基于三維加速度計的便攜式運動能耗測量儀的設(shè)計

焦 純，秦夏臻，師 航，唐 明，霍旭陽

（西安培華學(xué)院 智能科學(xué)與信息工程學(xué)院，西安 710125）

日常的體育鍛煉或訓(xùn)練是人們增進(jìn)健康的主要形式，適度的身體運動（physical activity）可以使成年人的早期死亡率下降20%～30%，使冠心病、II型糖尿病、中風(fēng)等慢性疾病發(fā)病率下降50%。運動還可以減緩肌肉的衰退，保持骨健康，并促進(jìn)兒童生長發(fā)育。不僅如此，研究者們還通過流行病學(xué)研究證實運動與健康之間存在明確的劑量反應(yīng)關(guān)系，而且這種劑量反應(yīng)關(guān)系在不同性別、不同年齡的人群中均存在。

在進(jìn)行運動健康管理的過程中，無論是研究運動與健康或疾病的關(guān)系，還是進(jìn)行運動干預(yù)的相關(guān)研究，準(zhǔn)確地評估運動過程中的能量消耗都是一個關(guān)鍵問題。

為此，國內(nèi)外的研究者們一直在尋找適用于運動現(xiàn)場及日常運動條件下人體運動能耗的測量方法。該方法應(yīng)能夠?qū)\動強(qiáng)度進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，不僅要操作簡便，自動化程度高，成本低，可靠性及準(zhǔn)確性較高，還要有較好的便攜性，測量過程中不影響人體的正常運動。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 工作原理

近些年，隨著微電子及計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的研究者開始采用加速度計（即加速度傳感器）來研究運動能耗評估問題。加速度計是基于牛頓力學(xué)定律，通過測量身體加速度絕對值的積分，通過身體運動的持續(xù)時間和強(qiáng)度的測量對身體活動提供客觀的評估。研究者們已經(jīng)通過大量的科學(xué)試驗證明：身體運動加速度的絕對值對時間的積分與能量或耗氧量成線性關(guān)系，即加速度計輸出與運動能耗具有高度的相關(guān)性[1-2]。這為利用加速度計評估人體運動能耗提供了具體的理論依據(jù)。

三維加速度計，能夠同時測量垂直向、前后向及側(cè)向的人體運動加速度，在感知運動類型及運動強(qiáng)度方面具有明顯優(yōu)勢，能夠更加準(zhǔn)確地反映人體的實際運動狀況。同時，由于近年來微電子技術(shù)和制造工藝的進(jìn)步，越來越多的三維加速度計被用于人體運動能耗測量技術(shù)的研究，采用三維加速度計評估運動能耗的信度和效度也得到越來越多的研究證實[3-7]。

文獻(xiàn)[8]總結(jié)了在PubMed醫(yī)學(xué)文獻(xiàn)檢索服務(wù)系統(tǒng)中，以“accelerom*”和“physical activity”為關(guān)鍵詞所檢索的1924篇相關(guān)論文的研究結(jié)果，得出“基于加速度計的運動能耗測量方法已經(jīng)徹底改革了人體運動評估領(lǐng)域的研究”的結(jié)論。

基于此，由于在操作簡便性、實用性及成本方面具有突出優(yōu)勢，基于三維加速度計的運動能耗測量方法目前已被研究者們確認(rèn)為最具有應(yīng)用前景的人體運動能耗評估方法。

1.2 總體設(shè)計

運動能耗測量儀是依靠電池供電的便攜式單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。該測量儀能在運動現(xiàn)場采集、處理并存儲人體運動信息，監(jiān)測運動狀態(tài)，計算人體運動過程中產(chǎn)生的運動能耗。同時，通過測量儀內(nèi)置的控制程序及各功能程序，能完成設(shè)定的運動干預(yù)功能。運動能耗測量儀的硬件和軟件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 運動能耗測量儀的硬件和軟件結(jié)構(gòu)Fig.1 Hardware and software structure of the measuring instrument for assessing physical activity energy expenditure

由于運動能耗測量儀需要在運動現(xiàn)場連續(xù)監(jiān)測及記錄運動信息，其現(xiàn)場使用性對系統(tǒng)整體的微功耗設(shè)計要求較高。即整個系統(tǒng)應(yīng)具有較低的靜態(tài)功耗和較低的、可控制的動態(tài)功耗，以延長測量儀的使用時間。同時，該測量儀應(yīng)體積小，重量輕，方便運動者佩帶且不影響正常運動。因此，微功耗及微型化設(shè)計是該系統(tǒng)的重要內(nèi)容及難點。系統(tǒng)中的元器件選擇、電路設(shè)計及軟件設(shè)計都應(yīng)緊密圍繞微功耗及微型化設(shè)計展開。

具體而言，便攜式運動能耗測量儀需滿足以下設(shè)計要求：

1）能以較高精度采集人體的三維運動加速度信號，能連續(xù)存儲較長時間的運動信息；

2）能夠定量評估人體運動能耗，并結(jié)合設(shè)定的閾值進(jìn)行運動干預(yù)；

3）具有友好的中文人機(jī)操作界面，操作簡便，能夠顯示操作狀態(tài)和提示信息；

4）體積小，重量輕，能方便地佩帶，采用鋰離子電池供電。

如圖1a所示，三維加速度傳感器實時采集人體運動過程中的三維運動加速度信號，并通過數(shù)字式接口將垂直向、前后向及側(cè)向的加速度信號傳輸?shù)街醒肟刂茊卧善溥M(jìn)行信號分析及完成運動能耗的計算；數(shù)據(jù)存儲單元具有較大的存儲容量，用于存儲該系統(tǒng)內(nèi)的運動數(shù)據(jù)及運動能耗的計算結(jié)果；顯示與鍵盤接口單元提供了操作該系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，并實現(xiàn)操作設(shè)置、漢字功能菜單顯示、提示及狀態(tài)信息顯示等功能；時鐘單元提供實時的時間坐標(biāo)，為運動數(shù)據(jù)的有序存儲提供可參照的時間刻度；測溫單元為系統(tǒng)提供環(huán)境溫度值，為運動能耗的計算提供溫度參數(shù)；電源單元提供穩(wěn)定的供電電壓，具有較高的電源輸出質(zhì)量和效率。

2 具體實現(xiàn)方法

2.1 中央控制單元

在測量儀系統(tǒng)中，中央控制單元采用TI公司的16位微控制器MSP430F149（簡稱F149）。其優(yōu)勢在于具有突出的微功耗特性，功耗可以達(dá)到μA級，片內(nèi)集成了豐富的外圍功能模塊，集成度高，運算能力強(qiáng)，功能強(qiáng)大。F149集成有60 kB的Flash ROM和2 kB的數(shù)據(jù)RAM，且具有硬件乘法器和2個支持SPI方式的串行接口，能夠提升該系統(tǒng)的集成度，降低系統(tǒng)設(shè)計難度，能較大程度地提升系統(tǒng)的整體性能。

F149內(nèi)部集成的串行接口支持異步通信方式，也支持SPI同步通信方式。因此，F(xiàn)149可以直接通過工作于SPI方式的串行接口，接收三維加速度傳感器發(fā)送的加速度數(shù)據(jù)；也可以通過串行接口，直接對串行Flash數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫操作。

F149片內(nèi)具有2 kB數(shù)據(jù)RAM，可以為運動數(shù)據(jù)的采集、讀寫、分析及相關(guān)計算提供充足的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，這對實現(xiàn)運動數(shù)據(jù)的實時采集、存儲及能耗計算提供了較好的硬件保證，有利于提高系統(tǒng)的可靠性。

同時，F(xiàn)149的硬件及軟件結(jié)構(gòu)均針對低功耗的應(yīng)用環(huán)境而設(shè)計，其有16個I/O引腳可以接收來自外部的中斷請求信號，其中斷和子程序調(diào)用無層次限制，具備5種低功耗模式，僅需6 μs即可從低功耗模式被喚醒；而且其內(nèi)的各個外圍功能模塊，均可在空閑時通過軟件操作來關(guān)閉。因此，基于MSP430F149的中央控制單元，可以方便地設(shè)計出基于中斷結(jié)構(gòu)的主控制程序和數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)讀寫、鍵盤響應(yīng)、時鐘、測溫及能耗計算等功能程序，還可以通過軟件程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行精細(xì)化的功耗管理。

2.2 數(shù)字式三維加速度傳感器

該系統(tǒng)采用ADI公司的ADXL345芯片作為監(jiān)測人體運動狀態(tài)的三維加速度傳感器。ADXL345具有閾值監(jiān)測和運動加速度測量功能，其最大量程為±16g，帶寬達(dá)到1.6 kHz，可輸出16位二進(jìn)制補(bǔ)碼形式的數(shù)字信號，能夠分辨小于1.0°的傾角變化，還可以感知有無運動發(fā)生。由于人體運動加速度信號的幅度范圍為-12g～12g，頻率范圍為 0～20 Hz，選用三維加速度傳感器ADXL345能夠滿足系統(tǒng)所需的測量范圍。

由于ADXL345內(nèi)置有A/D轉(zhuǎn)換器，能夠直接輸出補(bǔ)碼形式的數(shù)字信號，使得系統(tǒng)中省去了實現(xiàn)放大、整形及濾波功能的信號調(diào)理單元，從而簡化了系統(tǒng)設(shè)計，節(jié)省了電路板空間。

同時，ADXL345的供電范圍為2.0～3.6 V，支持SPI方式（三線或四線）或I2C方式的串行接口，因此其供電范圍及接口形式均能與MSP430F149匹配，兩者可以直接相連。如圖2所示，在采用SPI方式連接時，通信雙方以主從方式工作。由F149作為主器件提供時鐘信號，ADXL345作為從器件。另外，ADXL345片內(nèi)集成了32級FIFO緩沖區(qū)，具有旁路模式、FIFO模式、流模式和觸發(fā)器模式等4種工作模式，可有效降低F149的負(fù)荷。

圖2 MSP430F149與ADXL345的電路連接Fig.2 Circuit connection between MSP430F149 and ADXL345

與該系統(tǒng)的微功耗設(shè)計要求相適應(yīng)，ADXL345具有突出的微功耗特性。其測量模式下僅消耗23 μA電流，待機(jī)模式下的靜態(tài)電流僅為0.1 μA。ADXL345具有低功耗模式和休眠模式，當(dāng)檢測到靜止時，ADXL345可自動切換到低功耗、低采樣速率的模式。同時，ADXL345具有完備的中斷機(jī)制，提供了INT1和INT2兩個中斷輸出引腳，可以結(jié)合不同的工作模式對中斷輸出進(jìn)行設(shè)置。該系統(tǒng)將ADXL345的低功耗模式、中斷機(jī)制與基于中斷結(jié)構(gòu)的控制程序及數(shù)據(jù)接收程序相結(jié)合，以較低功耗實現(xiàn)運動狀態(tài)監(jiān)測和運動加速度測量。

ADXL345還采用了微型化的LGA封裝形式，體積僅為3 mm×5 mm×1 mm。

需要注意的是，ADXL345即使在加速度為零的無位移靜止?fàn)顟B(tài)，其3個軸向上的加速度輸出也不為零，即存在零位偏移。而且其3個軸向上的零位偏移各不相同，如各自的零位偏移不經(jīng)補(bǔ)償而直接進(jìn)入后級，則3個軸向上的加速度信號通道相互間就缺乏一致性和可比性，采集到的加速度數(shù)據(jù)也無法真實地反映人體運動。因此必須對ADXL345的零位偏移進(jìn)行補(bǔ)償。

零位補(bǔ)償是對傳感器初始狀態(tài)的偏移進(jìn)行補(bǔ)償。傳感器初始狀態(tài)偏移與2個因素有關(guān)：出廠時傳感器的初始狀態(tài)（此與生產(chǎn)工藝有關(guān)）；傳感器的實際安裝位置。系統(tǒng)中，正確的零位補(bǔ)償原則是把運動能耗測量儀按實際使用時的佩帶狀態(tài) （如豎放）靜止放置，對此時垂直向、前后向、側(cè)向等3個方向上的加速度輸出進(jìn)行補(bǔ)償，使其均為零。具體方法有2種：①由于ADXL345內(nèi)置偏移寄存器，可以在記錄偏移量后實際輸出時自動補(bǔ)償。②預(yù)先測出ADXL345的3個軸向上加速度輸出的零位偏移值，在程序中對接收到的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行零位補(bǔ)償。

為進(jìn)一步減少誤差，提高系統(tǒng)精度，在運動能耗計算程序中，應(yīng)結(jié)合系統(tǒng)中測溫單元測得的實際環(huán)境溫度值，對ADXL345的3個軸向上加速度輸出進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

實際安裝過程中，還需要防止ADXL345因未固定好而引起的自身跳動，以及由于PCB電路板振動引起的機(jī)械共振，這些都將引入新的干擾。因此，應(yīng)將ADXL345焊接在PCB電路板的牢固連接點附近，避免電路板的彈性形變引起自身跳動。

2.3 數(shù)據(jù)存儲單元

數(shù)據(jù)存儲單元需要記錄較長時間的現(xiàn)場運動數(shù)據(jù)，同時還需存儲運動能耗的計算結(jié)果，故需要較大的存儲容量。結(jié)合微功耗、微型化的設(shè)計要求，同時綜合考慮接口形式、功耗、存取速度、體積等因素，該系統(tǒng)選用Atmel公司的數(shù)據(jù)存儲芯片AT25DF641。

AT25DF641的工作電壓為2.7～3.6 V，待機(jī)電流為 25 μA，讀操作電流為 5 mA（工作頻率 20 MHz），燒寫電流為12 mA。其存儲密度高，存儲容量達(dá)到8 MB，可擦寫10萬次。

AT25DF641支持SPI方式的串行接口，能有效節(jié)省電路板空間，在高速數(shù)據(jù)傳輸時，還可以有效降低開關(guān)噪聲。如圖3所示，AT25DF641可通過串行接口與MSP430F149直接相連。在采用SPI方式串行傳輸數(shù)據(jù)的過程中，由F149作為主器件提供時鐘信號，AT25DF641作為從器件。數(shù)據(jù)存儲單元中使用了2塊AT25DF641芯片，一方面能有效提高存儲容量，使系統(tǒng)的存儲空間達(dá)到了16 MB，另一方面也有利于提升系統(tǒng)可靠性。

圖3 數(shù)據(jù)存儲單元電路Fig.3 Data storage unit circuit

如圖所示，F(xiàn)149通過P3.0與P3.5引腳分別控制2塊AT25DF641的CS使能引腳，對2塊AT25DF641進(jìn)行分時操作，實現(xiàn)了對同一個SPI串行接口的分時復(fù)用，節(jié)省了系統(tǒng)資源。同時由于數(shù)據(jù)寫入芯片需要一定的寫入時間，為保證數(shù)據(jù)存儲的可靠性，在F149的RAM內(nèi)開辟了2個緩沖區(qū)來暫存接收到的運動數(shù)據(jù)，同時結(jié)合AT25DF641的頁面數(shù)據(jù)寫入功能，使得運動數(shù)據(jù)能夠及時可靠地存儲。

該系統(tǒng)采用了基于頁面的數(shù)據(jù)讀寫程序，有效地減少了讀或?qū)慉T25DF641的時間和頻度，進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗。

2.4 微功耗設(shè)計

該系統(tǒng)的微功耗設(shè)計具體包括本質(zhì)低功耗設(shè)計、運行功耗分析及功耗管理。其中，本質(zhì)低功耗設(shè)計是使器件在靜態(tài)、動態(tài)運行條件下均具有很低的功耗水平，即在系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)優(yōu)先選擇具備本質(zhì)低功耗的器件和選用本質(zhì)低功耗的電路結(jié)構(gòu)。由于系統(tǒng)的主要功耗來源于活動狀態(tài)下各器件消耗的電流，運行功耗分析就是在系統(tǒng)的設(shè)計方案確定后，全面分析系統(tǒng)運行中各器件的有效運行時間，對各器件的能耗情況進(jìn)行綜合評估，在滿足系統(tǒng)各項設(shè)計指標(biāo)的同時，從最大程度地減少系統(tǒng)平均功耗的角度，尋求最小時、空占空比的任務(wù)安排。

在完成了整個系統(tǒng)運行功耗分析的基礎(chǔ)上，需要通過各種功耗管理手段來實現(xiàn)微功耗設(shè)計的目標(biāo)。具體來說，功耗管理是指通過硬件及軟件相結(jié)合的一整套技術(shù)方法來降低系統(tǒng)整體功耗。以實現(xiàn)分區(qū)域的智能供電為例，需要硬件設(shè)計與軟件設(shè)計相互配合，首先需設(shè)計支持分區(qū)供電的硬件電路結(jié)構(gòu)，然后由控制程序通過控制各區(qū)域供電芯片的開關(guān)來實現(xiàn)分區(qū)供電。

面向低功耗的軟件設(shè)計是實現(xiàn)精細(xì)化功耗管理的重要技術(shù)手段。其包括2個方面：一方面，結(jié)合運行功耗分析的結(jié)果，通過控制程序優(yōu)化整個系統(tǒng)的工作流程，尋求最小時、空占空比的任務(wù)安排，減少各器件的活動時間，精細(xì)化地管理功耗。另一方面，完全基于中斷結(jié)構(gòu)設(shè)計該系統(tǒng)的主控制程序和各功能程序。使中央控制單元在空閑時間均處于低功耗休眠模式，由各類中斷請求信號喚醒，并在各中斷服務(wù)程序中完成數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)存儲及測溫等功能。

具體來說，該系統(tǒng)利用三維加速度傳感器ADXL345的中斷輸出功能，將其INT1，INT2引腳連接到MSP430F149具有中斷輸入功能的引腳。當(dāng)ADXL345中有新的數(shù)據(jù)產(chǎn)生時，其DATA_READY中斷置位；或者加速度值大于ADXL345中設(shè)定的閾值時，其Activity中斷置位。這2個中斷請求信號均可以喚醒F149，并在相應(yīng)的中斷服務(wù)程序中完成各自的數(shù)據(jù)處理。同時，通過F149內(nèi)的硬件定時器設(shè)定讀取當(dāng)前時間及測量溫度的時間間隔，在定時中斷服務(wù)程序中完成讀取當(dāng)前時間及測量溫度的操作。

3 結(jié)語

文中闡述了一種基于三維加速度計的運動能耗測量儀的設(shè)計方案。該測量儀能夠在運動現(xiàn)場實時采集、處理及存儲人體運動信息，能夠?qū)θ梭w運動能耗進(jìn)行定量評估，是一種適用于家庭或個人運動健康管理的智能化儀器。同時，為了進(jìn)一步提高基于加速度計的運動能耗評估方法的準(zhǔn)確性和可靠性，使其對不同的運動強(qiáng)度和運動類型均具有更好的精度，還需對基于加速度計的運動分類算法及能耗評估算法開展深入研究。