一、基于nRF24L01的無線溫濕度檢測系統(tǒng)設汁
摘要：提出了一種針對無線數據傳輸問題的解決方案，該方案基于nRF24L01來設計無線溫度采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用低功耗、高性能單片機STC12C5A08S2和溫濕度傳感器DHT11來構成多點、實時溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)，最后在PC機上完成配置、顯示和報警等功能。該系統(tǒng)使用方便，擴展十分容易，可廣泛應用于各種工農業(yè)生產和養(yǎng)殖等場合。
0 引言
在當今的工農業(yè)生產中，需要進行溫濕度采集的場合越來越多，準確方便地測量溫度變得至關重要。傳統(tǒng)的有線測溫方式存在著布線復雜，線路容易老化，線路故障難以排查，設備重新布局要重新布線等問題。特別是在有線網絡不通暢或由于現場環(huán)境因素的限制而不便架設線路的情況下，給溫濕度的數據采集帶來了很大的麻煩。要想監(jiān)測到實時的溫濕度數據，就必須采用無線傳輸的方式對數據進行采集、發(fā)送、接收并對無線采集來的數據通過上位機進行處理，以控制并監(jiān)測設備的運行情況，減少不必要的線路設備開支。
1 系統(tǒng)組成框圖
本文設計的多路無線溫濕度檢測系統(tǒng)將單片機檢測控制系統(tǒng)和射頻通信系統(tǒng)相結合，系統(tǒng)由主機和從機兩部分構成，從機負責檢測溫濕度，并將采集到的數據通過射頻系統(tǒng)發(fā)送給主機，主機接收從機發(fā)送過來的信號，并通過串口和PC機進行通信，記錄數據。同時可通過PC機設定報警數據上下限。其系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)組成框圖
2 系統(tǒng)硬件電路
系統(tǒng)的溫濕度數據采用數字式溫濕度傳感器DHT11進行數據采集，以51系列增強型單片機STC12C5A08S2為核心和無線射頻nRF2401構成收發(fā)電路，從機使用液晶LCD1602顯示，主機顯示則使用LCD12864，整個顯示系統(tǒng)可與PC上位機相連接。
2.1 溫濕度采集電路設計
DHT11是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。該傳感器應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。圖2所示為其溫度采集電路。DHT11傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，可與高性能8位單片機相連接。校準系數以程序的形式儲存在OTP內存中，傳感器內部在檢測信號的過程中可調用這些校準系數。單線制串行接口可使系統(tǒng)集成變得簡易而快捷，而且信號傳輸距離可達20m以上。當連接線長度短于20m時，應使用5kΩ上拉電阻，大于20m時，應根據情況使用合適的上拉電阻。
圖2 溫度采集電路
2.2 無線發(fā)射、接收電路設計
nRF24L01是NORDIC公司生產的一款無線通信芯片，采用FSK調制方式，內部集成有NORDIC自己的Enhanced Short Burst協(xié)議?？梢詫崿F點對點或是1對6的無線通信。無線通信速度可以達到2 Mb/s.NORDIC無線發(fā)射、接收芯片nRF24L01的電路原理圖如圖3所示。
圖3 無線發(fā)射、接收原理圖
nRF24L01是單片射頻收發(fā)芯片，工作于2.4~2.5 GHz的ISM頻段，芯片內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。nRF24L01芯片的能耗非常低，以-5 dBm的功率發(fā)射時，工作電流只有10.5 mA，接收時的工作電流只有18 mA，它具有多種低功率工作模式，節(jié)能環(huán)保，設計方便。
nRF24L01無線收發(fā)模塊的各管腳功能如表1所列，圖4所示是nRF24L01與單片機連接時的電路圖。
圖4 無線模塊與CPU連接電路圖
本無線發(fā)射接收模塊需要的電源為1.9~3.6 V，本系統(tǒng)中采用3.3 V直流電源來直接對無線發(fā)射接收模塊供電，5 V電源經。ASM1117-3.3芯片轉換后可得到穩(wěn)定的直流電源，其電源轉換電路如圖5所示。
圖5 無線模塊電源轉換電路
2.3 串行通信模塊
主機單片機接收到nRF24L01的數據后，經MAX232電平轉換可實現單片機程序下載與升級，同時可實現單片機與PC機（上位機）的通信，以便將顯示數據信息通過此電路傳送到PC機，并存PC機上顯示，其串行通信電路如圖6所示。
圖6 MAX232CPE與PC的串口通信電路
3 軟件設計
3.1 下位機軟件
本系統(tǒng)使用C語言編程，應根據設計任務的要求確定系統(tǒng)程序的完整結構，盡可能采用模塊化程序設計方法，將任務劃分為相對獨立的功能模塊，明確各模塊的功能、時間順序和相互關系，系統(tǒng)的軟件設計可以分為幾個部分，首先是各個模塊的底層驅動程序編寫，而后是系統(tǒng)聯機調試，最后再編寫上位機的系統(tǒng)程序。
主程序是控制和管理的核心，系統(tǒng)上電后，首先進行初始化，系統(tǒng)開始正常運轉后，再進行溫、濕度的監(jiān)測與處理等操作。
3.2 上位機軟件設計
系統(tǒng)上位機能完成的功能有顯示串口號，提示串口是否已被成功打開；同時，上位機能夠與下位機同步顯示溫度，而且能夠實時曲線顯示溫度；上位機能夠設置下限溫濕度和上限溫濕度，當高于上限溫濕度或低于下限溫濕度時，還能夠報警。將主機單片機的控制電路串行接口與電腦串口經過電平轉換連接后，選擇正確的通信協(xié)議，設置好波特率，即可進行通信。圖7所示是上位機操作界面圖。
圖7 上位機操作界面
上位機軟件可在PC機上通過VC6.0編寫，主要是對MSComm控件及CserialPort類進行操作。
首先是串口設置。本系統(tǒng)利用的是CSERIALPORT類中的初始化函數InitPort （this，nport，nbtl，‘N’，8，1，m_dwCommEvents，512）。其巾nport為串口號，nbtl為波特率，可利用串口設置對話框中的串口號和波特率兩個組合框分別得到初始化函數中的nport和nbtl.
其次是對溫濕度上下限的設置?？衫肅SERIALPORT類中的啟動串口監(jiān)測進程函數Start Monitoring、發(fā)送字符串函數WriteToPort以及關閉串口進程StopMonitoring來進行溫度上下限的設置，其信息通過這些函數發(fā)送到串口，單片機從RS232上收到數據后，與自身的溫度相比較，再進行相應的處理。
第三是曲線顯示。動態(tài)曲線顯示可利用CHistogram類中的SetRange（200，400），SetPos（temp）函數，SetRange設置上下極限值，SetPos是在圖上顯示相應的數據點，temp是從單片機傳來的溫濕度數據的處理結果，具體的移動曲線可由CHistogram類中函數實現。
4 結論
經測試，在發(fā)射接收模塊沒加天線的情況下，無線發(fā)射接收模塊在大多數情況下的數據傳輸距離在200 m左右，發(fā)射頭發(fā)射功率、接收頭接收靈敏度等因素可能會影響傳輸距離，若外加天線，則會大大增加傳輸距離。另外，在調試過程中，振蕩電阻必須匹配，否則接收距離會變短甚至無法接收。
本系統(tǒng)的數字信號由單片機采樣，基于DHT11的數字溫濕度傳感器構成的實時監(jiān)控系統(tǒng)具有精度高、抗干擾能力強、電路簡單等諸多優(yōu)點。然后利用單片機與PC機的通信可將數據送到PC機進行數據的存儲、后期處理與顯示。本系統(tǒng)數據處理功能強大、顯示直觀、界面友好、性價比高，可廣泛應用于工業(yè)控制、儀器、儀表、農業(yè)養(yǎng)殖及智能家居等諸多領域。
二、基于FPGA的數字示波器設計
隨著信息技術的發(fā)展，對信號的測量技術要求越來越高，示波器的使用越來越廣泛。模擬示波器使用前需要進行校正，使用比較麻煩；而數字示波器，由于受核心控制芯片的影響，對輸入信號的頻率有嚴格的限制。基于FPGA的數字示波器，其核心芯片可達到50萬門，配合高速外圍電路，可以測量頻率為1 MHz的信號，有效地克服了以往示波器的不足。
1 系統(tǒng)方案設計
設計的數字示波器系統(tǒng)主要使用了Xilinx系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境，并在此環(huán)境內部建立了AD采樣控制模塊、鍵盤控制模塊、VGA顯示模塊等多個模塊，從很大程度上減少了硬件電路的搭建，也因此提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，系統(tǒng)框圖如圖1所示。
另外，設計使用XPS將32位的MicroBlaze微處理器嵌入到了FPGA中，實現了可編程片的嵌入以及在可編程片上的系統(tǒng)設計。MieroBlaze通過LBM總線訪問片上的存儲模塊BlockRAM，然后通過OPB總線上掛接外設進行接口連接和驅動。
VGA顯示部分采用雙緩沖機制進行工作，在FPGA內部建立RAM，按照一定時序降RAM內的緩存數據映射到VGA顯示屏上。
2 硬件設計
2.1 信號調理電路模塊
信號調理電路模塊，對輸入的模擬信號進行處理，由于輸入電壓幅度為-2.5～+2.5 V之間，而后一級的AD模塊采用了12位的高速A／D轉換芯片ADS804，只能對0～2 V的電壓進行模／數轉換，故需要將輸入電壓先抬升為0～5 V，在應用運算放大器進行比例縮小，達到0～2 V的模數轉換要求。
2.2 A／D轉換電路
A／D轉換模塊采用存儲采樣數據的并行數據處理方法，這樣可以使硬件電路得到最大程度的簡化，同時也提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。AD部分的采樣，選用實時采樣技術。能夠捕獲到單個信號。采樣速率為10 MHz，即在最高頻率1 MHz時，實時采樣可以在每周期采10個點以保證取到一個完整的信號波形。
2.3 觸發(fā)電路模塊
觸發(fā)電路模塊屬于外觸發(fā)，對模擬信號實現任意電平觸發(fā)，該模塊采用電壓比較器來實現單次觸發(fā)。
2.4 存儲模塊
存儲模塊包括內存儲和外存儲兩部分，使用外部電路進行搭建的為外存儲，內存儲在軟件部分進行說明。
外部非易失性存儲器模塊采用存儲容量為16 KB的E2PROM芯片24C128，該芯片作為手動存儲的存儲介質，從而實現掉電不丟失的設計目的。
2.5 VGA顯示模塊
VGA顯示模塊是建于FPGA內的雙緩沖機制，由嵌入的MicroBlaze軟核進行控制，能夠進行多個頁面間的切換。另外，每個界面，可以實現中文信息、彩色通道和所測輸入波形的顯示，并可控制顯示內容的顯示顏色。
2.6 鍵盤模塊
4×4矩陣鍵盤模塊實現人機交互。
通過鍵盤，可以對示波器的數字通道、模擬通道、混合通道、存儲、回放、波形左移、波形右移等功能進行選擇。
3 基于FPGA的軟件設計
FPGA的硬件主要包括：觸發(fā)電路模塊、數字信號發(fā)生模塊、存儲模塊、鍵盤模塊、VGA顯示模塊等5個部分，軟件流程圖如圖2所示。
3.1 觸發(fā)電路程序
AD采樣啟動后，將從AD進來的數據與觸發(fā)字進行比較，當滿足設定條件時，會產生觸發(fā)信號，此信號送到RAM控制器端。通過對外部觸發(fā)電路發(fā)出觸發(fā)信號與內部的兩路數字信號進行觸發(fā)的選擇后，RAM控制器得到觸發(fā)后將采樣數據寫入到RAM中。當RAM在進行寫數據過程中觸發(fā)信號是被抑制的；當RAM達到預觸發(fā)深度時，釋放觸發(fā)信號，等待下一次觸發(fā)的到來。
3.2 數竽信號發(fā)生程序
利用DDS的原理，在FPGA內部生成一個信號發(fā)生器。主要包括頻率控制寄存器、高速相位累加器和比較器3部分。具體做法為：使用一個表示信號平均值的數據與AD采樣得來的數據進行比較得到同頻同相的A路信號，再經由A信號觸發(fā)計數器，經過合理設置計數脈沖，得到有45°延時，占空比25％的B路信號。最后對該相位值計算數字化正弦波幅度輸出。
表示信號平均值的數據由MicroBlaze測量信號提供。
3.3 存儲程序
存儲模塊分RAM存儲和FLASH存儲RAM存儲使用一個雙口RAM，寫和讀分開，波形數據滿足觸發(fā)條件時送進RAM，存儲了1 024個點，其中前560組送住VGA顯示。
FLASH存儲完成掉電不丟失的存儲目的。20世紀使用開發(fā)板上的一塊型號為AM29LV160DB的FLASH存儲器，當按下存儲健后，FLASH把RAM中的數據寫到FLASH中，根據資料中的讀寫時序圖，使用狀態(tài)機實現這個過程，當按下回顯的按鍵時將FLASH中的數據讀回圖像顯示RAM，再顯示出來。
3.4 鍵盤程序
鍵盤采用4×4矩陣鍵盤，使用FPGA進行掃描控制，實現人機交互。
鍵盤子程序主要包括數字通道、模擬通道、混合通道、存儲、回放、波形左移、波形右移、垂直靈敏度檔位設置，掃描速度檔位設置等功能與按鍵的對應。
3.4.1 顯示分辨率分析
垂直方向劃分為10 div，設置3檔垂直靈敏度：1 000 mV／div，100 mV／div和10 V／div，即每div可代表1 000 mV，100 mV和10 mV。
A／D轉換模塊的模擬信號輸入端的輸入信號電壓為0～2 V，當示波器滿刻度顯示時，被測信號的幅度將分別為：V11=1 V／div×10 div=10 V，V12=0.1 V／div×10 div=1 V，V13=10 mv／div×10 div=100 mV。A／D轉換器的滿刻度輸入值為Vmax=2 V，程控放大器電路的增益AN=Vmax／VIn，其中N=1，2，3，對應于3檔不同垂直靈敏度的增益分別為：A1=2／10=0.2；A2=2／1=2；A3=2／0.1=20。
A／D轉換器的滿刻度輸入值為Vmax=5 V《10 V，將AD采樣的值和數字信號的值據當前檔位進行計數存儲，即1μs／div時每10個點保存一個，1 ms，／div時每10 000個點保存一個，1 s／div時每采樣10 000 000個點保存一個。
3.4.2 掃描速率分析
A／D的轉換速率取決于被測信號的頻率范圍，或DSO對掃描速度的要求，設計掃描速度含1 ms／div，1μs，／div，1 s／div三檔，通過FPGA內部建立分頻電路實現了最高采樣率16 MS／s，每10倍頻步進，共六檔，增加了該示波器的實用性。水平顯示分辨率為64點／div，以保證顯示波形清晰穩(wěn)定。
3.5 VGA顯示部分
VGA顯示模塊使用雙緩沖機制，軟核MicroBlaze通過讀寫顯存來控制VGA顯示。VGA顯示可顯示3種顏色，利用了SOPC的優(yōu)勢。GRAM位寬32b，大大提高了FPGA刷屏的速度。vga_dn與GRAM對內嵌的MCU設計成為BlackBox，MCU只需向相應地址發(fā)送合適數據即可顯示想要的波形。本設計主要實現了的顯示為：底色，漢字，示波器的顯示框，波形數據。通過取字摸的方式，可在顯示屏上顯示中文信息。當部分的數據進行綜合時，這幾部分的數據各自有不同的優(yōu)先級，當多部分重疊時，根據優(yōu)先級顯示出來。
4 總體效果
圖3為同時顯示2個數字通道和1個模擬通道的界面，通道1（CH1）為模擬通道，通道2（CH2）和通道3（CH3）為數字通道，輸入信號為一正弦波，峰一峰值為1.2 V，通道2，設定輸入信號信號電壓大于0為高電平，反之為低電平，故通道2為占空比為50％的矩形波。通道3設定輸入信號大于3.3 V為高電平，反之為低電平，故在本圖上通道3為占空比約為25％的矩形波。由圖可知觀察值與計算值相符。
5 結語
設計實現了一款基于FPGA的VGA顯示的多通道數字存儲示波器。FPGA的高速性比其他控制芯片更適合于高速數據的采集和處理，另外FPGA內部存儲模塊在完成輸入信號的量化存儲速度上有著外接RAM無法比擬的優(yōu)勢。通過測試，設計系統(tǒng)比較好地完成了各項設計要求。
三、單片機與模糊控制的溫控儀設計與實現
摘要：溫度是科學技術中最基本的物理量之一，在工業(yè)生產和生活中，常常是表征對象和過程狀態(tài)的重要參數，其控制具有非線性、時滯性和不確定性，用傳統(tǒng)的控制達不到好的控制效果。設計一種以單片機MSP430F149為系統(tǒng)的核心部件，并將模糊控制算法應用到其中的溫控儀上，溫度控制范圍為常溫0～100℃，設定溫度值與測量溫度值實時顯示，控制精度可達±0．5℃。該系統(tǒng)采用恒瀧供電，電路較簡單，成本低，溫度控制精度高，可以廣泛應用于需要進行恒溫控制的生產和生活中。
0 引言
溫度控制對于工業(yè)和日常生活等領域都具有廣闊的應用前景，很多應用領域，需要精度較高的恒溫控制，由于其控制具有非線性、時滯性和不確定性，用傳統(tǒng)的控制達不到好的控制效果。模糊控制是一種基于規(guī)則的控制，它直接采用語言型控制規(guī)則，出發(fā)點是現場操作人員的控制經驗或相關專家的知識，其魯棒性強，干擾和參數變化對控制效果的影響被大大減弱，所以特別適合于0～100℃溫度的精確控制。
MSP430系列單片機是一個16位的、具有精簡指令集的、超低功耗的混合型單片機。MSP430F149單片機采用了精簡指令（RISC），具有豐富的尋址方式（7種源操作數尋址、4種目的操作數尋址）、簡潔的27條內核指令以及大量的模擬指令，大量的寄存器以及片內數據存儲器都可參加多種運算，還有高效的查表處理指令；有較高的處理速度，在8MHz晶體驅動下指令周期為125 ns。這些特點保證了可編制出高效率的源程序。MSP430F149單片機具有10位／12位ADC、16位Sigma-Delta A／D、直接尋址模塊（DMA）、端口1～6、基本定時器（Basic Timer）等的一些外圍模塊的不同組合。其中，看門狗可以使程序失控時迅速復位；模擬比較器進行模擬電壓的比較，配合定時器，可設計出A／D轉換器。該系統(tǒng)采用MSP430F149單片機，可以省去A／D等硬件電路，使其成本降低，可靠性大大增強。
1 系統(tǒng)設計
系統(tǒng)以MSP430F149單片機為控制核心，溫度測量由鉑電阻恒流調理電路完成，調理電路的輸出電壓送入單片機，在單片機內部實現A／D轉換，并對采樣數據進行濾波及標度變換處理，溫度值由3位數碼管顯示。輸入的溫度設定值由4位獨立式鍵盤電路進行，設定值送入單片機后，由另一個3位數碼管顯示。系統(tǒng)設計框圖如圖1所示。
2 主要硬件電路設計
2．1 鉑電阻測溫調理電路
在本系統(tǒng)中，實際溫度值由鉑電阻恒流工作調理電路進行測量。為了克服鉑電阻的非線性特點，在信號調理電路中加入負反饋非線性矯正網絡。如圖2所示，鉑電阻選用標稱值為100Ω的RT100作為溫度傳感器。A1，A2和A3采用低溫漂運放OP07，由于有電流流經鉑電阻傳感器，所以當溫度為0℃時，在鉑電阻傳感器上有壓降，這個電壓為鉑電阻傳感器的偏置電壓，是運放A1輸出電壓的一部分，使恒流工作調理電路的輸出實際不為0，所以需要對這個偏置電壓調零，圖中R3為調零電阻。圖中運放A3及電阻R1，R4和R6構成負反饋非線性校正網絡。R5用于調整運放A2的增益。
2．2 溫度控制電路
系統(tǒng)加熱絲與風扇均采用圖3所示電路形式。電路采用了晶體管驅動的直流電磁繼電器。當單片機的P5．4為低電平時，繼電器RL1吸合，當P5．4為高電平時，繼電器RL1釋放。采用這種控制邏輯可以使繼電器在上電復位或單片機受控復位時不吸合。繼電器由晶體管2N222A驅動，可以提供所需的驅動電流。
3 模糊控制規(guī)則表及軟件流程圖
3．1 建立模糊控制規(guī)則表
采用溫度誤差E和溫度誤差變化率Ec作為模糊控制器的輸入變量，溫度控制量U作為模糊控制器的輸出變量。系統(tǒng)中溫度誤差E、溫度誤差變化率Ec和溫度控制量U（單位：℃）的基本域分別為［-5，+5］，［-2，+2］和［0，1］。輸入語言變量的語言值取7個，輸出控制量用于控制繼電器驅動電路。將占空比模糊控制量設定為0，1／4，1／2，3／4，1五個單點模糊量和1個控制風扇吹風的單點模糊量。輸出語言變量的語言值取6個。當U=0時，單片機P3．5口置低電平，使風扇控制電路工作；當U=1時，加熱絲控制電路工作，且繼電器在1個周期內全關斷；當U=2時，加熱絲控制電路工作，且繼電器在1／4個周期內接通，在3／4個周期內關斷；當U=5時，加熱絲控制電路工作，且繼電器在1個周期內全接通。本控制系統(tǒng)選用三角函數、升半梯形函數與降半梯形函數作為輸入量語言值的隸屬函數，用脈沖函數作為輸出量語言值的隸屬函數。模糊控制規(guī)則如表1所示。
由模糊規(guī)則進行推理可以得出模糊控制器語言規(guī)則的輸入輸出關系，其關系是一個非線性的關系曲面。當偏差較大時，控制量的變化應盡力使偏差迅速減??；當偏差較小時，除了要消除偏差外，還要考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性，防止系統(tǒng)出現過沖，甚至引起系統(tǒng)振蕩。
3．2 軟件流程圖
主程序軟件流程如圖4所示。
溫度采集和顯示、鍵盤處理等在編程時作為相對獨立的功能模塊來實現，并自主程序運行中按照設定的流程來調用，完成相應的任務后再返回主程序即可。
4 仿真分析
在Proteus仿真軟件中加入編譯后的HEX文件，使用分析圖表分析系統(tǒng)分析加熱器控制信號與風扇控制信號輸出端口的占空比。當輸入電壓為2．7 V時，系統(tǒng)的輸出顯示實際溫度為54℃，系統(tǒng)的設定溫度為55℃，此時P5．4輸出占空比為2：1的加熱器控制信號；而當系統(tǒng)的實際溫度大于設定溫度時，系統(tǒng)輸出適當的風扇控制信號以恒定的功率散熱，說明滿足設計要求。
5 結語
本系統(tǒng)采用低功耗MSP430系列單片機作為控制核心，整個控制電路較簡單，用模糊控制算法設計程序，設定溫度值與測量溫度值實時顯示，控制精度可達±0．5℃，在實際生產和生活中具有廣泛的實用性。
四、3軸加速度計全功能計步器參考設計
簡介
計步器是一種頗受歡迎的日常鍛煉進度監(jiān)控器，可以激勵人們挑戰(zhàn)自己，增強體質，幫助瘦身。早期設計利用加重的機械開關檢測步伐，并帶有一個簡單的計數器。晃動這些裝置時，可以聽到有一個金屬球來回滑動，或者一個擺錘左右擺動敲擊擋塊。
如今，先進的計步器利用MEMS（微機電系統(tǒng)）慣性傳感器和復雜的軟件來精確檢測真實的步伐。MEMS慣性傳感器可以更準確地檢測步伐，誤檢率更低。MEMS慣性傳感器具有低成本、小尺寸和低功耗的特點，因此越來越多的便攜式消費電子設備開始集成計步器功能，如音樂播放器和手機等。ADI公司的3軸加速度計ADXL335， ADXL345和 ADXL346小巧纖薄，功耗極低，非常適合這種應用。
本文以對步伐特征的研究為基礎，描述一個采用3軸加速度計ADXL345的全功能計步器參考設計，它能辨別并計數步伐，測量距離、速度甚至所消耗的卡路里。
ADXL345專有的（正在申請專利）片內32級先進先出（FIFO）緩沖器可以存儲數據，并執(zhí)行計步器應用的相關操作，從而最大程度地減少主處理器干預，為便攜式設備節(jié)省寶貴的系統(tǒng)功率。其13位分辨率（4 mg/LSB）甚至允許計步器以合理的精度測量超低速步行（每步加速度變化約55 mg）。
了解模型
在可用于分析跑步或步行的特征當中，我們選擇“加速度”作為相關參數。個體（及其相關軸）的運動包括三個分量，分別是前向（“滾動”）、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上的加速度。計步器處于未知方向，因此測量精度不應嚴重依賴于運動軸與加速度計測量軸之間的關系。
圖1. 各軸的定義
讓我們考慮步行的特性。圖2描繪了一個步伐，我們將其定義為單位步行周期，圖中顯示了步行周期各階段與豎向和前向加速度變化之間的關系。
圖2. 步行階段與加速度模式
圖3顯示了與一名跑步者的豎向、前向和側向加速度相對應的x、y和z軸測量結果的典型圖樣。無論如何穿戴計步器，總有至少一個軸具有相對較大的周期性加速度變化，因此峰值檢測和針對所有三個軸上的加速度的動態(tài)閾值決策算法對于檢測單位步行或跑步周期至關重要。
圖3. 從一名跑步者測得的x、y和z軸加速度的典型圖樣
算法
步伐參數
數字濾波器：首先，為使圖3所示的信號波形變得平滑，需要一個數字濾波器?？梢允褂盟膫€寄存器和一個求和單元，如圖4所示。當然，可以使用更多寄存器以使加速度數據更加平滑，但響應時間會變慢。
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躍軸的濾波數據。對于跑步者，峰峰值會更高。
圖5. 最活躍軸的濾波數據
動態(tài)閾值和動態(tài)精度：系統(tǒng)持續(xù)更新3軸加速度的最大值和最小值，每采樣50次更新一次。平均值（Max + Min）/2稱為“動態(tài)閾值”。接下來的50次采樣利用此閾值判斷個體是否邁出步伐。由于此閾值每50次采樣更新一次，因此它是動態(tài)的。這種選擇具有自適應性，并且足夠快。除動態(tài)閾值外，還利用動態(tài)精度來執(zhí)行進一步濾波，如圖6所示。
圖6. 動態(tài)閾值和動態(tài)精度
利用一個線性移位寄存器和動態(tài)閾值判斷個體是否有效地邁出一步。該線性移位寄存器含有2個寄存器：sample_new寄存器和sample_old寄存器。這些寄存器中的數據分別稱為sample_new和sample_old。當新采樣數據到來時，sample_new無條件移入sample_old寄存器。然而，sample_result是否移入sample_new寄存器取決于下述條件：如果加速度變化大于預定義精度，則最新的采樣結果sample_result移入sample_new寄存器，否則sample_new寄存器保持不變。因此，移位寄存器組可以消除高頻噪聲，從而保證結果更加精確。
步伐邁出的條件定義為：當加速度曲線跨過動態(tài)閾值下方時，加速度曲線的斜率為負值（sample_new 《 sample_old）。 。
峰值檢測：步伐計數器根據x、y、z三軸中加速度變化最大的一個軸計算步數。如果加速度變化太小，步伐計數器將忽略。
步伐計數器利用此算法可以很好地工作，但有時顯得太敏感。當計步器因為步行或跑步之外的原因而非常迅速或非常緩慢地振動時，步伐計數器也會認為它是步伐。為了找到真正的有節(jié)奏的步伐，必須排除這種無效振動。利用“時間窗口”和“計數規(guī)則”可以解決這個問題。
“時間窗口”用于排除無效振動。假設人們最快的跑步速度為每秒5步，最慢的步行速度為每2秒1步。這樣，兩個有效步伐的時間間隔在時間窗口［0.2 s - 2.0 s］之內，時間間隔超出該時間窗口的所有步伐都應被排除。
ADXL345的用戶可選輸出數據速率特性有助于實現時間窗口。表1列出了TA = 25°C， VS = 2.5 V， and VDD I/O = 1.8 V時的可配置數據速率（以及功耗）。
表1. 數據速率和功耗
此算法使用50 Hz數據速率（20 ms）。采用interval的寄存器記錄兩步之間的數據更新次數。如果間隔值在10與100之間，則說明兩步之間的時間在有效窗口之內；否則，時間間隔在時間窗口之外，步伐無效。
“計數規(guī)則” 用于確定步伐是否是一個節(jié)奏模式的一部分。步伐計數器有兩個工作狀態(tài)：搜索規(guī)則和確認規(guī)則。步伐計數器以搜索規(guī)則模式開始工作。假設經過四個連續(xù)有效步伐之后，發(fā)現存在某種規(guī)則（in regulation），那么步伐計數器就會刷新和顯示結果，并進入“確認規(guī)則”工作模式。在這種模式下工作時，每經過一個有效步伐，步伐計數器就會更新一次。但是，如果發(fā)現哪怕一個無效步伐，步伐計數器就會返回搜索規(guī)則模式，重新搜索四個連續(xù)有效步伐。
圖7顯示了步伐參數的算法流程圖。
圖7. 步伐參數算法流程圖
距離參數
根據上述算法計算步伐參數之后，我們可以使用公式1獲得距離參數。
距離 = 步數 × 每步距離 （1）
每步距離取決于用戶的速度和身高。如果用戶身材較高或以較快速度跑步，步長就會較長。參考設計每2秒更新一次距離、速度和卡路里參數。因此，我們使用每2秒計數到的步數判斷當前跨步長度。表2顯示了用于判斷當前跨步長度的實驗數據。
表2. 跨步長度與速度（每2秒步數）和身高的關系
2秒的時間間隔可以利用采樣數精確算出。以50 Hz數據速率為例，處理器可以每100次采樣發(fā)送一次相應的指令。處理器利用一個名為m_nLastPedometer的變量記錄每個2秒間隔開始時的步數，并利用一個名為m_nPedometerValue的變量記錄每個2秒間隔結束時的步數。這樣，每2秒步數等于m_nPedometerValue與m_nLastPedometer之差。
雖然數據速率為50 Hz，但ADXL345的片內FIFO使得處理器無需每20 ms讀取一次數據，極大地減輕了主處理器的負擔。該緩沖器支持四種工作模式：旁路、FIFO、流和觸發(fā)。在FIFO模式下，x、y、z軸的測量數據存儲在FIFO中。當FIFO中的采樣數與FIFO_CTL寄存器采樣數位規(guī)定的數量相等時，水印中斷置1。如前所述，人們的跑步速度最快可達每秒5步，因此每0.2秒刷新一次結果即可保證實時顯示，從而處理器只需每0.2秒通過水印中斷喚醒一次并從ADXL345讀取數據。FIFO的其它功能也都非常有用。利用觸發(fā)模式，FIFO可以告訴我們中斷之前發(fā)生了什么。由于所述解決方案沒有使用FIFO的其它功能，因此筆者將不展開討論。
速度參數
速度 = 距離/時間，而每2秒步數和跨步長度均可根據上述算法計算，因此可以使用公式2獲得速度參數。
速度 = 每2秒步數 × 跨步/2 s（2）
卡路里參數
我們無法精確計算卡路里的消耗速率。決定其消耗速率的一些因素包括體重、健身強度、運動水平和新陳代謝。不過，我們可以使用常規(guī)近似法進行估計。表3顯示了卡路里消耗與跑步速度的典型關系。
表3. 卡路里消耗與跑步速度的關系
由表3可以得到公式（3）。
卡路里（C/kg/h） = 1.25 × 跑步速度（km/h） （3）
以上所用的速度參數單位為m/s，將km/h轉換為m/s可得公式4。
卡路里（C/kg/h） = 1.25 × 速度（m/s） × 3600/1000 （4）
卡路里參數隨同距離和速度參數每2秒更新一次。為了考慮運動者的體重，我們可以將公式4轉換為公式5。體重（kg）為用戶輸入量，一個小時等于1800個2秒間隔。
卡路里（C/2 s） = 4.5 × 速度 × 體重/1800（5）
如果用戶在步行或跑步之后休息，則步數和距離將不變化，速度應為0，此時的卡路里消耗可以利用公式6計算（休息時的卡路里消耗約為1 C/kg/h）。
卡路里（C/2 s） = 1 × 體重/1800 （6）
最后，我們可以將所有2秒間隔的卡路里相加，獲得總卡路里消耗量。
硬件連接
ADXL345易于連接到任何使用I2C®或SPI數字通信協(xié)議的處理器。圖8給出了演示設備的原理示意圖，它采用3V電池供電。ADXL345的/CS引腳連接到板上的VS，以選擇I2C模式。利用一個低成本精密模擬微控制器ADuC7024從ADXL345讀取數據，執(zhí)行算法，并通過UART將結果發(fā)送至PC。SDA和SCL分別為I2C總線的數據和時鐘引腳，從ADXL345連接到ADuC7024的對應引腳。ADXL345的兩個中斷引腳連接到ADuC7024的IRQ輸入，以產生各種中斷信號并喚醒處理器。
圖8. 硬件系統(tǒng)的原理示意圖
用戶界面
用戶界面顯示測試數據，并對操作員的指令做出響應。用戶界面（UI）運行之后，串行端口應打開，通信鏈路應啟動，隨后演示程序將持續(xù)運行。圖9顯示了用戶佩戴計步器步行或跑步時的測試情況。用戶可以輸入其體重和身高數據，距離、速度和卡路里參數將根據這些數據進行計算。
圖9. 用戶佩戴計步器步行或跑步時的測試情況
結論
ADXL345是一款出色的加速度計，非常適合計步器應用。它具有小巧纖薄的特點，采用3 mm × 5 mm × 0.95 mm塑封封裝，利用它開發(fā)的計步器已經出現在醫(yī)療儀器和高檔消費電子設備中。它在測量模式下的功耗僅40 µA，待機模式下為0.1 µA，堪稱電池供電產品的理想之選。嵌入式FIFO極大地減輕了主處理器的負荷，使功耗顯著降低。此外，可以利用可選的輸出數據速率進行定時，從而取代處理器中的定時器。13位分辨率可以檢測非常小的峰峰值變化，為開發(fā)高精度計步器創(chuàng)造了條件。最后，它具有三軸輸出功能，結合上述算法，用戶可以將計步器戴在身上幾乎任何部位。
幾點建議：如果應用對成本極其敏感，或者模擬輸出加速度計更適合，建議使用ADXL335，它是一款完整的小尺寸、薄型、低功耗、三軸加速度計，提供經過信號調理的電壓輸出。如果PCB尺寸至關重要，建議使用ADXL346，這款低功耗器件的內置功能甚至比ADXL345還多，采用小巧纖薄的3 mm × 3 mm × 0.95 mm塑封封裝，電源電壓范圍為1.7 V至2.75 V。
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