析。比如人在运动时会产生加速度，因此采集到加速度数据以后加以适当的算法就可以实现计步功能。 设计了一款基于加速度传感器ＡＤＸＬ３４０的计步器．详细介绍了计步器的软件算法的实现和硬件设计方
案。同时，该计步器系统上还具有ＵＳＢ接口，可与ＰＣ机进行高速数据传榆。 关键词：计步器；加速度传感器；ＵＳＢ接口
中图分类号：１下．２１２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００－８８２９（２００７）Ｓ０．０１６３．０３
参考文献：
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Ａｎａｌｏｇ Ｄｅｖｉｃｅｓ ｌｎｃ ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ ａｎａｌｏｇ ｃｏｍ ２００７
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Ｕｓｍｇ ｔｈｅ ＡＤＸＬ２０２ ｉｎ Ａｎａｌｏｇ
【３】Ｈａｒｖｅｙ Ｗｅｉｎｂｅｒｇ
行走或者跑步过程中，人体的多处部位都在运动，它 们的运动会产生相应的加速度，加速度与时间大致成 为一个正弦曲线，且会在某点有一个峰值。因此利用 加速度传感器来检测运动的加速度，通过一定的算法 可以计算步数，还可根据步幅进而估算所走的距离等。 为了达到准确性，在运动过程中，分析了３个不 同方向的加速度数据：前向、纵向和侧向（见图１）。
ｐｅｒｓｏｎａｌ ２００２
ｐｃｄｏｍ∞ａｎｄ
Ｄｅｖｉ嘲Ｉｎｅ
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ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［ｚＪ
匿９跑步时矩始加速度和处理后数据的比较
基于加速度传感器的计步器系统
作者： 作者单位： 苏丽娜， 董金明， 赵琦 北京航空航天大学 电子信息工程学院，北京 100083
本文链接：/Conference_6471728.aspx
供了一个基于ＲＡＭ的软解决方案，允许无限制地配置 与升级。另外，ＣＹ７Ｃ６８０１３使用的是智能型的ＳＩＥ（串 行接口引擎），能够执行所有的ＵＳＢ被举过程，通过 预设的端点和可选的设置创建一个缺省的ＵＳＢ设备， 这样，就可毗将ＵＳＢ的固件存储在主机上，而不必存 入ＵＳＢ苍片中，大大减轻了固件的工作，简化了固件 的编程。集成１２ｃ兼容的控制模块，在ＵＳＢ设备接入 主机后，ＵＳＢ是根据外部１２ｃ总线接１：１上的一个串行 Ｅ２ＰＲＯＭ中进行配置的。 在硬件设计过程中，需要重点注意一下问题｛与 标准ＵＳＢ接口连接时，ＣＹ７Ｃ６８０１３的ＤＰＬＵＳ和 ＤＭｌＮＵＳ引脚要通过２２ ｎ电限与ＵＳＢ接口的Ｄ＋和 Ｄ一两根数据线连接，实现阻抗匹配。
是低通滤波器的频率响应”ｌ。
２。
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后的加速度数据的比较。 图８和翻９分别为人体跑步时前向加速度波形分 析以厦跑步时前向加速度的原采样数据和经过处理后 的加速度数据的比较。
２硬件实现
图１０所示为硬件设计的模块凰。本设计中选用的 ＡＤＸＬ３４０包括ＡＤＣ，则从传感器采样得到的数据不 必再专门选用芯片来做模数转换，传感器芯片本身可 以直接将数据处理成为８位的二进制数据，井经过ＳＰＩ 总线或者１２ｃ总线传给ＭＣＵ。 经过ＭＣＵ处理过的数据可以通过ＵＳＢ接口高效 地信给上位机系统，基于ＵＳＢ接口的数据采集系统可 以采取多种不同的方案。本设计采用内置ＵＳＢ接口的 微处理器芯片，也就是具备ＵＳＢ接口的单片机来实现。 此类单片机处理速度完全可以达到ＵＳＢ的速度，设计
轴（ｘ轴、ｙ轴、ｚ轴）的加速度传感器‘１１，传感器可
检测出３个坐标轴的加速度变化，这３个轴正好可以
：！竺：
分＊Ⅱ代表人体运动时３个方向。圈２所示为ＡＤＸＬ３４０
！型堡垒耋：！！堡兰量！！童堡型
移位寄存器。其中一个寄存嚣ｊ｛ｊ于保存额得到的加速
检测到的ｘ轴和ｙ轴的加速度变化．由罔中可以看出， 加速度变化曲线（盖轴）具有明显的周期特性。 在任意时刻可以得到加速度传感器聚集柬的３个 轴的加速度数据，利用适当的算法时计算此３个轴巾 的哪个轴的加速度改变最大。由此来进行计步．模拟 行走的过程。当然，如粜加速度的改变过小，可忽略。
ａ
ｃａｎ
ａｎｄ ｔｈｅ
ｄａｔａ
Ｃａｎ ｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ，ｔｈｅ ｐｅｄｏｍｅｔｅｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎ Ｃａｎ ｂｅ ａｃｈｉｅｖｅｄ．Ｄｅｓｉｇｎ
ｔｏ
ｐｅｄｏｍｅｔｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｓｙｓｔｅｍ
ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ＡＤＸＬ３４０ ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ．Ｈｏｗ
ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ ｔｈｉｓ ｐｅｄｏｍｅｔｅｒ ｉｓ
意图。
蹦２
ｘ轴和ｙ轴加速度变化曲线
具体算法如Ｆ：正常情况Ｆ可以假定如果是跑步，
人们每秒最多不会超过５步，直日果为走路则最迟每两 秒可以走ｌ步。这就意味着．合理的计步器输出范围
为０ Ｈｚ。这样需要设计滤波器来对此范嗣以外的 频率进行滤波。在模拟电路部分，奉研究采用５ Ｈｚ的 抗混叠带宽来过滤高频噪声：在数字电路部分，采用５
和调试院较简单，电磁兼容性好，器件成本和设计开
闰３低通滤波器的频率响应
另外，为了抛弃无效的振动，还采用了时间窗算 法，前面提到过，相邻两步之间的时间间隔必颂在ｏ ２
～２
ｓ这个时间窗范围内。也就是说，需判定新检测到
的‘步与其前硅相邻的有效步之间的时间间隔是否处
于这个叫倒窗范围之内。如粜在此时间窗之外则认为
Ｕｓｉｎｇ Ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ ｔｏ Ｄｅｓｉｇｎ ｔｈｅ Ｐｅｄｏｍｅｔｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ
ｓｕ Ｌｉ－ｎａ，ＤＯＮＧ Ｊｉｎ－ｒｕｉｎｇ，ＺＨＡＯ
Ｑｉ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３，Ｃｈｉｎａ）
５—５
图４动态参数算法的示意图
为了保证数据的准确性，在算法中还设定了一个 计步校准值，开始时假定系统处于查询状态，当有效 步值太于此计步校准值詹，系统进入正式计步状态， 此后系统开始计步。 经过上述算法以后，可以看到国６为行走时前向 的加速度波形分析图。 图７所示为前向原始采样加速度数据和经过处理
Ｈｚ截止频率的ＦＩＲ低通滤波器米过滤高频噪声。图３
此步无效。 此外，ｕ在软件算法上还采用了通过设置动态参数 米提供一种白适应方法。其中，动态参数包括动态峰 峰值输出，动悉精度以及动态阈值。动态精度是用来 量化采样数据以去除高频的噪声。软件中设定了２个
苎王垄釜垄竺垒兰塑茎兰堡垒苎
发成本都比较低廉
：！篓：
图ｉ０磋件模块圈
ＣＹ７Ｃ６８０１３是ＣＹＰＲＥＳＳ公司在２０００年ｎ月推 出的世界第１块ＵＳＢ２ ０功能设备芯片，完全适用于 ＵＳＢ２０，并向Ｆ燕容ＵＳＢｌ】，其内置增强型８０５ｌ微 控制芯片。３种碓编程端点；控制传输的ＳＥＴＵＰ和 ＤＡ＇ＩＡ缓冲区妊分开的；多达４０个通用Ｉ／（３口。它提
ｈｅａｌｔｈ。砀ｅ ｐｅｄｏｍｅｔｅｒ
ｏｒ
ｃａｌｌ
ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｈｅａｌｔｈ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｂｙ ｃｏｕｎｔｉｎｇ ｔｈｅ ｓｔｅｐｓｊ Ａｎｄ
ａｔ
ｒｕｎｎｉｎｇ，ｉｔ Ｃａｎ ｅｎｇｅｎｄｅｒ ｔｈｅ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ
ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ．Ｉｆ ｔｈｅ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｍ
ｔｈｅ ｉｎｃｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｉｎ ｔｈｅ ｍｏｂｉｌｅ ｐｈｏｎｅ．ｉｔ ｉｓ ｐｏｐｕｌａｒ ｔｏ ｄｅｓｉｇｎ ｓｏｍｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ
ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｗｈｅｎ ｐｅｏｐｌｅ ａｒｅ ｗａｌｋｉｎｇ ｂｅ ｓａｍｐｌｅｄ
基于加速度传感器的计步器系统
・１６３・
基于加速度传感器的计步器系统
苏丽娜，董金明，赵琦
（北京航空航天大学电子信息工程学院，北京
１０００８３）
摘要：随着手机功能的逐渐增多，在手机上实现一些与健康有关的功能也已成为一种热点，例如计步器
功能可以根据计算人的运动情况来分析人体的健康状况。而人的运动情况可以通过很多特性来进行分
度采样位，根据动态峰峰值，町以确定动态闽值的太 小．当新得到一个加速度聚样值时，将其与新数据寄 存器中的数值进行比较，当２者的差值的绝对值大于 绝对精度时，则新数据寄存器的值移位到旧数据寄存 器，而新得到的加速度值就可以移位到新数据寄存器， 当加速度变化值小于或者等于动态精度时，此变化值被 抛弃，新数据寄存器保持不变。旧数据寄存器则不断 的更新采样的数据１”。图４所示为动态参数的算法的示
ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｂｅｓｉｄｅｓ．ｔｈｉｓ
Ｃａｎ
ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｅ ｗｉｔｈ ＰＣ ｔｈｒｏｕｇｈ ＵＳＢ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｅｄｏｍｅｔｅｒ；ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ；ＵＳＢ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ
手机在现代生活中的使用越来越为广泛，其功能 也越来越多，如现在很多的手机都有ＭＰ３及照相功能， 有的还具有闪信和计步器功能。而手机要想实现闪信 和计步器这类功能，需要处理器能够实现多路模拟输 入、数据的实时处理等，原有的手机很难直接实现这 ‘些功能，这就需要ＭＣＵ配合完成其功能。本文将以计 步器为例，介绍了计步器的硬件设计和软件算法的实 现。该计步器系统采用ＡＤＩ的ＡＤｕｃ７０２６作为主控芯 片，采用ＡＤＸＬ３４０来采集加速度数据，最后通过ＵＳＢ 接口与上位机进行高速数据传输。
３结论
介绍了利用人运动时产生加速度变化来检测步数 的计步器实现方案，利用具有体积小，功耗低，三轴
高精度加速度传感器ＡＤＸＬ３４０，芯片内部即可把数据 采集来的数据处理为数字数据，同时芯片中还集成了
ＳＰＩ和１２Ｃ接口，可以方便地将数据传输到毛控芯片。
往系统设计简单，实现力便。谚芯片也可以扩展到其
它需要测量加速度的应用场台，具有广阔的应用前景。
１计步器软件算法的实现