摘  要： 設(shè)計(jì)了一種人員腳步聲采集系統(tǒng),，該系統(tǒng)以STM32微控制器為核心,，采用三分量加速度傳感器MMA7260采集人員的腳步聲信號(hào)。在與上位機(jī)的通信過程中,，STM32采用無線發(fā)射模塊或者串口向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù),，上位機(jī)在接收到數(shù)據(jù)后將上傳的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬波形。大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地采集到人員的腳步聲信號(hào),，為后續(xù)的人員腳步聲的特征提取及多人腳步聲信號(hào)分離提供了準(zhǔn)確的原始數(shù)據(jù),。
關(guān)鍵詞： 加速度傳感器；人員腳步信號(hào),；MMA7260,；STM32；信號(hào)采集

　在人獨(dú)特的生理特征和行為特征中,，人員的腳步聲作為一種新興的生物識(shí)別技術(shù)正受到越來越多的研究者的關(guān)注,。較之人臉、指紋,、虹膜等其他的生物特征[1],，人員的腳步聲具有在非接觸或者隱蔽的狀態(tài)下進(jìn)行人身份鑒別等優(yōu)點(diǎn)。由于人的生理特征比較穩(wěn)定,，不易被竊取,，因此在生物識(shí)別中具有更大的優(yōu)勢(shì)及準(zhǔn)確性。現(xiàn)今生物識(shí)別技術(shù)已經(jīng)逐漸成為一種公認(rèn)的應(yīng)用較為廣泛的身份認(rèn)證技術(shù)[2],。
　而生物識(shí)別技術(shù)是在大量的原始數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的,，因此本文就人員的腳步聲的采集系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中采用MMA7260三軸加速度傳感器采集人員的腳步聲信號(hào),，經(jīng)過STM32101C8T6微控制器（MCU）的處理將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)顯示,。該采集系統(tǒng)外形小巧，易于安裝,，能夠準(zhǔn)確地采集到人員的腳步聲信號(hào),，為后續(xù)的腳步聲的特征提取及多人腳步聲信號(hào)分離提供大量的原始數(shù)據(jù)。
1 人員腳步聲采集系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
　人員腳步聲信號(hào)采集系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成,。在硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,，通過MMA7260三軸加速度傳感器同時(shí)采集人員腳步聲3個(gè)方向的加速度信號(hào)，將采集到的數(shù)據(jù)通過STM32的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換,、存儲(chǔ),。在與上位機(jī)的通信過程中，STM32將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過無線發(fā)射模塊或者串口發(fā)送到上位機(jī)上,，供上位機(jī)處理,。硬件系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

　在軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,，由微控制器軟件系統(tǒng)和上位機(jī)軟件系統(tǒng)兩部分組成,。單片機(jī)軟件系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序兩部分，如圖2所示,。在驅(qū)動(dòng)程序中,，首先需要配置好信號(hào)采集過程中用到的A/D驅(qū)動(dòng)、DMA驅(qū)動(dòng)和存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)等。在應(yīng)用程序中,，主要是編寫A/D采集程序及與上位機(jī)通信程序,。在上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)中，將采集到的腳步聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào),，并將模擬信號(hào)波形顯示出來,。

2 腳步聲采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 STM32101C8T6與MMA7260
　STM32F101C8T6基于ARM 32 bit的Cortex-M3內(nèi)核，其具有豐富的外設(shè)：2個(gè)SPI接口,，3個(gè)USART接口,，10通道的A/D，并且具有DMA,、定時(shí)器等,，可以滿足本系統(tǒng)的需求。因此選取STM32F101C8T6 MCU作為主控制芯片,。
　MMA7260Q[3]是一種低成本,、單芯片、三軸向,、高靈敏度的加速度傳感器,，基于表面微機(jī)械結(jié)構(gòu)，集成信號(hào)調(diào)理電路,、單極點(diǎn)低通濾波器和溫度補(bǔ)償部分,，并且具有4種不同的靈敏度選擇模式。本設(shè)計(jì)采用MMA7260來測(cè)量人走路時(shí)三維的加速度信號(hào)[4],。MMA7260的功能如圖3所示[5],，X、Y,、Z 3個(gè)相互垂直方向上的加速度由G-Cell傳感單元感知，經(jīng)過容壓變換器,、增益放大,、濾波器和溫度補(bǔ)償后，以電壓信號(hào)輸出,。

2.2 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
　人員腳步聲采集系統(tǒng)以STM32101C8T6 MCU為核心,，STM32的工作電壓（VDD）為2.2~3.6 V，MMA7260的正常工作電壓范圍也是2.2~3.6 V,，因此選擇3節(jié)1.2 V電池進(jìn)行供電,，能夠滿足系統(tǒng)要求。
MMA7260的3個(gè)加速度輸出管腳分別與STM32的A/D轉(zhuǎn)換器中的3個(gè)通道相連,。由于MMA7260內(nèi)部使用開關(guān)電容作為濾波器,，為降低時(shí)鐘帶來的噪聲，在輸出通道上采用RC濾波,，在輸出通道上使用1 k?贅的電阻和0.1 μF的電容構(gòu)成RC濾波器,。為了更加準(zhǔn)確地采集到人員腳步聲加速度信號(hào),，在硬件電路實(shí)現(xiàn)時(shí)，還應(yīng)保證MMA7260與STM32的物理連接距離最短,，在板卡元器件布局過程中,，將MMA7260放在板卡的背面，STM32放在板卡的正面,，兩者正對(duì)放置,，保證了硬件連線最短。這樣既減少了寄生電阻,、寄生電容的產(chǎn)生,，同時(shí)也防止了加速度信號(hào)的衰減和噪聲的干擾。
　為了能讓采集系統(tǒng)和上位機(jī)通信,，在設(shè)計(jì)過程中利用MCU的USART外設(shè)外接MAX3232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換,，引出RS-232接口通過串口線與上位機(jī)進(jìn)行通信。同時(shí),，預(yù)留了SPI接口,，可以外接UTC1212SE無線發(fā)射模塊，方便地與上位機(jī)進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸,。
　硬件電路的設(shè)計(jì)首先應(yīng)該按照硬件板卡所要實(shí)現(xiàn)的功能及總體功耗來選取適當(dāng)?shù)钠骷M(jìn)行設(shè)計(jì),。為了達(dá)到硬件板卡的小型化及低功耗的目的，在選擇元器件時(shí)都選用貼片形式,，而整個(gè)板卡34 mm×26 mm的尺寸也是比較小巧的,，方便了硬件板卡的安裝及放置。在選擇芯片時(shí)都選用了帶有休眠功能的芯片,，在沒有腳步聲信號(hào)到來時(shí),，芯片都處于低功耗狀態(tài)；腳步聲信號(hào)到來時(shí)自動(dòng)喚醒芯片,，進(jìn)行腳步聲信號(hào)的采集,，有效地降低了系統(tǒng)功耗。
3 腳步聲采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1 單片機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　在軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,，首先根據(jù)硬件電路圖配置相應(yīng)的I/O端口：配置USART引腳,；設(shè)置g-Select1和g-Select2為0、1,；將MMA7260的測(cè)量范圍調(diào)整到4 g,，精度調(diào)整到300 mV/g；X軸,、Y軸和Z軸3個(gè)方向上分別配置成與STM32101C8T6的第7個(gè),、第8個(gè)和第9個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換通道等。
　當(dāng)MMA7260采集到人員腳步聲3個(gè)方向的加速度信號(hào)時(shí)，STM32101C8T6內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器開始采樣,，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后,，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過DMA傳輸存儲(chǔ)于內(nèi)存中。
　本系統(tǒng)采用了1 000 Hz的采樣頻率,。在實(shí)驗(yàn)中,， X軸、Y軸和Z軸3個(gè)方向上均記錄5 000個(gè)數(shù)據(jù),， 每個(gè)數(shù)據(jù)占用2 B,，3個(gè)方向的數(shù)據(jù)總共需要30 KB的存儲(chǔ)空間。為了保證采集信號(hào)時(shí)間的準(zhǔn)確性,，在軟件設(shè)計(jì)中選用了STM32101C8T6的TIMER1來產(chǎn)生定時(shí)器中斷,。每1 ms產(chǎn)生一次定時(shí)器中斷，在中斷程序中開始采集腳步聲信號(hào),，并將其存儲(chǔ)到存儲(chǔ)區(qū),。其流程圖如圖4所示。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
　在上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)中,，當(dāng)上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)以后,，首先判斷協(xié)議頭數(shù)據(jù)是否正確，若正確,，則連續(xù)接收后面的數(shù)據(jù),。數(shù)據(jù)全部接收完成以后，將3個(gè)方向的加速度數(shù)字信號(hào)分別轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬信號(hào),。轉(zhuǎn)換完成后分別將3個(gè)方向上的模擬量繪圖顯示出來,，整個(gè)程序流程圖如圖5所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
　為了采集到準(zhǔn)確的腳步聲信號(hào),，在實(shí)驗(yàn)中采集了大量的原始腳步聲信號(hào),。實(shí)驗(yàn)環(huán)境在噪聲比較小的封閉教室內(nèi)進(jìn)行，將硬件板卡的背面（即有MMA7260那面）與地面緊密接觸,。測(cè)試對(duì)象分為單人和多人幾組進(jìn)行,，在單人測(cè)試過程中測(cè)試對(duì)象以T=0.5 s左右的步頻行走5 s；多人測(cè)試過程中所有的人也都以T=0.5 s左右的步頻行走5 s,，但每個(gè)人的開始行走的起始點(diǎn)不同。
　單人腳步聲測(cè)試以Y軸方向的加速度信號(hào)為例,，測(cè)得的加速度信號(hào)如圖6所示,。圖6中縱坐標(biāo)代表加速度信號(hào)的強(qiáng)度，橫坐標(biāo)代表行走時(shí)間,。測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，腳步聲信號(hào)具有一定的周期性，每隔0.5 s左右能夠檢測(cè)到一次腳步聲信號(hào)；腳步聲信號(hào)的持續(xù)時(shí)間與人員的行走方式有一定的關(guān)系,；人員離傳感器距離越來越遠(yuǎn)時(shí),，腳步聲信號(hào)的強(qiáng)度逐漸降低。

　多人腳步聲測(cè)試Y軸方向的加速度信號(hào)為例,，測(cè)得的加速度信號(hào)如圖7所示,。圖中縱坐標(biāo)代表加速度信號(hào)的強(qiáng)度，橫坐標(biāo)代表行走時(shí)間,。測(cè)試結(jié)果表明：多人的腳步聲信號(hào)混雜在一起,，在噪聲比較小的環(huán)境中能夠明顯看出多人腳步聲信號(hào)的整體輪廓；在腳步聲比較密集時(shí),，混雜在一起的腳步聲信號(hào)波形也比較密集,，在腳步聲比較稀疏時(shí)，混雜在一起的腳步聲信號(hào)波形也比較的稀疏,；每個(gè)人的腳步聲信號(hào)強(qiáng)度也有些差異,。采集到的大量的原始數(shù)據(jù)，為后續(xù)的多人腳步聲信號(hào)的分離提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù),。

　本文設(shè)計(jì)的人員腳步聲采集系統(tǒng)板卡小巧,，易于放置，系統(tǒng)整體功耗低,，能夠不間斷地長時(shí)間工作,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此采集系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地采集到人員的腳步聲信號(hào),。采集得到的大量的原始信號(hào)為后續(xù)的單人腳步聲的特征提取及多人腳步聲的信號(hào)分離都提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù),。在下一步的工作中，將利用采集到的原始信號(hào)分離出單一的腳步聲信號(hào),。
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