基于MMA7260QT三軸加速度傳感器的跌倒探測(cè)儀的研制

引言

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

　　跌倒探測(cè)儀由加速度傳感器、數(shù)據(jù)處理模塊、電源和通信模塊構(gòu)成。其中傳感器測(cè)量對(duì)象的加速度矢量；處理器模塊負(fù)責(zé)采集加速度傳感器的數(shù)據(jù)，分析判斷對(duì)象的身體姿態(tài)并控制報(bào)警及報(bào)警信息的發(fā)布；電源模塊負(fù)責(zé)為整個(gè)系統(tǒng)提供電力供給；通信模塊負(fù)責(zé)將報(bào)警信息通過一定的協(xié)議進(jìn)行發(fā)布。

關(guān)鍵技術(shù)

　　人體運(yùn)動(dòng)模型的建立

　　在姿態(tài)轉(zhuǎn)變過程中，重力將成為影響這一運(yùn)動(dòng)過程的主要因素。跌倒過程中，對(duì)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(biāo)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(cè)器且處于靜止或水平勻速運(yùn)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(dāng)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(xiàn)，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(cè)臥為Y軸變化。如果身體姿態(tài)介于平臥和側(cè)臥之間，則X軸和Y軸的加速度分量將滿足sqrt{x^{2}+y^{2}}=1g（站立情況下這個(gè)矢量和為0），仍然能夠通過計(jì)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(jù)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(xiàn)很多假陽(yáng)性（檢測(cè)到跌倒而實(shí)際沒有跌倒）或假陰性（未檢測(cè)到跌倒而實(shí)際出現(xiàn)跌倒）。因此，需要算法作進(jìn)一步改進(jìn)。一般來說，假陽(yáng)性情況可以通過對(duì)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，建立人體跌倒過程的運(yùn)動(dòng)模型，提取跌倒過程中身體姿態(tài)變化的特征參數(shù)是準(zhǔn)確檢測(cè)跌倒并發(fā)布報(bào)警信息的關(guān)鍵。

　　無線通信及空間定位信息獲取

　　跌倒報(bào)警必須及時(shí)送達(dá)救助中心才能夠保證救助的有效性，報(bào)警信息的及時(shí)發(fā)布要求包含兩層含意：其一是報(bào)警信息不會(huì)因?yàn)榈固綔y(cè)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(bào)警信息中應(yīng)該包括佩戴者跌倒的地理位置內(nèi)容，這樣才能保證跌倒者得到有效救助。

　　采用無線通信的方式發(fā)布跌倒報(bào)警信息非常適合能夠自由行動(dòng)的配戴者，無線通信技術(shù)從技術(shù)成熟度、運(yùn)行成本角度也都非常適用。從技術(shù)實(shí)現(xiàn)和成本方面考慮，選擇CDMA通信方式更加適合跌倒探測(cè)器設(shè)計(jì)目的的實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

　　需求分析

　　身體姿態(tài)監(jiān)測(cè)
　　通過三軸加速度傳感器的測(cè)量值，利用相應(yīng)算法計(jì)算出佩戴者的身體姿態(tài)。當(dāng)出現(xiàn)跌倒動(dòng)作時(shí)，能夠觸發(fā)MCU中斷處理。

　　報(bào)警控制機(jī)制
　　使用者可根據(jù)自己的身體狀況選擇是否報(bào)警，當(dāng)使用者已無法控制自己行為時(shí)，本產(chǎn)品應(yīng)能夠保證自動(dòng)實(shí)施報(bào)警。

　　計(jì)步器
　　在一般佩戴過程中，用戶可使用該項(xiàng)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(bào)警時(shí)，應(yīng)為報(bào)警信息接受方提供報(bào)警地點(diǎn)的空間定位信息，保證有效救助及時(shí)到達(dá)。

　　無線通訊
　　能夠?qū)?bào)警和定位信息通過無線方式傳輸?shù)较嚓P(guān)人員處。

　　供電采用鋰電池

　　部分信息顯示使用液晶屏

系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

　　根據(jù)跌倒探測(cè)器的需求分析，具體的實(shí)現(xiàn)方案設(shè)計(jì)采用如圖2所示的架構(gòu)。該架構(gòu)基于高性能、低功耗MCU--MC9S08QG8，通過獲取加速度傳感器的采集信息，經(jīng)分析和計(jì)算后實(shí)現(xiàn)跌倒探測(cè)及報(bào)警等多項(xiàng)功能。

　　硬件設(shè)計(jì)

　　硬件設(shè)計(jì)圍繞MCU展開，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(xiàng)任務(wù)處理，是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。參考系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架，根據(jù)功能模塊劃分，系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)詳細(xì)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(hào)，需進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后才能進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。MC9S08QG8芯片的PA腳為復(fù)用通道，可根據(jù)需要設(shè)置為I/O、鍵盤中斷或A/D采樣通道。本設(shè)計(jì)將利用MC9S08QG8芯片內(nèi)部的A/D模塊實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，具體實(shí)現(xiàn)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)鐘通過軟件配置MC9S08QG8相應(yīng)控制寄存器完成。

　　MCU外圍電路
　　本設(shè)計(jì)中，MCU外圍電路包括電源與時(shí)鐘、數(shù)據(jù)緩存和按鍵電路三部分構(gòu)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(shù)據(jù)存儲(chǔ)和通信幾部分。根據(jù)所選用器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)，各組件對(duì)供電要求如圖3所示。

 
　　從圖中可以看出，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求電源參數(shù)有三種，分別為3V、3.3V和3.7V。其中，主要數(shù)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；而在無線通信模塊中，針對(duì)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(shè)計(jì)中，輸出電壓為3.7V，由于能夠滿足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(shè)計(jì)中采用MICREL公司的MIC5219-3.0芯片執(zhí)行電壓轉(zhuǎn)換工作；其他數(shù)字電路部分的工作電壓為3.3V，設(shè)計(jì)中采用MICREL公司的MIC5219-3.3芯片實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換，參見圖3中虛線框中的內(nèi)容。

　　MC9S08QG8自帶時(shí)鐘模塊（ICS），為了降低功耗和簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)通過軟件設(shè)置相應(yīng)的控制寄存器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)鐘的上電穩(wěn)定工作，故在硬件電路設(shè)計(jì)中不需作過多的考慮。

　　存儲(chǔ)器
　　有效的數(shù)據(jù)緩存要求至少具有320點(diǎn)（合1920字節(jié)）的存儲(chǔ)深度。 在本設(shè)計(jì)中，采用Holtek公司的HT24LC16串行EEPROM作為數(shù)據(jù)緩存。該芯片采用I2C通訊接口，存儲(chǔ)深度2K字節(jié)，數(shù)據(jù)讀寫速度在微妙量級(jí)，能夠滿足數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)寫入的要求。數(shù)據(jù)寫滿后，MCU自動(dòng)將地址重置，從首地址開始覆蓋寫入新的數(shù)據(jù)。

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

　　按鍵電路
　　報(bào)警確認(rèn)、報(bào)警取消、計(jì)步器啟動(dòng)、計(jì)步器暫停、計(jì)數(shù)清零以及無線通信中接受方號(hào)碼的設(shè)置，都要求跌倒探測(cè)器具有用戶輸入的接口，設(shè)計(jì)中采用按鍵實(shí)現(xiàn)。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(shè)計(jì)采用Pin1和Pin13。

　　液晶顯示
　　本設(shè)計(jì)采用5位7段碼液晶屏，計(jì)步器顯示計(jì)數(shù)和報(bào)警接受方電話號(hào)碼輸入都是通過該液晶屏提供給使用者確認(rèn)。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法滿足工作需求，故在本設(shè)計(jì)中采用Holtek公司的HT1621B液晶驅(qū)動(dòng)芯片完成從MCU到液晶屏顯示數(shù)據(jù)的管理和驅(qū)動(dòng)。另外，HT1621B芯片還具有蜂鳴器控制和驅(qū)動(dòng)能力，在本設(shè)計(jì)中，集成蜂鳴器作為現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警提示將有助于提高跌倒探測(cè)器報(bào)警的針對(duì)性和準(zhǔn)確性，將通過在HT1621B的BZ管腳連接一蜂鳴器得以實(shí)現(xiàn)。

　　HT1621B為I2C接口，MCU可通過內(nèi)部I2C控制模塊傳輸指令和數(shù)據(jù)給該芯片。由于本系統(tǒng)采用的EEPROM也是使用I2C接口，針對(duì)不同器件的數(shù)據(jù)傳輸和控制指令將通過地址選擇加以實(shí)現(xiàn)。

　　通信模塊
　　本設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，能夠提供最高153.6K的數(shù)據(jù)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)，無須添加其他組件即可得到地理定位信息，且廠家技術(shù)支持非常完善，其各項(xiàng)功能配置非常適合跌倒探測(cè)器的需求描述。

　　具體實(shí)現(xiàn)中，CDMA模塊要求配套入網(wǎng)SIM卡，模塊各項(xiàng)功能可由MCU通過RS232接口以AT命令的方式加以調(diào)用。本設(shè)計(jì)中通信模塊的設(shè)計(jì)如圖4所示。

 
　　MC9S08QG8的SCI外設(shè)接口經(jīng)TTL-RS232轉(zhuǎn)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(hào)的RS232接口，而MCU自帶SCI不提供該種通信方式，故在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用I/O口進(jìn)行軟件模擬其他的控制信號(hào)：CTS、RFR和DTR。DTGS-800b模塊通過SIM卡讀卡電路與SIM卡相連，內(nèi)部自帶處理器根據(jù)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(shè)計(jì)采用MC9S08QG8單片機(jī)僅能提供最多14個(gè)I/O端口，根本無法滿足控制整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的信號(hào)數(shù)量要求，故在進(jìn)行具體設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)各管腳的使用和分配進(jìn)行了專門的部署，如圖5所示。

　　程序調(diào)試和燒入需要兩個(gè)端口，但完成調(diào)試和燒寫操作后，這兩個(gè)端口可以作為標(biāo)準(zhǔn)的I/O使用，故在設(shè)計(jì)中將其中一個(gè)I/O（Pin1）作為按鍵的輸入，實(shí)現(xiàn)了端口的復(fù)用。

　　CDMA組件與MCU的通訊要求
　　通過7信號(hào)RS232接口，而MC9S08QG8的SCI模塊僅有TXD和RXD兩個(gè)信號(hào)，在設(shè)計(jì)中采用標(biāo)準(zhǔn)I/O通過軟件模擬的方式實(shí)現(xiàn)其它所需信號(hào)，包括DTR、CTS、RFR。

　　EEPROM和液晶驅(qū)動(dòng)組件的存取采用I2C接口，本設(shè)計(jì)中將使用MC9S08QG8的I2C模塊進(jìn)行硬件控制，通過地址選擇實(shí)現(xiàn)不同組件間的切換。

　　軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)各項(xiàng)功能具體實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。在跌倒探測(cè)器的軟件設(shè)計(jì)中，由實(shí)線系統(tǒng)功能引發(fā)的處理內(nèi)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(jī)相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法。