基于MMA7260Q的腳步信號采集系統設計

摘 要：對腳步信號采集進行了設計，建立了基于ADμC7022型單片機腳步信號采集系統，腳步信號采集運用MMA7260Q三軸加速度的傳感器，取腳步信號在X、Y、Z三軸方向上的加速度。微控制器ADμC7022 收集到加速度傳感器輸出信號后， 運用片上自帶ADC完成電壓信號到加速度數據的切換并處理信號，當單片機采集到連續兩個周期的腳步信號，則說明已采集到可靠的腳步信號。該腳步信號采集系統具有體積小巧、成本低廉、高精度采集等優點。

關鍵詞：腳步信號 MMA7260Q ADμC7022

中圖分類號：TP18文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2012）09（b）-0035-02

1 引言

在基于腳步聲信號的采集系統中，為了能準確的提取腳步信號的特征，更好的處理腳步信號的數據，采用三軸加速的傳感器采集腳步信號。考慮到嵌入式系統低功耗、低成本和小體積，且符合測試精度和速度的要求。故選擇美國Freescale公司的加速度傳感器MMA7260Q[1]，并采用ADI公司基于ARM7TDMI 32位RISC內核的精密模擬微控制器ADμC7022[2]實現腳步聲信號的采集。

2 硬件規劃

為了實現小體積，所有的器件都采用貼片封裝的形式。基于低功耗的考慮，盡可能使用低功耗電子元件。本系統采用高性能鋰電池供電。為使電池的壽命盡可能拉長，所有芯片工作都在3.3V電壓，防止開關損耗過大；在傳感器靜止后，微控制器軟件將切換到睡眠模式，從而更加減少功耗。基于以上考慮，本設計采用MMA7260Q三軸加速度傳感器采集腳步信號的加速度，微控制器ADμC7022進行控制和模數轉換。

3 傳感器模塊

MMA7260Q是支持X，Y，Z三軸向集成加速度的傳感器，它由重力g感應單元，時鐘信號發生器，C to V轉換器，振蕩器，積分放大濾波器，微調電路和溫度補償電路等組成，MMA7260Q加速度傳感器提供了多種加速度測量范圍，其量程可在±1.5g、±2g、±4g和±6g加速度中選擇，通過g-Select1和g-Select2輸入引腳與單片機的連接確定重力加速度量程和其靈敏程度。 工作電壓范圍2.2～3.6V，正常工作時的電流僅為500μA，當其處于睡眠模式時，功耗電流僅為3μA，并且能在1.0ms內快速響應。傳感器MMA7260Q有五個輸入引腳和三個輸出引腳，使用相當方便。輸出信號為模擬電壓信號，可以直接與帶有A/D轉換模塊的MCU或單片機連接。

為了提高采集信號的精度，在MMA7260Q的輸出上設置前置的RC濾波器，用于過濾內部開關濾波電容時鐘的信號干擾。

MMA7260Q傳感器芯片與單片機ADμC7022的連接原理圖，如圖1。

4 微控制器模塊

ADμC7022是ADI公司基于ARM7TDMI 32位RISC內核的精密的模擬微控制器，片上集成10通道12位的ADC、8KB SRAM和62KB FlashROM，最高處理水平可達40MIPS。其模擬外設可包括10通道以上的采樣率為1MSPS、分辨率為12位的精密AD轉換器。

ADμC7022的工作電壓為2.7～3.6V，在最高工作頻率41.78MHz時僅耗能電流40mA。另外，ADμC7022 40腳LFCSP封裝能明顯減小電路板體積，使其比許多單片機更適合對體積和功耗要求較為苛刻的系統。

在本設計中，ADμC7022的ADC工作在單端模式，ADC模塊的ADC0～ADC2分別連接到MMA7260Q傳感器的三個輸出引腳，微控制器的P0.0和P0.1腳連接到MMA7260Q的g-Select1和g-Select2引腳，作為加速度靈敏度的控制信號。

5 腳步信號采集原理

腳步信號是一種振動信號[3][4]，并且人正常走路時腳步信號具有一定的周期性，相鄰腳步信號之間的時間間隔約是0.5s[5]，縱使奔跑也會在0.1～0.2s之間，取周期為0.15s，三個方向的信號，每個方向的采樣間隔是0.05s，則最高頻率為20HZ，根據奈奎斯特采樣定理[6]，采樣頻率需要大于信號中最高頻率的2倍，一般實際應用中保證采樣頻率為信號最高頻率的5～10倍，即100～200Hz，取最大采樣頻率200Hz，則最小的采樣間隔為5ms。單片機自帶的A/D轉換器的轉換時間能非常好的符合采樣要求。

工作時，單片機控制P0.0和P0.1腳的輸出選擇加速度傳感器的量程和靈敏度。單片機循環檢測傳感器的輸出，當單片機檢測到加速度傳感器有電壓輸出時，就立即啟用單片機自帶的A/D轉換器以200HZ的采樣率進行采樣，單片機并行對模擬輸入信號進行采集，輸入的模擬量變換為數字量后存入單片機的存儲器中。

6 腳步聲信號采集的開發環境和實驗數據

本系統采用C語言開發，Keil μVision4 是目前使用較為廣泛的集成開發環境，經過Keil的編譯、鏈接后生成.hex文件，然后經過proteus仿真。

腳步聲的重復特性是它區別于其它聲音的主要特點，如圖2所示，從波形可以看出，連續腳步聲信號屬于周期信號。因為腳步的節奏一般是2Hz，每隔0 5s左右會有一個幅值較大的脈沖。基于該特點，采用腳步聲的節奏周期辨別腳步聲和非腳步聲。

7 結語

在腳步聲信號采集系統中，通過飛思卡爾三軸向加速度傳感器MMA7260Q獲得的模擬信號經單片機ADμC7022自帶的12位A/D轉換器進行模數轉換，轉換精度和速度令人滿意。但采集到的腳步信號僅能判斷有腳步信號，不能識別出某個個體的腳步信號，如能將采集到的腳步信號，作進一步研究，可以做成智能的門禁系統或者智能的報警器。腳步信號采集系統采用體積貼裝芯片，沒有外接其他A/D轉換器件，減小了整機的體積，提高了整機的性價比，可用于振動信號和各種電壓信號的采集。試驗證明：該系統在實際檢測過程中能夠準確的提取對象的信號特征，各項指標都符合工程設計要求。

參考文獻

[1]飛思卡爾公司.Freescale Devices MMA7260Q Data Sheet.Rev.5，2008.03.

[2]Analog Semiconductor. Precision analog microcontroller 12-bit analog I/O，ARM7TDMI MCU Rev A. 2006.

[3]劉麗華，薛慶奇，戴靜君，等.滾動軸承故障診斷中振動信號的采集[J].北京石油化工科學院學報，2008.

[4]單明芳.基于DSP的滾動軸承振動信號采集系統的研制[D].東北大學碩士論文，2005.

[5]孔飛.基于多通道傳感器的人員腳步信號的探測與跟蹤[D].南京理工大學，2006.

[6]鄭君里，應啟珩，楊為理.信號與系統[M].北京：高等教育出版社，2000.