基于LIS3LV02DQ和nRF2401芯片實現(xiàn)步態(tài)加速度信號無線采集裝置設計

引言

步態(tài)作為生物特征之一，在身份識別和運動分析方面都有著重要的研究意義，國內(nèi)外已有許多學者投入到該熱點研究中。步態(tài)研究需要以大量可靠的原始步態(tài)數(shù)據(jù)為基礎，目前公開的步態(tài)數(shù)據(jù)庫都基于步態(tài)圖像口。然而動態(tài)環(huán)境中拍攝的圖像容易受光照變化、運動目標的影子等多種因素影響，給步態(tài)特征的提取帶來較大困難。 Ailisto H．等人提出了一種采用加速度傳感器來獲取步態(tài)數(shù)據(jù)的新方法，避免了動態(tài)環(huán)境中多方面因素對捕捉圖像的不利影響，降低了數(shù)據(jù)處理的難度，從而開辟了步態(tài)數(shù)據(jù)獲取的新途徑。但是該方法采用裝有DAQl200數(shù)據(jù)采集卡的筆記本電腦采集數(shù)據(jù)，不僅成本高，而且不便于測試對象攜帶。

近幾年隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展和制作工藝的不斷改進，具有尺寸小、精度高、功耗低等優(yōu)點的MEMS（Micro-Electro-MecHanical- System）加速度傳感器已經(jīng)進入應用領域，使得基于運動傳感器的步態(tài)研究更為方便。本文介紹的步態(tài)加速度信號無線采集裝置，就是采用了MEMS三軸加速度計LIS3LV02DQ、無線收發(fā)芯片nRF2401、8位微控制器μPD78F0547等主要器件而設計的。

1 硬件電路設計

步態(tài)加速度信號無線采集裝置主要由兩部分構(gòu)成：數(shù)據(jù)采集及無線發(fā)送模塊，無線接收及數(shù)據(jù)傳輸模塊。主要的接口電路包括微控制器與加速度計之間的CSIA0 串行接口電路，與無線收發(fā)芯片之間的CSIll串行接口電路，以及UART轉(zhuǎn)USB的橋接電路等。其原理如圖1、圖2所示。由固定于人體腰后部的數(shù)據(jù)采集及無線發(fā)送模塊獲取并無線發(fā)送人運動時的三維加速度數(shù)據(jù)；計算機端的無線接收及傳輸模塊將接收到的數(shù)據(jù)通過USB串行接口傳輸?shù)接嬎銠C中，作為后續(xù)數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)源。

2 控制軟件設計

數(shù)據(jù)采集及無線發(fā)送程序流程如圖3所示。其中初始化包括微控制器的I／O端口初始化、串行接口初始化、中斷初始化、加速度計和無線收發(fā)芯片的初始化配置。初始化完成后等待按鍵命令，第一次按鍵進入開始采集數(shù)據(jù)狀態(tài)，再按一次鍵則停止采集數(shù)據(jù)。按鍵由被測試人控制。

有關(guān)加速度計的主要程序代碼如下：

注意：

①當CSIA0工作在1字節(jié)通信時，如果只執(zhí)行接收操作，則只能通過向串行I／O移位寄存器SIOA0寫入虛擬數(shù)據(jù)才可啟動通信，通信結(jié)束后產(chǎn)生1個中斷請求信號（INTACSI），此時讀取SIOA0即為所要的值。

②每采集完1組加速度值，必須執(zhí)行語句：

write_comm（WRITE_STATUS_REG，Ox00）通過對狀態(tài)寄存器STATUS_REG清零，可以清除加速度計輸出的Data— Ready信號，從而產(chǎn)生新的一組加速度值。

無線接收及數(shù)據(jù)傳輸程序流程如圖4所示。在完成初始化后進入循環(huán)監(jiān)聽狀態(tài)。當接收到數(shù)據(jù)時，無線收發(fā)芯片nRF2401向MCU發(fā)出數(shù)據(jù)就緒信號，MCU 讀取數(shù)據(jù)后和計算機通過串行通信將數(shù)據(jù)以文件的形式保存到計算機中。

3 實驗

本設計中的無線發(fā)送、接收天線采用的是PCB板上的環(huán)形線，其發(fā)射能力較弱，因此實驗是在發(fā)送端和接收端處于可視范圍內(nèi)，并且無障礙物阻隔的條件下完成的。被測試對象將裝置的數(shù)據(jù)采集及無線發(fā)送模塊固定于腰后部，并且按照要求使加速度計3個軸的正方向分別指向人體側(cè)向、垂直方向和前進方向。實驗結(jié)果表明，加速度計以其采樣頻率范圍內(nèi)的任意采樣率工作時，該裝置均能滿足采集與傳輸?shù)囊?。圖5是加速度計工作在160Hz，被測試人平地行走時接收并保存到計算機中的時間一加速度圖。

結(jié)語

本文所設計的步態(tài)數(shù)據(jù)無線采集裝置，通過完成對特定環(huán)境下步態(tài)加速度數(shù)據(jù)的采集及存儲，為進一步完成便于攜帶的采集裝置作了有效的嘗試。通過進一步改進和完善，將會成為建立原始步態(tài)加速度數(shù)據(jù)庫、跟蹤檢測和記錄人的運動狀態(tài)的有效工具。

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