基于加速度传感器的无线人体动作测量设备
ADXL345是ADI公司的三轴数字加速度传感器，主要应用于消费电子的微型惯性器件，最大可感知土16g的加速度，感应精度可达3.9mg ／LSB，倾角测量典型误差小于1°。通过其内置的ADC将加速度信号转换为数字量存放在片内缓冲区，使用SPI总线读取数据。在实际使用中，为提高输出数据的稳定性，设置感应范围为±2 g，感应精度为3．9 mg，可以满足人体动作加速度范围与精度要求。传感器采样速度在6．25～3 200 Hz之间可调，因为无线发送数据需要时间较长，并且低采样速率可以降低噪声干扰，将采样速度设定在100Hz，即10ms输出1组数据。
控制模块由ATmega88单片机及配套电路构成。ATmega88为8位AVR单片机，在3．3 V电压模式下可以工作于8 MHz，片内拥有8 KB Flash与1 KB SRAM。其主要任务为初始化加速度传感器和无线射频芯片，并从加速度传感器中读取测量数据，将数据初步整理后传送至无线射频芯片。
无线射频模块主要由nRF24L01构成，是一款单片射频收发器件，它工作于2．4～2．5 GHz ISM频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等。数据传输速率可达1～2 Mb／s。它可以同时支持6个无线器件的接收，由此实现了1组数据接收模块同时接收5组运动测量模块发送的数据。
电源模块使用低压差线性稳压器件(LDO)SP6201，将锂电池的4．2 V电压降至3．3 V，最大可负载200 mA电流，满足设备需要。
2．2 数据接收模块硬件设计
数据接收模块使用芯片CY7C68013A，片内集成USB2．0收发器、串行接口引擎、增强型8051微控制器，数据的传输率可达到56 MB，最大4 K USB端点缓冲区，时钟频率可达48 MHz。由于CY7C68013A本身并没有硬件SPI接口，同时又需要SPI与无线射频模块通信，实际中使用GPIO口软件模拟4线SPI进行通信。CY7C68013A不断扫描无线射频模块状态，当有接收数据到来时，使用SPI接收数据并通过USB上传给计算机。
数据接收模块硬件结构如图5所示。本文引用地址：//m.amcfsurvey.com/article/161551.htm
3 系统软件设计
软件设计主要包括2个部分，动作测量模块主控制器ATmega88的数据采集及发送部分、数据接收模块控制器CY7C68013A的数据接收及上传部分。
3．1 运动测量模块软件设计
使用ATmega88的定时器控制采样时间，由于已经将ADXL345的输出频率定为100 Hz，这里将程序设定为每隔10 ms进行一次采样，采样后将数据发送至无线射频模块进行数据发送，发送成功后进行下一次采样，否则重新发送。测量模块软件流程如图6所示。
3．2 数据接收模块软件设计
数据接收模块CY7C68013A通过不断查询nRF24L01的中断引脚来检测有无数据到来；当有接收数据到时，使用SPI总线读取加速度信息，判断该数据来自哪个发送端，并将数据存放在相对应的USB端点缓冲区，等待上位机取走。若上位机不取数据，旧数据会自动被新数据冲掉，保证数据的实时性。中央处理模块软件流程如图7所示。
4 实验结果与分析
实验中使用面包板模拟人体手臂进行角度测量实验，因为真实手臂平面有一定弧度，测量模块不同的放置位置对测量结果会有影响，而面包板为规则长方体，有非常平坦的一面可以放置测量模块，并且棱角清晰方便进行倾斜角度测量。在具体实验中，模拟测量模块佩戴在右手肘关节外侧的情况，设计2种测试例。右手向右伸臂的动作，如图8所示。右手向前抬臂的动作如图9所示。
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