步态监测系统的嵌入式软件设计与实现

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 步态监测系统的嵌入式软件设计与 实现 摘要：人体步态研究在医疗康复 治疗、生物识别和仿生机器人等多个领 域中具有重要的意义，结合中国人口老 龄化的步伐迅速推进，医疗资源紧张， 低成本便携的医疗设施的研制可以作为 缓解我国医疗现状的一个方向。本文主 要探讨的就是步态监测系统的嵌入式软 件设计与实现相关内容。 中国论文网 /8/view-12945110.htm 关键词：步态监测；嵌入式软件； 软件设计 引言： 步态分析是指通过对人行走时的 姿态进行观察和力学等方面的分析，得 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 到一系列距离、角度、时间和受力等方 面的参数和信号曲线等。相比于基于视 觉的步态监测设备复杂昂贵且只能提供 直观的运动图像而言，基于惯性传感器 的步态分析节点灵巧方便携带，耗资较 小，可在绝大部分环境下多次采样，不 受光线色系重合等影响，最重要的是惯 性器件精度较高可感受微小变化，并提 供量化的参数为进一步的数据和图像分 析提供更准确的依据，近年来已受到了 广泛的应用。 1.系统硬件平台介绍 1.1 硬件平台简介 步态监测系统的嵌入式硬件平台 由基于 TI 的超低功耗单片机 MSP430F169 的两个下位机数据采集缓 存节点，一个上位机数据存储节点和一 块给三个节点提供电的 8.4V 铿聚合物 电池构成。三个节点共用一个电源，下 位机节点与上位机节点之间通过双绞线 连接，硬件构成如图 1 所示，图中红色 标注的部分 1 为上位机节点，2 为电源， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 3 是两个下位机节点。 硬件系统中上位机和下位机节点 均以 MSP430F169 为微处理器控制实现 各种功能，该单片机以低功耗著称，具 有精简指令集、强大的处理能力、运算 速度快、丰富的片内资源、高性能模拟 技术与丰富的片上外围模块以及系统稳 定等特点。MSP430F169 中 16 位 CPU 通过总线连接到存储器和外围模块，具 有 JTAG 接口可直接进行嵌入式仿真。 片内有复位模块、时钟模块、定时器模 块、低功耗结构、硬件乘法器、片内 Flash 存储器模块、比较器模块、 USART 模块、DMA 控制器， P1P6.s 和 COM 端口实现 I/O 和片内外设功能， 还有多个通用寄存器和特殊功能寄存器。 本系统的设计中使用了单片机的复位、 时钟模块为节点提供时钟，P1P6 端 口分别使用通用 I/O 或片内外围功能实 现传感器数据的读取、指示 LED 电平 输出、按键动作电平输入等功能，RS- 485 总线使用 USART 模块 UART 模式 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 实现数据从下位机向上位机的传输，上 位机中 USART 模块使用 SPI 模式对 SD 卡进行读写操作，下位机中 USART 模 块使用 SPI 模式对片外 Flash 进行读写 操作。 1.2 下位机硬件介绍 两个下位机节点硬件结构完全相 同，MSP430F169 芯片作为微处理器控 制三个功能模块，分别是搭载 ADIS16405 惯性测量单元的传感器模块 采集步态活动中的加速度和角速度数据 并以数字量的形式输出至与单片机相连 的端口，片外 Flash 模块可连续将数据 采集过程中一定量的数据暂存在 AT45DB 161 芯片中，RS-485 总线模块 以 MAX3485 芯片为接口将 Flash 中的 数据传输到上位机中。 1.3 上位机硬件介绍 上位机节点硬件结构与下位机有 所不同，由 MSP430F169 芯片作为微处 理器控制两个功能模块，MAX3485 采 集芯片作为接口的 RS-485 总线模块负 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 责向下位机发送操作指令和接收下位机 惯性测量单元采集的原始数据，并将所 有数据经过单片机控制存储在 SD 卡中。 2.系统软件设计 2.1 软件总流程 步态监测样机的使用流程如下： 使用者将两个下位机节点固定在 双脚外侧，上位机固定在腰部，立正双 腿站直，双脚并齐脚尖向前； 打开上位机总开关为三个节点同 时供电，两个下位机节点进行惯性测量 单元的初始校正和 Flash 芯片的格式化 过程，此阶段使用者需保持静止不动大 概 30s 左右。 初始校正结束惯性传感器开始采 样，下位机 LED 闪烁提示开始采集数 据，使用者进行步态活动，采集中不断 将一定量的数据缓存至 Flash 芯片中。 使用者步态活动结束，惯性传感器停止 采集数据，指示数据采集的 LED 停止 闪烁。打开两个下位机 RS-485 总线开 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 关，按下上位机按键 1，固定在左脚的 下位机 LED 闪烁，开始将 Flash 中数据 通过总线传输到上位机 SD 卡中，数据 传输完毕 LED 停止闪烁，关闭该下位 机节点 RS-485 总线开关。固定在右脚 的下位机进行同样的操作过程，数据传 输结束时将双脚下位机节点中采集的数 据全部存储在 SD 卡中。将 SD 卡中数 据导入 PC 端步态软件进行存储、处理 和分析，查看监测结果，整个监测过程 结束。 按照上述流程，整个系统的软件 O 计流程图如图 2 所示。 2.2 软件功能模块介绍 本文所设计的步态监测系统要实 现采集测试者步行活动中的数据，并将 这些原始数据经过 Flash 缓存后通过 RS485 总线上传到 SD 卡中。按照所实 现的功能，整个系统的嵌入式软件分为 以下四个模块。 1、采集模块：数据采集在硬件 平台的下位机完成，下位机上电后开始 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 工作，首先对惯性测量单元 ADIS16405 进行端口初始化和 SPI 初始化，通过操 作寄存器进行初始的校准，使静止时惯 性传感器输出偏置消除后，单片机的 SPI 总线开始采集步态活动中的加速度 和角速度数据，惯性测量单元输出的数 据进入单片机 RAM 中。 2、缓存模块：数据缓存也在硬 件平台的下位机完成，由于 MSP430F169 的内部 RAM 容量为 2KB 只能存储 140 个采样点的数据，所以在 采集加速度和角速度信息过程中收集一 定容量数据后随即缓存在片外 Flash 芯 片 AT45DB 161 中。上电后对 Flash 模 块进行初始化，采集 36 个数据包后向 Flash 中写一页，如此不间断循环至步 态活动结束。 3、传输模块：数据传输由硬件 平台的下位机和上位机配合完成，步态 活动结束后对 RS-485 总线进行初始化， 单片机的 USART 模块以异步通信 UART 模式工作。上位机按键 1 按下后， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 左脚下位机 Flash 中的数据开始进入发 送缓冲器，上位机以 UART 中断的方式 做数据的接收，该节点数据接收完毕后 对右脚下位机做类似操作。 4、存储模块：数据存储在硬件 平台的上位机完成，步态活动结束后对 SD 卡进行初始化操作，RS-485 总线将 数据从下位机 Flash 中传输到上位机后， 单片机 USART 模块工作在同步通信 sPI 模式将数据以一页为单位写入 SD 卡指定位置，直至两个下位机节点中所 有原始数据全部存储在卡中一段连续空 间。 3.总结语 本文所设计并实现的步态监测系 统的概况，介绍了软件设计的四个功能 模块，数据采集模块、数据缓存模块、