实际上就是检测哪个轴的加速度变化最大，这就需要进行峰值和谷值的检测；其次峰值检测值的确定直接影响阈值的大小。因此峰值检测是算法实现的基础。

对于峰值检测，由于峰值的大小是需要更新的，因此需要设定更新的周期，本发明中为1秒。方法是对相邻数据进行比较，保存数值大的数据。每过一秒上个周期最大的数值被保存为峰值。阈值的确定是根据大量实验统计得出的相对于峰值最合理的比例关系。数据流实时和阈值进行比较，阈值每过一秒进行更新，这样就可以确定步伐是否有效，并通过加入时间窗等手段减少误判断的可能。由于加速度传感器为三个方向，需要确定哪个方向才是有效的，即相对垂直方向夹角最小，方法为峰值检测结果中峰值最大的那个轴就是有效轴。这样由于阈值是根据相对峰值的比例浮动变化的，而不是固定值，因此能很好适应不同的人和走路习惯，自适应强，也不会因为佩戴方向变化而失效。

在进行C语言实现时，首先定义六个变量，分成三组，每组对应一个轴向。每组中的两个变量一个表示峰值，另一个表示谷值。这两个变量的确定方法为：最新的加速度数据和这两个变量的数据进行比较，当新的数据比表示峰值的变量中的数据大时，峰值变量将被更新，否则峰值变量保持不变。谷值变量的确定同理。每过1秒钟，程序会把上一周期的峰值存储在一个变量当中，并计算峰值与谷值之差，然后把峰值变量清零，以便进行下个周期的检测。

有效轴向检测：

有效轴的检测是建立在峰值检测的基础之上的。有效轴实际上就是与垂直方向夹角最小的那个轴，表现在加速度值上就是其加速度值在一个周期内变化最大。有效轴的确定需要实时检测，利用LIS3DH输出数据速率固定的特点，在每过100个数据输出后，即每间隔1秒钟进行一次有效值的检测，确定的依据是上个周期峰值与谷值之差最大的那个轴为有效轴。这种方法的优点是实时性强，对有效轴向的变换能够在第一时间检测到，并且误差率低。

步伐的确定：

在成功的检测了峰值和有效轴后，步伐的确定就相对简单了。只需要设置合理的阈值，使加速度数值实时与阈值进行比较，便可以确定步伐是否迈出了。其中阈值的设定是经过大量实验得出的经验数值，与下面的自适应方法有关。

自适应方法：

由于不同的佩戴者身高、体重和走路习惯的不同都会引起加速度变化的不同，因此需要能够适应不同佩戴者的检测算法。虽然人走步时的加速度变化因人而异，但大致呈现有规律的周期变化，只是峰值不同，或者峰值间抖动情况不同。

一般情况下两个步伐加速度峰值间还有许多时候的加速度也有很大的值，如果处理不好，这些比较大的加速度值很容易满足步伐检测算法的约束，易造成误判断。可采用下述两种措施来尽量避免这种误判断。首先，对步伐检测阈值的设定要比较大，这是一个根据实验得来的经验值，不容易产生误判断，也不会因为阈值比较大而使计步器不能检测到真正步伐的迈出；其次，使用时间窗口来排除无效的振动。因为人步行时最快每秒不超过5步，因此在确定步伐迈出后的0.2s时间内的任何步伐都认为是无效的。步伐检测算法流程图如图9所示。

Claims (5)

1.一种通用微机电***计步器，其特征在于，它包括单片机(1)、MEMS三轴加速度传感器(2)和段式液晶显示器(3)，

单片机(1)包括FIR数字低通滤波模块(1-1)、数据处理模块(1-2)和显示控制模块(1-3)，

MEMS三轴加速度传感器(2)用于采集被计步者行走时的加速度，MEMS三轴加速度传感器(2)的加速度信号通过SPI接口输入给FIR数字低通滤波模块(1-1)，FIR数字低通滤波模块(1-1)的滤波信号输出端连接数据处理模块(1-2)的采集数据信号输入端，数据处理模块(1-2)的计步信号输出端连接显示控制模块(1-3)的计步控制信号输入端，显示控制模块(1-3)的显示控制信号输出端连接段式液晶显示器(3)的显示信号输入端。

2.根据权利要求1所述的通用微机电***计步器，其特征在于，它还包括电池供电***(4)和电源监测显示器(5)，电池供电***(4)用于为单片机(1)、MEMS三轴加速度传感器(2)和段式液晶显示器(3)提供工作电源，电池供电***(4)的电量信号输出端连接电源监测显示器(5)的电量信号输入端。

3.根据权利要求1或2所述的通用微机电***计步器，其特征在于，单片机(1)的型号为MSP430。

4.根据权利要求3所述的通用微机电***计步器，其特征在于，MEMS三轴加速度传感器(2)的型号为LIS3DH。

5.一种基于权利要求1所述通用微机电***计步器的计步方法，其特征在于，所述计步方法包括数据采集的步骤、峰值检测的步骤、有效轴检测的步骤和确定步伐的步骤，其中：

数据采集的步骤为：单片机(1)通过SPI接口对MEMS三轴加速度传感器(2)输出的加速度数据进行采集，所述数据采集频率为100Hz；

峰值检测的步骤为：设定检测周期为t1，在每个检测周期内，对每个采样周期内MEMS三轴加速度传感器(2)采集的所有数据进行比较，比较获得的数值最大的数据作为该检测周期的峰值；所述检测周期t1为1秒；

有效轴检测的步骤为：将MEMS三轴加速度传感器(2)获得的三个方向中相对于垂直方向夹角最小的方向确定为有效轴；具体方法为：

每个检测周期内峰值检测结果中最大的数据对应的轴为该检测周期的有效轴；

确定步伐的步骤为：根据实时加速度数据流和阈值进行大小比较确定，所述实时加速度数据流由最新的5个加速度数值组成，当该实时加速度数据流中的第一个加速度数值大于阈值而最后一个加速度数值小于阈值时，确定步伐有效，计步器加1。

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