基于加速度传感器ADXL330的高精度计步器

　　目前,计步器的构成有机械式和电子式两种。机械式的计步器利用人体行走时的振动引起计步器内部簧片或者弹力小球的振动来产生电子脉冲,内部处理器通过判断电子脉冲的方法来达到计步的功能。这种机械式方式的成本比较低,但是它的准确性和灵敏度很低。MEMS(微机电系统)是一种新式的加速度传感器制作工艺,它可以很容易和传统的CMOS工艺结合起来,这样制成新式的加速度传感器(ADXL330)。电子式的计步器就是利用这种新式的产品,通过测量人体行走时加速度的变化,来达到计步的功能。电子式计步器就可以克服机械式的准确性和灵敏度低的缺点。

　　1　人体行走模型

　　距离、速度、加速度等等有很多的参数来描述人体行走的行为,本文主要采用加速度这个参数来模拟人体行走。如图1所示,我们可以分别定义三个不同方向的加速度:垂直、前向和侧向。

　　ADXL330是一个三轴(X轴、Y轴和Z轴)模拟输出的加速度传感器,正好可以作为垂直、前向和侧向三个方向的传感器。如图2所示,ADXL330X、Y、Z三轴的数据输出就代表了人体行走三个方向的加速度曲线。从图中我们可以看到三个方向中垂直方向(Z轴)具有明显的周期特性。

　　然而,手持设备的摆放是任意的,并不是严格的和图1吻合。因此任意位置的分析是比较有效的。我们定义αV、βV、γΥ分别为垂直方向和X、Y、Z轴的夹角,因此垂直方向的加速度在X、Y、Z轴上分别为:

　　Acc_X_V = (cosαV)·Acc_V

　　Acc_Y_V = (cosαβ)·Acc_V

　　Acc_Z_V = (cosαγ)·Acc_V

　　同理,我们可以得到在前进和侧面方向在X、

　　Y、Z上的加速度分别为:

　　Acc_X_F = (cosαF)·Acc_F

　　Acc_Y_F = (cosβF)·Acc_F

　　Acc_Z_F = (cosγF)·Acc_F

　　Acc_X_F = (cosαF)·Acc_F

　　Acc_Y_F = (cosβF)·Acc_F

　　Acc_Z_F = (cosγF)·Acc_F

　　因此,在X、Y、Z轴上的加速度为:

　　Acc_X = Acc_X_V+Acc_X_F = Acc_X_S

　　Acc_Y = Acc_Y_V+Acc_Y_F = Acc_Y_S

　　Acc_Z = Acc_Z_V+Acc_Z_F = Acc_Z_S

　　实际上,根据图3的分析,我们比较关心垂直方向的加速度,Acc_X_V,Acc_Y_V,Acc_Z_V。

　　2　计步器自适应算法

　　通常来讲,人体每秒钟行走0.5~2步,最多不超过5步。因此,合理的计步器输出为0.5~5 Hz。在模拟电路部分,我们采用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 Hz截止频率的FIR低通滤波器来过滤高频噪声。图4是低通滤波器的频率响应。

　　另外,低通滤波器无法过滤0.5 Hz以下的噪声,因此我们采用了时间窗口的方法来实现。如图5所示,我们把大于T1或者小于T2的频率输出都认为是噪声的影响。