步态加速度信号的无线采集系统设计

为实现步态加速度信号的无线采集，提出一种基于内嵌8051的无线收发芯片CC1010的有效方法。简要介绍步态加速度信号无线采集系统的工作原理，详细说明该系统的软硬件设计与实现。系统采用路由和重传机制，以确保数据的可靠传输。利用本采集系统成功建立一个36人的步态加速度数据库，可供不同领域的步态研究者进行分析。

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[1]。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[2-3]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DAQ1200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CC1010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8051的无线收发芯片CC1010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1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机及串口通信软件组成。

图1  步态加速度信号无线采集系统结构框图

2 硬件电路设计

硬件电路主要包括CC1010与天线之间的RF收发电路、CC1010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，CC1010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） CC1010与天线间的RF收发电路的设计

本设计采用了Chipcon公司推出的单片、多频段、低功耗、超高频射频芯片CC1010。芯片采用0.35 μm CMOS技术制成，内嵌高性能的8051微控制器、32 KB的Flash程序存储器、2 048+128字节SRAM、3通道10位ADC、4个定时器、2个PWM、2个UART、SPI及26个通用I/O等。CC1010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。

RF收发部分的电路如图2所示。C31为输入匹配电容，L32为输入匹配电感，同时L32还用于阻止直流偏置信号的输入；C41、C42和L41共同实现发射输出电路的匹配。通过CC1010内部的发射/接收开关电路，收发器得以通过同一个50 Ω的天线进行发射/接收操作。L1、C8和C9组成一个低通滤波器，滤除高频谐波并且增加了频率的选择性，其阻抗为50 Ω。元器件参数既可以按照CC1010datasheet[2]上所给的值，也可利用Chipcon公司的SmartRF Studio软件得到。

图2  步态采集系统无线收发部分电路原理

压控振荡器内嵌在CC1010芯片内，使用时只需要外接一个电感L101。电感最好选择线绕电感，根据所给参考值焊接上。然后用频谱仪查看其频率，根据其中心频率是否满足要求，适当调整其参数。L101应尽量靠近CC1010，并相对10和11两个引脚呈对称布置，其封装应选择0402或0603的小型封装。

一般可选择单鞭天线、螺旋天线或在PCB上的环形天线。单鞭天线的长度为波长的1/4,可通过式L=7125/f计算。其中,L表示单鞭天线的长度,f为发射/接收频率。环形天线布在PCB上,使用非常方便;但由于其福射能力较差,所以接收/发射性能也稍差些。螺旋天线是单鞭天线和环形天线的一种折中方案,其尺寸大小和接收/发射能力介于两者之间。可根据需要选择合适的天线。一般来说螺旋天线更加实用。

（2） CC1010与加速度传感器的接口电路设计

本无线采集系统采用了Freescale公司最新推出的一款低成本、单芯片、三轴加速度传感器MMA7260。该微型电容式加速传感器融合了信号调理、单极低通滤波器和温度补偿技术，并提供了4种加速度测量范围，分别为±1.5 g、±2 g、±4 g和±6 g。

在CC1010与MMA7260的接口中，首先要考虑噪声问题。因为MMA7260内部采用了开关电容滤波器，有时钟噪声产生，所以需要在MMA7260的XOUT、YOUT和ZOUT三个输出端分别接RC滤波器；其次要考虑电压匹配问题，由于X、Y、Z轴方向的电压输出是0.45～2.85，CC1010的ADC最大输入范围是0～VDD。此处VDD为3.3 V，其范围恰好在ADC的输入范围之内，所以不用考虑额外的分压电阻。CC1010与MMA7260的接口电路如图3所示。R31/C31、R41/C41、R51/C51用于滤除MMA7260内部采样的开关噪声，GS1、GS2用于量程选择。

图3  加速度传感器电路原理

（3） 按键控制、LED指示与报警电路

本无线采集系统有3个按键S1、S2和S3。其中S1是系统复位键。S2是模式选择键，可使采集系统处于自动工作方式或手动工作方式。采集系统若工作于自动方式，采集与无线传输同步进行；若工作于手动方式，则先把加速度数据存储到存储器中，等按下数据发送开始按键后再启动无线发送。S3是数据采集开始/停止键，用来控制数据采集的开始、停止以及手动工作模式时采集完毕后的数据发送键。LED指示电路包含电源指示灯、发送信号指示灯和接收信号指示灯。报警电路由放大电路和蜂鸣器组成，当数据采集完成时，蜂鸣器自动报警。

2.2  布局设计

良好的布局是布线成功的前提，布局时应按左端输入右端输出的信号流方向放置元件，并且重点考虑以下几个方面：
①  首先在Protel中的Keepoutlayer层画出能承受的最大尺寸，让布局始终做到心中有数，不至于PCB板尺寸不合适；
②  本无线采集系统的放置位置要求天线必须位于PCB板的右上角。射频信号通路越短越好，所以RF电路也应该布局在右上角。RF电路部分的器件应该尽量紧凑，如L101应尽量靠近CC1010，并相对于它的10和11两个引脚呈对称布置。对于RF_IN和RF_OUT应该遵守紧凑、畅通、阻抗保持均匀不突变这三个原则。
③  模拟电路分区中最好没有数字电路存在，否则模拟信号非常容易被数字噪声干扰。
④  晶振应该尽量靠近CC1010，并与其XOSC_Q1(18脚)和XOSC_Q2(19脚)成对称放置，晶振两端的15 pF电容尽量靠近晶振。

2.3  布线设计

布线是PCB设计的最后一步。为保证RF电路部分的良好性能，需全手工布线，并遵循以下规则：首先保证RF、晶振等关键电路的布线畅通，最好都在顶层布线；其次保证A/D部分的布线畅通；最后是按照一定顺序布线。本设计是从右上脚按逆时针方向布线的。

3  软件部分设计

图4  采集系统程序流程

采集系统的软件流程如图4所示。软件部分主要包括初始化程序、按键处理程序、A/D转换、数据存储、接收和发送程序。其中初始化程序包括单片机端口初始化、RF部分初始化、ADC部分初始化和T0初始化。在按键处理程序中，Key2为自动方式和手动方式选择键。若为自动方式，则实时发送数据；若为手动方式，则等数据采集完成后，按下Key1才会发送。

4  测试结果及分析

为了检测步态加速度信号无线采集系统的可行性，笔者做了以下实验。实验场所为走廊，采集系统的发射装置由测试对象随身携带，全部放在腰带的正后方，像携带手机一样，只是位置在脊椎骨与腰带的交叉点处，同时保证MMA7260处于测试标准位置，即其X轴、Y轴和Z轴的正方向分别指向人前进的方向，人体的正左方和人体的正上方。路由放在实验室门口，保证其与发射装置可视。无线接收装置通过串口与实验室的PC机相连。

测试对象共36个人，其中16男20女，年龄在24～30周岁之间。测试中，要求所有测试对象都穿平跟鞋，在走廊内尽量以正常的步速沿直线行走。每个测试对象要测5组，结果共得到1 800组数据，每组数据中都含有X轴、Y轴和Z轴三个方向上的数据。

每个测试对象测试完毕后，其连续测量的5组步态加速度数据随之保存在PC机，部分数据如图5所示。图5中的第一列数据为数据的序号，试验中要求每个测试对象每组采集5 000个数据；第2、4、6列表示数据所占模数转换的通道号；第3、5、7列就是相应通道的加速度数据。

图5  测量到的步态加速度数据

实验中，对所有测试对象的X轴、Y轴和Z轴三个方向的数据都采用相同的方式进行处理。计算机接收到这些数据后，首先对这些数据进行归一化处理，使其都在0～1的范围内。这样，在Matlab中利用PLOT()函数，就可以形象地看到步态特征信号的波形。

下面以16号测试对象的Z轴方向上的数据为例进行说明。18号测试对象Z轴方向的部分步态加速度数据，如图5中第3列数据所示。在Matlab中，可以得到其相应的波形，如图6所示。从信号的轮廓可以看出，步态信号是周期性信号。因为“左”步态和“右”步态不一定完全对称，因此信号被划分为a步态和b步态。

图7为16号和18号测试对象在Z轴方向的速度信号。从图7可以看出：不同的测试对象，其加速度信号的幅度、周期以及变化的速率等有着明显的差异。

图6  #16的Z轴方向加速度信号

图7  #16和#18测试对象Z轴方向加速度信号

5  结论

通过以上实验得知，内嵌8051的无线收发芯片CC1010大幅度简化了电路设计；同时因为CC1010采用3.3 V电源供电，且在不工作时处于休眠状态，大大降低了采集系统的功耗。实验中，步态加速度无线采集系统的功耗，信号稳定性和灵敏度都达到了预期的效果。

本文提出的基于无线收发芯片CC1010的步态加速度信号无线采集系统的实现方法，具有方便、直接、有效的优点。该采集系统性价比高、体积小、便于携带，可以应用于人的身份识别、医疗技术、体育训练以及运动健身等领域，具有实际应用价值。