【正文】 第五章 基于加速度傳感器的電子筆數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)29江 蘇 大 學(xué) 本 科 學(xué) 位 論 文30第五章 基于加速度傳感器的電子筆數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 引言 通用串行總線 USB (Universal Serial Bus)，是一種應(yīng)用在 PC 領(lǐng)域的新型接口技術(shù)，該總線接口具有安裝方便、高帶寬、易擴展等優(yōu)點，已經(jīng)逐漸成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢。跌倒探測器檢測到跌倒發(fā)生時，系統(tǒng)必須能夠準(zhǔn)確無誤地將報警信息發(fā)布出去，才能保證跌倒者獲得救助。計步器實現(xiàn)的軟件流程圖47。 按鍵功能 按鍵功能在軟件設(shè)計中單獨提出是因為本系統(tǒng)受限于MCU端口數(shù)量，無法按照預(yù)先設(shè)計的人機交互需求安排足夠端口作為鍵盤掃描之用。 系統(tǒng)初始化工作主要由MCU完成，包括各種配置寄存器的設(shè)置、液晶初始化指令和存儲緩沖區(qū)的設(shè)置，初始化工作將保證系統(tǒng)各功能組件能夠在上電后正常啟動。在跌倒探測器的軟件設(shè)計中，由跌倒探測器的軟件中，為了更好地利用和分配MCU的資源，采用了事務(wù)處理和狀態(tài)機相結(jié)合的設(shè)計方法。由于該模塊要求7信號的RS232接口，而MCU自帶SCI不提供該種通信方式，故在系統(tǒng)設(shè)計中采用I/O口經(jīng)行軟件模擬其他的控制信號：CTS 、RFR和DTR。 HT1621為I 2CJI接口，MCU可通過內(nèi)部I 2C控制模塊傳輸指令和數(shù)據(jù)給該芯片。在本設(shè)計中，采用Holtek 公司的HT24LC16竄行EEPROM作為數(shù)據(jù)緩存。 MCU 外圍電路 本設(shè)計中，MCU外圍電路包括電源與時鐘、數(shù)據(jù)緩存和按鍵電路三部分完成，下面分別描述。 6）供電采用鋰電池。從技術(shù)實現(xiàn)和成本方面考慮，選擇CDMA通信方式更加適合跌倒探測器設(shè)計目的的實現(xiàn)。 典型應(yīng)用 墜落檢測、墜落日志、HDD 保護、MP3 播放器、 、便攜電子產(chǎn)品、用于擔(dān)保的記錄、電子羅盤、人類環(huán)境學(xué)工具、游戲、圖像穩(wěn)定性、物理療法、文本滾動、三維動態(tài)撥打、計步器、機器人技術(shù)、虛擬現(xiàn)實輸入設(shè)備、防盜設(shè)備、車/人導(dǎo)航、GPS 導(dǎo)航推測、黑匣子 /時間記錄器、裝運/ 處理監(jiān)控器、點擊靜音（Tap to mute） 、聲學(xué)、設(shè)備平衡 /監(jiān)控、軸承磨損監(jiān)控、地震監(jiān)控、智能電機維護。它的封裝尺寸很小，只需較小的板卡空間，另外還提供快速啟動和休眠模式，這些特性使 MMA7260Q 成為采用電池供電的電子產(chǎn)品的理想之選，包括 PDA、手機、3D 游戲和數(shù)碼相機等。梁上有四個通過硼第三章 三軸加速度傳感器15離子注入形成的阻值完全相同的壓敏電阻，則電阻率發(fā)生變化。 從壓電式傳感器的力學(xué)模型看，它具有低通特性，原可測量極低頻的振動。 壓電加速度計的前置放大器 壓電元件受力后產(chǎn)生的電荷量極其微弱，這電荷使壓電元件邊界和接在邊江 蘇 大 學(xué) 本 科 學(xué) 位 論 文14界上的導(dǎo)體充電到電壓 U=q/Ca（這里 Ca 是加速度計的內(nèi)電容） 。加速度單位為 m/s2，但在振動測量中往往用標(biāo)準(zhǔn)重力加速度 g 作單位，1g= 。然而基座 B 與測試對 象連接時，如果基座 B 有變形則將直接影響拾振器輸出。 由 于 壓 電 式 傳 感 器 的 輸 出 電 信 號 是 微 弱 的 電 荷 ， 而 且 傳 感 器 本 身 有 很 大 內(nèi) 阻 ，故 輸 出 能 量 甚 微 ， 這 給 后 接 電 路 帶 來 一 定 困 難 。 4）非線性江 蘇 大 學(xué) 本 科 學(xué) 位 論 文12 式（31）中所表達的 ΔC 與 Δd 的完全線性關(guān)系成立的必要條件是Δdd，因此必須采用實時快速反饋回路，及時產(chǎn)生反饋施力電壓，使檢測質(zhì)量很快恢復(fù)到平衡位置，確保 Δdd 成立。 誤差來源及改進措施 1）機械加工精密機械加工是此類傳感器制造的關(guān)鍵技術(shù)之一，材料的尺寸、間距、平坦度等都將影響到傳感器的量程、靈敏度、檢測精度等。 參數(shù)設(shè)計 航天器在飛行過程中受到的環(huán)境非重力力主要來自大氣阻力、太陽光壓、地球熱輻射等因素。第三章 三軸加速度傳感器9圖 33 電容位移檢測原理圖　靜電懸浮原理靜電懸浮式三軸測量加速度傳感器在進行地面檢測時，由于在垂直于地面方向（設(shè)為 x 方向）中心質(zhì)量塊受到地球吸引力的作用，因此必須給質(zhì)量塊施加一反方向的靜電力，以使其達到力平衡，并通過反饋電壓的施力作用使中心質(zhì)量塊在 x、y、z 三方向均處于零位（平衡位置）附近，實現(xiàn)懸浮。目前，利用此類加速度傳感器，國外已經(jīng)研制成功的高精度靜電懸浮式加速度計系統(tǒng)有:美國研制的 MACEK 及 MESA 加速度計系統(tǒng)、歐空局（ESA）研制的 ASTRE 加速度計系統(tǒng)、法國 ONERA 研制的 STAR 加速度計系統(tǒng)及 GRADIO 加速度計系統(tǒng)等。而且，用戶可以通過簡單的開機復(fù)位程序（及時刷新存儲器中加速度計的零值）消除這種零點漂移的影響。 消費電子產(chǎn)品的特點 低價格，容感式加速度計復(fù)雜的微機械加工工藝使得它的成品率無法提高，制造成本居高不下。如果一顆極小微粒落在兩極之間，電容的容值將發(fā)生突變，從而使輸出信號的零點出現(xiàn)巨大偏移，器件失效。從容感式加速度計的基本工作原理可以清楚地看出，熱對流式加速度計在以下幾個與可靠性相關(guān)的方面具有絕對的優(yōu)勢： 1）抗沖擊能力，熱對流式加速度計是以虛擬的懸浮于空中的熱氣團作為重力塊。這使得熱對流式加速度計的次品率和故障率很低。因此，建立人體跌倒過程的運動模型，提取跌倒過程中身體姿態(tài)變化的特征參數(shù)是準(zhǔn)確檢測跌倒并發(fā)布報警信息的關(guān)鍵。跌倒過程中，對象的加速度、速度和位移三種矢量均發(fā)生了變化。對信號傳輸進行了詳細的設(shè)計。 本課題的研究理論方法本項目可以在人體跌落狀態(tài)發(fā)生時進行識別與分析。跌倒還可使一些老年人第一章 緒 論1喪失自信心，1/4跌倒者因害怕再次跌倒而限制自己的日常生活活動，最終可能引起臥床不起。（）圖 11 老年人跌倒圖 跌倒是65歲以上老年人第6位的死亡原因。當(dāng)檢測到被測人體出現(xiàn)異常跌倒情況時，能夠通過無線通信的方式，告知應(yīng)急處理服務(wù)中心，并報告發(fā)生跌倒的位置，以便于對這些可能產(chǎn)生嚴(yán)重后果的個體進行救助，并及時處理。測試表明，本裝置能夠檢測到多種可能會產(chǎn)生嚴(yán)重后果的人體跌倒方式，并及時將這一情況有效的進行發(fā)布。有資料表明，在美國每年將近1萬人因跌倒而導(dǎo)致死亡。有一些人因衰弱、損傷或急性病跌倒后不能站立起來，若不提供救護，他們可能會發(fā)生脫水、低血壓，甚至死亡。跌倒探測儀適用于自理能力和自我保護能力比較差的老年人和兒童，它通過測量佩戴該儀器的個體在運動過程中的三個正交方向上的加速度來感知其身體姿態(tài)的變化，并可按照需要進行報警和發(fā)布。其中硬件設(shè)計較為復(fù)雜，包括了加速度采集電路、MCU外圍電路、液晶顯示、通信模塊、端口分配、事務(wù)處理及狀態(tài)機、系統(tǒng)設(shè)置、按鍵功能、計步器、跌倒檢測、報警處理、通信控制。如圖21建立直角坐標(biāo)系，X、Y、Z軸相互正交，任意空間方向上的矢量變化均可以分解成X、Y 、Z三個方向上的分量變化。第三章 三軸加速度傳感器5第三章 三軸加速度傳感器 熱對流式加速度傳感器 引言一提到加速度計傳感器，人們會習(xí)慣性地想到高昂的價格及其傳統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域—高檔汽車。 一個被放置在芯片中央的熱源在一個空腔中產(chǎn)生一個懸浮的熱氣團，同時由鋁和多晶硅組成的熱電耦組被等距離對稱地放置在熱源的四個方向。在微機械結(jié)構(gòu)上沒有可活動的部分，其獨特的橋式結(jié)構(gòu)牢牢地固定在硅芯片上。一些原本落在其它部位的微小顆粒，在實際使用過程中會發(fā)生移動，極有可能落在兩極之間。雖然各大制造商不斷想方設(shè)法降低制造成本，但要達到消費類電子產(chǎn)品所能接受的低價格（低于 1 美元）顯然十分困難。而對于一些檢測震動信號（交流信號檢測）的應(yīng)用，直流零點的漂移可以不予考慮。這些加速度計系統(tǒng)已在研究大氣阻力、太陽輻射壓力、地球漫反射、電子推進器推力測量、高空地球重力場精密測量、空間重力梯度測量等軍用和民用領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。而當(dāng)傳感器工作于空間飛行器上時，慣性力平衡了地球引力，因此僅需施力反饋回路的作用便可實現(xiàn)中心質(zhì)量塊的懸浮。在低軌道飛行中主要是大氣阻力起作用，當(dāng)軌道提升時，太陽光壓力將逐漸取代大氣阻力成為主因。要求電容極板的平坦度小于 1 μm，間距誤差控制在 2 μm 以內(nèi)。另外式（33 ）中 F 與 Uf 的線性關(guān)系成立的必要條件是 SUdA??即 A21010，所以電路增益應(yīng)足夠高，可取為 1012 左右。 為 此 ， 通 常 把 傳 感 器 信 號 先 輸 到高 輸 入 阻 抗 的 前 置 放 大 器 。此外，測試對象和環(huán)境溫度變化將影響壓電元件，并使預(yù)緊力發(fā)生變化，易引起溫度漂移。這是一種已為大家所接受的表示方式，幾乎所有測振儀器都用 g 作為加速度單位并在儀器的板面上和說明書中標(biāo)出。要測定這樣微弱的電荷（或電壓）的關(guān)鍵是防止導(dǎo)線、測量電路和加速度計本身的電荷泄漏。但實際上由于低頻尤其小振幅振動時，加速度值小，傳感器的靈敏度有限，因此輸出的信號將很微弱，信噪比很低；另外電荷的泄漏，積分電路的漂移（用于測振動速度和位移） 、器件的噪聲都是不可避免的，所以實際低頻端也出現(xiàn)截止頻率，約為 ～1Hz 左右。其所引起的電阻變化，可用式子（39）表示： （39）tER??????1 其中 ππ t 為縱向和橫向壓阻系數(shù)；ε ε t 為電阻沿橫向和縱向的應(yīng)變；E為彈性模量 為了提高滿量程輸出，減小零點溫度漂移及提高線性度，通常將壓敏電阻連接成惠斯登電橋結(jié)構(gòu)，由于四個壓敏電阻完全相同，因此，當(dāng)無加速度作用時，輸出值為零。 飛思卡爾能為您提供 ~250g 的一系列加速傳感器產(chǎn)品，使用在從高度敏感的地震監(jiān)測到強勁的碰撞檢測等應(yīng)用。 實現(xiàn)最佳效果的開發(fā)工具 MMA7260Q 的參照設(shè)計開發(fā)工具為您的不同設(shè)計提供了所需的各種組件，幫助您把其它功能設(shè)計到多種多樣的應(yīng)用中。 系統(tǒng)方案設(shè)計需求分析1）身體姿態(tài)監(jiān)測，通過三軸加速度傳感器的測量值，利用相應(yīng)算法計算佩戴者的身體姿態(tài)。 7）部分信息顯示液晶屏。 1）電源與時鐘功能組件包括MCU、液晶、按鍵、采集、數(shù)據(jù)存儲和通信幾部分。該芯片采用I 2C通訊接口，存儲深度2K字節(jié)，數(shù)據(jù)讀寫速度在微秒量級，能夠滿足數(shù)據(jù)實時寫入的要求。由于本系統(tǒng)采用的EEPROM也是使用I 2C接口，針對不同器件的數(shù)據(jù)傳輸和控制指令將通過地址選擇加以實現(xiàn)。DTGS800b模塊通過SIM卡讀卡電路與SIM卡相連，內(nèi)部自帶處理器根據(jù)需要讀取SIM卡信息，完成CDMA的人網(wǎng)和通信信息的交換。 事務(wù)處理及狀態(tài)機 根據(jù)跌倒探測器的設(shè)計需求，系統(tǒng)要同時具備計步器、跌倒檢測、報警處理、系統(tǒng)設(shè)置和無線通信控制等功能。1）MCU初始化通過設(shè)置相應(yīng)的控制寄存器實現(xiàn)MCU的啟動和對各功能外設(shè)（Peripheral）的管理：時鐘：MCU工作采用內(nèi)部時鐘，通過設(shè)置ICS 控制寄存器實現(xiàn)；端 口 ： 根 據(jù) 系 統(tǒng) 端 口 分 配 方 案 ， 結(jié) 合 相 關(guān) 外 設(shè) ——I2C、 SCI的 控 制 寄 存 器 實現(xiàn) ；I2C控制器：傳輸速率、地址選擇設(shè)定；SCI控制器：波特率設(shè)置。本設(shè)計中最終確定使用2個按鍵，按鍵的功能設(shè)定及使用方法設(shè)計如下。X 、 Z 軸向加速度閥值檢測檢測到邁步計數(shù)器 + 1啟動 超過閥值 ?暫停計步瀏覽步數(shù)計數(shù)器置零 ？結(jié)束N oY e s N oY e sN o圖 47 計步器實現(xiàn)流程圖 跌倒檢測 針對跌倒行為研究的文獻顯示，大部分跌倒動作過程持續(xù)的時間不超過6秒鐘。跌倒包含很多種類型，有些情況下，檢測到的“跌倒” 是有意識的行為——或者根本不是跌倒——假陽性；另外，有時跌倒者仍然還保持一定的行為能力，為了盡快得到救助，自身可以采取一定的行動；還有一種情況，跌倒造成比較嚴(yán)重的后果，跌倒者已無法行動。LabVIEW 是一種基于圖形程序的編程語言，內(nèi)含豐富的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)信號分析以及控制等子程序，因此它特別適用于數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。上電后，該線路板各功能模塊工作正常，能夠完成加速度采集、EEPROM 數(shù)據(jù)存儲和跌倒報警短信發(fā)送（包括自動、手動和取消模式），按鍵液晶均能夠正常工作。加速度變化超過閥值延遲等待加速度恢復(fù)穩(wěn)定再延時約 1 0秒加速度數(shù)據(jù)分析身體水平姿態(tài)檢測到跌倒初始姿態(tài)身體姿態(tài)正常又檢測到加速度變化超過閥值圖 48 跌倒檢測算法狀態(tài)機 報警處理 在本設(shè)計中，采用跌倒檢測算法和多種報警模式相結(jié)合的方式。只有超過一定幅度的輸出才被看作是由于邁步動作所引起，避免由于正常的身體晃動引入的各種偽差。使用者可以通過按鍵配合液晶，輸入接收方的號碼即可，必要時使用者也可以對接收方號碼進行修改。 系統(tǒng)設(shè)置 系統(tǒng)設(shè)置主要完成一些初始化操作和需求使用者經(jīng)行確認的系統(tǒng)信息的設(shè)定操作。軟件設(shè)計軟件技術(shù)是系統(tǒng)各項功能具體實現(xiàn)的關(guān)鍵。江 蘇 大 學(xué) 本 科 學(xué) 位 論 文22S I M 卡M C UC D M A射頻模塊報警文字短信 ，G P S 定位信息入網(wǎng)信息指令 、 短信文字SCI圖 43 通信模塊連接方式 MC9S08QG8的SCI 外設(shè)接口經(jīng)TTLRS232轉(zhuǎn)換后，與DTGS800b的RS232端口相連，用以向該模塊發(fā)AT命令。液晶屏的控制管腳為24個，由于MCU全部管腳座位液晶控制也無法滿足工作要求，故