摘要：為實現步態加速度信號的無線采集，提出一種基于內嵌805l的無線收發芯片CCl010的有效方法。簡要介紹步態加速度信號無線采集系統的工作原理，詳細說明該系統的軟硬件設計與實現。系統采用路由和重傳機制，以確保數據的可靠傳輸。利用本采集系統成功建立一個36人的步態加速度數據庫，可供不同領域的步態研究者進行分析。
關鍵詞：步態加速度 CCl010 MMA7260 路由 無線采集

步態，即人走路的姿勢。作為一種生物特征，它具有不受距離影響、非侵犯性、難以偽裝、受環境影響小等獨特的優點，因而近年來備受關注。國內外的許多知名大學和研究機構，如美國麻省理工學院、中國科學院自動化研究所等，都廣泛展開了步態識別研究工作。步態的獨特性為人的身份識別和認證提供了有效線索，對醫療上的異步病態、偏癱等疾病的預防、診斷和康復也可以起到很顯著的輔助作用。而且，在現代化的體育訓練中，也可以通過步態特征來監測運動員的體能消耗情況、動作準確程度等，制定科學的訓練方案。此外，步態在機器人的行走、人的行為理解等科學研究上也占有舉足輕重的地位。

目前，國內外的步態研究都剛剛起步。各個步態研究領域都需要大量可靠的原始步態數據。現在公開的步態數據庫主要有南安普敦大學的SOTON步態數據庫、麻省理工學院的MIT步態數據庫、卡內基梅隆大學的CMU步態數據庫，以及中國科學院自動化研究所提供的NLPR步態數據庫。以上數據庫都是基于圖像的。然而，動態環境中拍攝的圖像受光照變化、運動目標的影子等多方面因素的影響，會給基于圖像的步態特征提取帶來較大困難。所以，Heikki Ailisto等人提出一種采用加速度傳感器來獲取步態數據的新方法，避免了動態環境中多方面因素對捕捉圖像的不利影響，降低了數據處理的難度，開辟了步態數據獲取的新途徑；但此方法采用裝備有DAQl200數據采集卡的筆記本電腦來采集數據，不僅成本高，而且不便于測試對象攜帶。

步態加速度信號的提取方法成了步態研究的一個瓶頸；但是，隨著各項技術的迅速發展，自動化、智能化的采集步態加速度信號成為了可能。

本文提出了一種基于無線收發芯片CCl0l0的步態加速度信號無線采集的有效實現方法。該方法采用三軸加速度傳感器MMA7260測量步態的加速度信號，并用Chipcon公司的內嵌805l的無線收發芯片CCl010作為核心控制器，控制其內置的模數轉換器對加速度信號進行采樣、A／D轉換，然后在無線發射模塊和接收模塊間借助于路由實現了步態加速度信號可靠的無線傳輸。該采集系統由450 mAh的鋰電池為其供電，可脫機使用。

1 系統設計原理

首先使用三軸加速度傳感器來感測人行走時產生的三維加速度信號，然后由A／D轉換器對模擬信號進行采樣并轉換為數字信號，送至微處理器作預處理。處理后的步態加速度數據通過無線發射電路送至路由，再由路由轉發給無線接收裝置。最后步態加速度數據通過串口被送入計算機，可以供不同領域的步態研究者使用。圖l為步態加速度信號無線采集系統的結構框圖。步態加速度信號無線采集系統由發射裝置、路由裝置、接收裝置和PC機4部分組成。發射裝置由三軸加速度傳感器電路、A／D轉換電路、單片機和無線發射電路組成。路由裝置由無線收發電路組成。接收裝置由無線接收電路、單片機及串口電路組成。PC機部分主要由PC機及串口通信軟什組成。

2 硬件電路設計

硬件電路主要包括CCl0l0與天線之間的RF收發電路、CCl0lO與加速度傳感器的接口電路、按鍵控制電路、LED指示電路及報警電路。

硬件電路的核心部分是無線加速度傳輸模塊。此模塊既要滿足發射與接收裝置的功能要求，體積還要盡可能的小，以便于攜帶。這使得硬件電路的設計工作有很大的難度。如何做出高質量的PCB板成為整個設計的重點。PCB板設計主要包含原理圖設計、布局設計和布線設計。

2．1 系統原理圖設計

原理圖的好壞直接影響布局、布線的難度，以及最后板子的性能。為了布局布線時能清晰地進行分區設計，設計原理圖時應該把數字電路、模擬電路和RF電路分開；同時分清關鍵電路與非關鍵電路以及哪些元器件對位置有要求。在無線傳輸模塊設計中，CCl010的RF_IN(4腳)、RF_OUT(5腳)、L1(10腳)、L2(11腳)等為RF電路，也為關鍵電路。其ADC相關的加速度傳感器電路為模擬電路。對于模擬器件的電源端，如AVDD_ADC(1腳)、AGND_ADC(64腳)、AVDD_MIX_IF(2腳)、AGND_MIX_IF(3腳)、AVDD_LNA_PA(6腳)、AGND_LNA_PA(7腳)、AGND_PA(8腳)等，應慎重考慮濾波性能，盡量避開數字電路部分的噪聲干擾。此外晶振電路也為關鍵電路，而LED指示和按鍵等電路則屬非關鍵電路。

設計原理圖時，除了要考慮功能的實現、原理的正確外，還要考慮器件的選擇。首先，選擇的器件應該在市場上容易買到；其次器件的封裝既要滿足PCB板尺寸的要求，又要考慮焊接的難易程度。對帶RF的PCB板來說，器件最好能選擇貼片封裝的，以降低不必要寄生參數的影響。

(1)CCl010與天線間的RF收發電路的設計

本沒計采用了Chipeon公司推出的單片、多頻段、低功耗、超高頻射頻芯片CCl010。芯片采用0．35μmCMOS技術制成，內嵌高性能的805l微控制器、32 KB的Flash程序存儲器、2 048+128字節SRAM、3通道lO位ADC、4個定時器、2個PWM、2個UART、SPI及26個通用I／O等。CCl0l0適用于家庭自動化、安防系統、遙控開鎖、遙感勘測、遙控玩具等諸多無線應用領域。本設計采用CC1010實現步態加速度信號的無線采集。

RF收發部分的電路如圖2所示。C31為輸入匹配電容，L32為輸入匹配電感，同時L32還用于阻止直流偏置信號的輸入；C4l、C42和L41共同實現發射輸出電路的匹配。通過CCl010內部的發射／接收開關電路，收發器得以通過同一個50Ω的天線進行發射／接收操作。Ll、C8和C9組成一個低通濾波器，濾除高頻諧波并且增加了頻率的選擇性，其阻抗為50Ω。元器件參數既可以按照CCl010datasheet上所給的值，也可利用Chipcon公司的SnaartRF Studio軟件得到。

壓控振蕩器內嵌在CCl0lO芯片內，使用時只需要外接一個電感L101。電感最好選擇線繞電感，根據所給參考值焊接上。然后用頻譜儀查看其頻率，根據其中心頻率是否滿足要求，適當調整其參數。L101應盡量靠近CCl0lO，并相對10和11兩個引腳呈對稱布置，其封裝應選擇0402或0603的小型封裝。