基于STM32和LIS3DSH的高精度計步器設計

盧文, 陳慈發

(三峽大學 計算機與信息學院，宜昌 443002)

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基于STM32和LIS3DSH的高精度計步器設計

盧文, 陳慈發

(三峽大學 計算機與信息學院，宜昌 443002)

摘要:設計了一種基于STM32和LIS3DSH的高精度計步器。為了提高計步器的準確性，充分利用加速度傳感器輸出的三軸加速度信號，經數據預處理，采用動態閾值和峰值檢測的改進算法。根據人體運動特征檢測人體運動時加速度的變化，實現準確計步，并具備數據傳輸功能。實驗結果表明，該計步器具有體積小、功耗低、精度高的特點。

關鍵詞:MEMS慣性傳感器；三軸加速度傳感器；計步器; 誤檢率

引言

早期傳統的計步器設計是利用加重的機械開關檢測步伐，并帶有一個簡單的計數器。當計步器晃動時，裝置內部的金屬球會來回滑動，或者擺錘左右擺動敲擊擋塊，從而達到計步效果。但是這種計步器體積較大，重量偏重，計步精度也不高，同時也不方便攜帶。本文設計的高精度計步器采用ST公司的數字輸出MEMS(微機電系統)[1]三軸慣性加速度傳感器LIS3DSH作為傳感元件，以STM32L151C6作為主控制器，通過優化的軟件算法來精確檢測步行頻率。選擇的MEMS傳感器和微控制器具有成本低、尺寸小和功耗低的特點，所設計的新型電子計步器體積小、重量輕、計步精度高，便于攜帶。

1工作原理

在人行走過程中，可以將距離、速度、加速度等屬性作為描述人體行走狀態的參數，本文主要對人體運動過程中的加速度信息進行采樣分析。行走時，身體的各個部位都在運動，它們的運動都會產生相應的加速度，其中垂直方向的加速度變化是最大的，如圖1所示。

圖1　人體行走模型

在人體運動過程中，腳離開地面是行走的第一步。由于地面會給蹬地的人一個反作用力，垂直加速度開始逐漸增大，身體重心也逐漸上移。當腳要達到最高點位置時，腳的垂直速度值是最小的，垂直加速度值達到最大，然后接著腳會向下移動，垂直加速度值開始逐漸減小，最終腳落地，垂直加速度值減少到最小值，然后便進入到下一個步伐周期。在每一個步伐周期中，人體的垂直加速度值都會出現一個峰值，這樣的一個峰值對應邁出的一步。采用加速度傳感器對人體運動的加速度信息進行采集，對加速度信號作預處理，再由微控制器通過計步算法準確地計算出人體實際行走的步數。

2硬件設計

根據上述工作原理，高精度計步器硬件設計框圖如圖2所示。

圖2　計步器硬件設計框圖

主控制器采用ST公司的基于ARM Cortex-M3內核的32位微控制器STM32L151C6，三軸加速度傳感器采用LIS3DSH，藍牙通信采用 ST BlueNRG嵌入BlueNRG4.0 Low-Energy協議棧藍牙網絡處理芯片，溫濕度測量采用 HTS221電容數字傳感器，同時采用OLED顯示屏對行走步數、剩余電量[2]等信息進行顯示，按鍵和振動馬達作為人機交互設備。

通過加速度傳感器采集X、Y、Z三個不同方向的加速度信息[3]，經過計步算法處理得到準確步數，并在顯示屏上顯示；同時也可以通過藍牙模塊實時傳輸數據至外部設備，通過按鍵也可以對計步器的工作參數進行設置。

圖3　主控制器電路

2.1主控制器

STM32L151C6是ARM Cortex-M3內核[4]的RISC高性能、低功耗32位MCU，工作頻率為32 MHz，具有32 KB Flash，采用48引腳封裝。片內具有16 KB RAM和4 KB EEPROM，6個16位定時器、3個USART、2個SPI、2個I2C接口，與STM32F系列引腳兼容，功耗低至185 μA/DMIPS，工作電壓范圍為1.8～3.6 V，集成了USB連接電源，以及連接到兩個APB總線的增強I/O和外設。其主控制器電路如圖3所示，主要包括主控MCU及其時鐘電路、復位電路、去耦濾波電路等。

2.2加速度傳感器

LIS3DSH是ST公司推出的低功耗、高性能并且內置有限狀態機的三軸高分辨率加速度傳感器，可支持1.7～3.6 V的寬輸入電壓，有±2g/4g/±8g/±16g不同量程范圍，1個集成的FIFO(先入先出)緩沖存儲區塊，16位的數字輸出，工作溫度范圍為-40～+85 ℃，能夠提供穩定而精確的測量數據。

LIS3DSH和主控制器的接口采用I2C 總線，有X、Y、Z 三個自由度的加速度數字輸出，可以全方位感知人體行走運動信息。當人行走時，傳感器采集實時加速度數據，利用內部的A/D轉換器進行A/D轉換[5]，然后進行邏輯控制并通過I2C總線與MCU通信。

3軟件設計

系統軟件主要實現高精度計步器的數據采集、算法處理、信息輸出以及人機交互，核心技術是步數檢測算法實現。傳統的步數檢測算法主要有兩種:一是動態閾值判斷方法，從正弦波形的下降區間進行判斷；二是峰值檢測方法，從正弦波的拐點處判斷步數。這兩種檢測方法都有局限性和不確定性。本計步器結合以上兩種方法，提出一種新的改進算法，從而可高效準確地檢測出人體行走的步數。

3.1數據預處理

數據預處理是指對采集的三軸加速度傳感器數據進行實時的預處理，分兩步進行：第一步是進行中值濾波的噪聲處理，第二步是進行低通濾波的信號分離。

(1) 中值濾波

由于在運動過程中,加速度傳感器的輸出信號會包含大量的脈沖噪聲信號，在實際計步過程中必須剔除。中值濾波是一種有效的消除脈沖噪聲的方法，它是一種基于排序統計理論的能有效抑制噪聲的非線性信號處理技術，它把數字圖像或數字序列中一點的值用該點的一個鄰域中各點值的中值代替，讓周圍的像素值接近真實值，從而消除孤立的噪聲點。

在本系統中采用序列的中值是指采樣序列中一半樣本的值比該值小，而另一半的值比該值大的中值點。所以在信號處理的時候需要將采樣的序列進行排序，然后選取其中的中間值。由于加速度傳感器的輸出信號中可能包含有脈沖噪聲信號，系統中將濾波器窗口大小設為3。經過實驗，如果窗體過大或過小，則會使判別人體活動狀態的相關算法的效果變差。

(2) 低通濾波[6]

通常來講，人體每秒鐘行走0.5～2.0步，最多不超過5.0步。因此合理的計步器輸出為0.5～5.0 Hz，需要通過一個低通濾波器，以從原始加速度信號中分離出人體活動所產生的高頻低通噪聲[7]，此時的低通濾波器截止頻率為5.0 Hz。

3.2步數檢測算法

3.2.1三軸數據合一的方法選取

加速度傳感器采集到的是三軸的加速度數據，這3個軸分別對應人體運動的3個方向。無論如何穿戴計步器，總有至少一個軸的數據具有較大的周期性加速度變化，所以某些算法采用單個軸的加速度值來表征人體運動，算法實時比較三軸加速度數據大小，把加速度變化最大的那個軸記為有效軸，然后利用有效軸的數據進行分析和步伐判斷。但是這種實時判斷有效軸的方法容易丟失計數點，加速度有效軸可能會不停地變換，這會導致數據過于敏感，穩定性差。為了很好地解決這個問題，本文采用三軸合一加速度[8]的方法處理數據。

考慮到三軸合一的問題，為了得到準確的數據，采用求3個數據平方和的二次方根，即2-范數的方法[9]。

(1)

式(1)采用的2-范數處理數據，其增益不會隨著傳感器方位的變化而變化，克服了傳感器位置對收集有效數據的影響。

3.2.2步數檢測的核心算法

步數檢測過程主要包括動態閾值和峰值檢測。首先采用動態閾值和動態精度的方法，過濾掉高頻噪聲，從而得到有效步數。具體方法如下：系統中設定兩個移位寄存器,其中一個寄存器用于保存新得到的加速度采樣值，根據動態峰值可以確定動態閾值的大小，當新得到一個加速度采樣值時，將其與新數據寄存器中的數值進行比較，若二者的差值的絕對值大于動態精度時，則新數據寄存器的值移位到舊數據寄存器，而新得到的加速度值就可以移位到新數據寄存器；當加速度變化值小于或等于動態精度時，此變化值被拋棄，新數據寄存器保持不變。舊數據寄存器則不斷地更新采樣數據。圖4為動態閾值的算法示意圖。持續更新三軸加速度的最大值和最小值，每采樣50次更新一次。其中平均值(Max+Min)/2稱為“動態閾值”。

圖4　動態閾值算法示意圖

在得到有效步數后，對有效步數的合加速度值進行檢測，峰值點應滿足下式，其中tp為峰值點附近加速度的幅值:

(2)

當滿足峰值條件后，再對合加速度信號進行幅度閾值條件和時間閾值條件的判斷,以避免行走時身體抖動對計步的影響，最后對實際的步數進行記錄存儲，顯示到液晶屏上。其中幅度閾值為所有峰值點的均值，這樣的均值比較合理。而人體每步行走的時間范圍為0.2～2s。其峰值檢測的流程圖如圖5所示。

圖5　峰值檢測流程圖

4實驗結果

對運動來說，步數是一個可以量化的指標，當用步數表征人體運動的時候，步數檢測的精確度就是計步系統的一個衡量標準，因為計步器的精確度越高，檢測到的運動步數越準確，就越能準確反映人體運動情況、運動量大小和運動活躍度。計步精度定義如下：

(3)

為了檢驗計步器的實際精確度，本系統進行了5次隨機測試，測試結果見表1。

表1　步數檢測結果

結語

本文討論了基于STM32L151C6和LIS3DSH的高精度電子計步器的設計與實現，并對具體的硬件電路和算法軟件進行了詳細的介紹。此電子計步器系統采用STM32L151C6芯片，大大降低了系統功耗，提高了系統穩定性，而加速度傳感器LIS3DSH的小尺寸封裝，減小了系統尺寸，為移植到手機和移動設備上提供了可能。實驗結果表明，本系統具有精度高、功耗低、體積小等特點。

參考文獻

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圖6　中斷服務函數流程圖

結語

本文在RT-Thread的嵌入式實時系統的基礎上實現了對多路步進電機的控制，基于嵌入式系統，系統功能按模塊設計實現，大大減小了設計的整體難度，并且有利于系統后期的功能擴展,以較低的成本實現多路步進電機的控制。基于此設計的3D打印機項目已經在使用，且系統運行穩定。

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王燕東(碩士研究生)，主要研究方向為嵌入式系統；彭明莎(碩士研究生)，主要研究方向為數字信號處理理論應用；李偉(碩士研究生)，主要研究方向為復雜網絡管理。

High-precision Pedometer Based on STM32 and LIS3DSH

Lu Wen,Chen Cifa

(School of Computer&Information,China Three Gorges University,Yichang 443002,China)

Abstract：A high-precision pedometer based on STM32 and LIS3DSH is designed.In order to improve the accuracy of the pedometer,the three axis acceleration signals output by the acceleration sensor are processed by data preprocessing,then the improved algorithm of dynamic threshold and peak detection are used to detect the change of acceleration when the body moves.According to the characters of the body movement,the pedometer can accurately calculate the steps and has the data transmission function.The experiment results indicate that this pedometer has the characteristics of small size,low-power consumption,high precision.

Key words:MEMS inertial sensor;three-axis acceleration sensor;pedometer;error detection rate

收稿日期：(責任編輯：楊迪娜2015-09-21) (責任編輯：楊迪娜2015-09-28)

中圖分類號:TP274.1

文獻標識碼:A