【導(dǎo)讀】力學(xué)、人體測量學(xué)的發(fā)展，人們對人體運動的研究日益深入。規(guī)律，在人體姿態(tài)識別、體育訓(xùn)練等方面提供理論指導(dǎo)。動研究，建立了人體運動的棒狀模型及便于分析計算的人體坐標(biāo)系。體運動參數(shù)測量方法的分析，提出了利用加速度參數(shù)進(jìn)行運動測量和分析的方法。自行設(shè)計了運動采集系統(tǒng)，系統(tǒng)分為信號采集單元與數(shù)據(jù)處理單元兩個部分，在對系統(tǒng)完成性能測試的基礎(chǔ)上進(jìn)行了運動測量的實驗，并將其。統(tǒng)對人體運動信息進(jìn)行采集和分析的方法是可行的。方法，盡可能獲取更多的信息，以使得人體運動分析更加科學(xué)、合理。

　　

【正文】 帶寬 BW=20Hz， C=， 實際電路中，可選取 的電容值。 圖 加速度信號調(diào)理電路 圖中濾波器的幅頻響應(yīng)表達(dá)式為 22 2/)/(11)( QwA jwAnnuf ??? ? （ 42） 式中 ,Auf=1+R6/R7 ， w2= 1/RC，（ R=R1=R2,C=C4=C5） ,Q= 1/(3Auf)此低通濾波器的上限截止頻率為 fH= 1/（ 2? RC） 。 令 fH=20Hz，則 RC=1/（ 40? ）。 取 R=33KΩ，則 C=，所以電路中 R R2 取值為 33KΩ， C C5取值為 [19]。 3） 信號采集單元從機(jī)構(gòu)成 加速度傳感器輸出的模擬信號經(jīng)濾波處理后，還要進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，以進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理， A/D 轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)采用從機(jī)的控制芯片 MSP430 單片機(jī) 內(nèi)部自帶的 8位 A/D 轉(zhuǎn)換器。由加速度傳感器 ADXL3信號調(diào)理電路與單片機(jī) MSP430 及相關(guān)外圍電路組成信號采集單元的從 機(jī)，信號采集單元的主機(jī)通過 I2C總線與所有從機(jī)組成網(wǎng)絡(luò)，控制從機(jī)完成信號的轉(zhuǎn)換與發(fā)送。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 23 頁 共 39 頁 信號采集單元的主機(jī)采用的 CPU 型號與從機(jī)相同，主機(jī)通過 I2C 總線控制從機(jī)進(jìn)行信號的采集以及轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果以無線通信的方式發(fā)送到傳感器的數(shù)據(jù)處理單元。信號采集單元與數(shù)據(jù)處理單元之間數(shù)據(jù)的無線傳輸采用專用藍(lán)牙模塊 DFBMCS120 完成，藍(lán)牙模塊與單片機(jī)之間采用異步串行通信接口。 圖 所示為信號采集單元的主、從機(jī)網(wǎng)絡(luò)及無線發(fā)送部分的電路原理圖 [20]。 圖 信號采集單元電路原理圖 圖中 K1～ K4 主要用于對信號采集單元進(jìn)行功能設(shè)置，與主機(jī) I/O 口直接相連，主機(jī)通過其異步串行接口與藍(lán)牙通訊模塊 DFBMCS120 進(jìn)行通信，利用單片機(jī)的 I/O 口產(chǎn)生串行通訊的請求信號。 數(shù)據(jù)處理單元電路設(shè)計 數(shù)據(jù)處理單元主要完成對信號采集單元所采集到的多路加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，可以實現(xiàn)系統(tǒng)功能的設(shè)定、數(shù)據(jù)的存儲以及與信號采 集單元之間、與上位機(jī)之間的通信。數(shù)據(jù)處理單元的硬件組成主要包括 ： CPU 單元 、存儲器擴(kuò)展電路、輸入輸出電路、通信電路、時鐘電路以及電源電路。 1） CPU 的選型 由于數(shù)據(jù)處理單元在本系統(tǒng) 中要處理 15 路的加速度數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，所以對 CPU 的運算速度和處理能力有較高的要求，在本設(shè)計中選用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 24 頁 共 39 頁 ARM7 芯片 STR710FZ2T6，該處理器的最高主頻可以達(dá)到 50MHz，內(nèi)嵌 256KB Flash、64KB SRAM， I/O 端口包括 P0、 P P2三個 16 位的端口，其它的外設(shè)接口引腳都與 I/O 端口的引腳功能復(fù)用 [21]。另外，外部存儲器接口 (EMI)提供了 16 條數(shù)據(jù)線接口和 24 條地址線接口，可擴(kuò)展 4組 16M 空間的外部存儲器，具有 JTAG 接口可方便地用于系統(tǒng)的仿真調(diào)試及程序下載。 由于 STR710 芯片具有較豐富的內(nèi)部資源，所以整個數(shù)據(jù)處理單元的硬件外圍電路較為簡單。 2） 外圍電路設(shè)計 為了 CPU 正常工作，使系統(tǒng)能夠完成其功能要求，需要設(shè)計必要的外圍電路。本系統(tǒng)具有三組時鐘電路， 如圖 所示 ， 圖中的三組時鐘信號分別為實時時鐘信號、系統(tǒng)工作時鐘、 USB 通信時鐘信號， 圖 復(fù)位電路為系統(tǒng)提供上電復(fù)位及手動復(fù)位。 圖 系統(tǒng)時鐘電路原理圖 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 25 頁 共 39 頁 圖 系統(tǒng)復(fù)位電路原理圖 為了提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力，考慮到功能擴(kuò)展的需要，外圍擴(kuò)展了 64KB 的 RAM存儲器 61LV256，并擴(kuò)展了 2K 的 E2PROM 存儲器 24C02 用于存儲預(yù)設(shè)功能等信息，存儲器擴(kuò)展電路如圖 所示 [22]。 圖 存儲器擴(kuò)展電路原理圖 3） 輸入輸出電路 系統(tǒng)輸入輸出電路主要用于用戶輸入指令或進(jìn)行功能設(shè)定以及輸出顯示各類相關(guān)信息，輸入部分采用按鍵方式，直接接到 ARM 的 I/O 口上，共四個功能鍵，分別定義為：設(shè)定、增量、減量、確定；輸出部分包括 LED 指示燈和型號為 RT12864M 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 26 頁 共 39 頁 的 LCD 點陣液晶顯示器。 輸入及輸出部分的電路分別如圖 、 。 鍵盤接口原理圖 圖 顯示輸出電路原理圖 按鍵一端經(jīng)上拉電阻接至電源，另一端接地，并聯(lián) 電容起到硬件防抖動的功能，當(dāng)按鍵被按下時， I/O口檢測為低電平；輸出顯示電路的 LED 發(fā)光二極管采用共陰極接法，陽極經(jīng)限流電阻接至 I/O 口。 LCD 可顯示 128（列） 64（行）點陣圖形，也可顯示 8 4 個（ 16 16點陣）中文漢字，在系統(tǒng)中對 LCD 采用串行控制方式只需占用 CPU 的 3 個 I/O 端口，主要清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 27 頁 共 39 頁 用于顯示系統(tǒng)當(dāng)前的運行狀態(tài)以及數(shù)據(jù)分析結(jié)果的輸出。 4） 通信電路設(shè)計 系統(tǒng)通信部分主要包括數(shù)據(jù)處理單元與信號采集單元的之間 的通信以及系統(tǒng)與上位機(jī)之間的通信。其中數(shù)據(jù)處理單元與信號采集單元之間采用藍(lán)牙通信方式，其電路原理圖與信號采集單元相同，其藍(lán)牙模塊電路設(shè)計與從機(jī)相同 [23][24]， 如圖 所示；系統(tǒng)與上位機(jī)之間的通信可采用 USB 方式或異步串行通信方式，共設(shè)有一個 USB 接口和 2 個 COM 通信接口，其電路如圖 所示。 數(shù)據(jù)處理單元藍(lán)牙通訊模塊原理圖 圖 與上位機(jī)通信電路原理圖 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 28 頁 共 39 頁 5） 電源部分電路設(shè)計 數(shù) 據(jù)處理單元供電可采用兩種模式，一是采用外部直流電源供電；二是利 USB通信線由上位機(jī) USB 接口供電。電路采用 LM117 穩(wěn)壓芯片對輸入電壓進(jìn)行穩(wěn)壓，產(chǎn)生 直流電壓，供給系統(tǒng)中各個單元， 如圖 所示。 圖 電源部分原理圖 4． 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計 系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括兩個部分：一是信號采集單元程序設(shè)計，二是以 ARM7 為主控制器的數(shù)據(jù)處理單元程序。由于信號采集單元的每一個傳感器的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點（即從機(jī)）都是獨立的，由一片單片機(jī)控制，所以網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的單片機(jī)程序是一致的，主要完成信號的采集，而所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié) 點受一個主機(jī)控制，主機(jī)完成對多個從機(jī)的管理以及數(shù)據(jù)的上傳等功能； ARM7 的數(shù)據(jù)處理單 元程序主要完 對信號采集單元上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并根據(jù)運動測量系統(tǒng)的具體應(yīng)用作出相應(yīng)的判斷或決策 [25]。 信號采集單元程序設(shè)計 信號采集單元的從機(jī)完成加速度信號的采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換，主機(jī)的作用則是控制從機(jī)同步進(jìn)行信號的采集并匯總所有從機(jī)的采集結(jié)果上傳至數(shù)據(jù)處理單元，下面分別介紹信號采集單元的主機(jī)及從機(jī)的程序設(shè)計。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 29 頁 共 39 頁 1） 從機(jī)部分程序設(shè)計 信號采集單元從機(jī) CPU 通過接收主機(jī)的指令完成相應(yīng)的任務(wù)，主要包括啟動信號采集、上傳采集數(shù)據(jù)、刪除數(shù)據(jù)的功能。當(dāng)從機(jī)接收到啟動采集的指令后將以一定的頻率對加速度計 ADXL330 輸出的三通道模擬量進(jìn)行 AD 轉(zhuǎn)換，并將結(jié)果暫存在片內(nèi)的 RAM 中，當(dāng)接收到主機(jī)發(fā)出的上傳指令后，將存儲區(qū)的數(shù)據(jù)上傳至主機(jī)，從機(jī)的主程序及中斷服務(wù)程序流程圖如圖 所示。 圖 信號采集單元從機(jī)軟件流程圖 從機(jī)程序在運行時，只響應(yīng) I2C中斷請求，在沒有中斷信號時，從機(jī)以固定的采樣頻率對加速度傳感器輸出的模擬量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并存儲，當(dāng)信號采集單元主機(jī)發(fā)出I2C 請求時，從機(jī)響應(yīng)中斷，根據(jù)主機(jī)的命令類型，進(jìn)行數(shù)據(jù)的上傳或其它操作。 前面已經(jīng) 介紹，人體在自然運動時其加速度變化頻率一般小于 20Hz，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，有 fs2fmax ，即系統(tǒng)采樣頻率必須是被測信號成分中最大頻率的兩倍以上，才能正確地復(fù)現(xiàn)原始信號，為了更準(zhǔn)確地反映出人體運動時肢體被測點系統(tǒng)初始化 對 傳 感 器X/Y/Z 輸出進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換 暫存轉(zhuǎn)換結(jié)果 存儲區(qū)滿 開始 地址指針復(fù)位 N Y 響應(yīng)中斷 保護(hù)斷點 命令類型 發(fā)送數(shù)據(jù) 設(shè)定參數(shù) 刪除全部數(shù)據(jù) 恢復(fù)斷點 中斷返回 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 30 頁 共 39 頁 的加速度變化，單片機(jī)以 300Hz的頻率對 ADXL330的三路模擬量輸出進(jìn)行 A/D采樣，對于加速度計 X、 Y、 Z每個通道輸出的采樣頻率也就是 100Hz。為了保證采樣頻率的穩(wěn)定性，從機(jī)采用定時中斷的方式啟動 A/D 轉(zhuǎn)換對加速度信號進(jìn)行采樣。 2） 主機(jī)部分程序設(shè)計 信號采集單元的主機(jī)完成對所有信號的匯總和 上傳功能，主機(jī)根據(jù)預(yù)設(shè)功能可對轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)行實時上傳或定時上傳，功能的預(yù)設(shè)通過按鍵完成，主機(jī)程序的流程圖如 所示 [26]。 圖 信號采集單元主機(jī)軟件流程圖 系統(tǒng)上電后的初始化環(huán)節(jié)主要包括對單片機(jī)自身的端口、寄存器的初始化以及對藍(lán)牙模塊的初始化。由于信號采集單元的主機(jī)和從機(jī)均采用 8 位單片機(jī)完成，而且信號采集的時間要求較高，所以在信號采集單元的程序中沒有涉及到復(fù)雜的算法，對信號的濾波處理等環(huán)節(jié)由數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)完成。 數(shù)據(jù)處理 單元程序設(shè)計 數(shù)據(jù)處理單元主要完成如下功能：由信號采集單元接收加速度數(shù)據(jù)后對其進(jìn)行數(shù)字濾波，利用合理的算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理得到相關(guān)結(jié)論；與上位機(jī)通信等，其軟件流程圖如圖 所示。 系統(tǒng)初始化 向 ARM7 發(fā)送就位信號 等待響應(yīng) 功能設(shè)定 功能設(shè)定 功能設(shè)定 功能設(shè)定 N N Y Y 開始 從機(jī)就緒？ 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 31 頁 共 39 頁 圖 數(shù)據(jù)處理單元軟件流程圖 系統(tǒng)初始化環(huán)節(jié)主要是對 ARM7 芯片自身以及相關(guān)外圍器件進(jìn)行初始化，保證各環(huán)節(jié)處于正常工作狀態(tài)。完成了系統(tǒng)的初始化之后，查詢等待信號采集單元上傳就緒信號，如超出系統(tǒng)等待時間，系統(tǒng)將嘗試再次與采集單元進(jìn)行通信，如通信失敗，系統(tǒng)進(jìn)入待 機(jī)狀態(tài)。 在系統(tǒng)完成了初始化工作后，用戶可通過數(shù)據(jù)處理單元 功能按鍵進(jìn)行相關(guān)的功能、參數(shù)設(shè)置，系統(tǒng)會保存當(dāng)前設(shè)置，如不對功能進(jìn)行設(shè)置，系統(tǒng)則默認(rèn)為上一次的設(shè)置值 [27]。功能、參數(shù)的設(shè)置主要的意義在于，加速度傳感器可能應(yīng)用于不同的場合，如動作規(guī)范性判斷、運動速度測量、位移測量等，對于不同的應(yīng)用場合精度、算法會有不同，所以要進(jìn)行功能及參數(shù)的設(shè)置。系統(tǒng)主要可設(shè)置的功能包括：（ 1）空間位移測量；（ 2）動作規(guī)范性訓(xùn)練；（ 3）動作識別。系統(tǒng)開始 系統(tǒng)初始化 采集單元準(zhǔn)備好？ 功能設(shè)置？ 讀入轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù) 數(shù)字濾波處理 數(shù)據(jù)處理 結(jié)論輸出 進(jìn)行相關(guān)設(shè)置 N Y N Y 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 32 頁 共 39 頁 參數(shù)設(shè)置主要是針對系統(tǒng)的靈敏度。 數(shù)據(jù)處理單元的工作就是對加速度傳感器所采集到的數(shù) 據(jù)進(jìn)行分析和處理，將數(shù)據(jù)讀入則是數(shù)據(jù)處理的第一步，系統(tǒng)根據(jù)需求讀入數(shù)據(jù)的方式有實時讀入和批量讀入兩種方式。實時讀入方式指的是信號采集單元每完成一次加速度信號采集經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后立即將當(dāng)前一組數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)處理單元；而批量讀入方式則是信號采集單元完成當(dāng)前信號的采集和轉(zhuǎn)換后將結(jié)果暫存，直到數(shù)據(jù)處理單元發(fā)出讀取指令，再將多組加速度數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)處理單元。 數(shù)字濾波方法有很多，在本系統(tǒng)中采用程序判斷的濾波方法 [28]。工程實踐表明，許多物理量的變化都需要一定的時間，相鄰兩次采樣值之間的變化有一定的限度。程序判斷濾波 就是根據(jù)實踐經(jīng)驗確定出相鄰兩次采樣信號之間可能出現(xiàn)的最大偏差Δ Y，若超出此偏差值，則表明該輸入信號是干擾信號，應(yīng)該去掉；若小于此偏差值，可將信號作為本次采樣值。 在本系統(tǒng)中所采用的是限幅濾波的方法，即將兩次相鄰的采樣值相減，求出其增量 (以絕對值表示 )，然后與兩次采樣允許的最大差值 (由采集對象的實際情況決定 )Δ Y 進(jìn)行比較，若小于或等于Δ Y，則取本次采樣值；若大于Δ Y，則仍取上次采樣值作為本次采樣值。 以體育訓(xùn)練為例，在研究人體動作時，主要研究的參數(shù)一般包括肢體力量、運動速度、肢體位移軌跡、空間位置等，而以上 各項參數(shù)，均可通過對肢體被測點的加速度計算得出。 力量： F=ma 式中： F為肢體動作的力量， m為運動肢體的等效質(zhì)量 ,a為運動加速度 ， 速度 ： ?? ? tadtvv00 式中： a 為運動速度， v0為初始速度， ?tadt0為加速度對時間的積分 位移： ??? ? t tadtvs0 00 式中： s 為位移量， v0為初始速度， a為運動加速度， t為運動時間 位置： P( x,y,z) =P0(x,y,z)+S( x,y,z))式中： P 表示被測點的終止位 置， P0 為初始位置， S 為位移軌跡 。 數(shù)據(jù)處理單元在完成