采用3軸加速度計ADXL345的全功能計步器方案設(shè)計

距離參數(shù)
根據(jù)上述算法計算步伐參數(shù)之后，我們可以使用公式1獲得距離參數(shù)。

每步距離取決于用戶的速度和身高。如果用戶身材較高或以較快速度跑步，步長就會較長。參考設(shè)計每2秒更新一次距離、速度和卡路里參數(shù)。因此，我們使用每2秒計數(shù)到的步數(shù)判斷當前跨步長度。表2顯示了用于判斷當前跨步長度的實驗數(shù)據(jù)。

表2. 跨步長度與速度（每2秒步數(shù)）和身高的關(guān)系

2秒的時間間隔可以利用采樣數(shù)精確算出。以50 Hz數(shù)據(jù)速率為例，處理器可以每100次采樣發(fā)送一次相應(yīng)的指令。處理器利用一個名為m_nLastPedometer的變量記錄每個2秒間隔開始時的步數(shù)，并利用一個名為m_nPedometerValue的變量記錄每個2秒間隔結(jié)束時的步數(shù)。這樣，每2秒步數(shù)等于m_nPedometerValue與m_nLastPedometer之差。

雖然數(shù)據(jù)速率為50 Hz，但ADXL345的片內(nèi)FIFO使得處理器無需每20 ms讀取一次數(shù)據(jù)，極大地減輕了主處理器的負擔(dān)。該緩沖器支持四種工作模式：旁路、FIFO、流和觸發(fā)。在FIFO模式下，x、y、z軸的測量數(shù)據(jù)存儲在FIFO中。當FIFO中的采樣數(shù)與FIFO_CTL寄存器采樣數(shù)位規(guī)定的數(shù)量相等時，水印中斷置1。如前所述，人們的跑步速度最快可達每秒5步，因此每0.2秒刷新一次結(jié)果即可保證實時顯示，從而處理器只需每0.2秒通過水印中斷喚醒一次并從ADXL345讀取數(shù)據(jù)。FIFO的其它功能也都非常有用。利用觸發(fā)模式，F(xiàn)IFO可以告訴我們中斷之前發(fā)生了什么。由于所述解決方案沒有使用FIFO的其它功能，因此筆者將不展開討論。 本文來自電子發(fā)燒友網(wǎng)(http://www.elecfans.com)

速度參數(shù)
速度 = 距離/時間，而每2秒步數(shù)和跨步長度均可根據(jù)上述算法計算，因此可以使用公式2獲得速度參數(shù)。

卡路里參數(shù)
我們無法精確計算卡路里的消耗速率。決定其消耗速率的一些因素包括體重、健身強度、運動水平和新陳代謝。不過，我們可以使用常規(guī)近似法進行估計。表3顯示了卡路里消耗與跑步速度的典型關(guān)系。

表3. 卡路里消耗與跑步速度的關(guān)系

由表3可以得到公式(3)。

以上所用的速度參數(shù)單位為m/s，將km/h轉(zhuǎn)換為m/s可得公式4。

卡路里參數(shù)隨同距離和速度參數(shù)每2秒更新一次。為了考慮運動者的體重，我們可以將公式4轉(zhuǎn)換為公式5。體重(kg)為用戶輸入量，一個小時等于1800個2秒間隔。

如果用戶在步行或跑步之后休息，則步數(shù)和距離將不變化，速度應(yīng)為0，此時的卡路里消耗可以利用公式6計算（休息時的卡路里消耗約為1 C/kg/h）。

最后，我們可以將所有2秒間隔的卡路里相加，獲得總卡路里消耗量。

硬件連接
ADXL345易于連接到任何使用I2C®或SPI數(shù)字通信協(xié)議的處理器。圖8給出了演示設(shè)備的原理示意圖，它采用3V電池供電。ADXL345的/CS引腳連接到板上的VS，以選擇I2C模式。利用一個低成本精密模擬微控制器ADuC7024從ADXL345讀取數(shù)據(jù)，執(zhí)行算法，并通過UART將結(jié)果發(fā)送至PC。SDA和SCL分別為I2C總線的數(shù)據(jù)和時鐘引腳，從ADXL345連接到ADuC7024的對應(yīng)引腳。ADXL345的兩個中斷引腳連接到ADuC7024的IRQ輸入，以產(chǎn)生各種中斷信號并喚醒處理器。

圖8. 硬件系統(tǒng)的原理示意圖

用戶界面
用戶界面顯示測試數(shù)據(jù)，并對操作員的指令做出響應(yīng)。用戶界面(UI)運行之后，串行端口應(yīng)打開，通信鏈路應(yīng)啟動，隨后演示程序?qū)⒊掷m(xù)運行。圖9顯示了用戶佩戴計步器步行或跑步時的測試情況。用戶可以輸入其體重和身高數(shù)據(jù)，距離、速度和卡路里參數(shù)將根據(jù)這些數(shù)據(jù)進行計算。

圖9. 用戶佩戴計步器步行或跑步時的測試情況

結(jié)論
ADXL345是一款出色的加速度計，非常適合計步器應(yīng)用。它具有小巧纖薄的特點，采用3 mm × 5 mm × 0.95 mm塑封封裝，利用它開發(fā)的計步器已經(jīng)出現(xiàn)在醫(yī)療儀器和高檔消費電子設(shè)備中。它在測量模式下的功耗僅40 µA，待機模式下為0.1 µA，堪稱電池供電產(chǎn)品的理想之選。嵌入式FIFO極大地減輕了主處理器的負荷，使功耗顯著降低。此外，可以利用可選的輸出數(shù)據(jù)速率進行定時，從而取代處理器中的定時器。13位分辨率可以檢測非常小的峰峰值變化，為開發(fā)高精度計步器創(chuàng)造了條件。最后，它具有三軸輸出功能，結(jié)合上述算法，用戶可以將計步器戴在身上幾乎任何部位。

幾點建議：如果應(yīng)用對成本極其敏感，或者模擬輸出加速度計更適合，建議使用ADXL335，它是一款完整的小尺寸、薄型、低功耗、三軸加速度計，提供經(jīng)過信號調(diào)理的電壓輸出。如果PCB尺寸至關(guān)重要，建議使用ADXL346，這款低功耗器件的內(nèi)置功能甚至比ADXL345還多，采用小巧纖薄的3 mm × 3 mm × 0.95 mm塑封封裝，電源電壓范圍為1.7 V至2.75 V。