焦 纯，秦夏臻，师 航，唐 明，霍旭阳

（西安培华学院 智能科学与信息工程学院，西安 710125）

日常的体育锻炼或训练是人们增进健康的主要形式，适度的身体运动（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、中风等慢性疾病发病率下降50%。运动还可以减缓肌肉的衰退，保持骨健康，并促进儿童生长发育。不仅如此，研究者们还通过流行病学研究证实运动与健康之间存在明确的剂量反应关系，而且这种剂量反应关系在不同性别、不同年龄的人群中均存在。

在进行运动健康管理的过程中，无论是研究运动与健康或疾病的关系，还是进行运动干预的相关研究，准确地评估运动过程中的能量消耗都是一个关键问题。

为此，国内外的研究者们一直在寻找适用于运动现场及日常运动条件下人体运动能耗的测量方法。该方法应能够对运动强度进行连续监测，不仅要操作简便，自动化程度高，成本低，可靠性及准确性较高，还要有较好的便携性，测量过程中不影响人体的正常运动。

1 系统总体设计

1.1 工作原理

近些年，随着微电子及计算机技术的发展，越来越多的研究者开始采用加速度计（即加速度传感器）来研究运动能耗评估问题。加速度计是基于牛顿力学定律，通过测量身体加速度绝对值的积分，通过身体运动的持续时间和强度的测量对身体活动提供客观的评估。研究者们已经通过大量的科学试验证明：身体运动加速度的绝对值对时间的积分与能量或耗氧量成线性关系，即加速度计输出与运动能耗具有高度的相关性[1-2]。这为利用加速度计评估人体运动能耗提供了具体的理论依据。

三维加速度计，能够同时测量垂直向、前后向及侧向的人体运动加速度，在感知运动类型及运动强度方面具有明显优势，能够更加准确地反映人体的实际运动状况。同时，由于近年来微电子技术和制造工艺的进步，越来越多的三维加速度计被用于人体运动能耗测量技术的研究，采用三维加速度计评估运动能耗的信度和效度也得到越来越多的研究证实[3-7]。

文献[8]总结了在PubMed医学文献检索服务系统中，以“accelerom*”和“physical activity”为关键词所检索的1924篇相关论文的研究结果，得出“基于加速度计的运动能耗测量方法已经彻底改革了人体运动评估领域的研究”的结论。

基于此，由于在操作简便性、实用性及成本方面具有突出优势，基于三维加速度计的运动能耗测量方法目前已被研究者们确认为最具有应用前景的人体运动能耗评估方法。

1.2 总体设计

运动能耗测量仪是依靠电池供电的便携式单片机应用系统。该测量仪能在运动现场采集、处理并存储人体运动信息，监测运动状态，计算人体运动过程中产生的运动能耗。同时，通过测量仪内置的控制程序及各功能程序，能完成设定的运动干预功能。运动能耗测量仪的硬件和软件结构如图1所示。

图1 运动能耗测量仪的硬件和软件结构Fig.1 Hardware and software structure of the measuring instrument for assessing physical activity energy expenditure

由于运动能耗测量仪需要在运动现场连续监测及记录运动信息，其现场使用性对系统整体的微功耗设计要求较高。即整个系统应具有较低的静态功耗和较低的、可控制的动态功耗，以延长测量仪的使用时间。同时，该测量仪应体积小，重量轻，方便运动者佩带且不影响正常运动。因此，微功耗及微型化设计是该系统的重要内容及难点。系统中的元器件选择、电路设计及软件设计都应紧密围绕微功耗及微型化设计展开。

具体而言，便携式运动能耗测量仪需满足以下设计要求：

1）能以较高精度采集人体的三维运动加速度信号，能连续存储较长时间的运动信息；

2）能够定量评估人体运动能耗，并结合设定的阈值进行运动干预；

3）具有友好的中文人机操作界面，操作简便，能够显示操作状态和提示信息；

4）体积小，重量轻，能方便地佩带，采用锂离子电池供电。

如图1a所示，三维加速度传感器实时采集人体运动过程中的三维运动加速度信号，并通过数字式接口将垂直向、前后向及侧向的加速度信号传输到中央控制单元，由其进行信号分析及完成运动能耗的计算；数据存储单元具有较大的存储容量，用于存储该系统内的运动数据及运动能耗的计算结果；显示与键盘接口单元提供了操作该系统的人机交互界面，并实现操作设置、汉字功能菜单显示、提示及状态信息显示等功能；时钟单元提供实时的时间坐标，为运动数据的有序存储提供可参照的时间刻度；测温单元为系统提供环境温度值，为运动能耗的计算提供温度参数；电源单元提供稳定的供电电压，具有较高的电源输出质量和效率。

2 具体实现方法

2.1 中央控制单元

在测量仪系统中，中央控制单元采用TI公司的16位微控制器MSP430F149（简称F149）。其优势在于具有突出的微功耗特性，功耗可以达到μA级，片内集成了丰富的外围功能模块，集成度高，运算能力强，功能强大。F149集成有60 kB的Flash ROM和2 kB的数据RAM，且具有硬件乘法器和2个支持SPI方式的串行接口，能够提升该系统的集成度，降低系统设计难度，能较大程度地提升系统的整体性能。

F149内部集成的串行接口支持异步通信方式，也支持SPI同步通信方式。因此，F149可以直接通过工作于SPI方式的串行接口，接收三维加速度传感器发送的加速度数据；也可以通过串行接口，直接对串行Flash数据存储器进行数据读写操作。

F149片内具有2 kB数据RAM，可以为运动数据的采集、读写、分析及相关计算提供充足的数据缓冲区，这对实现运动数据的实时采集、存储及能耗计算提供了较好的硬件保证，有利于提高系统的可靠性。

同时，F149的硬件及软件结构均针对低功耗的应用环境而设计，其有16个I/O引脚可以接收来自外部的中断请求信号，其中断和子程序调用无层次限制，具备5种低功耗模式，仅需6 μs即可从低功耗模式被唤醒；而且其内的各个外围功能模块，均可在空闲时通过软件操作来关闭。因此，基于MSP430F149的中央控制单元，可以方便地设计出基于中断结构的主控制程序和数据接收、数据读写、键盘响应、时钟、测温及能耗计算等功能程序，还可以通过软件程序对系统进行精细化的功耗管理。

2.2 数字式三维加速度传感器

该系统采用ADI公司的ADXL345芯片作为监测人体运动状态的三维加速度传感器。ADXL345具有阈值监测和运动加速度测量功能，其最大量程为±16g，带宽达到1.6 kHz，可输出16位二进制补码形式的数字信号，能够分辨小于1.0°的倾角变化，还可以感知有无运动发生。由于人体运动加速度信号的幅度范围为-12g～12g，频率范围为 0～20 Hz，选用三维加速度传感器ADXL345能够满足系统所需的测量范围。

由于ADXL345内置有A/D转换器，能够直接输出补码形式的数字信号，使得系统中省去了实现放大、整形及滤波功能的信号调理单元，从而简化了系统设计，节省了电路板空间。

同时，ADXL345的供电范围为2.0～3.6 V，支持SPI方式（三线或四线）或I2C方式的串行接口，因此其供电范围及接口形式均能与MSP430F149匹配，两者可以直接相连。如图2所示，在采用SPI方式连接时，通信双方以主从方式工作。由F149作为主器件提供时钟信号，ADXL345作为从器件。另外，ADXL345片内集成了32级FIFO缓冲区，具有旁路模式、FIFO模式、流模式和触发器模式等4种工作模式，可有效降低F149的负荷。

图2 MSP430F149与ADXL345的电路连接Fig.2 Circuit connection between MSP430F149 and ADXL345

与该系统的微功耗设计要求相适应，ADXL345具有突出的微功耗特性。其测量模式下仅消耗23 μA电流，待机模式下的静态电流仅为0.1 μA。ADXL345具有低功耗模式和休眠模式，当检测到静止时，ADXL345可自动切换到低功耗、低采样速率的模式。同时，ADXL345具有完备的中断机制，提供了INT1和INT2两个中断输出引脚，可以结合不同的工作模式对中断输出进行设置。该系统将ADXL345的低功耗模式、中断机制与基于中断结构的控制程序及数据接收程序相结合，以较低功耗实现运动状态监测和运动加速度测量。

ADXL345还采用了微型化的LGA封装形式，体积仅为3 mm×5 mm×1 mm。

需要注意的是，ADXL345即使在加速度为零的无位移静止状态，其3个轴向上的加速度输出也不为零，即存在零位偏移。而且其3个轴向上的零位偏移各不相同，如各自的零位偏移不经补偿而直接进入后级，则3个轴向上的加速度信号通道相互间就缺乏一致性和可比性，采集到的加速度数据也无法真实地反映人体运动。因此必须对ADXL345的零位偏移进行补偿。

零位补偿是对传感器初始状态的偏移进行补偿。传感器初始状态偏移与2个因素有关：出厂时传感器的初始状态（此与生产工艺有关）；传感器的实际安装位置。系统中，正确的零位补偿原则是把运动能耗测量仪按实际使用时的佩带状态 （如竖放）静止放置，对此时垂直向、前后向、侧向等3个方向上的加速度输出进行补偿，使其均为零。具体方法有2种：①由于ADXL345内置偏移寄存器，可以在记录偏移量后实际输出时自动补偿。②预先测出ADXL345的3个轴向上加速度输出的零位偏移值，在程序中对接收到的加速度数据进行零位补偿。

为进一步减少误差，提高系统精度，在运动能耗计算程序中，应结合系统中测温单元测得的实际环境温度值，对ADXL345的3个轴向上加速度输出进行温度补偿。

实际安装过程中，还需要防止ADXL345因未固定好而引起的自身跳动，以及由于PCB电路板振动引起的机械共振，这些都将引入新的干扰。因此，应将ADXL345焊接在PCB电路板的牢固连接点附近，避免电路板的弹性形变引起自身跳动。

2.3 数据存储单元

数据存储单元需要记录较长时间的现场运动数据，同时还需存储运动能耗的计算结果，故需要较大的存储容量。结合微功耗、微型化的设计要求，同时综合考虑接口形式、功耗、存取速度、体积等因素，该系统选用Atmel公司的数据存储芯片AT25DF641。

AT25DF641的工作电压为2.7～3.6 V，待机电流为 25 μA，读操作电流为 5 mA（工作频率 20 MHz），烧写电流为12 mA。其存储密度高，存储容量达到8 MB，可擦写10万次。

AT25DF641支持SPI方式的串行接口，能有效节省电路板空间，在高速数据传输时，还可以有效降低开关噪声。如图3所示，AT25DF641可通过串行接口与MSP430F149直接相连。在采用SPI方式串行传输数据的过程中，由F149作为主器件提供时钟信号，AT25DF641作为从器件。数据存储单元中使用了2块AT25DF641芯片，一方面能有效提高存储容量，使系统的存储空间达到了16 MB，另一方面也有利于提升系统可靠性。

图3 数据存储单元电路Fig.3 Data storage unit circuit

如图所示，F149通过P3.0与P3.5引脚分别控制2块AT25DF641的CS使能引脚，对2块AT25DF641进行分时操作，实现了对同一个SPI串行接口的分时复用，节省了系统资源。同时由于数据写入芯片需要一定的写入时间，为保证数据存储的可靠性，在F149的RAM内开辟了2个缓冲区来暂存接收到的运动数据，同时结合AT25DF641的页面数据写入功能，使得运动数据能够及时可靠地存储。

该系统采用了基于页面的数据读写程序，有效地减少了读或写AT25DF641的时间和频度，进一步降低系统功耗。

2.4 微功耗设计

该系统的微功耗设计具体包括本质低功耗设计、运行功耗分析及功耗管理。其中，本质低功耗设计是使器件在静态、动态运行条件下均具有很低的功耗水平，即在系统设计时应优先选择具备本质低功耗的器件和选用本质低功耗的电路结构。由于系统的主要功耗来源于活动状态下各器件消耗的电流，运行功耗分析就是在系统的设计方案确定后，全面分析系统运行中各器件的有效运行时间，对各器件的能耗情况进行综合评估，在满足系统各项设计指标的同时，从最大程度地减少系统平均功耗的角度，寻求最小时、空占空比的任务安排。

在完成了整个系统运行功耗分析的基础上，需要通过各种功耗管理手段来实现微功耗设计的目标。具体来说，功耗管理是指通过硬件及软件相结合的一整套技术方法来降低系统整体功耗。以实现分区域的智能供电为例，需要硬件设计与软件设计相互配合，首先需设计支持分区供电的硬件电路结构，然后由控制程序通过控制各区域供电芯片的开关来实现分区供电。

面向低功耗的软件设计是实现精细化功耗管理的重要技术手段。其包括2个方面：一方面，结合运行功耗分析的结果，通过控制程序优化整个系统的工作流程，寻求最小时、空占空比的任务安排，减少各器件的活动时间，精细化地管理功耗。另一方面，完全基于中断结构设计该系统的主控制程序和各功能程序。使中央控制单元在空闲时间均处于低功耗休眠模式，由各类中断请求信号唤醒，并在各中断服务程序中完成数据接收、数据存储及测温等功能。

具体来说，该系统利用三维加速度传感器ADXL345的中断输出功能，将其INT1，INT2引脚连接到MSP430F149具有中断输入功能的引脚。当ADXL345中有新的数据产生时，其DATA_READY中断置位；或者加速度值大于ADXL345中设定的阈值时，其Activity中断置位。这2个中断请求信号均可以唤醒F149，并在相应的中断服务程序中完成各自的数据处理。同时，通过F149内的硬件定时器设定读取当前时间及测量温度的时间间隔，在定时中断服务程序中完成读取当前时间及测量温度的操作。

3 结语

文中阐述了一种基于三维加速度计的运动能耗测量仪的设计方案。该测量仪能够在运动现场实时采集、处理及存储人体运动信息，能够对人体运动能耗进行定量评估，是一种适用于家庭或个人运动健康管理的智能化仪器。同时，为了进一步提高基于加速度计的运动能耗评估方法的准确性和可靠性，使其对不同的运动强度和运动类型均具有更好的精度，还需对基于加速度计的运动分类算法及能耗评估算法开展深入研究。