基于3軸加速度計ADXL345的全功能計步器設計
加入技術(shù)交流群
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(hù)的速度和身高。如果用戶(hù)身材較高或以較快速度跑步，步長(cháng)就會(huì )較長(cháng)。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(cháng)度。表2顯示了用于判斷當前跨步長(cháng)度的實(shí)驗數據。
表2. 跨步長(cháng)度與速度（每2秒步數）和身高的關(guān)系
| 每2秒步數 | 跨步(m/s) |
| 0~2 | 身高/5 |
| 2~3 | 身高/4 |
| 3~4 | 身高/3 |
| 4~5 | 身高/2 |
| 5~6 | 身高/1.2 |
| 6~8 | 身高 |
| >=8 | 1.2 ×身高 |
2秒的時(shí)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(gè)名為m_nLastPedometer的變量記錄每個(gè)2秒間隔開(kāi)始時(shí)的步數，并利用一個(gè)名為m_nPedometerValue的變量記錄每個(gè)2秒間隔結束時(shí)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(wú)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寄存器采樣數位規定的數量相等時(shí)，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(shí)時(shí)顯示，從而處理器只需每0.2秒通過(guò)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(méi)有使用FIFO的其它功能，因此筆者將不展開(kāi)討論。 本文來(lái)自電子發(fā)燒友網(wǎng)(http://www.elecfans.com)
速度參數
速度 = 距離/時(shí)間，而每2秒步數和跨步長(cháng)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(wú)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(dòng)水平和新陳代謝。不過(guò)，我們可以使用常規近似法進(jìn)行估計。表3顯示了卡路里消耗與跑步速度的典型關(guān)系。
表3. 卡路里消耗與跑步速度的關(guān)系
| 跑步速度 (km/h) | 卡路里消耗(C/kg/h) |
| 8 | 10 |
| 12 | 15 |
| 16 | 20 |
| 20 | 25 |
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(dòng)者的體重，我們可以將公式4轉換為公式5。體重(kg)為用戶(hù)輸入量，一個(gè)小時(shí)等于1800個(gè)2秒間隔。
| 卡路里(C/2 s) = 4.5 × 速度 × 體重/1800 | (5) |
如果用戶(hù)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(shí)的卡路里消耗可以利用公式6計算（休息時(shí)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(gè)低成本精密模擬微控制器ADuC7024從ADXL345讀取數據，執行算法，并通過(guò)UART將結果發(fā)送至PC。SDA和SCL分別為I2C總線(xiàn)的數據和時(shí)鐘引腳，從ADXL345連接到ADuC7024的對應引腳。ADXL345的兩個(gè)中斷引腳連接到ADuC7024的IRQ輸入，以產(chǎn)生各種中斷信號并喚醒處理器。
圖8. 硬件系統的原理示意圖
用戶(hù)界面
用戶(hù)界面顯示測試數據，并對操作員的指令做出響應。用戶(hù)界面(UI)運行之后，串行端口應打開(kāi)，通信鏈路應啟動(dòng)，隨后演示程序將持續運行。圖9顯示了用戶(hù)佩戴計步器步行或跑步時(shí)的測試情況。用戶(hù)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(jìn)行計算。
圖9. 用戶(hù)佩戴計步器步行或跑步時(shí)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(diǎn)，采用3 mm × 5 mm × 0.95 mm塑封封裝，利用它開(kāi)發(fā)的計步器已經(jīng)出現在醫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(chēng)電池供電產(chǎn)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(zhù)降低。此外，可以利用可選的輸出數據速率進(jìn)行定時(shí)，從而取代處理器中的定時(shí)器。13位分辨率可以檢測非常小的峰峰值變化，為開(kāi)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(hù)可以將計步器戴在身上幾乎任何部位。
幾點(diǎn)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(jīng)過(guò)信號調理的電壓輸出。如果PCB尺寸至關(guān)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。
加速度計相關(guān)文章:加速度計原理
評論