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步态加速度信号的无线采集系统设计

发布时间:2021-01-22 发布时间:
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步态,即人走路的姿势。作为一种生物特征,它具有不受距离影响、非侵犯性、难以伪装、受环境影响小等独特的优点,因而近年来备受关注。国内外的许多知名大学和研究机构,如美国麻省理工学院、中国科学院自动化研究所等,都广泛展开了步态识别研究工作。步态的独特性为人的身份识别和认证提供了有效线索,对医疗上的异步病态、偏瘫等疾病的预防、诊断和康复也可以起到很显著的辅助作用。而且,在现代化的体育训练中,也可以通过步态特征来监测运动员的体能消耗情况、动作准

确程度等,制定科学的训练方案。此外,步态在机器人的行走、人的行为理解等科学研究上也占有举足轻重的地位。

目前,国内外的步态研究都刚刚起步。各个步态研究领域都需要大量可靠的原始步态数据。现在公开的步态数据库主要有南安普敦大学的SOTON步态数据库、麻省理工学院的MIT步态数据库、卡内基梅隆大学的CMU步态数据库,以及中国科学院自动化研究所提供的NLPR步态数据库。以上数据库都是基于图像的。然而,动态环境中拍摄的图像受光照变化、运动目标的影子等多方面因素的影响,会给基于图像的步态特征提取带来较大困难。所以,Heikki Ailisto等人提出一种采用加速度传感器来获取步态数据的新方法,避免了动态环境中多方面因素对捕捉图像的不利影响,降低了数据处理的难度,开辟了步态数据获取的新途径;但此方法采用装备有DAQl200数据采集卡的笔记本电脑来采集数据,不仅成本高,而且不便于测试对象携带。

步态加速度信号的提取方法成了步态研究的一个瓶颈;但是,随着各项技术的迅速发展,自动化、智能化的采集步态加速度信号成为了可能。

本文提出了一种基于无线收发芯片CCl0l0的步态加速度信号无线采集的有效实现方法。该方法采用三轴加速度传感器MMA7260测量步态的加速度信号,并用Chipcon公司的内嵌805l的无线收发芯片CCl010作为核心控制器,控制其内置的模数转换器对加速度信号进行采样、A/D转换,然后在无线发射模块和接收模块间借助于路由实现了步态加速度信号可靠的无线传输。该采集系统由450 mAh的锂电池为其供电,可脱机使用。

1 系统设计原理

首先使用三轴加速度传感器来感测人行走时产生的三维加速度信号,然后由A/D转换器对模拟信号进行采样并转换为数字信号,送至微处理器作预处理。处理后的步态加速度数据通过无线发射电路送至路由,再由路由转发给无线接收装置。最后步态加速度数据通过串口被送入计算机,可以供不同领域的步态研究者使用。图l为步态加速度信号无线采集系统的结构框图。步态加速度信号无线采集系统由发射装置、路由装置、接收装置和PC机4部分组成。发射装置由三轴加速度传感器电路、A/D转换电路、单片机和无线发射电路组成。路由装置由无线收发电路组成。接收装置由无线接收电路、单片机及串口电路组成。PC机部分主要由PC机及串口通信软什组成。


2 硬件电路设计

硬件电路主要包括CCl0l0与天线之间的RF收发电路、CCl0lO与加速度传感器的接口电路、按键控制电路、LED指示电路及报警电路。

硬件电路的核心部分是无线加速度传输模块。此模块既要满足发射与接收装置的功能要求,体积还要尽可能的小,以便于携带。这使得硬件电路的设计工作有很大的难度。如何做出高质量的PCB板成为整个设计的重点。PCB板设计主要包含原理图设计、布局设计和布线设计。

2.1 系统原理图设计

原理图的好坏直接影响布局、布线的难度,以及最后板子的性能。为了布局布线时能清晰地进行分区设计,设计原理图时应该把数字电路、模拟电路和RF电路分开;同时分清关键电路与非关键电路以及哪些元器件对位置有要求。在无线传输模块设计中,CCl010的RF_IN(4脚)、RF_OUT(5脚)、L1(10脚)、L2(11脚)等为RF电路,也为关键电路。其ADC相关的加速度传感器电路为模拟电路。对于模拟器件的电源端,如AVDD_ADC(1脚)、AGND_ADC(64脚)、AVDD_MIX_IF(2脚)、AGND_MIX_IF(3脚)、AVDD_LNA_PA(6脚)、AGND_LNA_PA(7脚)、AGND_PA(8脚)等,应慎重考虑滤波性能,尽量避开数字电路部分的噪声干扰。此外晶振电路也为关键电路,而LED指示和按键等电路则属非关键电路。

设计原理图时,除了要考虑功能的实现、原理的正确外,还要考虑器件的选择。首先,选择的器件应该在市场上容易买到;其次器件的封装既要满足PCB板尺寸的要求,又要考虑焊接的难易程度。对带RF的PCB板来说,器件最好能选择贴片封装的,以降低不必要寄生参数的影响。

(1)CCl010与天线间的RF收发电路的设计

本没计采用了Chipeon公司推出的单片、多频段、低功耗、超高频射频芯片CCl010。芯片采用0.35μmCMOS技术制成,内嵌高性能的805l微控制器、32 KB的Flash程序存储器、2 048+128字节SRAM、3通道lO位ADC、4个定时器、2个PWM、2个UART、SPI及26个通用I/O等。CCl0l0适用于家庭自动化、安防系统、遥控开锁、遥感勘测、遥控玩具等诸多无线应用领域。本设计采用CC1010实现步态加速度信号的无线采集。



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