【正文】 volatile INT8U gu8ISR_Flags=0。 extern INT8U gucUSBExtractFlag 。 沒有你們，也就沒有今天的我。 然后， 感謝 自 動化 F0903 班所有同學 對我 的包容 與理解 ， 感謝電子科技協(xié)會對我的培養(yǎng)， 感謝 31520 實驗室里的同學給我的支持， 感謝 曹建偉、 郭玉峰、麻等等、戰(zhàn)永立 等對我的鼓勵 ，我會永遠記住與你們的 一起奮斗，一起成長 的時光 。 在整個畢業(yè)設計的創(chuàng)作過程中，孫麗君老師和鄭維老師 為我提供了 很多建設性的意見和建議， 細心地 幫助我 查找不符合規(guī)范的地方，反復對我 提出 新的要求， 課余時間總是督促我反復修改論文，使得我的畢業(yè)設計論文精益求精。 在這段時間，自己 的成長也離不開老師的教導 、 同學的幫助、 親人的鼓勵 ， 請允許我在這里向他們 表達由衷的感謝 。 追憶這四年的大學 生活，的確讓人產(chǎn)生許多感慨 。 遇到問題 不要盲目地上網(wǎng)查資料，而是 要 以嚴謹?shù)?作風 去面對， 靜下心來思考原因， 抓住問題的關鍵， 解決問題后要多總結，只有這樣， 自己解決問題的能力才會真正提高。軟件方面從多角度思考問題，利用不同的算法實現(xiàn)功能，使自己的編程能力有所提升。 通過本次畢業(yè)設計，深化了 對低功耗思想的理解，另外也加深了我對 USB 與上位機通信、 flash 存儲、 TSI 觸摸按鍵算法設計的熟悉，在算法方面，選擇了多方比較，擇優(yōu)處理的方式，使自己對問題的研究更加深刻，對思路的整理更加清晰。在硬件設計時加上控制端，我們使用該設備的時候才開啟起來，這樣我們整機的功耗就可以降至一個很低的水平，更加突出低功耗的產(chǎn)品設計理念。 當然，該計步器還有很多可以改進的地方，比如可以采用功耗 更低 的 MCU 作為主控芯片，如 Energymicro 公司的 微控 制器等。 （ 5） 電容觸摸 按鍵 的設計和 LCD 顯示菜單的設計 。 （ 3） 計步器低功耗設計。 本次 畢業(yè) 設計完成的主要工作有 以下幾個部分 ： （ 1） 硬件電路的整體設計。另外也擴展了環(huán)境溫濕度參 數(shù)的變化，顯示日歷時鐘等功能 。 小結 本項目基本的功能已經(jīng)實現(xiàn)，但是在精度上還是欠佳，在開題報告中設定的工作電流是 2mA 以下，目前在深度睡眠的模式下能夠實現(xiàn)這個目標，在添加空間等待睡眠下的正常工作功耗大約為 ，距離目標還是有一點偏差，應該繼續(xù)改進電路的設計。 這部分損耗主要是 外設的靜態(tài)電流造成的。而 佩戴者在行走時，波形振幅 較小 ，與抖動波形區(qū)分不明顯。 如 表 表 。 圖 滑動平均濾波前后對比 從 圖 中可以看出， 經(jīng) 采樣點為 10 的“滑動平均濾波算法”處理后， 原始波形中的多處 “毛刺”均被過濾掉，同時濾波后的波形振幅基本沒有衰減， 效果非常顯著。 圖 加速度傳感器 X 軸方向波形 在設計濾波算法時 ，本設計嘗試了 “限幅濾波算法”、“中值濾波算法”等，最終選擇了濾波效果最顯著的“滑動平均濾波算法” （采樣點為 10 時，濾波效果最好， 37 且振幅未衰減太多） ，如 圖 所示。故先不考慮 Y、 Z 軸的加速度曲線，只分析 X 軸。 其中，紅線 代表 X 軸的加速度分量，綠線代表 Y 軸的加速度分量，藍線代表 Z 軸的加速度分量 。 36 5 系統(tǒng)測試 濾波性能測試 如 圖 所示，首先獲取加速度傳感器在三個垂直方向的加速度分量。還有 RTC 實時時鐘，實現(xiàn)自動更新時間。 本次設計使用的 LCD5110 采用串行通信協(xié)議，僅通過 五 根數(shù)據(jù)傳輸線就能實現(xiàn)通信，該液晶屏通信速度快，功耗低，相對于段式液晶來講靈活度高，可操作性強。本系統(tǒng)軟件設計采用中斷方式， 35 設定軟件觸發(fā)掃描方式 ，掃描結束中斷進入中斷處理中斷服務函數(shù)。 本系統(tǒng)與上位機的通信內(nèi)容有上傳計步器的運動數(shù)據(jù)到上位機，上傳系統(tǒng)配置信息到上位機，下載配置信息到系統(tǒng)。 USB 設備無法主動發(fā)送數(shù)據(jù)，必須通過 USB 主機的定時查詢才能發(fā)送，所以在使用 USB 發(fā)送數(shù)據(jù)的時候必須注意發(fā)送速度，發(fā)送的太快的會把發(fā)送緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)給覆蓋掉。最后進入正常的USB 通信后，應用層可以調(diào)用 USB 協(xié)議棧中提供的發(fā)送以及接收數(shù)據(jù)函數(shù)來進行USB 通信。 CDC 類與其他兩個設備類相比， CDC 類有開發(fā)難度低，實現(xiàn)簡單，占用資源少等優(yōu)點，所以在本系統(tǒng)中選擇了 USB CDC 類。 圖 給出了人機界面的菜單設計框圖。 人機界面的程序設計 本設計通過 五 個電容觸摸按鍵來控制液晶屏的界面顯示， 按鍵的 功能分別是“ 切換 ” 、 “ 進入 ” 、 “ 退出 ” 、 “ ＋ ” 、 “ － ”。 在TSI 中斷服務程序中，得到 5 個活動電極的計數(shù)值，判斷是否超過預設閾值 。 圖 系統(tǒng)功耗設計圖 電容觸摸按鍵的程序設計 電容觸摸按鍵的程序設計流程圖如 圖 所示。本系統(tǒng)選擇了 功耗最低的 Deep Sleep 模式中的VLLS1(Very Low Leakage Stop)模式，以及 Deep Sleep 中 喚醒方式最靈活的VLPS(Very Low Power Stop)模式，作為低功耗的實現(xiàn)模式。 在 這 八 種 睡眠模式 中 ， 各自的功耗不同，喚醒條件，喚醒 所 需 時間 ，均不相同， 工作電流 在 174nA 至 7mA 不等。 31 FMC __GflashManager,__GflashManagerForConf。 /* 三個扇區(qū)的狀態(tài) */ INT8U ucBuf[WORD_SIZE]。 /* 活動地址索引 */ INT16U usAvailDataCont。 /* 擦除扇區(qū)首地址 */ INT16U usEraseTimeCount。 /* 當前活動扇區(qū)的首地址 */ INT32U uiLastAvailBlockAddr。 圖 Flash 管理程序流程圖 Flash 管理結構體 如 程序清單 所示。整個初始化過程是 Flash 管理最重要的部分。 首先進行 Flash 初始化，讀取 Flash 中 3個扇區(qū)的 首地址 下 的 4 個字節(jié)數(shù)據(jù)，得到當前 Flash 存儲空間 的活動扇區(qū) 。 StepCount++。amp。 StepFlag == 0) { StepFlag = 1。 } 30 程序清單 遲滯比較算法 if(([m] ) amp。 } if([m] = ) { = [m]。 程序清單 更新加速度傳感器數(shù)據(jù)閾值 if([m] = ) { = [m]。 28 圖 主機實現(xiàn)計步算法流程圖 29 圖 從機接收無線數(shù)據(jù)流程圖 緩沖區(qū)數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波算法后，得到了比較理想的波形曲線。 } SaveDataX2[i] = temp / 10 } 計步算法的程序設計 圖 和 圖 是實 現(xiàn)計步算法的流程圖。 j i + 10。 i++) { temp = 0。 程序清單 計步器濾波算法部分程序 for (i = 0。 /* 不為空，則“出隊” */ …… } /* 若為空，則什么也不做 */ } 濾波算法的程序設計 本設計采樣各類人群在行走和跑步過程中的運動數(shù)據(jù)，通過上位機顯示 波形 ，并模擬 濾波 算法 ，分析 得到最適合本設計的濾波算法是滑動平均值濾波算法，采樣點為 10 個，具體效果見第五章內(nèi)容。MMA8451QRecQ, amp。 /* 清中斷標志位 */ } 程序清單 計步器 主函數(shù) while 循環(huán) while(1) { if(!QueueIsEmpty(amp。MMA8451QRecQ, *(QueueType*)ucData)。 /* 讀 Z 軸高位數(shù)據(jù) */ ucData[5] = MMA8451Q_ReadReg(0x06)。 /* 讀 Y 軸高位數(shù)據(jù) */ ucData[3] = MMA8451Q_ReadReg(0x04)。 /* 讀 X 軸高位數(shù)據(jù) */ ucData[1] = MMA8451Q_ReadReg(0x02)。 if(MMA8451Q_ReadReg(MMA845x_INT_SOURCE) amp。如 程序清單 和 程序清單 所示。 獲取數(shù)據(jù)的程序設計 每當數(shù)據(jù)準備好，觸發(fā)外部中斷，在中斷服務程序中僅需要將 數(shù)據(jù)“入隊”；在主函數(shù)中反復查詢隊列是否為空。 unsigned char QueueIsFull(CirQueue *pQueue)。 unsigned char QueuePush(CirQueue *pQueue, QueueType x)。 unsigned char QueueGetLengh(CirQueue *pQueue)。 }CirQueue。 unsigned char Head。 }QueueType。如 程序清單 所示。在中斷服務程序中，需要讀取數(shù)據(jù)，并保存。 26 }SensorData。 __DATA Y。 }__DATA。 DATATYPE UpLimit。 DATATYPE MinMark。 DATATYPE MaxMark。 define DATASIZE 50 typedef struct __DATA { DATATYPE Data[DATASIZE]。如程序清單 所示。這樣在 當新的數(shù)據(jù)到來時，會舍掉最后面的數(shù)據(jù)。 此時，可通過滑動方式解除低功耗模式，使得計步器正常工作。 然后進入任務循環(huán)， 根據(jù)當前的按鍵操作調(diào)用相應的功能函數(shù)，如 若 在主界面，則正常顯示日期、時間，環(huán)境的溫濕度； 要開始運動， 則 使 加速度傳感器 處于激活狀態(tài)，并開始計步；若要 存 儲運動信息，則調(diào)用 Flash 讀寫函數(shù)。 設計流程圖 圖 為主程序流程圖。在沒有按鍵按下一段時間內(nèi)系統(tǒng)關屏以降低功耗，在加速度計不工作時且沒有其他操作，系統(tǒng)經(jīng)過一段時間自動進入低功耗模式。計步完成 后 ， 可以將 信息存儲起來，下次上電之后可以調(diào)出該信息，計步器可記錄七天的運動 信息。之后設置個人參數(shù)，輸入性別、步長、體重。 23 圖 計步器 正面 圖 計步器 背面 圖 計步器 正面 圖 計步器 背面 24 4 系統(tǒng)軟件設計 軟件整體設計 設計思路 本次設計主要有 6 個功能，即計步算法的實現(xiàn)， Flash 存儲 運動數(shù)據(jù) ， USB 與上位機的通信，溫濕度傳感器的實現(xiàn)， TSI 電容觸摸按鍵的實現(xiàn)，及人機界面的設計。“吃一塹長一智” ， 第二個版本完美地解決了上述問題，使得我對這一款 MCU 的硬件資源了解地更加透徹，同時自己的 PCB制作能力也得到了很大地提升。由于對芯片資源了解的不夠清晰，還有個別引腳連接錯誤，最后被迫跳了幾根線。 第一次一味追求緊湊、小巧，導致 TSI 觸摸按鍵太小，干擾也很大。由于傳感器為 QFN 封裝，腐蝕板達不到 它的 精度要求。 為實現(xiàn) 阻抗匹配， 在數(shù)據(jù)線上 各串聯(lián)一個 33Ω 的電阻 ，防止 差分信號 在高速傳輸過程中 ，由于阻抗不匹配，造成 信號反射。 22 圖 無線模塊接口電路 USB 接口 電路如 圖 ， USB 是差分信號傳輸。同時我們設計了 用 一個 P 溝道 MOS 管來控制對它的供電，以避免正常工作狀態(tài)下不必要的功率消耗。 圖 MMA8451Q 電路 如 圖 所示，為本系統(tǒng)的溫濕度傳感器 DHT11 的接口， DHT11 傳感器采用的是單總線的傳輸方式，由主機發(fā)起讀信息指令，通過單總線完成信號傳輸，這種傳感器的缺點是傳輸速度慢，耗時長，功耗高，所以在硬件設計的時候，增加了 MOS管 控制溫濕度 傳感器 的工作狀態(tài) ，達到控制功耗的效果。傳感器外圍電路非常簡單，如 圖 所示 。接口電路如 圖 所示。 表 LCD5110 引腳功能表 引腳 SDIN SCLK D/C SCE RES 功能 串行數(shù)據(jù)線 串行時鐘線 模式選擇 芯片使能 復位實時時鐘模塊 本設計采用 P 溝道 MOS 管控制對液晶的供電，采用 N 溝道 MOS 管控制液晶的背光。A 以下，傳輸速度快，是 LCD12864 的 40 倍，是 LCD 的 20 倍。支持多種串行通信協(xié)議（如 AVR 單片機的 SPI、 MCS51 的串口模式 0 等），傳輸速率高達 4Mbps，可全速寫入顯示數(shù)據(jù)，無等待時間。 本次觸摸按鍵設計考慮到了傳感線走線，避免了與通訊線相鄰且平行的情況，考慮了地層與觸摸按鍵之間的關系，使寄生電容對觸摸按鍵的影響降到最低值，還考慮了按鍵形狀，使人手觸摸后的效果達到最大化，整個設計最終取得了靈敏度高、功耗低等效果?；瑒訔l設計如所示。對于滑動條來說，各個按鍵之間的距離最好保持在 ~ 的范圍。只有當按鍵面積 增大至與觸摸物（手指）相當時，觸摸電容才能達到最大值，推薦按鍵大小 8mm~15mm。