基于MMA7260QT三軸加速度傳感器的跌倒探測儀的研制

引言

　　跌倒探測儀適用于自理能力和自我保護能力比較差的老年人和兒童，它通過(guò)測量佩戴該儀器的個(gè)體在運動(dòng)過(guò)程中的三個(gè)正交方向上的加速度來(lái)感知其身體姿態(tài)的變化，并可按照需要進(jìn)行報警和發(fā)布。

　　跌倒探測儀由加速度傳感器、數據處理模塊、電源和通信模塊構成。其中傳感器測量對象的加速度矢量；處理器模塊負責采集加速度傳感器的數據，分析判斷對象的身體姿態(tài)并控制報警及報警信息的發(fā)布；電源模塊負責為整個(gè)系統提供電力供給；通信模塊負責將報警信息通過(guò)一定的協(xié)議進(jìn)行發(fā)布。

關(guān)鍵技術(shù)

　　人體運動(dòng)模型的建立

　　在姿態(tài)轉變過(guò)程中，重力將成為影響這一運動(dòng)過(guò)程的主要因素。跌倒過(guò)程中，對象的加速度、速度和位移三種矢量均發(fā)生了變化。

　　如圖1建立直角坐標系，X、Y、Z軸相互正交，任意空間方向上的矢量變化均可以分解成X、Y、Z三個(gè)方向上的分量變化。使用者正確佩戴跌倒探測器且處于靜止或水平勻速運動(dòng)狀態(tài)下，Z軸方向的加速度為重力加速度（g），其他兩個(gè)方向上加速度為0。當佩戴者跌倒時(shí)，如果僅考慮初始狀態(tài)和最終狀態(tài)就可以發(fā)現，理想情況下Z軸分量發(fā)生從最大值（1g）變化為0，而X或Y軸的分量則從0變化為最大（1g），具體是X軸還是Y軸發(fā)生這一變化，則由佩戴者跌倒后的姿態(tài)決定--平臥為X軸變化，側臥為Y軸變化。如果身體姿態(tài)介于平臥和側臥之間，則X軸和Y軸的加速度分量將滿(mǎn)足sqrt{x^{2}+y^{2}}=1g（站立情況下這個(gè)矢量和為0），仍然能夠通過(guò)計算分析得出與站立不同的加速度分布。

 
　　但是在實(shí)際情況中，僅根據加速度分量的改變很難分辨臥倒姿態(tài)的形成原因，容易出現很多假陽(yáng)性（檢測到跌倒而實(shí)際沒(méi)有跌倒）或假陰性（未檢測到跌倒而實(shí)際出現跌倒）。因此，需要算法作進(jìn)一步改進(jìn)。一般來(lái)說(shuō)，假陽(yáng)性情況可以通過(guò)對加速度在時(shí)間域進(jìn)行一次積分求速度、兩次積分求位移的方式，全方位分析佩戴者身體姿態(tài)變化加以篩選；而假陰性情況除采用上面的全面姿態(tài)分析外，還需要佩戴者自主參與才能有效提高檢出效率。因此，建立人體跌倒過(guò)程的運動(dòng)模型，提取跌倒過(guò)程中身體姿態(tài)變化的特征參數是準確檢測跌倒并發(fā)布報警信息的關(guān)鍵。

　　無(wú)線(xiàn)通信及空間定位信息獲取

　　跌倒報警必須及時(shí)送達救助中心才能夠保證救助的有效性，報警信息的及時(shí)發(fā)布要求包含兩層含意：其一是報警信息不會(huì )因為跌倒探測器佩戴者的行動(dòng)和所處的位置受到影響；其二，發(fā)布的報警信息中應該包括佩戴者跌倒的地理位置內容，這樣才能保證跌倒者得到有效救助。

　　采用無(wú)線(xiàn)通信的方式發(fā)布跌倒報警信息非常適合能夠自由行動(dòng)的配戴者，無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)從技術(shù)成熟度、運行成本角度也都非常適用。從技術(shù)實(shí)現和成本方面考慮，選擇CDMA通信方式更加適合跌倒探測器設計目的的實(shí)現。

系統方案設計

　　需求分析

　　身體姿態(tài)監測
　　通過(guò)三軸加速度傳感器的測量值，利用相應算法計算出佩戴者的身體姿態(tài)。當出現跌倒動(dòng)作時(shí)，能夠觸發(fā)MCU中斷處理。

　　報警控制機制
　　使用者可根據自己的身體狀況選擇是否報警，當使用者已無(wú)法控制自己行為時(shí)，本產(chǎn)品應能夠保證自動(dòng)實(shí)施報警。

　　計步器
　　在一般佩戴過(guò)程中，用戶(hù)可使用該項功能，為自己的步行健身活動(dòng)提供量化的參考信息。

　　空間定位
　　在實(shí)施跌倒報警時(shí)，應為報警信息接受方提供報警地點(diǎn)的空間定位信息，保證有效救助及時(shí)到達。

　　無(wú)線(xiàn)通訊
　　能夠將報警和定位信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式傳輸到相關(guān)人員處。

　　供電采用鋰電池

　　部分信息顯示使用液晶屏

系統架構設計

　　根據跌倒探測器的需求分析，具體的實(shí)現方案設計采用如圖2所示的架構。該架構基于高性能、低功耗MCU--MC9S08QG8，通過(guò)獲取加速度傳感器的采集信息，經(jīng)分析和計算后實(shí)現跌倒探測及報警等多項功能。

　　硬件設計

　　硬件設計圍繞MCU展開(kāi)，產(chǎn)品采用MC9S08QG8芯片，如何充分利用芯片資源，妥善完成產(chǎn)品的各項任務(wù)處理，是設計的關(guān)鍵。參考系統結構框架，根據功能模塊劃分，系統的硬件設計詳細描述如下：

　　加速度采集電路
　　加速度采集使用MMA7260QT，該芯片輸出為模擬信號，需進(jìn)行A/D轉換后才能進(jìn)行數據處理。MC9S08QG8芯片的PA腳為復用通道，可根據需要設置為I/O、鍵盤(pán)中斷或A/D采樣通道。本設計將利用MC9S08QG8芯片內部的A/D模塊實(shí)現模數轉換，具體實(shí)現中采用PA0、PA1和PA2作為三軸加速度的采集通道，與MMA7260QT的Xout（Pin15）、Yout（Pin14）和Zout（Pin13）相連，A/D采樣的控制時(shí)鐘通過(guò)軟件配置MC9S08QG8相應控制寄存器完成。

　　MCU外圍電路
　　本設計中，MCU外圍電路包括電源與時(shí)鐘、數據緩存和按鍵電路三部分構成，下面分別描述。

　　電源與時(shí)鐘
　　功能組件包括MCU、液晶、按鍵、采集、數據存儲和通信幾部分。根據所選用器件的數據手冊，各組件對供電要求如圖3所示。

 
　　從圖中可以看出，整個(gè)系統設計要求電源參數有三種，分別為3V、3.3V和3.7V。其中，主要數字電路部分--包括MCU及其外圍電路部分要求提供3.3V的工作電壓；而在無(wú)線(xiàn)通信模塊中，針對讀取入網(wǎng)SIM卡部分電路要求3V的供電電壓，CDMA射頻部分工作電壓要求不低于3.5V。

　　在實(shí)際設計中，輸出電壓為3.7V，由于能夠滿(mǎn)足CDMA射頻模塊的工作要求，故直接使用Li電池的輸出供電；聯(lián)通入網(wǎng)SIM卡信息讀取電路的工作電壓為3V，設計中采用MICREL公司的MIC5219-3.0芯片執行電壓轉換工作；其他數字電路部分的工作電壓為3.3V，設計中采用MICREL公司的MIC5219-3.3芯片實(shí)現這一轉換，參見(jiàn)圖3中虛線(xiàn)框中的內容。

　　MC9S08QG8自帶時(shí)鐘模塊（ICS），為了降低功耗和簡(jiǎn)化設計，本系統通過(guò)軟件設置相應的控制寄存器實(shí)現系統時(shí)鐘的上電穩定工作，故在硬件電路設計中不需作過(guò)多的考慮。

　　存儲器
　　有效的數據緩存要求至少具有320點(diǎn)（合1920字節）的存儲深度。 在本設計中，采用Holtek公司的HT24LC16串行EEPROM作為數據緩存。該芯片采用I2C通訊接口，存儲深度2K字節，數據讀寫(xiě)速度在微妙量級，能夠滿(mǎn)足數據實(shí)時(shí)寫(xiě)入的要求。數據寫(xiě)滿(mǎn)后，MCU自動(dòng)將地址重置，從首地址開(kāi)始覆蓋寫(xiě)入新的數據。

　　由于MC9S08QG8內部配有I2C控制模塊，故只需將該模塊對應管腳與EEPROM連接即可--使用PB6（Pin5）和PB7（Pin6）與EEPROM連接。

　　按鍵電路
　　報警確認、報警取消、計步器啟動(dòng)、計步器暫停、計數清零以及無(wú)線(xiàn)通信中接受方號碼的設置，都要求跌倒探測器具有用戶(hù)輸入的接口，設計中采用按鍵實(shí)現。按鍵的接法和使用較為簡(jiǎn)單，直接利用MCU的輸入輸出管腳即可，本設計采用Pin1和Pin13。

　　液晶顯示
　　本設計采用5位7段碼液晶屏，計步器顯示計數和報警接受方電話(huà)號碼輸入都是通過(guò)該液晶屏提供給使用者確認。液晶屏的控制管腳為24個(gè)，由于MCU全部管腳座位液晶控制也無(wú)法滿(mǎn)足工作需求，故在本設計中采用Holtek公司的HT1621B液晶驅動(dòng)芯片完成從MCU到液晶屏顯示數據的管理和驅動(dòng)。另外，HT1621B芯片還具有蜂鳴器控制和驅動(dòng)能力，在本設計中，集成蜂鳴器作為現場(chǎng)報警提示將有助于提高跌倒探測器報警的針對性和準確性，將通過(guò)在HT1621B的BZ管腳連接一蜂鳴器得以實(shí)現。

　　HT1621B為I2C接口，MCU可通過(guò)內部I2C控制模塊傳輸指令和數據給該芯片。由于本系統采用的EEPROM也是使用I2C接口，針對不同器件的數據傳輸和控制指令將通過(guò)地址選擇加以實(shí)現。

　　通信模塊
　　本設計采用AnyData公司的DTGS-800b型OEM模塊。該模塊符合CDMA：IS-95 A/B、IS-98A、IS-126、IS-637A、IS-707A以及IS-2000等標準協(xié)議，能夠提供最高153.6K的數據通訊速率，工作電壓3.6V~4.4V，外形尺寸為53*33*2.7mm，總重量為15g，提供外部通訊接口包括RS-232s、Digital/Analog Audios、LCD、Keypad、Ringer External Reset Control、R-UIM、MP3、MIDI、GPIOs和USB。另外該模塊可收發(fā)短信、集成GpsOne技術(shù)，無(wú)須添加其他組件即可得到地理定位信息，且廠(chǎng)家技術(shù)支持非常完善，其各項功能配置非常適合跌倒探測器的需求描述。

　　具體實(shí)現中，CDMA模塊要求配套入網(wǎng)SIM卡，模塊各項功能可由MCU通過(guò)RS232接口以AT命令的方式加以調用。本設計中通信模塊的設計如圖4所示。

 
　　MC9S08QG8的SCI外設接口經(jīng)TTL-RS232轉換后，與DTGS-800b的RS232端口相連，用以向該模塊發(fā)AT命令。由于該模塊要求7信號的RS232接口，而MCU自帶SCI不提供該種通信方式，故在系統設計中采用I/O口進(jìn)行軟件模擬其他的控制信號：CTS、RFR和DTR。DTGS-800b模塊通過(guò)SIM卡讀卡電路與SIM卡相連，內部自帶處理器根據需要讀取SIM卡信息，完成CDMA的入網(wǎng)和通信信息的交換。

　　端口分配
　　由于本設計采用MC9S08QG8單片機僅能提供最多14個(gè)I/O端口，根本無(wú)法滿(mǎn)足控制整個(gè)系統運行的信號數量要求，故在進(jìn)行具體設計時(shí)，對各管腳的使用和分配進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)的部署，如圖5所示。

　　程序調試和燒入需要兩個(gè)端口，但完成調試和燒寫(xiě)操作后，這兩個(gè)端口可以作為標準的I/O使用，故在設計中將其中一個(gè)I/O（Pin1）作為按鍵的輸入，實(shí)現了端口的復用。

　　CDMA組件與MCU的通訊要求
　　通過(guò)7信號RS232接口，而MC9S08QG8的SCI模塊僅有TXD和RXD兩個(gè)信號，在設計中采用標準I/O通過(guò)軟件模擬的方式實(shí)現其它所需信號，包括DTR、CTS、RFR。

　　EEPROM和液晶驅動(dòng)組件的存取采用I2C接口，本設計中將使用MC9S08QG8的I2C模塊進(jìn)行硬件控制，通過(guò)地址選擇實(shí)現不同組件間的切換。

　　軟件設計

　　軟件設計是系統各項功能具體實(shí)現的關(guān)鍵。在跌倒探測器的軟件設計中，由實(shí)線(xiàn)系統功能引發(fā)的處理內容較多，為了更好地利用和分配MCU的資源，采用了事務(wù)處理和狀態(tài)機相結合的設計方法。