【正文】 4個，由于MCU全部管腳座位液晶控制也無法滿足工作要求，故在本設(shè)計中采用Holtek公司的HT1621B芯片還具有蜂鳴器控制和驅(qū)動能力，在本設(shè)計中，集成蜂鳴器作為現(xiàn)場報警提示將有助于提高跌倒探測儀報警的針對性和準(zhǔn)確性，將通過在HT1621B的BZ管腳連接一蜂鳴器得以實現(xiàn)。 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。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)。 通信模塊本設(shè)計采用AnyData公司的DTGS800b型OEM模塊。該模塊符合CDMA：IS95A/B 、IS98A 、IS12IS637A以及 IS2022等標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，能夠提， ，外形尺寸為53*33*，總重量為15g，提供外部通訊接口包括RS232s、Digital/Analog Audios、LCD、Keypad、 Ringer Extemal Reset Control、RUIM、MP3 、 MIDI、GPIOs和USB 。另外該模塊可收發(fā)短信、集成 GpsOne技術(shù)，無須添加其他組件即可得到地理定位信息，而且廠家技術(shù)支持非常完善，其各項功能配置非常適合跌倒探測器的需求描述。具體實現(xiàn)中，CDMA模塊要求配套入網(wǎng)SIM卡，模塊各項功能可由MCU通過RS232接口以AT命令的方式加以調(diào)用。本設(shè)計中通過模塊的設(shè)計如圖43所示。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。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。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。 端口分配 由于本設(shè)計采用MC9S08QG8單片機僅能提供最多14個I/O端口，根本無法滿足控制整個系統(tǒng)運行的信號數(shù)量要求，故在進(jìn)行具體設(shè)計時，對各管腳的使用和分配進(jìn)行了專門的部署，如圖44所示。M C U復(fù)用I I CS C IR S 2 3 2程序調(diào)試L C D 驅(qū)動按鍵通信模塊E E P R O M圖44 系統(tǒng)端口分配方案 程序調(diào)試和燒入需要兩個端口，但完成和燒寫操作后，這兩個端口可以作為標(biāo)準(zhǔn)的I/O 使用，故在設(shè)計中將其中一個I/O（Pin1）作為按鍵的輸入。實現(xiàn)了端口的復(fù)用。CDMA組件與MCU 的通訊要求通過 7信號RS232 接口，而MC9S08QG8 的SCI第四章 信號傳輸23模塊僅有TXD和RXD兩個信號，在設(shè)計中采用標(biāo)準(zhǔn)I/O通過軟件模擬的方式實現(xiàn)其它所需信號，包括DTR、CTS、RFR。EEPROM和液晶驅(qū)動組件的存取采用I 2C接口，本設(shè)計中將使用MC9S08QG8的I 2C模塊經(jīng)行硬件控制，通過地址選擇實現(xiàn)不同組件間的切換。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。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。 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。對用戶來說，佩戴正常工作的跌倒探測儀將能夠得到這些服務(wù)，而對MCU來說，每項功能的實現(xiàn)過程都是它將要處理的一項事務(wù)。有些事物要求并行處理，有些事物則具有因果關(guān)系，事物設(shè)定和任務(wù)劃分參見圖45所示：主循環(huán)計步器報警處理系統(tǒng)設(shè)置跌倒檢測無線通信控制圖 45 事務(wù)處理事務(wù)處理的方法借鑒操作系統(tǒng)中的線程概念。首先將每項事務(wù)執(zhí)行的操作明確，確定每種操作的優(yōu)先級、相互關(guān)系和對資源的要求，然后在主循環(huán)中設(shè)置各種操作的啟動機制，從總體上看，這些事務(wù)在主循環(huán)中并行地得到實現(xiàn)。跌倒探測器事務(wù)處理的調(diào)用關(guān)系如圖46所示。江 蘇 大 學(xué) 本 科 學(xué) 位 論 文24計步器跌倒檢測報警處理無線通信控制主循環(huán)圖 46 事務(wù)處理的調(diào)用關(guān)系 針對某些項事務(wù)處理的實現(xiàn)，在軟件設(shè)計中采用了狀態(tài)機的方法以確保整個任務(wù)能夠順暢而正確地得以實現(xiàn)。 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(rèn)的系統(tǒng)信息的設(shè)定操作。 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。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。2）液晶初始化通過指令初始化液晶驅(qū)動控制芯片HT1621B，完成液晶顯示器的初始化。3）存儲緩沖區(qū)初始化 MC9S08QG8內(nèi)部集成了512字節(jié)的RAM 滿足程序運行所需。而在跌倒探第四章 信號傳輸25測器運行過程中，MCU持續(xù)采集加速度傳感器的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理，因此要為數(shù)據(jù)分析預(yù)先開辟好緩存區(qū)。同樣，在利用CDMA發(fā)布報警信息時，報警信息文字內(nèi)容需要在進(jìn)行軟件設(shè)計時預(yù)先設(shè)定好，并在需要使用時通過指針調(diào)用。 需要使用者經(jīng)行確認(rèn)的系統(tǒng)信息的設(shè)定，是指跌倒探測器報警信息的接收方可以根據(jù)實際情況由使用者進(jìn)行設(shè)定，例如親屬的移動電話或急救中心的固定座機（要求能夠接收短信）。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(jìn)行修改。 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。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?！癆lam”鍵（啟動報警接收方號碼輸入、手機報警）：跌倒探測器一般工作模式下，長按（超過2秒）“Alam”鍵，啟動報警信息發(fā)布功能，適用于除跌倒情況外其他緊急情況；跌倒探測器一般工作模式下，按“Alam”鍵，跌倒探測器進(jìn)入設(shè)置報警接收方號碼狀態(tài)，配合“Alter ”鍵實現(xiàn)號碼輸入；跌倒探測器進(jìn)入報警處理狀態(tài)（蜂鳴器beep ）時，按 “Alam”鍵，直接發(fā)布報警信息，然后關(guān)閉蜂鳴器；“Alter”鍵（計步器啟動、暫停、清零、取消報警、設(shè)置報警接收方號碼）：跌倒探測器一般工作模式下，按“Alter” 鍵在計步器啟動、暫停和清零三項功能之間切換；跌倒探測器進(jìn)入報警接收方號碼輸入狀態(tài)時，“Alter”鍵執(zhí)行液晶顯示的數(shù)字加1的操作，數(shù)字從0~9循環(huán)；跌倒探測器進(jìn)入報警處理狀態(tài)（蜂鳴器beep ）時，按 “Alter”鍵取消報警。然后關(guān)閉蜂鳴器。 計步器 MCU始終在分析佩戴者身體姿態(tài)的信息，因此可以將佩戴者的行走動作分江 蘇 大 學(xué) 本 科 學(xué) 位 論 文26析作為一項附屬結(jié)果輸出，從而使跌倒探測器還具有了計步器的功能。參考圖21 ，在理想狀態(tài)下的步行過程中，X軸和Z軸都應(yīng)該能夠檢測到加速度的周期性變化——Z軸由前進(jìn)的動作引起，Y軸由身體的上下起伏引起，這種周期性的變化可以為步行動作的分析提供依據(jù)。由于在實際使用過程中，身體隨邁步動作產(chǎn)生相應(yīng)的晃動同樣會引起加速度傳感器在三個正交坐標(biāo)軸方向上的輸出，因此在設(shè)計檢測算法時應(yīng)設(shè)定合適的加速度閥值。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。計步器實現(xiàn)的軟件流程圖47。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(xiàn)顯示，大部分跌倒動作過程持續(xù)的時間不超過6秒鐘。另外有研究顯示，人體發(fā)生的所有跌倒形態(tài)中，由于意識喪失造成的近似自由落體形式的跌倒占9%，步行過程中不慎跌倒占39%，上下樓過程產(chǎn)生的跌倒占20% ，轉(zhuǎn)身或登高取物過程發(fā)生的跌倒占24%，上下床或座椅時發(fā)生的跌倒占13% ，從事高風(fēng)險作業(yè)過程中出現(xiàn)的意外跌倒占12%。 針對這些跌倒，如果單純考慮初始狀態(tài)和最終狀態(tài)，就可以發(fā)現(xiàn)一些固定的模式——初始時人體處于直立狀態(tài)，跌倒后大多數(shù)情況下人體處于水平狀態(tài)。雖然有一部分跌倒動作可能發(fā)生人體斜靠在其它支撐物上的情況，但是綜合考慮跌倒探測器的使用背景和環(huán)境，應(yīng)該可以說，危險的或者可能已產(chǎn)生較嚴(yán)重后果的跌倒發(fā)生后，人體通常處于水平狀態(tài)，要求跌倒探測器都能夠檢測到并實施報警處理機制。而對于其他較為復(fù)雜的跌倒過程，則需要通過報警機制的配合，實現(xiàn)對跌倒探測及危險報警的準(zhǔn)確觸發(fā)。跌倒檢測的算法狀態(tài)機如圖48所示，跌倒檢測算法描述如下：1） 主循環(huán)等待，監(jiān)測Z軸加速度變化，如果超過閥值，進(jìn)入下一步；第四章 信號傳輸272） 等待加速度恢復(fù)到正常范圍內(nèi)，進(jìn)入下一步；3） 再設(shè)置延遲10秒，等待佩戴者狀態(tài)穩(wěn)定；4） 數(shù)據(jù)分析，如果發(fā)現(xiàn)佩戴者身體水平，認(rèn)為發(fā)生跌倒?fàn)顩r，觸發(fā)報警處理。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。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。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。 針對上面提到的幾種情況，報警處理的軟件設(shè)計將加以區(qū)分對待： 檢測到跌倒后，系統(tǒng)啟動30S的倒計時器，并打開蜂鳴器，每3S 響一次，如果沒有收到任何輸入，30S結(jié)束后，系統(tǒng)自動發(fā)布報警信息； 進(jìn)入30S倒計時后，蜂鳴器（beep ），系統(tǒng)可以響應(yīng)用戶輸入，跌倒探測器的兩個按鍵分別設(shè)置為“手動報警”和“取消報警”的功能，如果用戶按“手動報警”鍵，系統(tǒng)發(fā)布報警信息； 如果用戶按“取消”鍵，系統(tǒng)關(guān)閉30S倒計時和蜂鳴器，不作任何處理，直接返回計步器和跌倒檢測狀態(tài)。江 蘇 大 學(xué) 本 科 學(xué) 位 論 文28蜂鳴器響 3 0 S倒計時用戶輸入報警信息發(fā)布3 0 S 結(jié)束 ？檢測到跌倒結(jié)束返回主程序Y e sN o無輸入報警取消報警圖 49 報警處理流程圖 通信控制報警信息通過CDMA短信的方式發(fā)送給接收方，跌倒探測器采用 DTGS800b型CDMA 模塊，通信控制就是使其能夠正常工作的一段例程。 DTGS800b型CDMA模塊提供RS232 接口，MCU可以根據(jù)需要通過AT命令實施對通信過程的控制。具體通信例程根據(jù)設(shè)計需求應(yīng)包括如下內(nèi)容：1）啟動CDMA模塊2）是否啟動GpsOne服務(wù)3）獲取GPS空間定位信息4）發(fā)送短信息報警由于通信例程涉及的狀態(tài)不多，基本是按照上面的順序進(jìn)行，因而程序結(jié)構(gòu)比較簡單，這里就不再贅述。 按照上述方案設(shè)計完成的跌倒探測器樣機線路板如圖410所示，圖 410 樣機線路板兩視圖 左圖為帶有 CDMA 模塊線路，可見其下方是讀 SIM 卡電路。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。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(kuò)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。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)。利用 LabVIEW 編制的電子筆數(shù)據(jù)采集應(yīng)用程序，把 LabVIEW 語言和 USB 總線緊密結(jié)合起來的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)集成兩者的優(yōu)點。 USB 總線可以實現(xiàn)對外部數(shù)據(jù)實時高速的采集，把采集的數(shù)據(jù)傳送到主機后再通過 LabV IEW 的功能模塊順利實現(xiàn)數(shù)據(jù)的保存。 系統(tǒng)總體框架圖　　系統(tǒng)總體框圖如圖 51 所示，MCU 采用美國德州儀器公司（TI）生產(chǎn)的一種 16 位超低功耗的混合信號處理器 MSP430F169，因