步態(tài)作為生物特征之一,，在身份識別和運(yùn)動(dòng)分析方面都有著重要的研究意義，國內(nèi)外已有許多學(xué)者投入到該熱點(diǎn)研究中。步態(tài)研究需要以大量可靠的原始步態(tài)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，目前公開的步態(tài)數(shù)據(jù)庫都基于步態(tài)圖像口,。然而動(dòng)態(tài)環(huán)境中拍攝的圖像容易受光照變化、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的影子等多種因素影響,，給步態(tài)特征的提取帶來較大困難,。Ailisto H．等人提出了一種采用加速度傳感器來獲取步態(tài)數(shù)據(jù)的新方法，避免了動(dòng)態(tài)環(huán)境中多方面因素對捕捉圖像的不利影響,，降低了數(shù)據(jù)處理的難度,，從而開辟了步態(tài)數(shù)據(jù)獲取的新途徑。但是該方法采用裝有DAQl200數(shù)據(jù)采集卡的筆記本電腦采集數(shù)據(jù),，不僅成本高,，而且不便于測試對象攜帶。
近幾年隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展和制作工藝的不斷改進(jìn),，具有尺寸小,、精度高,、功耗低等優(yōu)點(diǎn)的MEMS(Micro-Electro-MecHanical-System)加速度傳感器已經(jīng)進(jìn)入應(yīng)用領(lǐng)域,，使得基于運(yùn)動(dòng)傳感器的步態(tài)研究更為方便。本文介紹的步態(tài)加速度信號無線采集裝置,，就是采用了MEMS三軸加速度計(jì)LIS3LV02DQ,、無線收發(fā)芯片nRF2401、8位微控制器μPD78F0547等主要器件而設(shè)計(jì)的,。
1 硬件電路設(shè)計(jì)
步態(tài)加速度信號無線采集裝置主要由兩部分構(gòu)成：數(shù)據(jù)采集及無線發(fā)送模塊,，無線接收及數(shù)據(jù)傳輸模塊。主要的接口電路包括微控制器與加速度計(jì)之間的CSIA0串行接口電路,，與無線收發(fā)芯片之間的CSIll串行接口電路,，以及UART轉(zhuǎn)USB的橋接電路等。其原理如圖1,、圖2所示,。由固定于人體腰后部的數(shù)據(jù)采集及無線發(fā)送模塊獲取并無線發(fā)送人運(yùn)動(dòng)時(shí)的三維加速度數(shù)據(jù)；計(jì)算機(jī)端的無線接收及傳輸模塊將接收到的數(shù)據(jù)通過USB串行接口傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中,，作為后續(xù)數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)源,。
2 控制軟件設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)采集及無線發(fā)送程序流程如圖3所示。其中初始化包括微控制器的I／O端口初始化,、串行接口初始化,、中斷初始化、加速度計(jì)和無線收發(fā)芯片的初始化配置,。初始化完成后等待按鍵命令,，第一次按鍵進(jìn)入開始采集數(shù)據(jù)狀態(tài),，再按一次鍵則停止采集數(shù)據(jù)。按鍵由被測試人控制,。
有關(guān)加速度計(jì)的主要程序代碼如下：
注意：
①當(dāng)CSIA0工作在1字節(jié)通信時(shí),，如果只執(zhí)行接收操作，則只能通過向串行I／O移位寄存器SIOA0寫入虛擬數(shù)據(jù)才可啟動(dòng)通信,，通信結(jié)束后產(chǎn)生1個(gè)中斷請求信號(INTACSI),，此時(shí)讀取SIOA0即為所要的值。
②每采集完1組加速度值,，必須執(zhí)行語句：
write_comm(WRITE_STATUS_REG,，Ox00)通過對狀態(tài)寄存器STATUS_REG清零，可以清除加速度計(jì)輸出的Data—Ready信號,，從而產(chǎn)生新的一組加速度值,。
無線接收及數(shù)據(jù)傳輸程序流程如圖4所示。在完成初始化后進(jìn)入循環(huán)監(jiān)聽狀態(tài),。當(dāng)接收到數(shù)據(jù)時(shí),，無線收發(fā)芯片nRF2401向MCU發(fā)出數(shù)據(jù)就緒信號，MCU讀取數(shù)據(jù)后和計(jì)算機(jī)通過串行通信將數(shù)據(jù)以文件的形式保存到計(jì)算機(jī)中,。
3 實(shí) 驗(yàn)
本設(shè)計(jì)中的無線發(fā)送,、接收天線采用的是PCB板上的環(huán)形線，其發(fā)射能力較弱,，因此實(shí)驗(yàn)是在發(fā)送端和接收端處于可視范圍內(nèi),，并且無障礙物阻隔的條件下完成的。被測試對象將裝置的數(shù)據(jù)采集及無線發(fā)送模塊固定于腰后部,，并且按照要求使加速度計(jì)3個(gè)軸的正方向分別指向人體側(cè)向,、垂直方向和前進(jìn)方向。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，加速度計(jì)以其采樣頻率范圍內(nèi)的任意采樣率工作時(shí),，該裝置均能滿足采集與傳輸?shù)囊蟆D5是加速度計(jì)工作在160Hz,，被測試人平地行走時(shí)接收并保存到計(jì)算機(jī)中的時(shí)間一加速度圖,。
結(jié) 語
本文所設(shè)計(jì)的步態(tài)數(shù)據(jù)無線采集裝置，通過完成對特定環(huán)境下步態(tài)加速度數(shù)據(jù)的采集及存儲,，為進(jìn)一步完成便于攜帶的采集裝置作了有效的嘗試,。通過進(jìn)一步改進(jìn)和完善，將會成為建立原始步態(tài)加速度數(shù)據(jù)庫,、跟蹤檢測和記錄人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的有效工具,。