步態(tài)加速度信號(hào)的無線采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　步態(tài)，即人走路的姿勢(shì)。作為一種生物特征，它具有不受距離影響、非侵犯性、難以偽裝、受環(huán)境影響小等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，因而近年來備受關(guān)注。國(guó)內(nèi)外的許多知名大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)，如美國(guó)麻省理工學(xué)院、中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所等，都廣泛展開了步態(tài)識(shí)別研究工作。步態(tài)的獨(dú)特性為人的身份識(shí)別和認(rèn)證提供了有效線索，對(duì)醫(yī)療上的異步病態(tài)、偏癱等疾病的預(yù)防、診斷和康復(fù)也可以起到很顯著的輔助作用。而且，在現(xiàn)代化的體育訓(xùn)練中，也可以通過步態(tài)特征來監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)員的體能消耗情況、動(dòng)作準(zhǔn)確程度等，制定科學(xué)的訓(xùn)練方案。此外，步態(tài)在機(jī)器人的行走、人的行為理解等科學(xué)研究上也占有舉足輕重的地位。

　　目前，國(guó)內(nèi)外的步態(tài)研究都剛剛起步。各個(gè)步態(tài)研究領(lǐng)域都需要大量可靠的原始步態(tài)數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在公開的步態(tài)數(shù)據(jù)庫主要有南安普敦大學(xué)的SOTON步態(tài)數(shù)據(jù)庫、麻省理工學(xué)院的MIT步態(tài)數(shù)據(jù)庫、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的CMU步態(tài)數(shù)據(jù)庫，以及中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所提供的NLPR步態(tài)數(shù)據(jù)庫。以上數(shù)據(jù)庫都是基于圖像的。然而，動(dòng)態(tài)環(huán)境中拍攝的圖像受光照變化、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的影子等多方面因素的影響，會(huì)給基于圖像的步態(tài)特征提取帶來較大困難。所以，Heikki Ailisto等人提出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(dòng)態(tài)環(huán)境中多方面因素對(duì)捕捉圖像的不利影響，降低了數(shù)據(jù)處理的難度，開辟了步態(tài)數(shù)據(jù)獲取的新途徑；但此方法采用裝備有DAQl200數(shù)據(jù)采集卡的筆記本電腦來采集數(shù)據(jù)，不僅成本高，而且不便于測(cè)試對(duì)象攜帶。

　　步態(tài)加速度信號(hào)的提取方法成了步態(tài)研究的一個(gè)瓶頸；但是，隨著各項(xiàng)技術(shù)的迅速發(fā)展，自動(dòng)化、智能化的采集步態(tài)加速度信號(hào)成為了可能。

　　本文提出了一種基于無線收發(fā)芯片CCl0l0的步態(tài)加速度信號(hào)無線采集的有效實(shí)現(xiàn)方法。該方法采用三軸加速度傳感器MMA7260測(cè)量步態(tài)的加速度信號(hào)，并用Chipcon公司的內(nèi)嵌805l的無線收發(fā)芯片CCl010作為核心控制器，控制其內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行采樣、A／D轉(zhuǎn)換，然后在無線發(fā)射模塊和接收模塊間借助于路由實(shí)現(xiàn)了步態(tài)加速度信號(hào)可靠的無線傳輸。該采集系統(tǒng)由450 mAh的鋰電池為其供電，可脫機(jī)使用。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

　　首先使用三軸加速度傳感器來感測(cè)人行走時(shí)產(chǎn)生的三維加速度信號(hào)，然后由A／D轉(zhuǎn)換器對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送至微處理器作預(yù)處理。處理后的步態(tài)加速度數(shù)據(jù)通過無線發(fā)射電路送至路由，再由路由轉(zhuǎn)發(fā)給無線接收裝置。最后步態(tài)加速度數(shù)據(jù)通過串口被送入計(jì)算機(jī)，可以供不同領(lǐng)域的步態(tài)研究者使用。圖l為步態(tài)加速度信號(hào)無線采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。步態(tài)加速度信號(hào)無線采集系統(tǒng)由發(fā)射裝置、路由裝置、接收裝置和PC機(jī)4部分組成。發(fā)射裝置由三軸加速度傳感器電路、A／D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)和無線發(fā)射電路組成。路由裝置由無線收發(fā)電路組成。接收裝置由無線接收電路、單片機(jī)及串口電路組成。PC機(jī)部分主要由PC機(jī)及串口通信軟什組成。

　　2 硬件電路設(shè)計(jì)

　　硬件電路主要包括CCl0l0與天線之間的RF收發(fā)電路、CCl0lO與加速度傳感器的接口電路、按鍵控制電路、LED指示電路及報(bào)警電路。

　　硬件電路的核心部分是無線加速度傳輸模塊。此模塊既要滿足發(fā)射與接收裝置的功能要求，體積還要盡可能的小，以便于攜帶。這使得硬件電路的設(shè)計(jì)工作有很大的難度。如何做出高質(zhì)量的PCB板成為整個(gè)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。PCB板設(shè)計(jì)主要包含原理圖設(shè)計(jì)、布局設(shè)計(jì)和布線設(shè)計(jì)。

　　2．1 系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)

　　原理圖的好壞直接影響布局、布線的難度，以及最后板子的性能。為了布局布線時(shí)能清晰地進(jìn)行分區(qū)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)原理圖時(shí)應(yīng)該把數(shù)字電路、模擬電路和RF電路分開；同時(shí)分清關(guān)鍵電路與非關(guān)鍵電路以及哪些元器件對(duì)位置有要求。在無線傳輸模塊設(shè)計(jì)中，CCl010的RF_IN(4腳)、RF_OUT(5腳)、L1(10腳)、L2(11腳)等為RF電路，也為關(guān)鍵電路。其ADC相關(guān)的加速度傳感器電路為模擬電路。對(duì)于模擬器件的電源端，如AVDD_ADC(1腳)、AGND_ADC(64腳)、AVDD_MIX_IF(2腳)、AGND_MIX_IF(3腳)、AVDD_LNA_PA(6腳)、AGND_LNA_PA(7腳)、AGND_PA(8腳)等，應(yīng)慎重考慮濾波性能，盡量避開數(shù)字電路部分的噪聲干擾。此外晶振電路也為關(guān)鍵電路，而LED指示和按鍵等電路則屬非關(guān)鍵電路。

　　設(shè)計(jì)原理圖時(shí)，除了要考慮功能的實(shí)現(xiàn)、原理的正確外，還要考慮器件的選擇。首先，選擇的器件應(yīng)該在市場(chǎng)上容易買到；其次器件的封裝既要滿足PCB板尺寸的要求，又要考慮焊接的難易程度。對(duì)帶RF的PCB板來說，器件最好能選擇貼片封裝的，以降低不必要寄生參數(shù)的影響。

　　(1)CCl010與天線間的RF收發(fā)電路的設(shè)計(jì)

　　本沒計(jì)采用了Chipeon公司推出的單片、多頻段、低功耗、超高頻射頻芯片CCl010。芯片采用0．35μmCMOS技術(shù)制成，內(nèi)嵌高性能的805l微控制器、32 KB的Flash程序存儲(chǔ)器、2 048+128字節(jié)SRAM、3通道lO位ADC、4個(gè)定時(shí)器、2個(gè)PWM、2個(gè)UART、SPI及26個(gè)通用I／O等。CCl0l0適用于家庭自動(dòng)化、安防系統(tǒng)、遙控開鎖、遙感勘測(cè)、遙控玩具等諸多無線應(yīng)用領(lǐng)域。本設(shè)計(jì)采用CC1010實(shí)現(xiàn)步態(tài)加速度信號(hào)的無線采集。