电子论文-加速度传感器MMA7260在步态特征提取中的应用.pdf

第20卷 第3期 2007年3月 传 感 技 术 学 报 CHINESE JOURNAL OF SENSORS AND ACTUATORS Vol 20 No 3 Mar 2007 Application of Accelerometer MMA7260 in the G ait Feature Extraction HOU Xiang2f eng L IU Rong 3 Z HOU Zhao2f eng Department of Electronic Inf ormation and Engineering Hua Zhong Normal University Wuhan430079 China Abstract Introduces the principle of accelerometer MMA7260 and discusses a direct and effective method for gait feature extraction with MMA7260 In order to extract gait feature a test system which is mainly composed of MMA7260 and microcontroller ADUC841 is designed After capturing the acceleration signal of gait through adopting MMA7260 the signal is sampled and converted to the characteristic data via the built2in ADC of microcontroller Then the characteristic data of gait are saved in SRAM Having transmit2 ted the characteristic data of gait to the computer through serial port we can see their waveform via the Matlab This verifies the method is effective Key words acceleration sensor gait feature A D conversion EEACC 7230 加速度传感器MMA7260在步态特征提取中的应用 侯向锋 刘 蓉 3 周兆丰 华中师范大学 电信系 武汉430079 收稿日期 2006205215 修改日期 2006205215 摘 要 介绍加速度传感器MMA7260的工作原理 结构及功能 提出了一种采用MMA7260提取步态特征的有效方法 实 验中 MMA7260与微控制器ADUC841组成一个测试系统 由MMA7260捕获步态的加速度信号 微控制器的内置模数转换 器对其进行采样和A D转换后 就得到了步态的特征数据 将其存储到静态存储器中 步态特征数据通过串口被送入计算机 借助于Matlab可以看到周期性的步态特征信号波形 关键词 加速度传感器 步态特征 A D转换 中图分类号 TP212 1 文献标识码 A 文章编号 100421699 2007 0320507205 步态就是人走路的姿势 作为一种生物特征 它 具有不受距离影响 非侵犯性 难以伪装 受环境影 响小等独特的优点 因而近年来倍受关注 国内外的 许多知名大学和研究机构如美国麻省理工学院 中 国科学院自动化研究所等都广泛展开了步态识别研 究工作 1 步态特征的独特性为人的身份识别提供 了有效线索 对医疗上的异步病态 偏瘫等疾病的预 防 诊断和康复也可以起到很显著的辅助作用 而 且 在现代化的体育训练中 也可以通过步态特征来 监测运动员的体能消耗情况 动作准确程度等 从而 制定出科学的训练方案 此外 步态在机器人的行 走 人的行为理解等科学研究上也占有举足轻重的 地位 步态特征提取是步态特征应用的前提 目前 主 流的步态特征提取是基于图像的 主要方法可分为 两大类 基于模型和基于特征 基于模型的方法是将 人用合适的模型表示 如Lee 2 采用七个椭圆表示 人的侧面二值化图像的身体的不同部分 每个部分 用一个椭圆表示 Yoo等 3 根据解剖学的知识 计算 人体各个关键部位的运动学特征 Cunado等 4 将 大腿建模为链接的钟摆 从其倾斜角度信号的频率 分量中获取步态特征 基于特征的方法是直接从人 体图像当中提取出步态的特征数据 如Amit Kale 等 5 王亮等 6 把人的二值化图像的侧面外轮廓作 为步态的特征 J Little和J Boyd 7 把步态序列图 像的光流的频率和相位信息作为步态特征 以上方 法都是建立在视频处理 图像处理的基础上 在下面 的假设下进行的 假设人的行走方向与摄像机的 镜头主轴的方向垂直 假设摄像机静止 并且摄 像机的视角范围内只有一个人在运动 然而 动态环 境中拍摄的图像结果会受光照变化 运动目标的影 子等多方面因素的影响 这会给基于图像的步态特 征提取带来了较大困难 所以 Heikki Ailisto等 829 提出一种采用加速度传感器来获取步态特征的方 法 避免了动态环境中多方面因素对捕捉图像的不 利影响 降低了数据处理的难度 开辟了步态特征获 取的新途径 但此方法采用装备有DAQ1200数据 采集卡的笔记本电脑来采集数据 不仅成本高 而且 不便于测试对象携带 本文提出了一种基于加速度传感器的步态特征 提取方案 该方案采用Freescale公司的三轴加速度 传感器MMA7260测量步态的加速度信号 并用 ADI公司的微控制器ADUC841作为核心控制器 控制其内置的模数转换器对加速度信号进行采样 A D转换 然后将数据存储在静态存储器中 该测 试系统由便携式蓄电池组为其供电 可脱机使用 根 据需要 步态特征数据还可通过串口传送到计算机 中 以供不同领域的研究者进行分析 1 MMA7260简介 1 1 功能介绍 MMA7260是美国Freescale公司最新推出的 一款低成本单芯片三轴加速度传感器 该微型电容 式加速传感器融合了信号调理 单极低通滤波器和 温度补偿技术 并提供了四种加速度测量范围 分别 为 1 5gn 2gn 4gn和 6gn MMA7260 还具有很高的灵敏度 当选择 1 5gn的测量范围 时 灵敏度达到800 mV gn 它采用6 mm 6 mm 1 45 mm QFN的封装 体积超小 只需很小的板 卡空间 而且 MMA7260提供休眠模式 是电池充 电的手持设备产品的理想之选 它具有三轴向检测 功能 使便携式设备能够智能地回应位置 方位和移 动的变化 MMA7260的其主要特性如下 XYZ 具有三轴向的感应功能 可选的加速度范围 1 5gn 2gn 4gn 和 6gn 低电流消耗 500 A 休眠模式 3 A 低电压运行 2 2 3 6 V 快速启动时间 1 ms 低噪音 达到更高的分辨率 更高的精确度 超小体积 6 mm 6 mm 1 45 mm QFN封装 高灵敏度 800 mV gn 1 5gn 由于MMA7260传感器可准确测量三轴低量 级下降 倾斜 移动 定位 撞击和震动 因此在HDD 保护 MP3播放器 游戏 便携式电子设备中得到了 广泛的应用 本设计中则采用MMA7260来测量人 走路时三维的加速度信号 1 2 结构与原理 MMA7260的功能如图1所示 X Y Z三个相 互垂直方向上的加速度由G2Cell传感单元感知 经 过容压变换器 增益放大 滤波器和温度补偿后以电 压信号输出 图1 MMA7260功能框图 G2Cell传感单元是由半导体材料经微机械加工 艺生产的微机械结构 整个物理模型由一对挠性轴 其支撑的极板及中间极板上的检测质量块组成 G2 Cell的极板构成了两个背对背的平板电容 如图2 所示 当系统被给定一加速度时 检测质量块所附属 的中间极板就会偏离无加速度时的位置 这样它到 一边固定极板的距离就会增加 同时到另一固定极 板的距离就会减小 因此电容值也随着极板间距离 的改变而改变 这就是对加速度的度量 电容值经过 容压变换器转换为电压值 进过增益放大器 滤波器 和温度补偿以电压的形式作为输出信号 图2 G2Cell单元的物理模型 1 3 引脚配置 MMA7260的三个相互垂直的传感方向如图3 所示 MMA7260的引脚配置如图3和表1所示 表1 MMA7260引脚功能 引脚序号引脚名称描述 1gn2Select1输入逻辑电平 选择灵敏度的级别 2gn2Select2输入逻辑电平 选择灵敏度的级别 3VDD电源输入 4VSS电源地 805传 感 技 术 学 报2007年 续表 引脚序号引脚名称描述 5 11N C悬空 12Sleep Mode休眠模式 13ZOUTZ方向输出电压 14YOUTY方向输出电压 15XOUTX方向输出电压 16N C悬空 图3 MMA7260的传感方向 2 步态特征提取电路的设计 2 1 硬件电路设计 在步态特征提取中 首先使用MMA7260来获 取三维步态加速度信号 然后传送给微控制器 ADUC841进行处理 ADUC841是ADI公司最新 推出的一款高集成度的微控制器 其内核是优化的 8052 执行速度达20 MI s ADUC841芯片内提供 了一个高精度 低偏差并经过工厂校准的2 5 V参 考电压 它内置有8个独立的12 bit模数转换通道 2个独立的12 bit数模转换通道和温度传感器 MMA7260和ADUC841的集成度都很高 使得步 态特征提取测试系统的硬件设计大大简化 在ADUC841与MMA7260的接口中 首先要 考虑噪声问题 因为MMA7260内部采用了开关电 容滤波器 有时钟噪声产生 所以需要在MMA7260 的XOU T YOU T和ZOU T三个输出端分别接RC 滤波器 如图4所示 图4 MMA7260Q与ADUC841接口原理图 MMA7260输出的步态加速度信号是模拟信 号 必须将其转换为数字信号 这就要考虑传感器 MMA7260的输出电压和微控制器ADUC841内置 模数转换器输入电压范围的匹配问题 本文在设计 时将MMA7260的g2Select1和g2Select2两引脚均 置为逻辑低电平 即选择了加速度的范围为 1 5 gn 在保证MMA7260处于测试标准位置的情况 下 其X轴和Y轴的输出电压为0 45 2 85 V Z 轴的输出电压为1 25 3 65 V 而ADUC841的 ADC只 可 以 接 受0 2 5 V的 电 压 显 然 MMA7260的输出电压有可能超过ADUC841的 ADC的 电 压 接 受 能 力 因 此 在MMA7260与 ADUC841接口的电路中采用了4 7 k 和10 k 电阻分压 这样既可保持信号的形状 又可使 MMA7260的输出符合ADUC841的输入要求 另外 为了增强前后级电路间的阻抗匹配能力 在接口电路中XOU T YOU T和ZOU T三个通道 中都采用了由运放OP491组成的射随电路 它对步 态特 征信 号 还 有 一定 的 驱 动作 用 增 强 了 由 MMA7260等组成的前级电路的带负载能力 由于MMA7260固有的内部采样频率为11 kHz 设计电路时其外部电源供电开关频率及 ADUC841的A D采样频率都应不与之干扰 以防 产生混叠误差 为了更准确的获取步态加速度信号 在硬 件 电 路 实 现 时 还 应 保 证MMA7260与 ADUC841的物理连接距离最短 以减少寄生电阻 寄生电容的产生 防止加速度信号的衰减和噪声的 干扰 上述设计电路中我们选用了IS62C256来存储 得到的步态加速度信号 当然这里静态存储器的大 小可以根据研究者对数据精确度和脱机时间等不同 的要求来进行选择 2 2 软件系统设计 由MMA7260获取的 步 态加 速 度 信 号 经 ADUC841内置的模数转换器采样 A D转换后 存 储于静态存储器中 X轴 Y轴和Z轴三个方向上 的数据分别占用了ADUC841的第一个 第二个和 第三个模数转换通道 本文采用了500 Hz的采样频 率 根据实验分析的要求 X轴 Y轴和Z轴三个方 向上均需要记录4 000个数据 每个数据占用2 byte 于是在静态存储器中为三个方向的数据分别 分配了10 kB的存储空间 本文设计时选用了ADUC841的三个16位定 时 计数器中的Timer0来产生定时中断 以保证 500 Hz的采样频率 主程序包括初始化 判断数据 采集按钮和传送数据按钮是否按下以及向计算机传 输数据等程序 在Timer0初试化程序中 设置TL0 0 xE0 TH0 0 xB1 控制主程序每2 ms产生一次 905第3期侯向锋 刘 蓉等 加速度传感器MMA7260在步态特征提取中的应用 中断 在中断处理中 依次对X轴 Y轴和Z轴三个 方向上的信号进行采样 A D转换和存储数据 其 流程图如图5所示 图5 程序流程图 显然 在按下数据采集按钮8 s后 就可采集到 4 000个数据 采集的数据通过串口向计算机传送 并被保存下来 以供进一步研究 3 实验与结果分析 为了检测步态特征提取电路的可行性 我们做 了以下实验 测试系统由8 6 cm 6 0 cm的主电路 板及附属电源组成 在实验中本测试系统由测试对 象随身携带 全部放在腰带的正后方 像携带手机一 样 只是位置在脊椎骨与腰带的交叉点处 同时保证 MMA7260处于测试标准位置 即其X轴的正方向 指向人前进的方向 Y轴的正方向指向人体的正左 方 Z轴的正方向指向人体的正上方 测试对象共10个人 其中5男5女 年龄在24 26周岁 测试对象均以正常的步速行走8 s 每一 次测试中 要求每个测试对象分别穿平跟鞋和高跟 鞋 以测试出2组数据 实验每隔两天做一次 一共 做3次 结果共得到60组数据 每组数据中都含有 X轴 Y轴和Z轴三个方向上的数据 实验中 对所有测试对象的X轴 Y轴和Z轴 三个方向的数据都采用相同的方式进行处理 每个 测试对象测试完毕后 通过串口就可以看到测量到 的三个方向的步态加速度数据 如图6所示 图6中 的每列数据逗号前的数字表示数据所占模数转换的 图6 测量到的步态加速度数据 通道号 逗号后的数据就是相应通道的加速度数据 计算机接收到这些数据后 首先对这些数据进 行归一化处理 使其都在0 1的范围内 这样 在 Matlab中利用PLOT 函数 就可以形象地看到步 态特征信号的波形 下面以8号测试对象的Z轴方向上的数据为例 进行说明 8号测试对象Z轴方向的部分步态加速 度数据 如图6中第三列数据所示 在Matlab中 可 以得到其相应的波形 如图7所示 从信号的轮廓可 以看出 步态信号是周期性信号 因为 左 步态和 右 步态不一定完全对称 因此信号被划分为a步 态和b步态 图7 8号测试对象Z轴方向的加速度信号 图8为6号和8号测试对象在Z轴方向的速度 信号 图9为6号和8号测试对象在X轴方向的加 速度信号 由于不同测试对象Y方向的信号差异 小 所以这里只给出了X轴和Z轴两个方向上的加 速度信号对比 由图8和图9可以看出 不同的测试 对象 其加速度信号的幅度 周期以及变化的速率等 有着明显的差异 除了对不同测试对象在X轴和Z 轴方向的加速度信号做对比以外 本文对同一测试 对象在不同时间 3 天中的任意两天 的X轴和Z 轴方向的加速度信号也做了对比 实验结果表明 在 X轴或Z轴方向上 同一测试对象的步态加速度信 号具有很大的相似性 图8 6与和8号测试对象Z轴方向加速度信号 图9 6号和8号测试对象X轴方向加速度信号 015传 感 技 术 学 报2007年 4 结 论 通过以上实验得知 集成信号调理电路的 MMA7260大 幅 度 简 化 电 路 设 计 同 时 因 为 MMA7260采用3 3 V电源供电 功耗也大大降低 在我们的测试测试系统中 MMA7260的功耗 信号 稳定性和灵敏度都达到了预期的效果 本文提出的基于MMA7260的步态特征提取 方法 具有直接 有效的优点 该设计不但避免了动 态环境中多方面因素对捕捉图像的不利影响 降低 了数据处理的难度 而且性价比高 体积小 便于携 带 可以应用于人的身份识别 医疗技术 体育训练 以及运动健身等领域 具有实际应用的价值 实验是 在假设步态特征提取测试系统处于标准位置的情况 下进行的 如果步态特征提取测试系统偏离标准位 置 测试信号就会受到影响 所以 在下一步的工作 中 我们将进一步研究如何解决步态特征提取测试 系统所处位置对提取信号的影响 参考文献 1 http www darpa mil ito research hid index html EB OL 2 Lily Lee Gait Analysis for Classification R AI Technical Re2 port 20032014 Massachusetts Institute of Technology2artificial Intelligence Laboratory 2003 3 Yoo J H Nixon M S Harris C J Extracting Gait Signatures Based on Anatomical Knowledge C Proceedings of BMVA Symposium on Advancing Biometric Technologies 2002 4 Cunado D Nixon M Carter J Using Gait as a Biometric Via Phase2Weighted Magnitude Spectra C Proc International Conference on Audio2and Video2based Biometric Person Au2 thentication Crans2Mon