1、基于加速度传感器的运动信息采集系统设计摘要运动与人体健康息息相关，一直以来受到人们的广泛关注，随着运动生物力学、人体测量学的发展，人们对运动的研究日益深入。本文以运动生物力学理论为基础，对运动参数的测量和分析方法进行了研究，主要目的在于探索运动生物力学参数之间的关系，通过运动生物力学参数的测量、分析揭示人体运动的规律，在人体姿态识别、体育训练等方面提供理论指导。在对人体结构及运动的特点进行了介绍和总结的基础上，为了便于运动研究，建立了人体运动的棒状模型及便于分析计算的人体坐标系。通过对常用人体运动参数测量方法的分析，提出了利用加速度参数进行运动测量和分析的方法。应用加速度传感器实现了对肢体运动
2、的测量，并利用加速度参数与速度、位移等参数之间的数学关系实现了对其它运动参数的求解，从而对运动姿态、动作轨迹等进行分析。自行设计了运动采集系统，系统分为信号采集单元与数据处理单元两个部分，以单片机、三轴加速度计ADXL330为核心，可实现多传感器网络节点的信息采集及数据分析。仿真结果验证了利用运动信息采集系统对人体运动信息进行采集和分析的方法是可行的。利用加速度参数对人体简单运动进行分析的方法方便可行，但在复杂运动的分析中，则需要更多的信息进行综合分析。因此，对于人体运动的研究，应综合多种方法，尽可能获取更多的信息，以使得人体运动分析更加科学、合理。关键词：运动生物力学，运动信息采集，加速度传
3、感器，运动测量Design of Motion Information Collection System Based on Acceleration SensorABSTRACTHuman has always paid broad attention to body motion relating close to human health. With the development of motion biomechanics and anthropometry, people have increasingly deeply studied human body motion. The
4、 paper focuses on the measurement of body motion parameters and analysis method of body motion based on the theory of motion biomechanics. The contents involve the study on the relationship between parameters of motion biomechanics, the analysis of the law of body motion by measuring motion biomecha
5、nics parameters to provide theoretical guidance for recognition of human gesture, physical training, and so on.Human structure and characteristics of body motion are analyzed and summarized,on the basis of which rod model and coordinate system of human body are built to provide convenience for the s
6、tudy of body motion. The method of measuring body motion with acceleration sensor is presented with the analysis of common measurement method of body motion parameters. The measurement of extremity is performed by acceleration sensor; other motion parameters are solved by the mathematical relationsh
7、ip between acceleration parameter and velocity, displacement,etc. Thereby, motion gesture and action trace of human body can be analyzed.A system which consists of signal collection unit and data processing unit is developed to complete collection and data analysis from the motion information at mos
8、t 5 sensor network nodes using msp430 and results show that collecting and analyzing motion information of human body by the system is a feasible method.The analysis of simple body motion using acceleration parameter is a convenient and feasible method. But more information is required to be analyze
9、d synthetically in the complex motion. Therefore, it is necessary for the study of body motion to synthesize a variety of methods and obtain as much information as possible, which makes the analysis of body motion more scientific and rational.Key Words：Motion biomechanics, Collection of motion infor
10、mation, Acceleration sensor, Motion Measure men目录1 绪论11.1 课题研究的背景11.2 国内外研究现状11.3 研究意义22 运动信息采集与分析42.1 运动生物力学的基本运动参数62.2 运动信息采集的方法72.2.1 光学测量方法72.2.2 非电量电测法82.2.3 肌电信号测量法82.3 基于加速度传感器的运动信息采集与分析83 运动信息采集系统的硬件设计123.1 系统总体设计123.2 信号采集单元电路设计123.3信号处理单元设计163.3.1 主控制器的选型173.3.2 外围电路设计173.3.3 输入输出电路183.3.4
11、 现场总线通信电路设计183.3.5 现场总线供电电路设计193.3.6 现场总线供电分析194 系统软件设计234.1 信号处理单元程序设计234.2 数据处理单元程序设计245 总结与展望285.1 总结285.2 展望28参考文献30附录A 总体电路原理图32附录B 顶层PCB33附录C 底层PCB34致谢351 绪论1.1课题研究的背景物质的运动是绝对的。宇宙空间的任何物质、物体无时无刻不在运动中，大到星系、宇宙天体的宏观相对或绝对运动，小到微观世界的分子热运动、电子运动等。人类在认识自然、改造物质世界以及认识自身的过程中，对运动的研究不断深入，研究领域也不断拓宽。而运动与人类密切相关
12、。运动与我们是密切相关的，现有科学技术也明确的告诉我们，物质的运动时绝对的，大到宏观世界宇宙间的天体、星系，小到微观世界的分子、离子、电子等，都是无时无刻不在运动，我们在社会的不断发展进步中，对运动的认识也在逐步深入，研究的范围也在不断拓展。随着时代的发展，当代的人们对健康的更加关注及需求，也推动着与其息息相关的人体运动研究的发展。从而使得运动测量学、运动生物力学等学科的研究也取得了巨大的进步1。而且各种体育赛事已经深入到每一个角落，体育竞技的强度也在不断提升，整个社会都在努力地寻求突破，需要掌握更多的人体运动信息，这也进一步促进了整个人类社会在这个领域的巨大投入。对于运动研究需要多种学科的交
13、叉，其应用范围也就相应的十分广泛2。运动力学根据运动学、动力学等方面的知识，利用测量技术进行信息的采集，对运动器官系统力学及运动体在空间进行局部或整体运动时，在各种力的作用下，运动体在时间和空间中的位置、姿势、运动速度等的变化规律进行研究。要进行运动的研究，最重要的一步自然是对运动体运动信息的检测，而人体运动检测技术是由多学科相互交融所产生的一项应用非常广泛的技术34，其基本原理涉及医学、数学、物理学、计算机科学等学科，并与虚拟现实技术、建模技术、计算机动画技术、模式识别技术、人机交互技术、数据可视化技术及传感器技术等密切相关。因此，对运动体运动信息的研究也就成了现代科学研究的一项重要的学科，
14、以人体的运动为研究对象，精确地获取人体在运动过程中位移、速度、加速度、力以及肌电信号等，并进行处理以及分析5，是现代生物医学发展的重要推动力，也备受青睐及关注。1.2国内外研究现状以测量及同步测量技术为标志的现代运动生物力学测量技术，己经使得运动体的运动测量可实现实时化、可视化以及三维空间范围内的测量分析6。虽然现代测量技术为运动生物力学的发展提供了强有力的催化剂，但是我们应该认识到研究生物运动的力学问题，根本上取决于测量研究技术以及分析技术。学术界的研究者己经意识到现代测量技术应用于人体运动分析的局限性源于对人体运动力学的本质认识还不够深入。运动生物力学的测量技术还依赖于其他学科，如计算机技
15、术、电子测量技术、等相关学科的发展7。国内有很多单位在此方面进行了深入的研究，如西安市第四军医大学，生物医学工程系的焦纯、杨国胜等人利用三维加速度传感器设计并研制了一种训练强度监测仪用于评估士兵训练状况和训练效率8。在考虑人体运动加速度幅值、频率的有效范围下，为实现对静、稳态和动态激励都有较好的响应，其选用了具有频带宽、灵敏度高、内置防震装置、性价比较高的压阻式加速度传感器，即ICSENSOR公司生产的3个3031型单轴加速度传感器9，并通过正交组合成三维加速度传感器，及相应的电路信号处理、运动数据记录与分析处理等实现对训练现场的运动等进行记录与评估。当代高科技理论与技术对运动训练领域全面、深
16、入的渗透和介入已成为当今竞平的体育训练和大赛中，运动员的整套动作都将被详细记录，用于赛后技体育发展的主要趋势10。目前在体育训练中，有着相对成熟的训练规律和方法，但是人体的个体差异性较大，如何能够科学地运用这些规律就要求对运动员的训练要因人而异，这就要求对人体运动的相关信息进行尽可能详细的采集和分析。国外研究现状,运动体运动研究从力学原理性分析阶段进入实验测量阶段的早期学者是法国生理学家韦伯兄弟。他们在1836年用时钟计时的方法11测量了人在走路过程中的时间空间特征，并得出了步速和身体支撑时间成反比关系的结论。他们的法国同行缪勒(G.Muller)用同样的方法测量了人体走和跑时下肢支撑期和摆动
17、期的时间和比例关系，此时的人体运动测量手段应该说很简陋。后来摄影影像技术的引入，使运动测量手段有了很大的飞跃。1877年，美国摄影师麦布里奇(E.Muybridge)用24台照相机拍摄了马奔跑的连续照片12，后来他又拍摄了人体走、跑等动作的连续照片，并在1901年发表了专著运动中的人体运动图像，从而奠定了影像测量方法的基础。几年后，马勒(Maler)、德美尼(Demeni)等提出了运动轨迹定位照相法和连续光点照相法，这些方法直到现在仍被用来研究人体运动13。20世纪30年代英国生理学家希尔(A.V.Hill)开展了关于肌力的研究14，取青蛙的缝匠肌为试样，通过测量肌肉在缩短过程中的肌张力、肌肉
18、缩短速度、肌肉产生的热量及肌肉维持痉挛状态所需的热量，并按照热力学第一定律建立了与实验结果一致的希尔方程15。从此，人体运动生物力学的一个重要领域：肌力与肌肉的生理特性的相关研究逐渐发展起来。20世纪后半叶以来，计算机及电子技术的飞速发展以及传感技术、优化技术等智能分析技术的应用带来更为准确便捷的现代测量技术16。继阿马尔(Amaer)研制了第一台两分量测力台，使运动生物力学进入在体动力学测量后，莱曼德(Reymond)在伽伐尼(Galvani)论在肌肉运动中的电力的基础上17，创立了肌电测量技术。阿马尔和埃弗特曼(Elftman)基于人体运动效率，创立了力能学测量技术，后人从此技术进一步发展
19、了肌力优化技术和能量优化技术。高速摄影技术、传感测量技术以及同步测量技术应用于运动生物力学的测量后，使得人体运动生物力学测量的研究进入了三维运动学和空间力学研究的层面上，为全面研究人体运动效能提供了良好的保证18。与此同时，多刚体动力学和计算力学的在解决人体运动学问题的同时，获得了实验技术的支持。国外将加速度传感器应用于体育训练的研究比较领先。较早有CarlijnV.C.Bouten等人19，采用压阻式三轴加速度传感器测量人体运动加速度与能量消耗的关系。实现对人体在坐、行走等日常活动中运动加速度的测量20，进而由实验获得加速度值与人体运动能量消耗的关系。从其测量结果分析来说，加速度值能反映被测
20、人体一定的运动强度。利用加速度传感器输出值与人体站、坐、走、跑、跳、骑等日常生活运动能量消耗之间的关系，结合相关皮肤温度、心率等测量传感器，经相关算法软件分析及实验标定等。这种设备能用于对运动员训练强度实时检测、分析，从而为运动员体能训练提供可行、准确、实时的测量，用以指导体能训练。在人体生理力学研究方面，运动的计算机仿真是更高层次的研究内容，是研究人体运动规律的有效手段，并具有很高的理论和实际应用价值，如用于碰撞的仿真、分析人的运动特征、医疗中脑神经外科诊断以及步态研究等21。当然研究人体运动的手段和方法很多，其中实验方法是一个非常有前景的研究方法，充分利用实验所获得的测试数据，可以简化建模
21、的复杂性，缩短研究周期，模拟运动体运动的实例。通常采用运动生物力学测试手段，可以得到相关运动体运动的数据，当然还要借助于影像仪、多维测力台、肌电仪等设备。但要获取全面的人体运动测试数据，必须综合利用这些设备，因此人体运动信息的采集、应用、研究的发展很大程度上要依赖于人体运动测试和感知技术。1.3研究意义在研究人体运动时，我们实际上把人体当做一个物质的合成体，通过人体的外部运动表现出来信息，去分析人体的内部运动，诸如脑部的运动：思维、决策等形成完成外部动作的指令的过程等。而且我们必须由外到内的去分析研究，分析两者之间的联系及纽带，这样才能更好地认识人体自身，获得足够的科学依据，来为人类社会的发展
22、做出应有的贡献。总所周知，人体的构造十分的复杂，故而对人体运动学的研究也就要涉及的很多的学科，要找到这些学科如运动学、动力学、人体解剖学等诸多学科的交叉，采集人体运动信息，以及在各种力的作用下，人体内部器官系统力学与人体进行局部或者整体运动时，人体在时间和空间的位置，姿势、运动状态等的变化规律，继而进行分析研究。在对人体运动信息的研究过程中，最关键的一环就是对人体运动信息的检测和采集，而人体运动检测技术囊括了医学、物理学、数学、计算机科学等诸多学科，又与虚拟现实技术、建模技术、计算机动画技术、模式识别技术、人机交互技术、数据可视化技术、及传感器技术息息相关22。相应的，人体运动学的应用领域也是
23、十分的广阔，主要包括在以下几个领域23：医学保健领域，主要应用于对人体运动功能及损伤做出更直接有效地评估，分析受损原因，以利于更好地救治及预防；体育领域，可以通过对运动员运动时所蕴藏的生物力学信息探测分析来塑造运动技术的标准模式，找到运动技术最佳的途径，从而改善训练的方式，使运动员能够在运动技术上有所突破，更有力地参与到竞技比赛中，获得更加优异的成绩；教育交流领域，可以通过对肢体语言所传达的信息去分析人体的内部活动，甚至可以解决与聋哑人的交流问题；虚拟现实领域，主要应用于人与虚拟现实环境的交互，将真实生活中的人体运动映射到虚拟环境。因此，对人体运动信息的采集无论是在理论研究还是实际应用中都有着
24、非常广泛的应用和非常重大的意义。2 运动信息采集与分析2.1运动生物力学的基本运动参数运动生物力学的发展，对人体运动测量学起到了巨大的推动作用，运动生物力学研究的内容是人体运动中的机械运动规律。人体运动的含义可以理解为人体整体、肢体位置的移动（位移），包括竞技体育运动、大众体育运动、日常活动和生产劳动等。运动生物力学应用生物学和力学的理论、方法，研究人体从事各种运动、活动和劳动的动作技术, 使复杂的人体动作技术奠基于最基本的生物学和力学规律之上，并以数学、力学、生物学以及动作技术原理的形式加以定量描述8。人体运动、活动和劳动中的各种动作技术，可以通过运动生物力学方法进行测试研究，从而提高运动技
25、术水平9。运动生物力学通过研究人体在运动中表现出的力、速度、加速度等参数与人体结构特性的关系，来揭示人体运动的基本规律，获得有价值的运动参数，从而进一步了解复杂的人体运动，为更深入地研究人体运动的相关技术提供重要依据。为了更准确地对人体运动进行研究分析，首先要对运动生物力学常用的基本运动参数进行了解。运动生物力学常用的参数主要有：位置、位移、速度、加速度、角位移、角速度、角加速度、力、功、功率、动量、冲量、动量、力矩、动量矩、冲量矩、动能、位能、质量、重量、重心、人体环节质量、重量、重心、躯干倾角、着地角、离地角、前蹬角、后蹬角、腾起角、出手角、姿势角、攻角、稳定角等。对于人体运动的分析和描述
26、都离不开以上运动生物力学参数，其中部分参数可通过仪器直接测量得到，另一些参数则需要根据其它参数进行运算得到9。运动信息采集与分析是指运用某种手段跟踪、捕捉人体的运动，获得人体运动的部分参数，并对这些参数进行分析和处理，从而得以重建人体的结构和姿态或进行其它的应用。人体在运动过程中所表现出来的运动信息主要体现在身体位置、关节角度、身体和肢体的位移、速度和加速度、力的大小和方向、动态力的变化速率等方面。对这些信息进行测量并利用生物运动学技术进行分析，可以对人体在运动中的状态进行评价。人体运动分析的过程主要由运动的跟踪测量、信号处理、数据分析所组成。2.2 运动信息采集的方法随着科学技术的发展，越来
27、越多的高新技术被应用到人体运动信息采集的研究中，目前运动信息采集的主要方法有：光学测量方法、非电量电测法、生物电信号测量法。2.2.1 光学测量方法为了对采集到的图像信息进行分析，需要对其进行数字化处理，对于高速摄影所得到的运动信息一般通过影片解析仪，完成影片的数字化过程，图2.1所示为影片数字化原理的示意图。如图3.1中所示，分析放影机将摄影机所拍摄到的图像放大后投影到数字化板上，然后用游标键盘取出需要的坐标值（x,y）输入到计算机中存储或进行数据处理。图2.1 影片数字化原理通过上述的原理介绍可知，一台摄影机只能对物体或人体运动进行平面分析，而且当遇到遮挡或进行旋转动作时，只能对测量点进行
28、估算。若要准确地反映事物的运动特征，必须进行三维立体分析。原则上要通过两台摄影机从不同角度同步进行拍摄，这样就能把物体或人体运动的空间特征描述出来。采用多台摄影机同步工作在技术上存在一定难度，一般常用的方法有两种：1、定点三维正交法；2、定点三维直接线性变换法。完成拍摄后的数字化过程也更为复杂，在数据处理过程中需要对两台摄影机的的数据进行正交合成，一般通过专用的影像解析软件12系统来完成。以上介绍的高速摄影和摄像方法，可以对人体不施加任何约束，是正式比赛时可行的方法，但是为了从画面中获取关节点的位置信息，就需要在数字化仪上对着进行逐帧分析，光电技术开始被应用于运动检测中。目前得到广泛应用的产品
29、主要有SELSPOT系统、VICON系统和COD系统。2.2.2 非电量电测法非电量电测法是把传感器或传感元件固定在被测物上，然后把被测物的力学参数由传感器转换为模拟电量，通过放大器将微弱的模拟电量放大并调理后经模数转换器转换为数字量后进行计算机处理。其原理框图如图2.2所示。传感器或传感原件力学参量放大器A/D转换计算机输出设备图2.2 非电量电测法原理框图在人体运动测量中，用于将力学参量转换成电量的传感器或传感装置主要有：测角仪、位移传感器、力传感器、惯性传感器等。2.2.3 肌电信号测量法肌电测量包括有损伤测量和无损伤测量两大类。运动实践中的肌电测量大多采用无损伤类的表面肌电遥测技术，描
30、记出肌肉活动中的电信号变化过程，称之为肌电图。利用肌电图可以说明：(1)某块肌肉或一块肌肉的哪些部分参与活动；(2)运动中所测各块肌肉参与活动的时间；(3)运动中所测各块肌肉收缩时间的长短和收缩强度。肌电图在体育运动中应用比较广泛，用肌电图研究肌肉的不同状态、肌肉之间的协调程度、收缩类型及强度、判断肌肉疲劳程度及损伤、评定肌肉素质等等都有比较成功的例子。当人体进行运动时，相应的肌肉会收缩、变形，肌肉收缩所产生的微弱肌电信号被电极检测到，测量装置的信号处理放大环节会对此信号进行放大和滤波，去除干扰并得到有用的肌电信号，再经过A/D转换环节，则得到数字量的数据，测量装置的CPU对此数据再进行相关的
31、分析和处理，即可得出运动过程中相关肌肉作用的结论。2.3基于加速度传感器的运动信息采集与分析人体的运动最终以肢体在空间中姿态、位置的变化来体现，对于运动过程的储多信息如加速度、速度、位移、位姿、力等之间存在着一定的联系，只要得到加速度信息，其它参数信息可通过对其积分得到，下面以人体前臂运动的信息测量为例，说明加速度传感器在人体运动信息采集中的应用方法。人体前臂在运动过程中始终和竖直方向(或水平方向)成一定的角度关系。通过固定于前臂上的三轴加速度传感器的各个轴与重力方向(竖直向下)之间的夹角就可以检测出人体前臂的运动姿态。在进行前臂运动检测时，首先将传感器固定于前臂上，随着前臂的运动状态改变，传
32、感器输出的变化信号经处理后可以得到前臂的运动姿态改变的参数。以简单平面运动为例，待测者肘关节置于桌面上不动，前臂绕肘关节做竖直平面的屈肘动作，加速度传感器安装于腕关节，注意在运动过程中，应保持其位置不变。在以上约束条件下，当前臂不动时，只需检测当前加速度传感器各敏感轴与重力方向的夹角，即可分析出前臂的姿态。图2.3 重力加速度对传感器作用示意图当传感器保持相对静止时，会受到重力的作用，这样加速度传感器输出与重力加速度方向相反、大小相等的加速度信号，此加速度信号在三个轴上的输出分量取决于三个敏感轴与重力方向的夹角。图3.3所示为传感器相对静止时的各敏感轴与重力方向的夹角分别为、，如果重力加速度的
33、大小为g，此时传感器三个轴输出的电压信号分别为：式中：vx、vy、vz表示加速度计 X、Y、Z三个轴所输出的电压信号，k表示加速度计的灵敏度，k表示加速度计的灵敏度，g表示重力加速度，V0表示加速度为0时，加速度计输出的电压。对上式求反函数可得到：从而可以求手臂的空间姿态。可将手臂视为一个刚体，将肘关节视为支点，手臂运动则可看成是刚体围绕支点的平面运动。继而可以通过一系列数学运算对瞬时的加速度、速度、力等参数进行分析。图2.4运动体运动模型假设重力加速度g在Y轴和Z轴上的分量分别为gy和z，测量点的线加速度为a，传g感器Y轴和Z轴输出电压经变换后得到的加速度值分别为ay和az，根据矢量关系，可
34、得出：由于被测点实际加速度a与Y轴成90度夹角，所以对传感器Y轴的输出不会产生影响，传感器Y轴的输出依然满足下式：所以，手臂运动过程中瞬时姿态的求法，与静态时相对，但运动状态中还需要对瞬时的加速度、速度、力等参数进行分析。瞬时加速度：当上式计算结果为正时，表示加速度方向与 Z 轴正方向相同，否则相反。瞬时速度：式中：v表示测量的初始速度。在工程计算中，一般要将时间微分成若干小的区间，在每一个小的时间区间认为质点的加速度是不变的，以方便计算。则上式可简化成：瞬时力：式中：m表示质点质量，对于体不同质点的质量，国内外多名学者专家通种手段进行了测量，可根据世界卫生组织公布的信息查询。3运动信息采集系
35、统的硬件设计运动信息采集系统利用人体运动的非电量电测法，利用加速度传感器采集人体运动时的加速度参数，系统通过对采集到的加速度数据进行处理、分析，可得到肢体在空间运动的相关信息14，如加速度、速度矢量的变化、肢体位移轨迹、空间姿态等信息。3.1 系统总体设计本课题以单片机为核心控制器并使用现场总线传输，并配合相关硬件电路完成设计，其设计方案图如下：力学参量信号调理单片机处理现场总线传输上位机加速度传感器信号采集电源图3.1系统总体设计框图力学参量经过加速度传感器采集转换后，经过信号调理后送往单片机，通过单片机处理后可以使用现场总线传输给上位机完成数据通信。3.2信号采集单元电路设计信号采集单元的
36、作用是实时同步采集被测点的三维加速度信息，并将所采集到的加速度信息上传至系统的数据处理单元。信号采集单元是通过三轴传感信号经过调理电路上传至单片机进行处理。（1）加速度传感器的选型由于设计本系统主要的目的是采集人体运动的加速度信号，所以需要选择一款合适的加速度传感器作为加速度信号的获取元件，传感器的选型要以人体运动时产生的加速度信号的特点为依据16。在正常情况下，人体运动加速度的频率和幅度都较低，加速度频率的极大值出现在跑或跳的运动中。运动加速度的幅度：在行走运动中加速度的幅度在垂直方向上均大于侧向和前后向，而且从人体的头部到脚部，幅度越来越大，频谱逐渐向较高频率移动。行走时，垂直方向的加速度
37、幅度为-0.3g0.8g，而水平方向上头部为-0.2g0.2g，腰部为-0.3g0.4g。在胫骨，垂直方向上加速度的幅度为-1.7g3.3g，而水平方向上为-2.1g2.3g，以自然速度行走时，垂直方向上人体上部的加速度频率范围为0.8Hz5Hz，而其峰值出现在脚部接触到地面的时刻16。较高的频率成分均是由脚和地面的冲击力所造成的，并不是由自主的肌肉收缩所导致。根据人体运动时加速度参数的特点，用于测量人体运动的加速度计的频率范围在0Hz20Hz即可满足要求，测量幅度范围为-3g+3g。为了便于在人体上进行安装，并尽可能减小加速度传感器本身对运动所产生的影响，在选择加速度计时除了考虑其性能还要考
38、虑体积尽可能小、集成度高、成本低的产品。综合上述因素，在本系统中选择基于MEMS技术的加速度传感器ADXL330，这是一款小型低功耗三轴加速度传感器，具有信号调理电压输出，能测量满刻度2g的加速度，它能够测量在倾斜应用的静态重力加速度以及运动，振动的动态加速度，具有三路模拟量输出，分别表示x、y、z三个敏感轴的加速度信号，尽管其测量幅度范围较小，但由于其价格低且基本可以满足实验研究的要求，故选择此款传感器，图4.3所示为加速度传感器ADXL330的内部原理框图。图3.2 ADXL330 内部结构图ADXL330是基于热对流效应的三轴加速度传感器，是基于单片CMOS工艺的完整的加速度测量系统，以
39、可移动的热对流气团作为质量块，通过测量由加速度引起的腔体内气团位置的变化来测量加速度。如图3.3所示，一个被放置在芯片中央的热源在空腔中产生一个悬浮的热气团，同时4个由铝和多晶硅组成的热电耦组被等距离且对称地放置在热源17的4个方向。在未产生加速度或水平放置时，其温度的下降陡度是以热源为中心而完全对称的，此时，所有4个热电耦组因感应温度相同而产生相同的电压。传感器的剖面结构，上面是一个空腔气室，无外力作用时，热气团位于正中央。受到外力作用后，热气团位置偏移，4个热电耦组的平衡被破坏，其温度的下降陡度是以热源为中心而产生差值。由于自由对流热场的传递性,任何方向的加速度都会扰乱热场的轮廓,导致其不
40、对称，此时，4个热电耦组的输出电压会出现差异，而这种差异是直接与所感应的加速度成比例的。在加速度传感器内部有两条完全相同的加速度信号传输路径，一条用于测量X轴上所感应的加速度，另一条则用于测量Y轴上所感应的加速度。（加速度为 0）（加速度不为 0）图3.3基于热对流效应的加速度传感器工作原理由ADXL330具有体积小、重量轻、性能稳定、成本低等特点，且各方面指标能够满足对人体运动加速度信号采集的基本要求，所以在本系统中选择此芯片作为系统的传感元件。（2）信号的抗干扰处理人体运动过程中，加速度传感器所采集的信号除了有效的加速度信号还存在来自外部的其它干拢信号，如果对传感器的输出不进行任何处理而直
41、接进行分析应用，显然无法得到准确的结果，所以必须对传感器输出的信号进行相应的降噪处理，以得到正确的加速度信息。由于前述人体运动加速度的频率一般为020Hz，所以对于高于 20Hz的加速度信号，可视为干扰，为了减小干扰信号的影响，在传感器的输出端设计一截止频率为20Hz的低通滤波器，以去除高频噪声18。为了减小加速度传感器输出信号在传递过程中的衰减，利用电压跟随器进行阻抗的匹配，以提高下一级电路的输入阻抗，如图3.4所示。图3.4 利用运算放大器实现电压跟随器滤波器分为无源滤波器和有源滤波器两类，由电阻、电容、电感等无源元件组成的RC、LC滤波器属于无源滤波器，无源滤波器电路形式简单，但在信号传
42、递过程中会消耗信号的能量，造成输出信号的衰减。为了避免能量的衰减，本系统采用集成运算放大器NE5532和RC滤波网络组成巴特沃斯二阶有源滤波电路，加快带宽外传输系数的衰减速度，电路如图4.6所示。（4-1）其中，RFILT=35K，带宽BW=20Hz，C=0.25uF，实际电路中，可选取 0.22uF的电容值。图3.5某一轴加速度信号调理电路图中滤波器的幅频响应表达式为（4-2）式中,Auf=1+R6/R7，w2=1/RC，（R=R1=R2,C=C4=C5）,Q=1/(3-Auf)此低通滤波器的上限截止频率为fH=1/（2RC）。令fH=20Hz，则RC=1/（40）。取R=33K，则C=0.
43、24uf，所以电路中R1、R2取值为33K，C4、C5取值为0.22Uf19。3.3信号处理单元设计加速度传感器输出的模拟信号经滤波处理后，还要进行模数转换，以进行数据的处理，A/D转换环节采用从机的控制芯片MSP430单片机内部自带的8位A/D转换器。由加速度传感器ADXL330、信号调理电路与单片机MSP430及相关外围电路组成信号处理单元，完成对信号的转换与处理。单片机通过现场总线控制单片机进行信号的采集以及转换结果的读取，并将转换结果以现场总线协议的方式发送回PC存储。采集电路设计如图3.6所示。图3.6信号处理单元外围电路原理图图中K1K4主要用于对信号处理单元进行功能设置，与主机I
44、/O口直接相连，主机通过现场总线协议与单片机的I/O口产生通讯的请求信号。数据处理单元主要完成对信号采集单元所采集到的多路加速度数据进行分析和处理，可以实现系统功能的设定、数据的存储以及与信号采集单元之间、与上位机之间的通信。数据处理单元的硬件组成主要包括：CPU单元、存储器扩展电路、输入输出电路、通信电路、时钟电路以及电源电路。3.3.1主控制器的选型MSP430单片机在CIP-51内核和外设方面有几项关键性的改进，提高了整体性能，更易于在最终应用中使用。扩展的中断系统允许大量的模拟和数字外设独立于微控制器工作，只在必要时中断微控制器。一个中断驱动的系统需要较少的MCU干预，因而有更高的执行
45、效率，并使多任务实时系统的实现更加容易。MSP430单片机内部有一个12位SAR ADC和一个27通道单端输入多路选择器，该ADC的最大转换速率为200ksps。ADC系统包含一个可编程的模拟多路选择器，用于选择ADC的输入。端口02可以作为ADC的输入；另外，片内温度传感器的输出和电源电压（VDD）也可以作为ADC的输入。用户固件可以将ADC置于关断状态或使用突发模式以节省功耗。MSP430单片机内部24个I/O引脚，端口引脚被组织为三个8位端口。端口的工作情况与标准8051相似，但有一些改进。每个端口引脚都可以被配置为数字或模拟I/O引脚。被选择作为数字I/O的引脚还可以被配置为推挽或漏极
46、开路输出。在标准8051中固定的“弱上拉”可以被单独或总体禁止，以降低功耗。根据设计要求，MSP430单片机单片机足以满足控制要求，功耗较低。因此选择MSP430单片机作为主控制器。3.3.2外围电路设计为了CPU正常工作，使系统能够完成其功能要求，需要设计必要的外围电路。本系统的时钟电路，如图3.7所示，图3.8复位电路为系统提供上电复位及手动复位。图3.7系统时钟电路原理图图3.8系统复位电路原理图3.3.3输入输出电路系统输入输出电路主要用于用户输入指令或进行功能设定以及输出显示各类相关信息，输入部分采用按键方式，直接接到单片机的I/O口上，共四个功能键，分别定义为：设定、增量、减量、确
47、定；输入部分的电路分别如图3.9所示。3.9输入接口原理图按键一端经上拉电阻接至电源，另一端接地，并联0.1uF电容起到硬件防抖动的功能，当按键被按下时，I/O口检测为低电平。3.3.4现场总线通信电路设计系统通信部分主要包括数据处理单元与PC的之间的通信。数据处理单元与信号PC远程之间采用PROFIBUS-PA现场总线的通信方式，如图3.10所示。图3.10与上位机通信电路原理图3.3.5现场总线供电电路设计数据处理单元供电可采用两种模式，一是采用外部直流电源供电；二是用LM7805稳压芯片对输入电压进行稳压，产生5V直流电压，供给系统中各个单元，如图3.11所示。图3.11电源部分原理图3
48、.3.6现场总线供电分析本文对本质安全现场总线设备的供电方式做了比较,包括隔离供电、集中式供电和总线供电,讨论和分析了常用总线供电仪表的能量获取方式和信号传输原理,这为特定场所的现场总线系统供电方案的选择提供了有益的参考。现场总线设备的供电可分为总线供电型和非总线供电型。总线供电型节点设备的电源是通过电缆集中供给。其中又分电源独立供给型集中式供电;电源和信号复合型总线供电。而非总线供电型节点设备的电源则是由各自独立的电源供电。总线供电的本质安全型仪表，其工作电流和系统中储能元件的使用都受到了严格的限制。非总线供电仪表由于没有严格的功耗限制,其硬件设计相对简单。非总线供电型在实际使用中一般采用隔离供电的方法, 一般将节点设备的电源分为工作电源与通讯传输电源。节点
