（农业电气化与自动化专业论文）嵌入式技术在步态信号采集系统中的应用研究.pdf

摘要 嵌入式技术目前已经成为最热门的计算机技术之一。嵌入式产品以其体 积小、功耗低、处理能力强等诸多优点，在通讯、网络、工控、医疗、电子 等领域发挥着越来越重要的作用。嵌入式技术不断渗透到人们日常生活的各 个方面，本文就嵌入式技术在步态信号采集系统中的应用进行了研究。 采用m s p 4 3 0 系列微控制器为核心在e m b e d d e dw o r k b e n c h 嵌入式开发 平台下设计开发了一种便携式步态数据采集器，用它采集步态数据并存储到 大容量的f l a s h 存储器中，通过u s b 接口传给p c 机以供分析评估人体精 神疲劳程度。此系统还带有液晶显示、实时时钟、既可显示步态数据、时闯 等，同时配合按键提供友好的人机界面。 人体的步态信号中包含一种l ，节律，该节律对人体的精神疲劳评估具 有重要意义，本文应用趋势消解分析与小波变换对步态信号进行分析并提取 其1 厂节律。 由于步态信号很容易受到人的其它非精神因素的影响，对人体精神疲劳 的评估具有一定的局限性，因此，本文还分析了与人体精神疲劳状态密切相 关的脑电信号。利用小波包分解方法，提取了脑电信号中的四个与人体精神 状态有关的基本节律，其中包括l ，节律；并计算各个节律的频带能量比例 值，并建立精神疲劳的评估判据，对人体精神疲劳进行了初步评估。 综合以上所提取的步态信号和脑电信号的1 ，节律，采用非线性分析的 方法，分别计算了两种节律的李亚普诺夫指数、复杂度、近似熵等非线性参 数。这些数值与人体的精神疲劳程度密切相关，我们从中归纳了六项非线性 判据，用来对人体精神疲劳进行量化评估。 关键词：嵌入式技术；步态信号采集系统； 1 矿节律；非线性分析 沈阳农业大学硕士学位论文 刖吾 一、本文研究的背景和意义 嵌入式技术目前已经得到广泛应用，它渗透到各个领域，给人们的生活 和工业生产带来了极大的方便。准确实时的生理信号采集、存储、传输是生 理信号采集系统的关键技术，嵌入式技术的应用使得系统的设计具有体积 小，功耗低，携带方便等特点。有效地分析人体的各种生理信号对人体的精 神疲劳程度进行评估，对于预防各种亚健康疾病，提高精神生活质量有着重 要意义。 世界卫生组织研究表明，目前有6 0 的人程度不同地生活在亚健康状态 之中，而精神疲劳又是亚健康状态最多见、最典型的表现，它严重地威胁着 人类健康安适的生活。因此，精神疲劳不但是医学问题也是社会问题，不但 使人们的生活质量降低，也制约了经济的发展，进而影响社会发展的进程， 研究精神疲劳，已经成为当务之急。 人们的走步运动，看似简单的活动，对人体的健康有着重要的意义。 如果你在生活中仔细观察就会发现，身体的动作是心灵活动的结果。那 些走起路来两脚生风，比一般人要快，有时甚至像短跑的人，他们往往特别 自信；而那些遭受打击、。0 绪不佳、被排斥、被拒绝的人，则无一例外走路 拖拖拉拉，无精打采，松懈散漫，完全没有自信。轻松自然，大方稳健的步 态不仅会给人以美的享受，同时还展现出一个人的精神风貌。总之，正确的 步态可以表现出一个人朝气蓬勃，积极向上的精神。 同时人体行走的姿态与人体生理结构、运动控制系统、行为等生理和心 理因素有关，因而步态分析被广泛应用于医疗诊断、康复评定、体育训练等 领域。人行走的过程和行走的姿态中包含了人的运动系统和神经系统极为丰 富的信息，个人的步态将会像体温、血压那样，从一个侧面反映出人体的精 神状态、健康状况和病态特征。因此，通过对人行走的步幅、步距、步数等 前言 的研究来对人的精神状态作出评估，帮助我们调整身心状态，对人的身体健 康有着重要意义! 另外，随着工业化水平的提高，对人体精神疲劳进行动态测量和实时分 析的要求也越来越迫切，特别在一些关键的生产部门和场合，如机场调度系 统、核电站、大型电力系统等，有效地评估人体的精神疲劳程度，可以合理 安排工作时间和班次，从而防止恶性事故，确保人身安全。 二、国内外研究现状综述 目前，生理信号的分析和处理是现代生物医学工程中的一个具有重要意 义的研究领域。对步态信号采集的研究已经初具成果，但用步态信号对人体 精神疲劳状态进行评估还处在初步探索阶段。国内外的电子计步产品大都只 有计步、显示消耗的卡路里和脂肪量等功能，存在一定的局限性。如果要对 人的精神疲劳状态做出评估，就要有大量的和时间段对应的步态数据，但目 前的电子计步产品并不能达到要求。因此有必要研制低功耗便携式仪器，。来 实现对步态信号的f l a s h 存储、u s b 通信等功能。而且随着人们对身心健 康的逐步重视，人们对医疗设备的灵活性和智能化提出了更高的要求，即灵 活性、便携式和高智能化的医疗保健产品逐渐受到人们的青睐，成为日常生 活中必不可少的产品。而嵌入式技术的应用使得这些产品具备了功耗低、体 积小、智能化、及时响应等特点。 ( 一) 嵌入式技术 所谓嵌入式技术，通俗一点的定义就是将计算机技术、微控制器技术、 通讯技术等多项技术综合起来与某一领域的应用相结合的技术，是针对某一 个传统产品或行业，开发出适合该产品或行业的智能化产品。 如果以公元2 0 0 0 年作为分水岭，那么，在此之前还属于p c 时代，但 2 0 0 0 年开始进入“后p c 时代”。在这个时代人们开始考虑如何将各种电器终 端变得更加智能化、数字化，变得更为灵活和普及。为了实现人们在后p c 沈阳农业大学硕士学位论文 时代对常用电器终端设备的改良所提出的新要求，嵌入式技术 ( e m b e d d e dt e c h n o l o g y ) 提供了种灵活、高效和高性能价格比的解决方案。 嵌入式技术的快速发展被广泛应用于军事、科研、工程等方面，成为后p c 时代电脑领域先进技术。 当前，以微控制器为核心的微测控系统，已经在人类生活的方方面面都 得到应用。特别适用于专用的、小型的、省电的、可移动的设备之中，构成 所谓的嵌入式应用系统。多年来的快速发展，使得它的家族越来越庞大，系 歹4 品种越来越多，而且技术上往往各具特色。 本研究采用的是美国德州仪器公司的m s p 4 3 0 f 1 3 x 系列单片机，该单片 机具有j t a g 技术这使得每一个单片机芯片都具有完整的在线调试功能，而 不用使用复杂的仿真调试工具：f l a s h 在线编程技术：利用片内f l a s h 保 存一些运行程序，实现掉电保护也可以方便的实现软件升级的目的：还有 b o o t s t r a p 技术，可实现程序代码的下载和上载( 胡大可，2 0 0 1 ) 。另外还 有功耗低，片内集成a d 转换等特点。所以m s p 4 3 0 具备应用在电池供电的 便携式装置等领域的特点，适于应用在嵌入式系统的设计开发中。 ( 二) 精神疲劳评估的国内外研究现状 人的感觉是看不见也摸不着的，对于精神疲劳的评估，不同的人有不同 的答案，甚至即使是同一个人，由于环境的改变，评价的结果也会有所差异。 由于疲劳本身的这种不确定性和复杂性，疲劳状态的评测经历了将近一个世 纪的研究，但到目前为止对精神负荷的评估还没有绝对的尺度。如何用科学 的方法研究精神疲劳一直是科学家们关注的热门话题。但在目前国内外对于 人体精神疲劳的评估研究仍处于探索阶段，归纳起来，评估的方法主要有两 种，即主观评定法和客观评定法。 1 主观评定法 从严格意义上讲，精神疲劳是一种主观感觉，因此对精神疲劳主观成分 的评定也是非常重要的。对精神疲劳的主观评定主要是通过问卷调查的形式 前言 来进行的。这种方式能够提供关于精神疲劳的信息如脑力疲劳出现的时问 和造成疲劳的原园。实际上有很多关于精神疲劳的研究就是通过问卷调查的 方式来进行的，如飞行疲劳、驾驶疲劳等的评定( 皇甫恩，1 9 8 9 ) 。 主观评定法不仅可以应用于疲劳的评定，还可以用于情绪情感、精神负 荷等多种心理表现的评定。根据评定是由被试本人做出，还是由他人做出， 主观评定法可分为主观自评和主观他评。平常应用较多的仍然是主观自评的 方法。 主观他评则多采用人面部的视频图像来进行评估。实验者根据被试的特 点，例如面部表情，缓慢的眼睑闭合，和举止( 如擦拭，打哈欠和点头) 估计 出受试者的困倦水平。在国外曾有人使用驾驶员面部的视频摄像，并配合即 时的生理测量来进行研究。但就目前而言，由于种种原因的限制，在实验中 加入“面部表情评定”的研究还少得可怜。但是随着计算机图形图像技术和 模式识别技术的发展，这种方法有可能取得实质性的突破，走向应用。 尽管主观评定法具有评分主观、评分标准不易统一、受记忆等多种个人 能力的影响，甚至存在有被试故意隐瞒真实感受、猜测题目含义、迎合主试 期望等多种缺点( s i r e v a a ge t ，1 9 9 3 ) 。但由于它操作简单、直接、且费用低、 加之对任务完成无干扰、易被接受等优点，它仍是一种被广为采用的评定脑 力疲劳的方法。 对于主观评定法，尤其是在精神疲劳的研究中，关键的问题还不在于被 试是否如实回答问题，如被试是否故意隐瞒自己的真实感受，因为疲劳难耐 而胡乱涂鸦等。真正的问题在于，当入处于精神疲劳状态时，被试是否仍然 具有完整的自我状态的监控能力，用心理学的术语来讲就是他的元认知能力 是否受到损害。因此，须特别强调指出的是，在实际的评定工作中仅用主观 评定法是不够的，还需有客观的评定方法予以支持。 2 客观评定法 所谓客观评定法就是借助仪器、设备等辅助工具对人体的心理、生理、 沈阳农业大学硕士学位论文 生化方面指标所进行的观察，这些指标是客观的，不随观察者的个人喜好、 经验而发生变化。根据对脑力疲劳客观评定的方丽不同，可将客观评定法区 分为：( 1 ) 心理学、行为学指标评定法：( 2 ) 生化指标评定法；( 3 ) 生理学指标 评定法，下面我们分别来介绍一下这三种方法。 ( 1 ) 心理学、行为学指标评定法 用于评定精神疲劳的心理学、行为学指标评定法主要是指心理运动测验 和心理测验。心理运动测验可以测量人的知觉、认知解释和运动反应。这些 测验包括模拟驾驶打字，反应时测验等。在此有这样一个基本假设，即假 设操作的降低是疲劳的标志。此外，心理测验也用于测量疲劳，这些测验包 括注意测验( 如划消测验) 、估计测验( 如对时间间隔的估计) 、加法运算等。一t l , 理运动测验和心理测验的一个不利之处在于对被试要求过多，会使大脑活动 水平增高，这样一来就很有可能暂时掩盖了任何可能的疲劳迹象( g r a n d j e a n e ，e c t ，1 9 7 9 ) 。关于评定脑力疲劳的心理运动测验和心理测验，所存在的一 个最严重的问题就是，由于缺乏相应的理论指导，其任务设计非常多样，难 度也各不相同，因此，绝大部分研究结果是不具有可比性的。 ( 2 ) 生化指标评定法 在精神疲劳的评定方面，前人还做过一些关于睡眠激素或多肤方面的研 究，但在对这方面的文献进行总结时发现，关于睡眠所需要的化学指标方面， 就目前而言，尚无一致的结论，实验结果也各不相同( b o r b e l y a a ，e c t ，1 9 8 9 ) 。 随着技术的进步，现在已经发明了能够分析血液成分的敏感性微光谱仪，使 用时只需在耳垂上放置一个感受器即可，它的出现很可能会导致疲劳评定生 化指标的出现( n i l s s o n t ，e c t ，1 9 9 7 ) 。最近的一个关于睡眠的综述中还写道 烯醇酮，褪黑激素，腺核普这些物质同睡眠有关，但同时也说明与睡眠有关 的神经化学是复杂的和难于分析的。此外，由于对生化参数的测量涉及到侵 入性技术，因此，作为评定精神疲劳的工具在很多场合下是不合适的。 ( 3 ，生理学指标评定法 前言 上述传统方法存在两点不足：一是测定疲劳的过程不能与作业过程同时 进行，因而具有很大的局限性；二是受检测方法和条件的限制，很难做到客 观和定量化。现代医学信号检测与处理技术的发展为疲劳的研究和测定提供 了强有力的工具，我们认为，有希望弥补上述不足的方法是精神疲劳的生理 参数测定法，内容包括脑电、心电、步态信号的检测与分析技术及限动信号 的记录与分析技术等。 生理学指标评定法是借助相应的生理信号的变化来对人体的精神疲劳 进行间接评价的。美国的h e a r t m a t h 研究中心已发现：人体的心理状态和生 理现象有着直接的关系，人的任何，t 3 理感觉如感知、认识和情感都有着其生 理基础；从许多身体器官和系统传人大脑的神经和激素信号不仅在控制生理 功能中起着主要作用，而且影响着包括感知和情感处理的高层大脑中心：进 一步研究还表明，不仅这些身体信号的振幅传递了相关信息，更重要的是信 号的节律和形式中蕴含着大量信息。由于精神疲劳也是一种特定的心理感 觉，因此可以通过生理信号的分析对其进行评估。 前面我们介绍了国内外几种研究人体精神状态的方法，其中生理学指标 评定法是唯一一种比较客观的技术，它以信息理论、信号检测与处理等现代 科学为基础，以计算机为工具，显示出强大的生命力，愈来愈受到研究者的 重视。具体来说，生理评定法有以下几个突出的优点： 虽然受试者需配备专门的仪器，但对主作业没有影响，不会干扰或 中断作业过程； 生理信号可以连续测量，对精神负荷的变化能够做出快速反应，为 精神负荷的在线动态测量提供了必要的技术和手段； 生理学指标测定法的对象有多个变量。研究者发现，这些变量在不 同类型的负荷状态下显示出不同的灵敏度，因而生理测定本身可以 提供多维特性量表，可以较好地反映精神负荷的多维特性。 基于生理学指标评定法的以上几个优点，本文就选用该方法来对人体的 沈阳农业丈学硕士学位论文 精神疲劳进行量化评估。 ( 三) 有关步态信号分析和处理的研究情况 为了从步态信号中挖掘出原始数据中不可见的隐含信息，可以借鉴现有 的先进算法和信息数据处理技术。主要有：时域分析、频域分析、时频分析 和非线性分析等，用到的工具主要有傅立叶变换、小波分析、混沌与分形分 析、非线性预测、数据挖掘、神经元网络分类、模式识别、专家系统和机器 学习等。其中，小波分析和非线性预测是较有前途的两种方法。 本文就是采用小波分析与非线性理论相结合的方法分析步态信号。 人体步态的运动生物力学研究表明：当人体衰老时，其步态的各项指标 步长、步速和髋、膝、踝的力量与青年人相比，差异显著。而且不同年 龄段的年轻人其步态特征也存在明显差异。国外的研究人员发现人的步态频 率有自相关性，这种相关性是在人自然步行时自发产生的并非人为特意改变 步幅生成的! 而且如果按照特定的步速行走时，这种相关性反而消失了。更 进一步的分析表明这种特性是由高级中枢神经系统控制产生的。由此可以对 人体的精神疲劳进行分析。 另外，研究还发现人体步态信号具有分形特征，当人体面临死亡( 包括心 率衰竭) ，通过非线性分析，发现其近似熵明显减小，这表明其分形机制正在 减弱甚至消失。因此，应用分形分析可以提供新的方法，用来评估心脏危险 和预测心肌梗死并且可以监测人体的衰老过程 三、本文的研究内容与目的 ( 一) 本文的研究目的 本文研究的目的是开发研制具有f l a s h 存储、超低能耗、方便易用的 便携式步态信号采集器及基于步态信号的人体精神疲劳评估系统。 在硬件方面采用m s p 4 3 0 系列超低功耗微处理器为主控制器，外接步态 信号采集器，液晶显示模块，u s b 通信模块，键盘以及时钟模块实现对步态 前言 信号的采集、f l a s h 存储、u s b 通信，液晶显示等功能。在软件方面，利 用多种算法对步态信号进行分析处理，达到对人体精神状态的评估与预测。 ( 二) 本文的研究内容 熟悉掌握m s p 4 3 0 f 1 3 x 系列单片机的片内外设原理与使用方法，应 用已有的计步器实现步态信号的采集，u s b 通信，l c d 液晶显示， 按键操作以及对实时时钟电路的设计。 在i a r 的e m b e d d e dw o r k b e n c h 编程环境下完成系统的软件设计与 调试。 利用趋势分解，小波变换对步态信号迸行预处理、分析，提取人体 精神疲劳相关的1 厂节律。 对脑电信号进行小波包分解，提取脑电信号中的四个与人体精神状 态有关的基本节律，计算各个节律的频带能量比例值，并建立精神 疲劳的评估判据。 采用非线性分析的方法，分别计算两种节律的李亚普诺夫指数、复 杂度、近似熵等非线性参数用来对人体精神疲劳进行量化评估。 沈阳农业大学硕： ：学位论文 步态信号采集系统的设计 本章详细介绍了步态信号采集系统的元器件的选取及硬件电路的设计 过程。 一、步态信号采集系统的总体设计 本课题要设计的步态信号采集系统要求具有方便携带，功耗低的特点， 并能将采集到的数据存储起来，然后送到计算机终端设备里进行数据分析， 因此，要求系统具备如下基本功能： 实时时间、日期的采集、记录、存始功能 多通道信号的采集、记录、存储功能 数据显示 操作功能 数据通信功能 系统的原理如图所示： 计步器步态信号 图l 系统原理圈 f i g is y s t e mp r i n c i p l ed i a g r a m 9 步态信号采集系统的设计 采用m s p 4 3 0 f 1 3 3 单片机作为主控单元，运用最小功耗设计理论设计， 采集计步器的步态信号并存储在f l a s h 存储器中，再利用u s b 接口将数据 直接传送到笔记本电脑或掌上电脑p d a 中。系统还带有液晶显示，即可显 示中文菜单，配合按键能够提供友好的人机界面。 二、步态信号采集处理电路 ( 一) 步态信号采集系统的微处理器选择 t i 公司的m s p 4 3 0 系列单片机是一个特别强调超低功耗性能的单片机品 种，并有着其它单片机所无法比拟的优势，它适合应用在各种要求极低功率 消耗的场合，具有一定的技术特点，在便携式智能仪器的设计中得到了广泛 的应用。因此，在本设计中选用t i 公司推出的超低功耗单片机m s p 4 3 0 f 1 3 3 做为系统的核心微处理器。 1 m s p 4 3 0 系列单片机的特点( 魏小龙，2 0 0 1 ) t i 公司的m s p 4 3 0 系列单片机是一种超低功耗微处理器，有业界最佳“绿 色微控制器( g r e e nm c u ) ”称号，其技术特征代表了单片机的发展方向。 特别适合于电池应用的场合或手持设备，其存储器模块是目前业界所有内部 集成f l a s h 存储器产品中功耗最低的一种，消耗功率仅为其它闪存微控制 器( f l a s hm c u ) 的五分之一。具体来说m s p 4 3 0 单片机具有如下特点： ( 1 ) 低电压、超低功耗 低供电电压范围1 8 v 3 6 v ，在1 m h z 时钟条件下工作时，工作电流视 不同模式为o 1 u a - - 4 0 0 u a 有5 种低功耗超低电流消耗模式，可使用电池供 电，片内数字控制振荡器d c o 可以使单片机在微秒的时间内从低功耗模式 转变到活动模式。功耗低，符合便携式采集的要求。 ( 2 ) 有丰富的片上外围模块 最多8 路1 2 位a d 转换，4 8 个i o 端口，一个u a r t ，看门狗，三个 内置1 6 位定时器，可在线仿真的f l a s h 内存等。 沈阳农业大学硕士学位论文 ( 3 ) 多种时钟模块 m s p 4 3 0 单片机有三种时钟源可以选择提供给a c l 、s m c l k 、m c l k ， 其中l f x t l 提供给外围设备3 2 7 6 8 h z 的时钟，l f x 1 2 可以提供高达$ m h z 的时钟供单片机运行使用，d c o 为单片机内部提供并具有锁相环，为系统 提供一个内部时钟源。当x t a l t 2 没有提供时，系统依靠d c o 运行整个时 钟配置可以通过d c o c t l ，b c s c t l l ，b c s c t l 2 和s r 等控制寄存器中相 应的位来选择和控制，以满足用户对系统的要求。 ( 4 ) 强大的处理能力 m s p 4 3 0 具有丰富的寻址方式( 7 种源操作数4 种目的操作数) ，但只需要 简洁的2 7 条指令；片内寄存器数量多，存储器可实现多种运算，有高效的 查表处理方法，这些都保证了可以编出高效的程序。 ( 5 ) 方便高效的开发方式 支持在线仿真和编程，所配编译器功能强大；具有f l a s h 存储器，利 用单片机本身的j t a g 接口或片内b o o t r o m ，可以在一台p c 及一个结构 小巧的j t a g 控制器的帮助下实现程序的下载，完成程序的在线调试，实时 修改片内寄存器和内存的内容，对使用者来说将大大提高程序的调试效率。 ( 6 ) 熔丝保密功能和2 5 6 位保密字相结合 几乎没有解密的可能，可以充分保证用户程序的安全性。 ( 7 ) m s p f l 3 x 1 4 x 系列芯片的管脚功能封装的兼容性 同样的硬件电路板可以选用这两个系列中的任意芯片。配合用户的需 求，在满足功能要求的前提下可以选用价格较低的芯片，提高系统的经济性。 2 m s p 4 3 0 f 1 3 3 单片机特点 m s p 4 3 0 f 1 3 3 单片机是n 公司推出的m s p 4 3 0 系列单片机中功能较全的 一款，它有着以下特点( 胡大可，2 0 0 1 ) ： 单片机采用f l a s h 存储器作为程序代码及信息存储，因此可以实 现多次的写入和擦除，也可以实现在线写入。 步态信号采集系统的设计 在单片机内集成了一个1 2 位精度，高效通用的a d 转换模块即数 据采集子系统。 片内还有多个捕获比较寄存嚣的1 6 位的定时器，这样寄存器的使 用会更加灵活。 片内有一个串行通讯接口，支持通用异步协议( u a r t 协议) 和同 步协议( s p i 协议) 。 系统复位电路的设计更加可靠，在各种复杂情况下都能稳定可靠地 工作。在m s p 4 3 0 单片机中有个n m i r s t 复位管脚，它与不可屏 蔽中断功能管脚复用，可由软件选择其功能，正常情况下为复位功 能，只要有低电平输入，系统就将复位，我们的复位电路正是基于 此原理设计并保证有充分的低电平时间。 m s p 4 3 0 f 1 3 3 的时钟由高速晶振、低速晶振、数控振荡器d c o 、锁 频环f l l 以及锁频环f l l + 等部件构成。可以由外部振荡器和内部 d c o 产生振荡频率，外部品振可接低速的3 2 7 6 8 h z 的时钟晶振和高 速的8 m 晶振，外部晶振失败时d c o 振荡器会自动被选作时钟源。 电路中我们使用外部3 2 7 6 8 h z 晶振。 3 m s p 4 3 0 芯片的j t a g 接口 m s p 4 3 0 f 1 3 3 的开发方法是通过j t a g 控制器实现程序代码的下载、实 现运行控制和对现场进行观察与修改。在内部集成了j t a g 模块，使得用户 可以经过j t a g 接口实现c p u 仿真调试功能。整个调试过程，外部只需要一 台能实现j t a g 接口控制功能的主机即可。一般用一台p c 电脑，经过打印 接口就能实现下载。 j t a o ( j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p ，联合测试行动小组) 是一种国际标准测试 协议( i e e e l l 4 9 兼容) ，主要用于芯片内部测试。现在多数的高级器件都支 持j t a g 协议，如d a p 、f p g a 器件等。标准的j t a g 接口是4 线：t m s 、 t c k 、t d i 、t d o ，分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出线。j 1 a g 1 2 沈阳农业大学硕士学位论文 编程方式是在线编程，改变了传统生产流程中先对芯片进行预编程，再装到 板上的方法，可为先把器件固定到电路板上，再用j t a g 对它编程，因而简 化了开发流程、大大加快工程进度。 ( 二) 步态信号的采集电路设计 本文选用了欧姆龙公司的h j 1 0 6 电子计步器，它具有如下特点： 可显示消耗的卡路里和脂肪量 步数显示，有效步数显示及其耗费时间 记忆功能可存储当天至七日前为止的数据 在仔细研究了计步器内部结构后我们发现步态信号的纪录实际上是通 过一个计数器实现的。因此从计数器就可以直接采集步态数据，连接到 m s p 4 3 0 f 1 3 3 的i oi e i 上即可。再把采集到的数据存储到本系统中，完成了 步态数据的采集存储。 三、l c d 液晶显示电路 人机界面是便携式系统的重要组成部分，尤其是对本系统，显示是基本 功能之一。考虑到功耗和l c d 显示器的点阵越大体积越大的特点，这里我 们选用了北京精电蓬远显示技术有限公司的c o g - v p l 2 8 6 4 液晶显示模块。 它是1 2 8 6 4 点阵f s t n 正向黑白半透半反模式的点阵图形液晶显示模块， 采用目前小规格液晶控制驱动器中功能最强大的e p s n 屎产点阵液晶控制驱 动器s e d l 5 6 5 d o b ( c o g ) ，可用3 3 v 供电( 精电蓬远，2 0 0 3 ) 。 该显示器体积为6 9 9 ( w ) 7 0 7 ( h ) x 9 0 ( d ) ( m m ) ，视域为 5 6 2 7 ( w ) y 3 8 3 5 ( h ) ( m m ) ，点阵为1 2 8 ( w ) 6 4 ( h ) ，有三个控制器。该显示器 仅2 1 个引脚，电路非常简单，其引脚安排见表l 。 步态信号采集系统的设计 表ic o g v p l 2 8 6 4 描述 t a b 1c o g v p l 2 8 6 4d i s c r i p t i o n 管脚号符号说明 jv s s 地 2v d d 逻辑电源 v 0 、张 ，r d c s a 0 8rst 9 1 6d b 0 d b 7 1 7p ，s 液晶驱动电源默认由内部提供悬空 与8 0 时序m p u 接口时为写信号上升沿有效 与8 0 时序m p u 接口时为读信号低电平有效 片选信号低有效 数据，指令信道。高d 0 d 7 上为显示数据 低d 0 d 7 上为指令信号 复位信号低有效 数据线 并串口选择 p s = h ：并口传输 p s = l ：串口传输 i 下表是由w s 决定的各种状态 p s 数据，指令数据 离a od b o b 7 低 a 0 s i ( d b 7 ) 串口方式中，r a m 数据只能写 1 8l e d + l e d 背光正极 读，写 w r ，爪d 仅写 只能读 串口时钟 s c l ( d b 6 ) 1 9l e d r l e d 负极红色端 2 0l e d g l e d 负极绿色端 2 1l e d - b l e d 负极蓝色端 该模块可以直接与微控制器并行接口相连，还具有串行接口的能力。系 1 4 沈阳农业大学硕士学位论文 统中采用串行接口与m s n 3 0 f 1 3 3 直接相连，硬件连接如图2 所示 图2 掖晶显示硬件连接图 f i g 2 l c dh a r d w a r ec o n n e c t i o nd i a g r a m 四、数据通信 要构成一个完整的采集系统，数据通信必不可少。u s b 接口是近年来迅 速发展的接口标准，目前几乎所有的新计算机及外设上都设有u s b 接口， 它有数据传输速度快、连接简单、兼容性好等特点。因此本系统采用这种接 口实现数据通信。 ( 一) u s b 接口简介 通用串行总线u s b 是由康柏、i n t e l 、微软等公司为解决计算机外设种类 的日益增加与有限的主板插槽和端口之间的矛盾而于1 9 9 4 年1 1 月提出的。 它是一种用于将适用于u s b 接口的外围设备连接到主机的外部总线结构， 主要用在中速和低速的外设。目前大多数设备支持的是u s b l 1 协议，最新 的u s b 2 0 版本协议已于2 0 0 0 年4 月正式发布。u s b l 1 有全速和低速两种 方式，低速方式的速率为1 5 m b p s ，支持一些不需要很大数据吞吐量和很高 实时性的设备，如键盘、鼠标等；全速模式为1 2 m b n ，可以外接速率更高 的外设。在已经发布的u s b 2 0 中，增加了一种高速方式，数据传输率达到 步态信号采集系统的设计 4 8 0 m b p s ，可以满足更加高速的外设需要。u s b 设备具有较高的数据传输率， 使用灵活，易扩展。安装u s b 设备不必打开主机箱，它支持即插即用和热 插拔。 ( 二) u s b 接口芯片0 p 2 10 1 c p 2 1 0 1 是一种单芯片u s b 转u a r t 的桥接器解决方案。该芯片包含一 个u s b 2 0 全速功能控制器e e p r o m ，缓冲器和带有调制解调器接口信号适 用于r s 2 3 2 协议异步串行数据总线。 表2c p 2 1 0 1 的引脚定义 t a b 2c p 2 1 0 1p i n 引脚名称引脚类型 说明 它有一个集成的内部振荡器和u s b 收发器，所以无需其它外部u s b 电 沈阳农业大学硕士学位论文 路组件。 ( 三) u s b 通信电路设计 如下所示为m s p 4 3 0 f 1 3 3 与c p 2 1 0 1 的连接图，借以实现微机与系统的 u s b 通信。 p 1 6 p 37 m s p 4 3 0 f 13 x p 3 5 r 功) p 36 ( t x d ) r 如 啪 _ 工一j l q - l u f tn l u f u s b v b u s d - d + g n d 图3u s b 通信电路图 f i g 3 u s bc o m m u n i c a t i o n sc i r c u i td i a g r a m 如上图所示c p 2 1 0 1 的s u s p e n d 与s u s p e n d 引脚接到m s p 4 3 0 f 1 3 x 的普通串口上。这两个引脚传送u s b 挂起和恢复信号，此功能便于c p 2 1 0 1 器件以及外部电路的电源管理。当在总线上检测到挂起信号时，c p 2 1 0 1 将 进入挂起模式，这样可以节省电能。在进入挂起模式时，c p 2 1 0 1 会发出 s u s p e n d 与s u s p e n d 信号。为了避免s u s p e n d 与s u s p e n d 在复位期 间处于高电平，使用1 0 k 欧姆的下拉电阻确保s u s p e n d 在复位期间处于低 电平。 c p 2 1 0 i 的u s b 功能控制器管理u s b 和u a r t 间所有的数据传输以及 由u s b 主控制器发出的命令请求和用于控制u a r t 功能的命令。c p 2 1 0 i 的 u a r t 接口处理所有的r s 2 3 2 信号，包括控制和握手信号。注意c p 2 1 0 1 的 v b u s 与也g i n 引脚必须总是连到u s b 的v b u s 信号上；在v r e g i n 的 输入端加去藕电容( 1 u f 与0 1 u f 并联) 。c p 2 1 0 1 与单片机接口是标准u a r t 一滩， 蚴咖 兰查堡! 墨墨至竺堕垦笪 一 电平，与计算机的u s b 端口连接是u s b 标准电平，所以无r e - 53 v 还是5 v 供电的单片机连接都不需要电平转换。 五、按键操作电路 键盘是人机对话的设备，借助键盘可向系统设置参数，发出控制指令等。 本系统中设置四个按键的键盘，第一按键是电源开关；第二个按键是功能键， 第三第四按键用来设置向前向后显示的功能。由于键的数量不是很多，故采 用按键与单片机的i o 口线直接连接的方法构成，如下图所示按键需加2 0 k 的电阻接地以防电流过大对系统造成损害。 图4 键盘电路图 f i g 4k e y b o a r de i r e u i _ d i a g r a m 六、实时时钟电路 时问是步态信号分析的一个很重要的参考项，对本系统来说是一个很关 键的参数。因此我们在系统中加入了实时时钟芯片s d 2 0 0 3 a ，它是一种具有 内置晶振、支持1 2 c 总线接口的高精度实时时钟芯片。该芯片可保证时钟精 度为4 p p m ( 在2 5 1 下) ，即年误差小于2 分钟，内舍i ：c 总线接i ：1 功能 的具有极低功耗的多功能时钟日历芯片，d i p g 八脚封装，体积很小。 沈阳农业丈学硕士学位论文 s d 2 0 0 3 a 双端口时钟和报警寄存器可使时钟即使在读写操作期间也能精确 地工作。它通过1 2 c 总线方式可与各种单片机接口，具有日历、时钟、计时， 可编程定时中断等功能，并提供闰年校正。它有两个独立的闹钟，报警可按 秒、分、时、同、月及星期设置。报警输出可作中断请求信号。工作电源及 备份电池电源都有宽的电压范围。s d 2 0 0 3 a 是标准的1 2 c 总线接口，具有操 作简单的特点。 ( 一) i2 c 总线 1 2 cb u s ( i n t e r i cb u s ) 是p h i l i p s 公司推出的芯片例串行传输总线，它以 两根连线实现了完善的全双工同步数据传送，可以极方便地构成多机系统和 外围器件扩展系统。1 2 c 总线采用了器件地址的硬件设置方法，通过软件寻 址完全避免了器件的片选线寻址方法，从而使硬件系统具有最简单丽灵活的 扩展方法。按照1 2 c 总线规范，总线中传输中的所有状态都生成相对应的状 态码，系统中的主机能够依照这些状态码自动地进行总线管理，用户只要在 程序中装入这些标准处理模块，根据数据操作要求完成1 2 c 总线的初始化， 启动1 2 c 总线就能自动完成规定的数据传送操作。 ( 二) 时钟电路硬件连接图 由于m s p 4 3 0 f 1 3 3 本身没有l z c 接口。可以使用单片机的任意2 个i 0 线连接s d 2 0 0 3 a 的s d a 和s c l 引脚。图5 所示为m s p 4 3 0 f 1 3 3 单片机与 s d 2 0 0 3 a 的连接方法，s d 2 0 0 3 a 的s c l 为串行移位时钟输入，p 5 5 与s c l 相连以产生模拟时钟信号，s d a 为串行数据输入输出，p 5 6 与s d a 相连以 实现主器件m s p 4 3 0 f 1 3 3 单片机与从器件s d 2 0 0 3 a 的数据通信。由于1 2 c 总线接口为开漏或开集电极输出，故须加上拉电阻。s d 2 0 0 3 a 管脚说明如表 3 所示。 步态信号采集系统的设计 闰5 实时时钟硬件电路图 f i g 5 r t ch a r d w a r ec i r c u i td i a g r a m 表3s d 2 0 0 3 a 管脚说明 t a b 3s d 2 0 0 3 ap i n 沈阳农业大学领十学位论文 步态采集系统的软件设计 一、开发环境及编程语言 本系统采用的是m s p 4 3 0 的f l a s h 型芯片使得本系统的开发变得简单， 只需要一台p c 和一个称为f e t ( f l a s h e m u l a t o r t 0 0 1 ) 的j t a g 控制器即 可实现程序代码的下载、实现运行控制和对现场进行观察与修改。这种方法 被称为f e t 调试方法。f e t 的工作要和调试环境软件相配合，在这里我们应 用的调试软件是 a r 系统公司的e m b e d d e dw o r k b e n c h 。 f e t 的基本调试功能有( m s p 4 3 0c s p y 用户手册) ： 程序下载，当源程序( 汇编语言或c 语言) 经语法检查无误并生成 代码时，就可以将程序代码下载到f l a s h 芯片中，这时系统可以 是在线状态。 设置断点，在e m b e d d e dw o r k b e n c h 调试环境中在程序中设置断点 调试f l a s h 存储器及r a m 中的裎序。 现场观察与修改，通过e m b e d d e dw o r k b e n c h 的人际对话界面，我 们很容易检查和修改芯片内的各种存储器、寄存器的数据。 m s p 4 3 0 f 1 3 3 允许用户用标准c 进行编程，并提供商效的c 编译环境。 系统软件设计采用模块化的结构。 二、系统软件设计 ( 一) 总体设计 系统软件主要是由主程序和中断子程序组成，主程序的主要作用是对系 统进行初始化设置之后使系统进入掉电状态，然后准备接受中断程序。系统 的主要功能是由各中断子程序来完成的，它又可分为键盘中断子程序、步态 数据采集中断子程序、电源电压不足中断子程序等，其关系如图所示。采用 这种结构，从整体来看变循环等待为立即进入掉电状态，可以保证系统绝大 多数时间处于掉电状态，减少了无用功耗。在主程序进入掉电状态之前关断 步态采集系统的软件设计 所有辨围器件供电。各个中断子程序模块在进入中断初始化，打开自身所用 到的外围器件的供电，退出中断程序前关断其供电，而不会影响其它未用到 器件的掉电状态，这样就真正实现了“多干多供，不干不供，少干少供”的 低功耗系统分区、分时的电源管理原则。同时，在软件设计中还精心考虑到 系统的防漏电问题，例如在系统进入掉电模式之前，必须将单片机的所有端 口置于合适的电平状态，避免因单片机端口电平状态不合适造成的系统漏 申。 图6 软件设计流程 f i g 6 f l o wc h a r to f s o f t w a r e ( 二) 详细设计过程 1 初始化子程序 初始化程序主要用来对单片机的定时器、端口、通信的波特率等系统功 能进行初始化。 2 步态数据采集子程序 步态数据采集程序主要完成来自计数器的步态数据的采集，并把采集结 果存入f l a s h 存储器。采集的步态数据主要有人体行走的步数，步态时间 间隔，体重，身高，消耗的卡路里以及脂肪量，通过对m s p 4 3 0 f 1 3 3 的串行 接口的监视分别将采集数据存储到系统中相应的存储器。 沈阳农业大学硕士学位论文 3 显示与键盘子程序 本系统采用了1 2 8 6 4 的液晶图彤显示器，可实对显示步态数据；四个 按键配合显示，实现多种功能选择，提供友好的人机界面，使操作更简捷。 ( 1 ) 操作按键 本系统有珏个按键配合菜单显示，实现多种功能。因为m s p 4 3 0 豹p 0 ， p l ，p 2 等3 个8 位端口都有中断能力，所以在软件的编写上，采用中断方 式。四个按键的输入采用中断方式。第一按键是电源开关，第二个按键是功 能键，开机时进行幸刀始设置，例如时钟、人的体重，人行走的步幅等的设置， 同时也用来显示步数，消耗的卡路里，脂肪量等，第三第四按键用来设置向 前向后显示的功能。 在软件中，当按键中断发生时，扫描并定位按键，在不同的状态下，四 个按键的定义不同，从而实现了多种功能。 图7 键盘串斯子程序 f i g 7 f i o wc h a r to f b y 娜r p r o g r a m 步态采集系统的软件设计 图8 键盘扫描子程序 f i g 8 f l o wc h a r to f k e ys c a l lp r o g r a m ( 2 ) l c d 显示程序 选用1 2 8 x 6 4 点阵的液晶显示器，取1 6 x 1 6 点阵的字符，那么整个屏幕 可以显示8 x 4 个字符，一屏能显示4 行菜单，所以菜单显示要采用分级方式。 具体到每个字符的显示利用液晶显示驱动控制器将采集的数据进行显示。 4 u s b 通信接口的软件程序设计 u s b 接口程序设计包括三部分：单片机程序开发、u s b 设备驱动程序 开发、主机应用程序开发。三者互相配合才能完成可靠、快速的数据传输。 其中u s b 设备驱动程序c y g n a l 公司已经提供。这里所要编写的就是剩下的 两部分。一部分为单片机m s p 4 3 0 f 1 3 x 的串行通信程序，即对波特率、数据 位、校验位、有无奇偶校验等通信协议的设计及单片机串行通信功能控制器 的设置：另一部分为主机对c p 2 1 0 1 的通信程序，这部分要在v c + + 中调用 沈酊农业大学硕士学位论文 a p i 函数实现。 ( 1 ) 单片机程序设计 在i a re m b e d d e dw o r k b e n c h 嵌入式集成开发环境中，编写单片机通信 程序，可以实现在线编辑修改。m s p 4 3 0 的内核c p l l 结构是按照精简指令集 和高透明指令的宗旨来设计的，使用的指令有硬件执行的阿核指令和基于现 有硬件结构的高效率的仿真指令。 如下为系统发送数据的部分应用程序( 包括初始化及触发u a r t 端口程 序) ： # i n c l u d e ”m s p 4 3 0 x 1 3 x h 产+ $ + 串口+ + $ $ 抖 料+ + 抖 十十幸枉+ + v o i ds e n d b y e t ( c h a rs d a t a ) t x b u f o = s d 乱a ；产发送数据缓存( u t x b u f o ) + ， w h i l e ( ( i f g i & u t x i f g 0 ) 一o ) ；+ 目的操作数位测试发送中断标志+ 十+ + t + m a i n + + + + + + + + + 4 + + + + + + + + + + + + + + v o i dm a i n ( v o i d ) c h a ra ： u i n ta = 0 x 0 0 5 5 ； w d t c t l = w d t p w + w d t h o l d ；p 停看门狗w d t c t l 看门狗寄存器+ u c t l o = c h a r ； 8 一b i t 接收控制寄存器u r c t l * u t c t l 0 = s s e l 0 ； u b r o o = 0 x 0 d ： u b r l 0 =