（生物医学工程专业论文）基于加速度的人体平衡检测系统研究.pdf

a b s t r a c t t h ee v a l u a t i o no fw a i k i n gs t a b i l i t yh a sp l a y e da ni m p o n a n tr o l ei nc l i n i c a l m e d i c i n ef o rl o n gt i m e n o w a d a y s ，t h er e l a t e d 蛐j d yh a sd 邑v e l o p e df o rm o r et h a n2 0 0 y e a r s ，h o w e v 盯，t h em o s ta p p l i c a t i o no n l yc a nb eu s e di nh o s p i t a la n dl i b r a r y a l o n g w i t ht 1 1 ep r o g r e s so fs o c i e 吼a n dt h ei m p r o v e m e n to fp e o p l e sl i v i n gs t a n d a r da n d h e a l t hc o n s c i o u s n e s s ，p e o p l ep a ym o r ea t t e n t i o nt ot h e i ro 、nh e a l t l la n dt h eq u a i i t yo f “f ed a yb yd a y s ot h ee 行e c t i v em e t h o d so f a s s e s s i n gb a l a n c ea i en e e d e d i nt 1 1 i ss t u d y aw a l l c i n gs 劬i l i t ) ra s s e s s m e n ts y s t e mw i t hat r i a x i a la c c e l e r o m e t e r h a sb e e nd e v e l o p e d ，r h ec o r eo ft h ed 州c ei sm i 啪c o n 仃0 l l e f t h ed e s 咖a d 叩t sa w i r e l e s ss y s t e m 仃a i l s m i 仕i n gt h es a r n p l e dd a t at oc o m p u t e r i tc a nb eu s e di na ut h o s e a p p l i c a 石o n s ，l 呔er e h a b i l i t a t i o n 锄ds p o n sm e d i c i n e ，、油e r et t l e 舶e d o mf o rs u b j e c t s m o v e m e n ti sac o m 仃a i n tf o r 也et e s t t h es 锄p l e 印p l i c a t i o 幽a r ep r e s e 玎【t e di nw h i c h aq u 刎t a t i v e 鹊s 懿s m e n to fs 讪i l i z a t i o ni n 也eh e a l t h yp e o p l ew 弱e x a m i n e d ni s p r 0 v e dt h a t 也ed e s i 印i se 仃e c t i v et oa s s e s sp e o p i e sw a l l ( i n gs 诅b i l i 何 o na c c o u n to ft 1 1 ec h a m c t e r 也a tt h ev e s t i b u l a ro r g 锄、他i c hf e e l t h ea c c e l e r a t i o n s i 弘a lh a sp l a y 觚i i n p o r t a n tr 0 1 eo nb a l a n c e ，t h et e s t sw e r ed e s i 驴e dt 0a c q u nt h e a c c e l e r a t i o ns i g n a lo fd i 丑 e r e mm 0 、r e l ：i l e n t s b a s e do nt h eo r i g i n a ld a t aa n a l y s i s ，t 1 1 e r e l a t i o nb e 铆e e nt h ea c c e l e r a t i o na n db a l a n c es t a t ec a nb er e v e a l e d i tw 嬲s h o w e d 也a tt h ec u r v e 锄dp e r i o d i c 时o ft h ea c c e l 删0 ns i 弘a lp l a y 加 i n 巾0 r t a _ n tp a ni nb a l 锄c e t h ef a c t o r s 僦ha s 也ea c c e l e r a t i o ns i 俨a la m p h t u d e ， 雠q u e n c y t t l ed i s 仃i b u t i o no ft l l ep r o c e s ss t 印，姐dt h es t 印v e l o c 时a l s oc a nb el l s e d 勰b a s i st oa s s e s st h eb a l a n c e t h es u c c e s so ft h es y s t e md e s i g na n dp r e l i m i n a 巧 r e s u l t sw i l ll a j dt 1 1 ef o u i l d 习l t i o nf o rt h e 触e rc l i n i c a ia p p l i c a t i o n k e yw o i m s ： a c c e l e r o m e t w a u ( i n gs 劬i l i 吼一a d c ，w i r e l e s s 仃a n s n l i s s i o n ， 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：毒手7 翘 签字同期： 凇7 年f 月厂黾同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：事易呙窑 导师签名： t 貌矽 签字同期：土司年( ) 月j 岳日 签字同期：文一7 年占月f 扩r 第一章绪论 第一章绪论 平衡是指人体在运动或受到外力作用时，控制其身体重心在身体支撑面上以 保持身体直立姿势不至于跌倒的一种能力。维持平衡是人体的一项重要功能，人 的坐、立、行等都以完整的平衡功能为基础，然而许多疾病常可导致平衡障碍。 当今，由于医学水平的飞速发展，各系统性疾病的诊断、防治和康复水平不断进 步，存活率不断提高，病损、残疾和残障却相对增多。因此，平衡功能检测在医 疗实践中的重要性日益受到国内外学者的重视。特别是步入2 l 世纪后，人口老龄 化问题已成为全球性社会问题，日益引起人们的关注。人体平衡能力是老年人体 质状况的一个重要检测指标，许多老年疾病如眩晕等都能引起老年人失衡【l 】o 人 体平衡的维持主要依赖于前庭、视觉和本体感觉系统的输人和中枢神经系统的整 合，而人体重心的变化可真实地反映各个感觉系统功能的相互作用和中枢整体功 能状态。从老年医学角度讲，视觉、前庭、本体等平衡感觉的功能在2 0 5 0 岁之 间最稳定，随后逐渐减退，至7 0 岁以后降低明显。平衡功能低下是老年人特别是 慢性病老年患者跌倒并由此引发一系列严重问题的主要原因。因此，精确评定老 年人平衡功能对预测危险因素、制定干预和康复措施、评价康复和治疗效果、病 情病程鉴别诊断具有重要价值。 1 1人体平衡研究的生理学基础 维持人体平衡的机制十分复杂，迄今为止，尚未彻底阐明。一般认为，保持 人体平衡共有三个环节：感觉输入，中枢整合，运动控制。感觉输入【2 】包括视觉、 本体觉和前庭系统的信息输入。视觉信息由视网膜收集经视通路传入视中枢，提 供周围环境及身体运动和方向的信息；本体感觉由分布于肌肉、关节及肌腱等处 的感受器( 螺旋状感觉神经末梢) 收集身体各部位的空间定位及肌紧张状态的信 息，经深感觉( 本体感觉) 传导通路向上传递；前庭系统包括三个半规管感知人体 角加速度运动和椭圆囊、球囊( 耳石器) 感知的瞬时直线加速运动及与直线重力加 速有关的头部位置改变的信息，经第四对颅神经进入脑干。三种感觉信息在包括 脊髓、前庭核、内侧纵束、脑干网状结构、小脑及大脑皮层等多级平衡觉神经中 枢中进行整合加工，经1 ，运动纤维传出的冲动调整梭内肌纤维的紧张性；而经q 运动纤维发放的冲动调整骨骼肌的收缩。头眼运动的反射中枢较低，反应较快； 第一章绪论 而随着运动的中枢较高，反应较慢。目前对平衡觉的输入、输出通路较清楚，对 平衡觉皮层r f l 枢定位尚不肯定，各级中枢相互联系及影响更有待于进一步研究， 神经冲动传导通路，如图卜l 。 图1 1 多种神经结构参与前庭刺激所产生的行为 另外，视觉及本体觉在前庭功能障碍时所具有的代偿作用以及两侧前庭相互 间具有代偿作用使问题更加复杂化。例如，视觉对于身体低频率的晃动具有稳定 作用；当前庭系统障碍时，视觉对站立位姿势控制的影响更大，对视觉依赖程度 的增加可以通过实验证明：在周围视觉环境快速变化或者阻断视觉输入时，会出 现更大的身体摆动，也可以通过日常生活中在复杂多变视觉环境中身体出现失去 平衡的主诉增多来反映【3 】。本体感觉系统通过位于肌腱、关节和内脏的本体感受 器，感觉身体各部位的相对位置和运动，有人认为其作用在维持平衡中较前庭和 视觉小【4 】。平衡功能中枢对感觉信息有复杂的调节整合作用，且个体差异比较大。 1 2 人体平衡研究的发展现状 很早以前人们就已经认识到人体平衡研究的重要意义，临床实践中也提出了 对平衡功能检测的要求【5 - 6 l 。早在1 8 5 1 年，r o m b e r g 就制定了平衡功能检测的 r o i n b e 唱检查法，受检者双足并拢直立，观察其在睁、闭眼时身体摇摆的情况。 1 9 6 6 年g r a g b i e l 在临床上开始使用单腿直立检查法及强化r o n l b e r g 检查法，前者 要求受检者单腿直立，观察其睁、闭眼情况下维持平衡的时间长短：后者要求受 2 第一章绪论 检者两足一前一后、足尖接足跟直立，观察其睁、闭眼时身体的摇摆。这些方法 尽管粗略且缺乏量化，然因其简单易行，尚有一定的敏感性和判断价值，至今在 神经科、耳鼻喉科、老年病科等临床学科中仍广为应用。 近年来，随着电子计算机技术在医学中的广泛应用以及测定方法的不断改 进，平衡功能的定量评定得以迅速发展。n a s l l i l e r 于1 9 6 7 1 9 7 0 年在麻省理工学 院( m i t ) 攻读博士学位时，受美国航空航天局州a s a ) 资助，建立了动态平板姿势 图( m p p ) 的方法学基础。1 9 7 l 1 9 8 2 年在美国国家卫生研究院( n i h ) 资助下建立了 正常人和中枢神经系统疾病患者的姿势摆动特征模型。1 9 7 8 1 9 8 5 年，n a s h n e r 与b l a c k 等一起对视觉、前庭觉和躯体本体感觉之间的相互协调对姿势控制的影 响进行了定量化研究，并确立了感觉整合测试( s e n s o r yo r g a n i z a t i o nt e s t ，s o d 的 基本模式。在此基础上，首台动态平衡测试仪( e q u 汀e s t ) 诞生于1 9 8 5 年，1 9 8 6 年 获得美国f d a 批准后，其系列产品( e q u 汀e s t 、b a l a n c em a s t e r 、s m a nb a l a n c e m a l s t 盯) 逐步成为平衡功能评定临床和科研方面的标准化设备。1 9 9 6 年美国医学会 ) 和美国耳鼻喉头颈外科协会( a a o h n s ) 通过了计算机姿势图测试标准 ( c p tc o d e9 2 5 4 8 ) 。 此后，基于姿势图的平衡能力评估方法日益完善，可以分为静态姿势图和动 态姿势图两种。静态姿势图评估方法【7 】需使用计算机控制的平衡稳定性测试仪， 以意大利产计算机控制的平衡稳定性测试仪为例，该仪器由压力传感器、计算机 及相关软件组成。压力传感器体积为4 8c m 4 8c m 7c m ，装有机械和电动转换 器，能感受人体重心( 压力重心或足力重心) 的移动情况，传感信号经处理后得到 对人体姿势控制的1 2 种参数，即：重心移动轨迹的总长度( p l ) 、重心移动轨迹占 据的总面积( c a ) 和区域速度( a s ) ；在左右方向的最大摆幅x ) 、平均摆幅( 】a x ) 、 摆动频率( f x ) 及摆动速度( s x ) ；在前后方向的最大摆幅( m y ) 、平均摆幅( m a y ) 、 摆动频率( f y ) 及摆动速度( s y ) ：平均摆速( m s ) 。受试者需脱鞋后在闭眼状态按特 定位置立于传感器平台上接受3 0 s 的测试，双手自然垂于身体两侧，两眼平视前 方。 动态姿势图的评估方法【8 】贝0 更为准确，受试者双足分别站立在2 块由计算机 控制可移动的压力传感器平板上，其前方及左右两侧为提供视觉信息的活动框。 支撑面和活动框可参照身体摆动方向一致活动，且可以调节增益，以减少测定时 视觉和下肢本体感觉对姿势反应的影响。压力传感器经数模转换后将信息输入计 算机处理，计算出各种参数，并可自动做出结论或输出图形。 基于姿势图的平衡能力检测方法可以检测人体姿势控制的多种参数，并以此 为基础对被测者平衡能力进行评估，十分方便、准确。但是，这种方法的缺点也 很明显，由于被测者始终在实验室内接受测试，这种气氛下很容易令被测者产生 第一章绪论 紧张的情绪，必然会影响数据的真实性，另外尽管动态姿势图法中用踏板的运动 来模拟真实生活中的运动，但模拟环境始终与真实的环境有差别，这也从另一个 角度限制了数据的有效性。因此这种方法产生的评估结果有效性并不是很强，不 能完全准确的反映被测者在日常生活中的平衡能力，更无法实现实时检测或是远 程监护等功能。有鉴于此，越来越多的研究者开始关注如何在日常生活中对被测 者平衡能力进行评估。 1 3 本课题的主要内容和意义 本研究着眼于利用加速度信号对人体平衡能力进行评估，设计一套基于采用 三轴向加速度传感器的便携式加速度检测系统，该系统可以通过无线传输的方式 将加速度数据传输到计算机上，并进行有关数据分析，从而对人体平衡能力作初 步评估，全文的主要内容可分为如下几个部分： 1 绪论部分介绍人体平衡学研究的现状和进展，介绍人体平衡器官的生理 学结构以及功能，平衡学研究的现状以及不足，并提出了本文的主要内容和研究 意义。 2 第二章着重对本文中所开发的便携式加速度检测装置的硬件电路部分进 行介绍，对传感器模块、数据采集模块、无线传输模块和数据储存模块的器件、 原理和工作方式分别进行说明。 3 第三章主要对设计过程中的软件开发进行介绍。对设计过程中采用的开 发环境进行描述，对于设备的数据采集、无线传输和数据储存的程序设计也做出 相应的分析。 4 第四部分详细介绍加速度检测实验的对象、方案以及结果，并对加速度 信号的特征进行了描述，对比健康人群正常速度行进、较快速度行进和病态行进 之间的区别，对运动平衡能力的评估进行了初步的探索。 5 第五章进行课题的总结和展望。 4 第二章系统硬件电路设计 第二章系统的硬件电路设计 2 1 系统整体设计 本文所设计的便携式加速度信号检测装置的主要功能是采集人体运动过程 中的加速度信号，并传输给p c 机，从而为平衡能力的评估提供依据。为使系统 能够采集被测者在日常生活状态下真实的加速度信号，所以设计中要注重舒适 感，尽量减小采集设备对被测者自由行动的影响，并且为了适应外界复杂恶劣的 环境，系统应具有精确度高、功耗低、性能稳定可靠等优点，因此，从结构上看， 该系统主要由四个模块组成，包括：加速度传感器模块、数据采集模块、数据存 储模块和数据无线传输模块。其中，加速度传感器电路主要由三轴向直线加速度 传感器m m a 7 2 6 0 q 组成，数据采集部分围绕带有8 0 5 1 和闪存的高性能a d c 芯片 m s c l 2 1 0 进行设计，同时这部分电路还担负着系统整体控制的任务，数据存储电 路和无线传输电路则分别选用三星公司的n a s h 器件k 9 f 5 6 0 8 u o m 和无线传输模 块p t r 8 0 0 0 来实现。图2 一l 为便携式加速度采集装置的系统框图。 图2 一l 便携式加速度采集装置的系统框图 8 第二章系统硬件电路设计 2 2 加速度传感器 2 2 1 加速度传感器概述 加速度传感器的主要功能是采集人体运动过程中的加速度信号，从而为后期 人体平衡能力的评估提供依据。因而在设计中主要考虑如何才可以保证获得信号 的真实有效性，具体包括以下三个方面： 1 选取高集成度的传感器：传统设计中所采用的传感器大都是单轴向传感 器，这样实现三轴向加速度的检测时就需要用三个传感器共同工作，不但功耗大， 安装不方便，而且较大的体积也会对设备的便携性带来不利的影响，甚至使实验 者佩带传感器时感到不适而无法得到自由运动情况下的数据。 2 传感器的采样频率和反应时间应适合加速度信号的采集的要求：根据j j a a v a n a 曲网等人的研究，人体运动时三轴向的加速度频带都在几十赫兹左右，这 就要求所选用的传感器可以满足这一频带的测量要求。 3 传感器的功耗较低：由于传感器需要放置在人体表面，因而不宜采用市 电供电的方法，电源线会极大的限制被测者的活动范围以及自由度，最终影响采 集数据的真实性。而采用电池进行供电，就必须考虑降低设备的功耗，延长电池 的使用寿命。 以往的设计中加速度传感器大多采用压电式传感器，它是采用压电材料作为 信号传感器，同时又提供再平衡力的一种加速度计。这种加速度计一般由检测质 量、压电材料、电极、放大器和壳体等部分组成。当惯性力通过检测质量作用于 压电材料时，压电材料产生弹性应变，由压电材料的机电特性提供再平衡力，并 由于压电效应而在两极之间产生与加速度成比例的电位差。但压电式传感器也有 明显的缺陷，它对常值加速度不敏感，受温度影响大，要求有高输入阻抗的放大 器。同时，以往所采用的传感器体积较大，大多又都是单轴向加速度传感器，并 不适宜人体加速度信号的测量。 本文中选用飞思卡尔公司的最新推出的三轴向高灵敏度加速度传感器一 m m a 7 2 6 0 q 。m m a 7 2 6 0 q 能在x y z 三个轴向上以极高的灵敏度读取低重力水 平的坠落、倾斜、移动、放置、震动和摇摆，它是同类产品中的第一个单芯片三 轴向加速器，避免了以往设计过程中采用三组单轴向加速度传感器同时工作所带 来的弊端。其内部功能框图如图2 2 。 与以往的压电式加速度传感器不同， 心压a 7 2 6 0 q 采用硅为原料制作敏感元 件，这使它具有可靠性高、结构简单、成本低等优点。m m a 7 2 6 0 q 的功耗极低， 工作电压只有2 2 3 6 v ，工作时电流只有5 0 0 u a ，另外提供休眠模式，当设备进 入休眠模式时电流仅为3 u a ，非常适宜采用电池的方式进行供电。其集成度很高， 9 第二章系统硬件电路设计 传感器内部集成了滤波电路，可以有效地降低噪声( 噪声仅为4 7 m v 哪s ) ，只需要 很简单的外围电路就可以得到高分辨率和精确度的信号，大大的降低了设计的难 度。此外，m m a 7 2 6 0 q 提供了多量程范围以供选择，可以根据测量是人体运动 的剧烈程度加以选择，十分利于后期实验的设计。另外，它的反应时间仅为1 m s ， x y 轴向检测加速度的频带为3 5 0 h z ，z 轴向检测加速度的频带为1 5 0 h z ，完全可以 满足采集加速度信号的要求。 2 2 2 外围电路设计 v 篱 图2 - 2m m a 7 2 6 0 q 功能框图 压a 7 2 6 0 q 的外围电路十分简单，只需要很少的元器件就可以组成。传感 器检测加速度信号时可以分成4 个档，每个档都对应着不同的量程和敏捷度。传 感器工作时通过向g s e i e c t l 、g s e i e c t 2 管脚输入不同的逻辑电位进行选择，具体 说明见表2 1 。考虑到检测被测者日常行走过程中加速度信号的实际需求，本设 计中量程选择为1 5 9 ，如果需要测量特殊情况下的加速度信号可以通过更改跳线 方式选择更高的量程，这样设计的好处是可以在检测过程中随时进行调整，灵活 而又方便快捷。 表2 1g - s e l e c t 管脚说明 g - s e l e c t l g s e l e c t 2 量程 敏感度 0o 1 5 9 8 0 0 m v 儋 ol 2 96 0 0 m v g 1 o 4 9 4 0 0 m v g l1 6 92 0 0 m v 儋 1 0 第二章系统硬件电路设计 另外值得注意的是加速度传感器m m a 7 2 6 0 q 提供了休眠模式，当设备不工 作时可以将1 2 脚( s l e e pm o d e ) 置低电平，传感器进入休眠模式电流仅为3 u a 。 而当重新使用该传感器时将1 2 脚置高电平，传感器恢复工作。这种设计降低了系 统的功耗，延长了工作时间。 2 2 3 加速度信号的校准 在实际使用之前需要对加速度传感器的输出进行标定，如若输出值误差较大 则很难保证加速度数据信号采集的有效性。本设计对m m a 7 2 6 0 0 进行了如下两 项测试： 1 将传感器放置在光学平台上( 视为水平面) ，观察其在o g 加速度条件下的 输出，测试结果传感器z 轴向在o g 的条件下输出为1 6 5 v ，说明传感器工作正常。 2 仍将传感器放在平台上，观察1 分钟内的结果，并用a d 采集设备进行采 集，计算出最大偏差值，实际结果出现了最大3 的偏差，属于可以接受的误差 之内。 2 3 数据采集 数据采集电路的主要工作是完成加速度信号由模拟量到数字量的转换，并利 用单片机对系统整体进行控制。设备的选取不应仅仅围绕模数转换精度和速度， 考虑到设备工作环境较为复杂，要求设备有较好的稳定性，才能适应不同环境的 工作，同时过于沉重复杂的设备会使被测者感觉不适，甚至影响到其运动的灵活 性，这就对设备的便携性也提出了一定的要求。此外，根据被测量信号的特点， 我们选用多轴向的加速度传感器，也会在设计中引入一些其他信号的测量，这就 要求数据采集系统可以支持尽可能多通道的信号采集。 2 3 1带8 0 5 1 内核的系统级a d c 芯片m s c l 2 1 0 m s c l 2 1 0 【1 0 1 2 】是德州仪器公司推出的系统级高精度a d c 芯片系列，其内部 集成了2 4 位高精度a d c 、8 通道多路模拟开关、可选缓冲输入、l 1 2 8 的 可编程增益放大器( p g a ) 、温度检测器、电压参考、8 位微控制器8 0 5 1 内核、3 2 k b 的闪速存储器以及l l ( b 的静态数据存储器。该系列的封装为t q f p 一6 4 表面贴装形 式，十分适于要求体积小、集成度高、精度高的测量系统。 第二章系统硬件电路设计 m s c l 2 1 0 的结构框图如图2 4 ，该器件的片内外设包括3 2 位累加器和带有 f i f o 的s p i 串口、两个全双工的u a r t 、 低压检测、片内上电复位、1 6 位p w m 、 多通道数字输入输出、看门狗定时器、 断点和节电复位的三个定时器计数器。 图2 - 4m s c l 2 1 0 功能框图 1 m s c l 2 1 0 中高性能8 0 5 1 内核简介 m s c l 2 1 0 系列芯片的所有指令与标准8 0 5 1 兼容，相同标志位、功能寄存器的 功能也是一致的。但m s c l 2 1 0 在速度上有很大的提高：对于同样的外部时钟，指 令执行速度提高1 5 3 倍，这就使用户可以使用较低的外部时钟，以降低系统的噪 声和功耗。m s c l 2 1 0 还提供了双数据指针，可以加速整块数据的移动。在访问外 部数据存储器时，还可以使访问周期延展2 9 个指令周期，以适应不同的外设速 度。3 2 位的累加器也可显著地减少系统开销。它可在几个指令周期内完成2 4 位 a d c 结果的加法或移位操作，而同样的操作用软件完成则需要上百个指令周期。 指令周期时序图如图2 5 。 c 1 c 2d ( c 3c 4c | c 2d (c 3 c 4l yc 1 图2 5 指令周期时序 1 2 0 l r i ：一4 s 6 r 订 脚n k 肺n 蹦蹦n 似 土a a a a a c 似 聃 聃 蚰 虬 竹 c 第二章系统硬件电路设计 m s c l 2 1 0 内部的时钟控制电路可以方便地设置不同的时钟信号。其秒、毫秒、 微秒定时中断寄存器可以为系统定时控制提供方便，如设置内部f l a s h 擦除时 间、写入时间。m s c l 2 l o 的所有i o 口都可以通过寄存器，配置成标准8 0 5 1 ( 上 拉) 、c m o s 输出、漏极开路输 丑、输入四种方式中的一种。 2 可编程增益放大器p g a 可编程增益放大p g a 可以设为l 、2 、4 、8 、1 6 、3 2 、6 4 、1 2 8 ，使用p g a 能提 高a d c 的分辨率。当p g a = l ，量程范围为5v 时，a d c 能分辨到l u v ；当p g a = 1 2 8 ， 量程范围为4 0 m v ，正适合一般压力传感器的输出范围。 3 电压参考基准 m s c l 2 1 0 的电压参考可以是内部的也可是外部的，参考电压的选择通过 a d c o n 0 控制。内部参考电压有1 2 5v 和2 5v 两种可选，其精度可达0 2 ，温漂 仅为5 l 旷，大大提高了测量精度。 4 高性能2 4 位a d c 及其应用 m s c l 2 1 0 内带8 路2 4 位模数转换器，自身可实现温度检测、输入源开路短路 检测、增益和漂移校准等。内核中的3 2 位累加器可实现2 4 位结果的快速累加计算。 输入多路转换器将切换多路模拟输入信号到输入缓冲器。共有9 路输入信号， 其中l 路为片内温度传感器信号，其余8 路每路输入可设置单极性输入或差分输 入，通过a d 姗寄存器可随意配置其输入信号的正端与负端。片内配置有模拟 输入缓冲，当使用输入缓冲时，典型输入阻抗为1o gq ；当不使用模拟输入缓冲 时，输入阻抗( 单位为q ) 由时钟频率与增益决定，如式( 2 1 ) 。 一 ，1 106 5 1o6 。 么胁= ( ) 【一) ( 2 1 ) ja c l k a p g a a d c 的转换结果存储在a d r e s h ( 高字节) 、a d i 也s m ( 中字节) 、a d r e s l ( 低字 节) 中，配合总和寄存器和移位寄存器，可以方便地实现多次测量结果的累加和 平均。总和寄存器是1 个3 2 位寄存器，被分为s i 瓜瓜0 ( l s b ) 、s u m r l 、s i m 瓜2 、 s l 刀】姆( m s b ) ，可以进行最大2 5 6 次测量结果的累加和平均。当然，要得到测量 结果的平均值，应当使累加次数和平均次数一致。 2 3 2 数据采样外围电路设计 1 电源 第二章系统硬件电路设计 在设备的实际工作中，电源模块要为数字电路以及模拟电路分别供电，幅值 为3 3 v 和5 v 。为了不影响被测者的行动自由，系统设计采用电池的方式进行供 电，经降压模块后输入后级电路。此外，考虑到采用电源将在较长的工作时间内 工作以及户外工作中较为复杂的环境要求，电源的设计中更加注重稳定性的因 素。 本系统设计过程中采用l d o 线性稳压器件a m s l l1 7 进行稳压。a m s l l l 7 具 有较为完善的功能，在输入电压4 7 5 1 2 v 的条件下可以输出3 3 v 电压，在输入 电压6 5 v 的情况下可以输出5 v 电压，因而十分适于使用电池对电路进行供电， 在设计中我们采用4 节5 号电池( 输入9 v 电压) 进行供电，可以很好的满足后级电路 的供电需求。 a m s l l1 7 的精度很高，稳定性很好，它的输入电压调节率( 输入电压在额定 范围内变化时，输出电压之变化率) 低于o 2 ，负载调节率( 输出电流于额定范围 内变化( 静态) 时，输出电压之变化率) 。同时a m s l l1 7 具有防短路的功能，当设备 发生短路时，电流增大，a m s l l l 7 自动切断电源，可以有效地保护电路。 2 接地和退耦 电路设计中采用旁路电容进行退耦，在芯片的供电端和接地之间配合使用电 解电容靠近芯片放置从而达到消除干扰的目的。在部分电路中更是采用了在一个 大容量的电解电容c 旁边又并联了一个容量很小的无极性电容c 的方法，这样大 容量电解电容肩负着低频交变信号的退耦，滤波，平滑之作用；而小容量电容则 以自身固有之优势，消除电路网络中的中、高频寄生耦合。 为了较好的抑制地线引入的干扰，电路板采用敷铜处理以获得更好的地电 平。模拟地和数字地进行了区域划分，并且采用了一点共地式连接，即两者仅在 电源芯片的接地端一点相交。 3 模拟端输入接口 m s c l 2 1 0 y 5 允许不同的输入信号进行组合，最多可以输入8 路单端输入信号 或是4 路差动信号，实验中，我们用两组三轴向直线加速度传感器采集信号，需 占用6 条单端输入通道同时还留有两条通路可以再支持其它信号的采集，增强 了系统的可扩展性。 4 p c 机接口设计 系统的串口通讯采用眦3 2 4 3 ，并利用缓冲器7 4 h c l 2 5 d 增强其驱动能力， 其电路原理图如图2 6 。眦3 2 4 3 产品是由德州仪器公司( t i ) 推出的一款兼容 1 4 第二章系统硬件电路设计 r s 2 3 2 标准的芯片。该器件包含3 驱动器、5 接收器和双电荷泵电路，并带有管脚 士1 5 k ve s d 保护。值得注意的是p c 机接口电路中还接入了d t r 和r t s 的控制，用 以实现下载过程中串口自动复位。 i 订s r j n l r o u t l i 订s d t r r i n 2r o u t 2 b d t r t x d d o u t ld i n l t x d r i n 3r o u t 3 r x dr x d p c 7 4 h c l 2 5 d m a x 3 2 4 3 5 复位电路 图2 6 与p c 接口设计 某些单片机采用i s p ( i ns y s t e mp r o g r a n m l i n g ) 方式下载程序，并不需要将器件 从电路板中取下，这种方式下载程序就要求单片机在出厂时要固化一段程序 ( l o a d e rr o m ) ，用来完成从上位机下载用户程序代码的任务。而这种方式的弊端 就是要求单片机复位时进行判断是执行用户程序还是执行l o a d e rr o m ， m s c l 2 1 0 单片机就是这种情况，它内部带有2 k b 的b o o tr o m ，在编程模式下单 片机运行b 0 0 tr o m 的程序，在用户模式下运行用户程序，判断的依据是在上电 复位的过程中对a l e 和p s e n 两个管脚进行测量，具体说明参考表2 2 。 表2 2 编程模式功能 a l e p s e n编程模式选择 n cn c正常运行 oi 并行编程 lo 串行编程 0 0保留 系统选用t p s 3 8 3 8 辅以其他器件设计电路，具体工作电路图如图2 7 。 t p s 3 8 3 8 是t i 公司新推出的一种新型电压监控芯片，其主要特点是：可对电源电 压1 8v ，2 5v ，3v ，3 3v 进行精确监控；超低功耗，其典型供电电流为2 2 0 n a ； 防按键抖动的手动复位输入功能；漏极开路式低电平复位信号输出方式；温度适 应范围是4 0 8 5 ；另外，t p s 3 8 3 8 的一个重要的特点是其引脚接法的不同可以 产生不同的复位延时时间，当c t 与g n d 相连时，复位信号的延时时间为1 0 m s ， 当c t 与v d d 引脚相连时，复位信号的延时时间t d 为2 0 0 m s 。 1 5 第二章系统硬件电路设计 电路设计通过按键s 1 s 2 进行手动复位，当s l 按下复位芯片输出复位信 号接入m s c l 2 i o 的复位端，单片机进行普通复位。而当按下s 2 后，由于二极管 的作用，两组复位芯片都会输出复位信号，并且由于t p s 3 8 3 8 的c t 分别采用两种 不同的连接方式，复位信号的延时并不相同，这样就在单片机复位后仍可以检测 p s 脒脚有低电平信号，从而进入编程模式执行b o 眦r o m 里面的程序。 f 1 。，一 p 1 “ l 。唯卜 蘸 蘸3 哥 曩一 = 鲞 i 基蚩啦醛瓢 孟a 卫 黼f 曼覃；匡l 笺拦 刘释 ：；8 蹴鞴“f 急“ 川f # # 裂嚣崩m“ ! i 菇军常# + 古 0 十h h h 卜什hr 1 。 1j【 甘剖斗k u ho j 斗1 引阳hr | _ t 刊pl 卜卜 十f l 十l h l l 【i l ，f ；4 l 一：，t h 1h 1 ；h h i j * 目f 一”。 图 7 复位电路原理图 另外，设计中也支持通过串口信号进行下载过程中的自动复位，串口主要引 脚有t x d 、r x d 、d t r 和r t s ，其中串口第2 脚是t x d ( 数据发送h 言号；串口第3 脚是h d ( 数据接收) 信号；串口第4 脚是r s 2 3 2 的d t r ( 数据终端就绪) 信号由p c 机程序控制，通过仲s 3 8 3 8 连接到单片机的复位端，在电路中的作用是产生单片 机复位信号：串口第7 脚是r s 2 3 2 的r t s ( 请求发送) 信号，也由p c 机程序控制，它 通过另一片t p s 3 8 3 8 连接到单片机的p s e n 端，在电路中的作用是把p s 肼拉低， 同时产生复位信号。这样由p c 机上的下载软件对单片机编程时，p c 机下载软件 发出“r t s ”信号使单片机复位后p s e n 信号依然保持低电平代替使用按键s 1 ， 使单片机进 串行编程模式。下载软件发出“d 丁r ”信号则使电路产生正常复位， 第二章系统硬件电路设计 运行用户程序，代替使用按键s 2 。这样做省去了频繁的按键操作，给编程调试带 来了很大的方便。 另外，在系统的设计过程中，用2 个l e d 分别指示数字电路和模拟电路的电 源供电状态，再将两个l e d 连接到空闲的端口上，这样就通过可以编写简单的程 序来验证单片机是否正常工作。 2 4 无线数据传输 为了获得真实有效的信号，被测者是在日常的工作生活中采集运动加速度信 号的，因而采集地点也大多在室外，在这种条件下使用数据线进行采集信号的传 输并不方便，不但严重影响了被测者活动自由而且很容易造成被测者的不适，所 以在设计的过程中采用无线传输的方式进行信号传输，即通过无线模块将加速度 信号传出，再用另一块无线模块接收并传递到单片机上。无线通信虽然在可靠性 和传输速率等方面略输于有线通信，但它抛开电缆的束缚，不受时空限制，安装 方便，组态灵活，维护方便。 目前，短距离无线通讯方式主要有两种：i r d a ( i n f m dd a t a 舡s o c i 撕0 n ) 红外 技术和工作于i s m ( h d u s t r i a ls c i e n t i f i cm e d i c a l ) 频段的射频( r f ) 技术，又分为普通 r f ，蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术，h o m e r f 等。红外技术的缺点是红外方向性强，通信 距离较短，不能有遮挡物等。与普通i 心技术比，蓝牙和h o m e i 心不仅技术复杂度 高，软硬件设计及其协议编程复杂，而且传输距离相对较近。目前国内外已经开 发出各种基于r f 技术的无线数传模块，以工作于4 3 3 m h z 和2 4 g h z 频段为多。其 显著特点是：所需外围元件少，设计方便；工作于国际开放的i s m 频段，无需向 专业部门申请使用许可；作为无线技术方案，系统升级容易；系统功耗低。 2 4 1p t r 8 0 0 0 无线模块 p t r 8 0 0 0 模块【1 3 - 16 】是以挪威n o r d i c 公司推出的n i 心9 0 5 单片无线收发芯片为 核心，配以滤波电容、晶振、天线等外围电路制作而成。n i 江9 0 5 是一款工作在 4 3 3 8 6 8 9 1 5m h z 上的单片无线射频收发芯片，由频率合成器、接收解调器、 功率放大器、晶体振荡器和调制器组成。数据速率5 0k b l s ，发射功率可调，最大 为+ 1 0 ( 1 b m ，独特的载波检测输出( c d ) 、地址匹配输出( 川) 、数据就绪输出( d r ) ， 自动产生前导码和c r c ( 循环冗余码校验) ，使用s p i 接口与微控制器通信，配置非 常方便。此外，n i 江9 0 5 的工作电压范围为1 9 v 3 6 v ，其电流消耗很低，发射 1 7 第二章系统硬件电路设计 电流约为l l i n a ( 1 0 d b m 输出) ，接收电流约为1 2 5 m a ，待机电流为2 u a 。p t r 8 0 0 0 非常适于本系统使用，首先是其体积超小，仅为4 0 2 7 5 n n n ，被测者使用时 不会因体积过大而感到不适。更重要的是它采用高抗干扰g f s k 调制，并使用采 用d d s ( 直接数字合成) + p l l 频率合成技术，因而数据传输稳定、抗干扰性比较好， 适于日常检测时复杂多变的外部环境。该模块的外部引脚说明参见表2 3 。 表2 - 3 模块外部引脚说明 管脚 说明 功能 方向 p i n lv c c 正电源1 9 3 6 v 输入 i n p u t p i t l 2 t x e n t x e n = “l ”发射模式，t x e n = “o ”接收模式，1 1 1 p u t p i n 3t r xc e使能发射接收模式( 区别于配置模式) i n p u t p i n 4p w rp o w e rd o 、v i l 模式 1 1 1 p u t p i n 5u c l k时钟分频输出 o l l 印u t p i i l 6c d载波检测输出 踟h f p i n 7a m 地址匹配输出 o l l t p u t p i l l 8d r 数据就绪输出 o 【l 印u t p i n 9 m i s o s p i 输出 饥印u t p i n l om o s is p i 输入 i i l p u t p i n l ls c ks p i 时钟 m p u t p i i l l 2c s n s p i 使能，低有效 i i l p u t p i n l 3g n d电源地 p _ i n l 4g n d电源地 n r _ f 9 0 5 有两种工作模式和两种节电模式。在s h o c kb u 抵t 模式中，m c u 按 时序把接收机的地址和要发送的数据通过s p i 接口传送给i l i 疆9 0 5 ，首先m c u 置高 t i c e 和t x e n 来激活n i u 9 0 5 发送；然后n i j 口9 0 5 自动产生前导码和c i 屺校验 码，数据就绪输出信号通知m c u 数据传输已经完成；最后设置砸一c e 为低， n i 江9 0 5 结束数据传输并自动进入s t a n d b y 模式。当t i c e 为高、r i x e n 为低时， r l i 江9 0 5 进入s h o c k b u r s t r x 模式。当一个有效的数据包接收到后，n r f 9 0 5 自动移 去前导码、地址和c r c 校验位，然后把数据准备就绪引脚( d r ) 置高，通知m c u 数据传输已经完成。m c u 以设定的速率通过s p i 接1 3 读出有效数据，并把c e 置低，l l i 疆9 0 5 进入空闲模式。 第二章系统硬件电路设计 2 4 2p t r 8 0 0 0 与单片机( m s c l 2 1 0 ) 的硬件连接 这一部分电路主要负责将加速度信号发送出，由于p t r 8 0 0 0 内置有完整的通 信协议和c r c ，因此它只需通过s p i 接口就可以完成所有的无线收发传输。由于 m s c l 2 1 0 不具备s p i 接口，所以要利用单片机i o 口模拟s p l 接u 来实现单片机与 p t r 8 0 0 0 之间的通信。按如图2 8 所示连接后，只需要单片机相应i o 按照s p i 接口 所需的时序就