基于加速度計的步態(tài)數(shù)據(jù)無線采集系統(tǒng)設(shè)計

摘要 為了便于獲取步態(tài)數(shù)據(jù)，采用μPD78F0547微控制器、US3LV02DQ微加速度計、nRF2401無線收發(fā)芯片等主要器件，設(shè)計了步態(tài)加速度信號無線采集裝置。將該裝置的一端固定于人體腰或腿等部位，按設(shè)定的采樣率連續(xù)輸出運動時的三維加速度數(shù)據(jù)；另一端接收數(shù)據(jù)并通過串行接口實時地傳送到計算機中，從而實現(xiàn)大量步態(tài)數(shù)據(jù)的采集和存儲。
關(guān)鍵詞 加速度計 步態(tài)數(shù)據(jù) 無線采集 μPD78F0547 LIS3LV02DQ

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(xué)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(chǔ)，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(biāo)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(yīng)用領(lǐng)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(shè)計的。

1 硬件電路設(shè)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(shè)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。