先微科技智能手环原理详解1

1智能手环简介　　智能手环是一种穿戴式智能设备。通过该设备，用户可以记录日常生活中的锻炼、睡眠等实时数据，...



1 智能手环简介

智能手环是一种穿戴式智能设备。通过该设备，用户可以记录日常生活中的锻炼、睡眠等实时数据，并将这些数据与手机、平板同步，起到通过数据指导健康生活的作用。另外，智能手环还具有社交功能，能够将锻炼情况和睡眠质量发送到社交网络进行分享。



图 1_1某款智能手环

一个智能手环最小系统一般包括：可充电的电源模块、控制模块（图1_2中左边芯片）、蓝牙模块（右边芯片）、存储模块和加速计模块（上面芯片）。其中加速计是为了获得佩戴者在运动或睡眠过程中的加速度数据，通过分析这些数据则能够判断佩戴者的运动情况和睡眠质量；存储模块主要负责将实时数据暂存，接着在适当的时刻借助蓝牙模块将数据同步到手机端。方便起见本次要自制的记步手环将不采用存储器暂存，而是将数据实时地传送到手机端。同时为了便于大家对记步算法的理解，客户端将采用一个折线图的形式实时展示记步手环收集的数据。



图 1_2某款智能手环核心电路板

2 如何实现记步

看了上面的分析大家可能会疑惑——仅仅用一个加速计怎么能实现记步和睡眠质量检测呢？其实确实可以！因为加速计可以实时获取自身的XY三个轴向的加速度。当其静止时合加速度会在重力加速度附近波动；当佩戴者处于深度睡眠过程中时，其合加速度将呈现出长时间的稳定于重力加速度附近；当其随着运动的佩戴者手臂而做周期性摆动时，其数据也是有一定规律可循的。这样，设计时只要通过分析从加速计获的数据就能实现对运动或睡眠质量的记录。

3 预期效果构思

上面已经提到：为了方便，我们并未采用存储器实现记步手环的离线记录，而是实时地将数据发送到客户端由一个可视化的折线图动态绘制结果。如图3_1所示系统中记步手环部分包含单片机模块、蓝牙模块、加速计模块和电源模块，这样通过单片机的协调可以实现将加速计模块的数据通过蓝牙实时地传送给客户端程序。在客户端部分则负责将收集到的实时数据以折线图的形式动态地展示出来，此外客户端中也加入一个滑动条来控制记步阈值来真正让大家明白其设计思想（真正商业化的智能手环多数采用的是先将有效数据保存在手环的小型存储器中，上位机周期性地将数据收集并同步到服务器端）。



图 3_1 预期效果图

4 硬件整体设计

如图4_1,相比于上一个无线小风扇该硬件构成反而比较简单：蓝牙模块依然采用我们比较熟悉的HC-06模块，对于加速度的测量采用四周飞行器上常采用的MPU6050模块。该模块不仅含有加速计的功能，还具有陀螺仪的功能，其在汽车防侧翻、相机云台稳定、机器人平衡、空中鼠标、姿态识别等众多领域都有应用，这里我们只是利用了它的加速计功能。此外要注意：图4_1所示的单片机模块的电源引脚被隐藏了，在真正设计连接时一定不要忽略这两个引脚！



图 4_1 硬件电路图

5 MPU6050介绍

MPU-60X0是全球首例9轴运动处理器。它集成了3轴MEMS陀螺仪，3轴MEMS加速计，以及1个可扩展的数字运动处理器DMP(Digital Motion Processor)。如图5_1所示轴向是相对于加速计说的，当芯片水平静止放置时x轴和y轴的加速度分量几乎为0，z轴的加速度分量约为当地的重力加速度；而旋转极性则是对陀螺仪来说的，本次先不介绍。



图 5_1 MPU-60X0轴向和旋转的极性（来自MPU6050数据手册）

为何上面说9轴信号呢？因为MPU-60X0可用I2C接口连接一个第三方的数字传感器，比如磁力计。扩展之后就可以通过其I2C或SPI接口输出一个9轴的信号。也可以通过其I2C接口连接非惯性的数字传感器，比如压力传感器。（为什么特别提磁力计和压力传感器呢？因为在飞控方面，利用陀螺仪和加速计可以计算飞行器的倾角，从而调节飞行器平衡。但是只是调节平衡对方向没有概念也不能执行复杂任务，因此需要配备磁力计（也即电子罗盘传感器）。此外，由于飞行器在不同高度作业时，其周围的重力加速度也不同，这样会影响倾角的准确性，因此通过气压计计算所处高度然后计算实时加速度达到精确控制的效果。）



图 5_2 MPU-60X0典型工作电路（来自MPU6050数据手册）

MPU-60X0对陀螺仪和加速计分别用了三个16位的ADC，将其测量的模拟量转化为可输出的数字量。为了精确跟踪快速和慢速运动，传感器的测量范围是可控的，陀螺仪可测范围为±250，±500，±1000，±2000°/秒(dps)，加速计可测范围为±2，±4，±8，±16g(重力加速度)。如图5_3是直接从16位ADC中读出的6轴的数据（从左到右依次为加速计X轴数据、Y轴数据、Z轴数据、陀螺仪X极数据、Y极数据、Z极数据）：



图 5_3 MPU6050输出加速计和陀螺仪6轴的原始数据

但是这里的输出值并不是真正的加速度和角速度的值，上面说过，MPU是一个16位AD量程可程控的设备，这里设置的加速度传感器的测量量程为正负2g(这里的g为重力加速度），陀螺仪的量程为正负2000°/s。所以要用下面的公式进行转化：



图5_4 实际值计算公式

最后给大家推荐一款比较容易买到的MPU6050，如图5_5该模块将核心芯片和外围电路集成到一个模块上并留出八个引脚，本次使用只需用到上面四个即可（具体连接参考图4_1）。



图5_5 MPU6050模块

6 一个简单的记步算法设计

第二小节讲到当MPU6050随着运动的佩戴者手臂而做周期性摆动时，其数据也是有一定规律可循的。简单起见我们只分析合加速度：一个摆臂周期其合加速度会在重力加速度上下波动，如图6_1只要选取合适的阈值（黑线代表阈值），每次检测出合加速度大于该阈值则认为是一次摆臂，从而可以实现记步的功能。这里要特别说明下：如果想把你的手环推向市场，就要通过大量分析摆臂数据建立一套更好的记步算法，如果偷懒只用楼主的简单算法，小心产品推出后被用户的口水淹死（哈哈）！



图 6_1 摆臂时合加速度变化图

7 I2C总线介绍

上次我们在使用蓝牙串口模块时使用过串口通信，由于51系列单片机将串口通信很多细节都封装到芯片内部，所以我们即使设计了串口驱动模块，也并没有真正了解串口通信的核心思想。其实串口协议的出现是为了构成一个总线线路，这样单片机只要使用比较少的引脚就能和比较多的设备进行通信了，这里要用到的I2C总线也具有相同的效果但又有些不同。



图 7_1I2C总线挂接多个设备图

I2C（Inter－Integrated Circuit）总线是由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。是微电子通信控制领域广泛采用的一种总线标准。它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少，控制方式简单，器件封装形式小，通信速率较高等优点。如图7_1采用I2C总线后CPU只要使用2个引脚便可和多个设备进行通信（其实每个采用I2C通信方式的设备都具有唯一的地址码，这样在总线中便能够被唯一识别），从而大大减少了引脚的使用。

在I2C总线中使用的两线为时钟线SCL和数据线SDA。所有的I2C主从设备都是只被这两根线连接起来的。每一个设备既可以作为发送方，也可以作为接收方，或者既可以作为发送发也可以作为接收方。在总线中的主设备一般起产生时钟信号和初始化通信的作用，从设备则负责响应主设备发出的命令。为了在总线上区分每一个设备，每一个从设备必须有一个唯一的地址。主设备一般不需要地址（一般为微处理器），因为从设备不能发送命令给主设备。



图 7_2 I2C总线中主从设备

这里要先介绍I2C总线中几个专有名词：

l  发送者：将数据发送到总线的设备
l  接收者：从总线接收数据的设备
l  主设备：产生时钟信号、启动通信、发送I2C命令和终止通信的设备
l  从设备：监听总线、能被主设备寻址的设备
l  多主设备：I2C能够拥有多个主设备，而且每个主设备都能够发送命令
l  仲裁：当多个主设备请求使用总线时，决定哪一个主设备可以占用的一个过程
l  同步：同步多个设备时钟信号的一个过程

上面是从宏观上对I2C总线介绍了下，接下来将深入细节研究其通信过程：

n  串行数据传送：

在总线备用时SDA和SCL都必须保持高电平状态，只有关闭I2C总线时才能使SCL钳位在低电平。在I2C总线数据传输时，在时钟线高电平期间，数据线上必须保持有稳定的逻辑电平（也就是说在数据传输期间只有时钟线低电平期间，才允许数据线上的电平发生变化）。



图 7_3 串行数据发送

因此在如图7_3中对于每一个时钟脉冲期间一比特的数据将会被传送，SDA只能在时钟信号为低电平时才能改变。下面是代码中发送一字节的函数：在循环体内每次将dat内的最高位移出到CY中，进而赋值给SDA(这时SCL为低，SDA可改变)。接着拉高SCL并保持5us，最后再拉低SCL实现一个时钟脉冲将dat中最高位送出。依此循环8次实现将dat全部传出。

1 //------------------------------------------------

2 //向I2C总线发送一个字节数据

3 //------------------------------------------------

4 void I2C_SendByte(uchar dat)

5 {

6

uchar i;

7

for (i=0; i

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