李 萍，陳鵬宇，李澤仁

（大連交通大學 動車運用與維護工程學院，遼寧 大連 116028）

基于MMA8452Q傳感器的計步器抗干擾設計

李 萍，陳鵬宇，李澤仁

（大連交通大學 動車運用與維護工程學院，遼寧 大連 116028）

介紹了基于MMA8452Q加速度傳感器的計步器設計。MMA8452Q是一款具有 12位分辨率的智能低功耗、三軸、電容式微機械加速度傳感器。本設計充分利用了該傳感器對被檢測模擬信號的濾波處理能力，并配合軟件抗干擾措施，通過檢測人行走時腰部產(chǎn)生的垂直加速度的變化，實現(xiàn)間接檢測步數(shù)的目的。設計硬件簡單，計步精度較高，穩(wěn)定性好，已經(jīng)通過實際調試，具有實用價值。

MMA8452Q；計步器；單片機；抗干擾

伴隨著人們生活質量和科技水平的提高，輔助鍛煉設備不斷出現(xiàn)，計步器就是一種日常鍛煉監(jiān)測器，通過記錄人們行走的步數(shù)，監(jiān)測自己的健身強度，方便實用。加速度傳感器可用于間接步數(shù)檢測。由于近年來MEMS加速度傳感器發(fā)展很快，并具有價格低、體積小、功耗低、精度高的特點，利用其來設計電子計步器，已經(jīng)多有報道[1],市場上也有產(chǎn)品出售。目前存在的主要問題是計步精度，盡管在加速度的檢測上傳感器的精度高，但是計步卻受到諸多干擾影響，精度難以保證。本文以MEMS加速度傳感器MMA8452Q為基礎，研究其工作特性，針對計步干擾信號特點，采取抗干擾措施完成電子式計步器設計。

1 系統(tǒng)方案設計

1.1 基于加速度信號檢測的計步器原理

距離、速度、加速度等都可以作為描述人體行走狀態(tài)的的參數(shù)。近年來由于MEMS加速度傳感器的快速發(fā)展和其特性，使其用于人體運動檢測更加方便。

行走時，腳、腿、腰部，手臂都在運動，它們的運動都會產(chǎn)生相應的加速度，垂直方向的加速度信號變化最大。人行走一步過程，如圖1所示。腳蹬地離開地面是一步的開始（如圖1(a)，此時由于地面的反作用力垂直加速度開始增大，身體重心上移，當腳要達到最高位置時(如圖1(c)，垂直加速度達到最大，然后腳向下運動，垂直加速度開始減小，直至腳著地，加速度減少至最小值(如圖1(e)，接著下一次邁步發(fā)生[2]。

人體腰部的垂直加速度信號如圖2所示[3]，每邁一步對應一個峰值，顯然信號具有周期性。利用對加速度的峰值檢測可以得到行走的步數(shù)。人行走的垂直加速度在±g之間（1g為9.8 m/s2即重力加速度），考慮到還有重力加速度g的影響，可選擇測量范圍在±2 g之間的加速度傳感器來實現(xiàn)計步器。

1.2 硬件系統(tǒng)設計

計步器硬件系統(tǒng)框圖如圖3所示。MEMS傳感器MMA8452Q負責檢測人體加速度信號并轉換為數(shù)字信號，通過I2C接口傳遞給控制器；經(jīng)控制器分析處理，確定為有效的計步信息后，步數(shù)加1并送給LCD顯示器；按鍵則將一些設定信息傳遞給控制器。

綜合考慮計步器對加速度傳感器精度的要求和傳感器的價格，選擇了飛思卡爾一款比較新的MMA8452Q加速度傳感器。這是一款具有12位分辨率的智能低功耗、三軸、電容式微機械加速度傳感器[4]，其主要特性如下：

可以感受X，Y，Z 3個自由度的加速度信號，全方位感知人體運動信息。具有±2 g/±4 g/±8 g的可選量程。傳感器的靈敏度在±2 g量程時為1 024個數(shù)字/g, 靈敏度精度為±2.5%。

圖1 行走一步過程Fig. 1 Walking step process

圖3 硬件系統(tǒng)框圖Fig. 3 Hardware system block diagram

采集的加速度數(shù)據(jù)可以通過傳感器內部的高通濾波器實時輸出，濾波器的截止頻率可以軟件設置。也可以不經(jīng)過濾波器直接數(shù)據(jù)輸出。輸出信號已被轉換為12位（或8位）數(shù)字量信號，經(jīng)I2C接口輸出，輸出數(shù)據(jù)速率在1.25 Hz到800 Hz之間可調。

傳感器內嵌的DSP處理功能使芯片具有中斷能力，當設定的“自由下落和運動檢測”“瞬態(tài)變化檢測”“方向檢測” “輕敲檢測”“數(shù)據(jù)準備好”“自動休眠”等6種事件中任意一種發(fā)生時，配置的中斷引腳（INT1或INT2）就可以產(chǎn)生硬件喚醒的中斷申請信號,通知控制器處理預定的事件。這樣既減輕了控制器不斷查詢處理數(shù)據(jù)的負擔，也可以節(jié)省整體功耗，使其大部分時間處于靜止狀態(tài)保持低功耗模式，同時完成監(jiān)測任務。

在滿足計步器功能的前提下，本設計選擇價格低廉的AT89S2051單片機作為控制器，主要使用其外部事件中斷、定時器中斷、并行口等硬件資源。顯示屏選擇了8位LCD顯示器，用于計步信息的實時顯示，與主機采用串行方式傳遞數(shù)據(jù)。按鍵主要用于自標定設置。

2 抗干擾設計

由圖2可知，人在行走時的垂直加速度信號雖然具有一定的周期性，但由于傳感器靈敏度較高，原地晃動等都會產(chǎn)生干擾噪聲，直接計步容易出錯。需對信號進行處理，盡可能消除噪聲影響。通常情況下，人的步頻最快不會超過5步/秒，最慢為0.5步/秒。因此，可以認為原始信號中頻率為0.5～5 Hz 的信號為有用信號，其他信號均為噪聲[1,3]。我們設計的計步器從下述方面消除干擾信號。

2.1 傳感器自帶抗干擾功能的利用

2.1.1 高通濾波器的設置

MMA8452Q是數(shù)字式傳感器，對檢測信號的模擬濾波在芯片內部進行，然后轉換為數(shù)字量后輸出。對于“敲擊”“輕彈”“搖動”“計步”等信號的檢測過程中，加速度傳感器只需要分析動態(tài)加速度信號，即加速度的變化情況，無需考慮靜態(tài)情況，因此可以對數(shù)據(jù)做高通濾波。在傳感器MMA8452Q內部有一個內嵌的高通濾波器，可以通過軟件設定低頻截止頻率。根據(jù)選擇的數(shù)據(jù)輸出速率和數(shù)據(jù)過采樣模式，低頻截止頻率可以在0.063～16 Hz之間選擇[5]。數(shù)據(jù)通過該濾波器輸出，從而消除信號中直流偏置及低頻信號的影響。我們設計的計步器截止頻率設置在0.5 Hz。

2.1.2 中斷閾值的使用

MMA8452Q傳感器有兩個外部引腳INT1和INT2。每個引腳通過軟件設置可以和6個事件(“自由下落和運動檢測[6]”“瞬態(tài)變化檢測”“方向檢測” “輕敲檢測”“數(shù)據(jù)準備好”“自動休眠”)綁定在一起。當傳感器檢測到任一事件發(fā)生時，即可發(fā)出中斷申請信號，可以避免主控制器頻繁讀取傳感器的數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)分析及處理工作。

引腳INT1和INT2可以配置成“推挽”或“開漏”輸出方式，即可以“高電平有效”也可以“低電平有效”。如果被配置成“開漏”輸出方式并且外帶上拉電阻，該引腳就被設置為“低電平有效”[7]，剛好與8051單片機的外部中斷信號吻合。

計步器設計將中斷引腳INT1與“運動檢測”事件綁定在一起，當人體邁步時垂直加速度開始增加，當達到預定的閾值時，中斷申請信號發(fā)出，通知控制器讀取當前加速度值，經(jīng)進一步分析確定是否是有效計步信號。中斷使用的關鍵是合理閾值的確定。

該傳感器在靜止時顯示一個g（重力加速度），當人體運動時，運動加速度與重力加速度疊加。傳感器可以輸出12位二進制加速度值，該數(shù)值是有符號數(shù)，正數(shù)的最大值為7FFH。本計步器量程選擇的是2 g，傳感器靜止時感受重力加速度為g，所以顯示數(shù)值為3FFH。通過實驗獲取了大量的數(shù)據(jù)，分析每邁一步加速度的變化情況。選取加速度值大于g的數(shù)據(jù)為研究對象，將它們顯示的數(shù)據(jù)轉化為十進制數(shù)。3FF對應的十進制數(shù)是1023，對應的加速度為g。從而得出1個LSB所對應的加速度值為0.000 98 g。我們試驗程序采集的數(shù)據(jù)如表1所示，數(shù)據(jù)表明每走一步，可以收到2～3組數(shù)據(jù)，其中至少有一組超過1.1g，表中帶下劃線的數(shù)據(jù)為超過1.1 g的加速度值。

表1 行走時加速度值Tab.1 Acceleration value when walking

當試驗人員原地晃動時，得到的10組加速度值如表2所示。

經(jīng)過對人行走、跑步、晃動等加速度變化的分析，綜合考慮選取1.1 g為加速度閾值。在MMA8452Q傳感器中

表2 晃動時加速度值Tab.2 Shaking acceleration value

有一個閾值寄存器，數(shù)值范圍為0～127，閾值最低分辨率為0.063 g/LSB。1.1 g/0.063 g= 17.46，四舍五入到18，所以閾值寄存器中送閾值12H。

2.2 軟件抗干擾方法

2.2.1 時間窗口的限制

利用傳感器自身的濾波和閾值中斷的方法，能夠減少頻率較低、幅度較小的干擾，但是仍然會有誤計數(shù)的可能，特別是多計數(shù)。需要采取軟件抗干擾濾波方法，進一步濾除無用信號。根據(jù)圖2所示垂直加速度的信號波形，兩次峰值是有時間間隔的，根據(jù)資料顯示，人行走的頻率一般在110步/分鐘（1.8 Hz）,跑步時的頻率不會超過5 Hz。如果選擇1～5 Hz，對應的時間間隔是1 000～200毫秒。利用定時中斷記錄兩次外部中斷時間間隔，如果在有效范圍內，則為有效計步一次，否則無效。

實際上正常行走的任一段時間內，步頻的變化都會集中在峰值頻率附近的一個小范圍內，而不是0.5～5 Hz這么寬。由于每個人的步頻是不同的，可以采用下述的自標定方法得到個人步頻的峰值頻率和變動范圍，再采用時間窗口的限制，檢測的準確度更高。

2.2.2 自標定方法

計步器配置了兩個按鍵：“直接計步按鍵”、“自標定按鍵”。如果計步器工作后直接按下“直接計步按鍵”，計步器按1～5Hz的行走頻率設置時間窗口，并按這個參數(shù)進行數(shù)據(jù)分析。如果計步器工作后先按下“自標定按鍵”，則進入自標定過程。連續(xù)行走10步，每走1步要同時按下“自標定按鍵”一次。計步器會記錄10次的時間間隔ti（i=0～9），求出平均值Tp,及偏差vi=|ti-Tp|(i=0～9),由此確定個人的行走頻率范圍，并利用時間窗口的限制進行數(shù)據(jù)分析，可以得到較高的準確度。2.2.3 計步器主要程序流程圖

計步器的主程序流程圖如圖4所示，外部中斷流程圖如圖5所示。開始工作后首先進行初始化、顯示初始界面，然后等待按鍵信號。如果按下“直接計步鍵”，則使能外部事件中斷，等待外部中斷的到來。當MMA8452Q加速度傳感器檢測到外界加速度大于所設閾值，將會產(chǎn)生中斷信號，單片機進入中斷程序后，讀取傳感器的加速度數(shù)據(jù)，并讀取自上一次外部中斷后的時間間隔，如果時間間隔在有效區(qū)間內，則本次數(shù)據(jù)有效，計步數(shù)據(jù)加1，并將計時單元清零，為下一次中斷做準備。

圖4 主程序流程圖Fig. 4 Main program flow chart

如果先按下“自標定鍵”，則先進入自標定過程（如前所述），然后再按下“直接計步鍵”，則按照自標定過程獲得的步頻參數(shù)進行數(shù)據(jù)分析。

定時中斷程序比較簡單，單純的計時供計步分析使用，這里不再贅述。

圖5 外部中斷程序流程圖Fig. 5 External interrupt program flow chart

在傳感器的初始化中，配置MMA8452Q為運動檢測方式，包括如下步驟:

1)使傳感器進入待機模式；2)使能垂直方向運動檢測和鎖存；3)設定運動檢測閾值；4)設置去抖計數(shù)器以消除虛假讀數(shù)；5)啟用系統(tǒng)中的運動/自由落體中斷功能；6)將傳感器切換到主動模式。表3中列出了配置MMA8452Q的運動檢測或自由落體檢測的重要寄存器。

3 結 論

文中介紹了基于MEMS加速度傳感器MMA8452Q的計步器設計方案，充分利用該傳感器對模擬信號檢測的濾波處理能力，配合軟件抗干擾措施，通過檢測人行走時腰部產(chǎn)生的垂直加速度變化，實現(xiàn)間接檢測步數(shù)的目的。該設計硬件簡單，實現(xiàn)方便。試驗結果表明：能夠較好地適應不同步頻情況，計步精度較高，穩(wěn)定性好。

表3 運動檢測的重要寄存器Tab.3 Motion detection key register

[1]宋浩然 ,廖文帥 ,趙一鳴.基于加速度傳感器ADXL330的高精度計步器[J].傳感技術學報,2006,19(4):1005-1008.

SONG Hao-ran1 , LIA Wen-shuai , ZHA Yi-ming. Using 3-Axis Accelerometer ADXL330 to High Accuracy Pedometer[J]. Chinese Journal of Sensors and Actuators, 2006,19(4):1005-1008.

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[4]Freescale Semiconductor,Inc.3-Axis,12-bit/8-bit Digital Accelerometer[EB/OL](2011-08)http://www.freescale.com.cn．

[5]Kimberly Tuck.High-Pass Filtered Data and Transient Detection Using the MMA8451, 2, 3Q[EB/OL](2011-10)http://www.freescale.com.cn．

[6]Kimberly Tuck.Motion and Freefall Detection Using the MMA8451,2,3Q[EB/OL](2011-10) http://www.freescale.com.cn．

[7]Kimberly Tuck.MMA8451,2,3Q Design Checklist and Board Mounting Guidelines[EB/OL](2010-09)http://www.freescale.com.cn.

An anti-interference design for pedometer based on MMA8452Q sensor

LI Ping, CHEN Peng-yu, LI Ze-ren
（School of Electric Multiple Units Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian116028,China）

This paper introduces a design of pedometer based on MMA8452Q. MMA8452Q is a smart low-power, threeaxis, capacitive micro-machined accelerometer with 12 bits of resolution. The design takes full advantage of the filter inside MMA8452Q for analog signal, and besides, uses anti-interference methods in software ways. The pedometer depends on detecting the changes of vertical acceleration on waist in walking process which indirectly reflect the step numbers to be measured. Though hardware design is much simple, the accuracy of counting is pretty high with good stability. This design has been passed practical tests, so it can be put into practice.

MMA8452Q; pedometer; single chip; anti-interference

TP212

A

1674-6236(2014)07-0161-04

2013-07-28稿件編號201307206

李 萍(1956—)，女，遼寧盤錦人，碩士，教授。研究方向：測控技術與儀器智能化。