基于MMA8452Q加速度傳感器的計步器設計

　　引腳INT1和INT2可以配置成“推挽”或“開漏”輸出方式，即可以“高電平有效”也可以“低電平有效”。如果被配置成“開漏”輸出方式并且外帶上拉電阻，該引腳就被設置為“低電平有效”，剛好與8051單片機的外部中斷信號吻合。

　　計步器設計將中斷引腳INT1與“運動檢測”事件綁定在一起，當人體邁步時垂直加速度開始增加，當達到預定的閾值時，中斷申請信號發出，通知控制器讀取當前加速度值，經進一步分析確定是否是有效計步信號。中斷使用的關鍵是合理閾值的確定。

　　該傳感器在靜止時顯示一個g(重力加速度)，當人體運動時，運動加速度與重力加速度疊加。傳感器可以輸出12位二進制加速度值，該數值是有符號數，正數的最大值為7FFH。本計步器量程選擇的是2 g，傳感器靜止時感受重力加速度為g，所以顯示數值為3FFH。通過實驗獲取了大量的數據，分析每邁一步加速度的變化情況。選取加速度值大于g的數據為研究對象，將它們顯示的數據轉化為十進制數。3FF對應的十進制數是1023，對應的加速度為g。從而得出1個LSB所對應的加速度值為0.000 98 g。我們試驗程序采集的數據如表1所示，數據表明每走一步，可以收到2～3組數據，其中至少有一組超過1.1g，表中帶下劃線的數據為超過1.1 g的加速度值。

　　當試驗人員原地晃動時，得到的10組加速度值如表2所示。

　　經過對人行走、跑步、晃動等加速度變化的分析，綜合考慮選取1.1 g為加速度閾值。在MMA8452Q傳感器中有一個閾值寄存器，數值范圍為0～127，閾值最低分辨率為0.063 g/LSB。1.1 g/0.063 g=17.46.四舍五入到18，所以閾值寄存器中送閾值12H。

　　2.2 軟件抗干擾方法

　　2.2.1 時間窗口的限制

　　利用傳感器自身的濾波和閾值中斷的方法，能夠減少頻率較低、幅度較小的干擾，但是仍然會有誤計數的可能，特別是多計數。需要采取軟件抗干擾濾波方法，進一步濾除無用信號。根據圖2所示垂直加速度的信號波形，兩次峰值是有時間間隔的，根據資料顯示，人行走的頻率一般在110步/分鐘(1.8 Hz)，跑步時的頻率不會超過5 Hz。如果選擇1～5 Hz，對應的時間間隔是1 000～200毫秒。利用定時中斷記錄兩次外部中斷時間間隔，如果在有效范圍內，則為有效計步一次，否則無效。

　　實際上正常行走的任一段時間內，步頻的變化都會集中在峰值頻率附近的一個小范圍內，而不是0.5～5 Hz這么寬。由于每個人的步頻是不同的，可以采用下述的自標定方法得到個人步頻的峰值頻率和變動范圍，再采用時間窗口的限制，檢測的準確度更高。

　　2.2.2 自標定方法

　　計步器配置了兩個按鍵：“直接計步按鍵”、“自標定按鍵”。如果計步器工作后直接按下“直接計步按鍵”，計步器按1～5Hz的行走頻率設置時間窗口，并按這個參數進行數據分析。如果計步器工作后先按下“自標定按鍵”，則進入自標定過程。連續行走10步，每走1步要同時按下“自標定按鍵”一次。計步器會記錄10次的時間間隔ti(i=0～9)，求出平均值Tp，及偏差vi=|ti-Tp|(i=0～9).南此確定個人的行走頻率范圍，并利用時間窗口的限制進行數據分析，可以得到較高的準確度。

　　2.2.3 計步器主要程序流程圖

　　計步器的主程序流程圖如圖4所示，外部中斷流程圖如圖5所示。開始工作后首先進行初始化、顯示初始界面，然后等待按鍵信號。如果按下“直接計步鍵”，則使能外部事件中斷，等待外部中斷的到來。當MMA8452Q加速度傳感器檢測到外界加速度大于所設閾值，將會產生中斷信號，單片機進入中斷程序后，讀取傳感器的加速度數據，并讀取自上一次外部中斷后的時間間隔，如果時間間隔在有效區間內，則本次數據有效，計步數據加1，并將計時單元清零，為下一次中斷做準備。

　　如果先按下“自標定鍵”，則先進入自標定過程(如前所述)，然后再按下“直接計步鍵”，則按照自標定過程獲得的步頻參數進行數據分析。

　　定時中斷程序比較簡單，單純的計時供計步分析使用，這里不再贅述。

　　在傳感器的初始化中，配置MMA8452Q為運動檢測方式，包括如下步驟：

　　1)使傳感器進入待機模式;2)使能垂直方向運動檢測和鎖存;3)設定運動檢測閾值;4)設置去抖計數器以消除虛假讀數;5)啟用系統中的運動/自由落體中斷功能;6)將傳感器切換到主動模式。表3中列出了配置MMA8452Q的運動檢測或自由落體檢測的重要寄存器。

　　3 結論

　　文中介紹了基于MEMS加速度傳感器MMA8452Q的計步器設計方案，充分利用該傳感器對模擬信號檢測的濾波處理能力，配合軟件抗干擾措施，通過檢測人行走時腰部產生的垂直加速度變化，實現間接檢測步數的目的。該設計硬件簡單，實現方便。試驗結果表明：能夠較好地適應不同步頻情況，計步精度較高，穩定性好。