基于三維加速度計的便攜式運動能耗測量儀的設計

焦 純，秦夏臻，師 航，唐 明，霍旭陽

（西安培華學院 智能科學與信息工程學院，西安 710125）

日常的體育鍛煉或訓練是人們增進健康的主要形式，適度的身體運動（physical activity）可以使成年人的早期死亡率下降20%～30%，使冠心病、II型糖尿病、中風等慢性疾病發病率下降50%。運動還可以減緩肌肉的衰退，保持骨健康，并促進兒童生長發育。不僅如此，研究者們還通過流行病學研究證實運動與健康之間存在明確的劑量反應關系，而且這種劑量反應關系在不同性別、不同年齡的人群中均存在。

在進行運動健康管理的過程中，無論是研究運動與健康或疾病的關系，還是進行運動干預的相關研究，準確地評估運動過程中的能量消耗都是一個關鍵問題。

為此，國內外的研究者們一直在尋找適用于運動現場及日常運動條件下人體運動能耗的測量方法。該方法應能夠對運動強度進行連續監測，不僅要操作簡便，自動化程度高，成本低，可靠性及準確性較高，還要有較好的便攜性，測量過程中不影響人體的正常運動。

1 系統總體設計

1.1 工作原理

近些年，隨著微電子及計算機技術的發展，越來越多的研究者開始采用加速度計（即加速度傳感器）來研究運動能耗評估問題。加速度計是基于牛頓力學定律，通過測量身體加速度絕對值的積分，通過身體運動的持續時間和強度的測量對身體活動提供客觀的評估。研究者們已經通過大量的科學試驗證明：身體運動加速度的絕對值對時間的積分與能量或耗氧量成線性關系，即加速度計輸出與運動能耗具有高度的相關性[1-2]。這為利用加速度計評估人體運動能耗提供了具體的理論依據。

三維加速度計，能夠同時測量垂直向、前后向及側向的人體運動加速度，在感知運動類型及運動強度方面具有明顯優勢，能夠更加準確地反映人體的實際運動狀況。同時，由于近年來微電子技術和制造工藝的進步，越來越多的三維加速度計被用于人體運動能耗測量技術的研究，采用三維加速度計評估運動能耗的信度和效度也得到越來越多的研究證實[3-7]。

文獻[8]總結了在PubMed醫學文獻檢索服務系統中，以“accelerom*”和“physical activity”為關鍵詞所檢索的1924篇相關論文的研究結果，得出“基于加速度計的運動能耗測量方法已經徹底改革了人體運動評估領域的研究”的結論。

基于此，由于在操作簡便性、實用性及成本方面具有突出優勢，基于三維加速度計的運動能耗測量方法目前已被研究者們確認為最具有應用前景的人體運動能耗評估方法。

1.2 總體設計

運動能耗測量儀是依靠電池供電的便攜式單片機應用系統。該測量儀能在運動現場采集、處理并存儲人體運動信息，監測運動狀態，計算人體運動過程中產生的運動能耗。同時，通過測量儀內置的控制程序及各功能程序，能完成設定的運動干預功能。運動能耗測量儀的硬件和軟件結構如圖1所示。

圖1 運動能耗測量儀的硬件和軟件結構Fig.1 Hardware and software structure of the measuring instrument for assessing physical activity energy expenditure

由于運動能耗測量儀需要在運動現場連續監測及記錄運動信息，其現場使用性對系統整體的微功耗設計要求較高。即整個系統應具有較低的靜態功耗和較低的、可控制的動態功耗，以延長測量儀的使用時間。同時，該測量儀應體積小，重量輕，方便運動者佩帶且不影響正常運動。因此，微功耗及微型化設計是該系統的重要內容及難點。系統中的元器件選擇、電路設計及軟件設計都應緊密圍繞微功耗及微型化設計展開。

具體而言，便攜式運動能耗測量儀需滿足以下設計要求：

1）能以較高精度采集人體的三維運動加速度信號，能連續存儲較長時間的運動信息；

2）能夠定量評估人體運動能耗，并結合設定的閾值進行運動干預；

3）具有友好的中文人機操作界面，操作簡便，能夠顯示操作狀態和提示信息；

4）體積小，重量輕，能方便地佩帶，采用鋰離子電池供電。

如圖1a所示，三維加速度傳感器實時采集人體運動過程中的三維運動加速度信號，并通過數字式接口將垂直向、前后向及側向的加速度信號傳輸到中央控制單元，由其進行信號分析及完成運動能耗的計算；數據存儲單元具有較大的存儲容量，用于存儲該系統內的運動數據及運動能耗的計算結果；顯示與鍵盤接口單元提供了操作該系統的人機交互界面，并實現操作設置、漢字功能菜單顯示、提示及狀態信息顯示等功能；時鐘單元提供實時的時間坐標，為運動數據的有序存儲提供可參照的時間刻度；測溫單元為系統提供環境溫度值，為運動能耗的計算提供溫度參數；電源單元提供穩定的供電電壓，具有較高的電源輸出質量和效率。

2 具體實現方法

2.1 中央控制單元

在測量儀系統中，中央控制單元采用TI公司的16位微控制器MSP430F149（簡稱F149）。其優勢在于具有突出的微功耗特性，功耗可以達到μA級，片內集成了豐富的外圍功能模塊，集成度高，運算能力強，功能強大。F149集成有60 kB的Flash ROM和2 kB的數據RAM，且具有硬件乘法器和2個支持SPI方式的串行接口，能夠提升該系統的集成度，降低系統設計難度，能較大程度地提升系統的整體性能。

F149內部集成的串行接口支持異步通信方式，也支持SPI同步通信方式。因此，F149可以直接通過工作于SPI方式的串行接口，接收三維加速度傳感器發送的加速度數據；也可以通過串行接口，直接對串行Flash數據存儲器進行數據讀寫操作。

F149片內具有2 kB數據RAM，可以為運動數據的采集、讀寫、分析及相關計算提供充足的數據緩沖區，這對實現運動數據的實時采集、存儲及能耗計算提供了較好的硬件保證，有利于提高系統的可靠性。

同時，F149的硬件及軟件結構均針對低功耗的應用環境而設計，其有16個I/O引腳可以接收來自外部的中斷請求信號，其中斷和子程序調用無層次限制，具備5種低功耗模式，僅需6 μs即可從低功耗模式被喚醒；而且其內的各個外圍功能模塊，均可在空閑時通過軟件操作來關閉。因此，基于MSP430F149的中央控制單元，可以方便地設計出基于中斷結構的主控制程序和數據接收、數據讀寫、鍵盤響應、時鐘、測溫及能耗計算等功能程序，還可以通過軟件程序對系統進行精細化的功耗管理。

2.2 數字式三維加速度傳感器

該系統采用ADI公司的ADXL345芯片作為監測人體運動狀態的三維加速度傳感器。ADXL345具有閾值監測和運動加速度測量功能，其最大量程為±16g，帶寬達到1.6 kHz，可輸出16位二進制補碼形式的數字信號，能夠分辨小于1.0°的傾角變化，還可以感知有無運動發生。由于人體運動加速度信號的幅度范圍為-12g～12g，頻率范圍為 0～20 Hz，選用三維加速度傳感器ADXL345能夠滿足系統所需的測量范圍。

由于ADXL345內置有A/D轉換器，能夠直接輸出補碼形式的數字信號，使得系統中省去了實現放大、整形及濾波功能的信號調理單元，從而簡化了系統設計，節省了電路板空間。

同時，ADXL345的供電范圍為2.0～3.6 V，支持SPI方式（三線或四線）或I2C方式的串行接口，因此其供電范圍及接口形式均能與MSP430F149匹配，兩者可以直接相連。如圖2所示，在采用SPI方式連接時，通信雙方以主從方式工作。由F149作為主器件提供時鐘信號，ADXL345作為從器件。另外，ADXL345片內集成了32級FIFO緩沖區，具有旁路模式、FIFO模式、流模式和觸發器模式等4種工作模式，可有效降低F149的負荷。

圖2 MSP430F149與ADXL345的電路連接Fig.2 Circuit connection between MSP430F149 and ADXL345

與該系統的微功耗設計要求相適應，ADXL345具有突出的微功耗特性。其測量模式下僅消耗23 μA電流，待機模式下的靜態電流僅為0.1 μA。ADXL345具有低功耗模式和休眠模式，當檢測到靜止時，ADXL345可自動切換到低功耗、低采樣速率的模式。同時，ADXL345具有完備的中斷機制，提供了INT1和INT2兩個中斷輸出引腳，可以結合不同的工作模式對中斷輸出進行設置。該系統將ADXL345的低功耗模式、中斷機制與基于中斷結構的控制程序及數據接收程序相結合，以較低功耗實現運動狀態監測和運動加速度測量。

ADXL345還采用了微型化的LGA封裝形式，體積僅為3 mm×5 mm×1 mm。

需要注意的是，ADXL345即使在加速度為零的無位移靜止狀態，其3個軸向上的加速度輸出也不為零，即存在零位偏移。而且其3個軸向上的零位偏移各不相同，如各自的零位偏移不經補償而直接進入后級，則3個軸向上的加速度信號通道相互間就缺乏一致性和可比性，采集到的加速度數據也無法真實地反映人體運動。因此必須對ADXL345的零位偏移進行補償。

零位補償是對傳感器初始狀態的偏移進行補償。傳感器初始狀態偏移與2個因素有關：出廠時傳感器的初始狀態（此與生產工藝有關）；傳感器的實際安裝位置。系統中，正確的零位補償原則是把運動能耗測量儀按實際使用時的佩帶狀態 （如豎放）靜止放置，對此時垂直向、前后向、側向等3個方向上的加速度輸出進行補償，使其均為零。具體方法有2種：①由于ADXL345內置偏移寄存器，可以在記錄偏移量后實際輸出時自動補償。②預先測出ADXL345的3個軸向上加速度輸出的零位偏移值，在程序中對接收到的加速度數據進行零位補償。

為進一步減少誤差，提高系統精度，在運動能耗計算程序中，應結合系統中測溫單元測得的實際環境溫度值，對ADXL345的3個軸向上加速度輸出進行溫度補償。

實際安裝過程中，還需要防止ADXL345因未固定好而引起的自身跳動，以及由于PCB電路板振動引起的機械共振，這些都將引入新的干擾。因此，應將ADXL345焊接在PCB電路板的牢固連接點附近，避免電路板的彈性形變引起自身跳動。

2.3 數據存儲單元

數據存儲單元需要記錄較長時間的現場運動數據，同時還需存儲運動能耗的計算結果，故需要較大的存儲容量。結合微功耗、微型化的設計要求，同時綜合考慮接口形式、功耗、存取速度、體積等因素，該系統選用Atmel公司的數據存儲芯片AT25DF641。

AT25DF641的工作電壓為2.7～3.6 V，待機電流為 25 μA，讀操作電流為 5 mA（工作頻率 20 MHz），燒寫電流為12 mA。其存儲密度高，存儲容量達到8 MB，可擦寫10萬次。

AT25DF641支持SPI方式的串行接口，能有效節省電路板空間，在高速數據傳輸時，還可以有效降低開關噪聲。如圖3所示，AT25DF641可通過串行接口與MSP430F149直接相連。在采用SPI方式串行傳輸數據的過程中，由F149作為主器件提供時鐘信號，AT25DF641作為從器件。數據存儲單元中使用了2塊AT25DF641芯片，一方面能有效提高存儲容量，使系統的存儲空間達到了16 MB，另一方面也有利于提升系統可靠性。

圖3 數據存儲單元電路Fig.3 Data storage unit circuit

如圖所示，F149通過P3.0與P3.5引腳分別控制2塊AT25DF641的CS使能引腳，對2塊AT25DF641進行分時操作，實現了對同一個SPI串行接口的分時復用，節省了系統資源。同時由于數據寫入芯片需要一定的寫入時間，為保證數據存儲的可靠性，在F149的RAM內開辟了2個緩沖區來暫存接收到的運動數據，同時結合AT25DF641的頁面數據寫入功能，使得運動數據能夠及時可靠地存儲。

該系統采用了基于頁面的數據讀寫程序，有效地減少了讀或寫AT25DF641的時間和頻度，進一步降低系統功耗。

2.4 微功耗設計

該系統的微功耗設計具體包括本質低功耗設計、運行功耗分析及功耗管理。其中，本質低功耗設計是使器件在靜態、動態運行條件下均具有很低的功耗水平，即在系統設計時應優先選擇具備本質低功耗的器件和選用本質低功耗的電路結構。由于系統的主要功耗來源于活動狀態下各器件消耗的電流，運行功耗分析就是在系統的設計方案確定后，全面分析系統運行中各器件的有效運行時間，對各器件的能耗情況進行綜合評估，在滿足系統各項設計指標的同時，從最大程度地減少系統平均功耗的角度，尋求最小時、空占空比的任務安排。

在完成了整個系統運行功耗分析的基礎上，需要通過各種功耗管理手段來實現微功耗設計的目標。具體來說，功耗管理是指通過硬件及軟件相結合的一整套技術方法來降低系統整體功耗。以實現分區域的智能供電為例，需要硬件設計與軟件設計相互配合，首先需設計支持分區供電的硬件電路結構，然后由控制程序通過控制各區域供電芯片的開關來實現分區供電。

面向低功耗的軟件設計是實現精細化功耗管理的重要技術手段。其包括2個方面：一方面，結合運行功耗分析的結果，通過控制程序優化整個系統的工作流程，尋求最小時、空占空比的任務安排，減少各器件的活動時間，精細化地管理功耗。另一方面，完全基于中斷結構設計該系統的主控制程序和各功能程序。使中央控制單元在空閑時間均處于低功耗休眠模式，由各類中斷請求信號喚醒，并在各中斷服務程序中完成數據接收、數據存儲及測溫等功能。

具體來說，該系統利用三維加速度傳感器ADXL345的中斷輸出功能，將其INT1，INT2引腳連接到MSP430F149具有中斷輸入功能的引腳。當ADXL345中有新的數據產生時，其DATA_READY中斷置位；或者加速度值大于ADXL345中設定的閾值時，其Activity中斷置位。這2個中斷請求信號均可以喚醒F149，并在相應的中斷服務程序中完成各自的數據處理。同時，通過F149內的硬件定時器設定讀取當前時間及測量溫度的時間間隔，在定時中斷服務程序中完成讀取當前時間及測量溫度的操作。

3 結語

文中闡述了一種基于三維加速度計的運動能耗測量儀的設計方案。該測量儀能夠在運動現場實時采集、處理及存儲人體運動信息，能夠對人體運動能耗進行定量評估，是一種適用于家庭或個人運動健康管理的智能化儀器。同時，為了進一步提高基于加速度計的運動能耗評估方法的準確性和可靠性，使其對不同的運動強度和運動類型均具有更好的精度，還需對基于加速度計的運動分類算法及能耗評估算法開展深入研究。