STM32和iNEMO模块的高精度计步器设计_百度文库
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STM32和iNEMO模块的高精度计步器设计
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【TI首届低功耗设计大赛】具有BLE及文件存储功能的计步器设计
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本帖最后由 nemo1991 于
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1.& &&&系统总体说明随着生活水平的提高，人们对运动健身的需求也日益提高。本次设计中采用MSP430FR5969 Launchpad完成了一款具有较高测量精度的计步器。该计步器可以供给所有人群使用，可以方便计数步数和运动状态，此外，如果检测到诸如跌倒等剧烈感应变化情况，可以通过BLE提示报警信息。BLE可以为智能手机、平板等提供接口，借助上位机实现更多功能。该计步器的主要功能如下：1.& && &&&可鉴别人体运动状态，如静止、走路和跑步，可将运动状态实时显示在OLED上；2.& && &&&当人体处于运动状态时，可以实时记录并显示运动步数；3.& && &&&当人体受到撞击或跌倒时，可以通过OLED和BLE发送报警信息；4.& && &&&通过基于文件系统的SD卡存储器，可以一键存储运动状态和运动步数；5.& && &&&可以通过BLE(低功耗蓝牙)实时发送运动状态和运动步数。计步器最终如图1-1所示。2.& &&&系统硬件电路设计系统主要硬件模块如下所述：1.& && &主控制器：德州仪器MSP430FR5969。最新一代基于FRAM超低功耗MCU，是目前世界上最低功耗的控制器。具有多种超低功耗模式，灵活而丰富的系统外设。2.& && &运动传感器：MPU6050。MPU6050是InvenSense公司生产的6轴传感器。本次设计中，使用了该传感器的三轴陀螺仪和三轴加速度计，用以检测运动状态。该传感器为数字传感器，通过IIC与MCU通讯；3.& && &SDHC卡：采用金士顿公司的class10高速卡。通过基于文件系统的方式，MCU可以创建文本文件并写入数据。文本文件可以通过PC读取，方便Matlab等上位机进行分析。SDHC卡通过SPI与MCU通讯；4.& && &BLE模块：采用德州仪器CC2541蓝牙模块，可以以较小功耗发送信息。蓝牙模块通过SCI与MCU通讯；5.& && &显示器：采用串行128*64 OLED显示器，通过自己构建字库和图标等，可以完成较为丰富的显示功能，同时整体功耗也比较低。& && & 本次设计中传感器等主要使用了模块，使用模块可以最快地建立系统，但也会造成布局等一些不方便的地方。本次设计中，由于全部电路使用手工焊接，MPU6050等VQFN封装元件焊接难度较大，故采用了购买模块的方式。设计中做了一个Launchpad和各个模块的接口电路。原理图如图2-1所示。
图2-1& && & 完成的PCB 3D效果图如图2-2所示。
图2-23.& &&&系统硬件驱动1.& && &&&MSP430FR5969的使用。MSP430系列单片机是TI的核心产品之一，早在比赛之前就有接触过430的使用。同样的，借助MSP430WARE的帮助，在设计过程中很快地掌握了430的基本使用方式，例如时钟、GPIO、定时器、SCI等外设的使用也并没有遇到太大的难度。2.& && &&&MPU6050的驱动。通过学习官方的参考设计，可以很快上手使用该6轴传感器。不得不说这是一款非常出色的产品，从尺寸到功能都非常让人满意。之前参加智能车竞赛使用过模拟的加速度计和陀螺仪，后来学习使用MPU6050后爱不释手，其价格也是非常亲民的。MPU6050使用IIC与MCU通讯，除加速度计和陀螺仪功能外，还有一个温度传感器，所以本次设计中也读取了其温度。3.& && &&&SD卡。本次设计的文件系统基于znFAT，测试下来感觉很满意，性能也很稳定。使用SD卡目前也是个人的一种设计习惯，在系统调试阶段可以记录大量参数进行分析，同时断电之后可以直接在PC上读取。这对调试等有非常大的帮助。同时，结合上位机设计，可以非常便捷地对文本文件进行分析，例如对计步器而言，可以分析使用者的使用记录，便于对运动情况的长期掌握。4.& && &&&BLE模块。BLE即低功耗蓝牙，在低功耗设计中很有用。显示器等通常都是能量消耗的大户，所以通过蓝牙发送到上位机是实现低功耗的一个技术手段。本次设计中，可以使用BLE将运动数据实时显示到PC端。5.& && &&&OLED显示模块。购买的时候店主提供了一些底层代码，但是处于个人习惯和代码执行效率考虑，已经重写了大部分底层文件。同时自己制作了一些图标，这在显示界面可以看到。4.& &&&系统软件设计
& && & 本次设计中，系统软件设计分为三部分，即初始化流程、系统主循环功能和中断功能。& && & 系统初始化流程包括第3章中说明的各种硬件驱动，以及初始界面的显示。& && & 系统中断函数负责MPU6050数据的采集和测算，一直到最终的步数计算和运动状态检测。& && & 系统主循环负责OLED显示器的刷新和蓝牙信息的发送。& && & 在系统中断函数中，采集MPU6050原始数据以后，通过进行简单的数字滤波，可以认为得到一个较为稳定的数据。在经过一定的数字信号处理，也就是计步器的核心算法，可以得到使用者的运动状态，进而可以得到运动步数。比赛阶段暂时不公开，之后利用寒假进一步完善后可以和大家分享。事实上，借助MPU6050可以实现更多种运动状态的检测，包括上楼下楼、起立做下等。& && & 系统主循环中，如果检测到显示信息需要刷新，则刷新显示信息，同时经过蓝牙向PC发送信息。5.& &&&MSP430FR5969特性使用和低功耗设计
& && & MSP430FR5969总体来讲是一款相对简单的MCU，管脚并不是特别丰富。在本次设计中，使用了4个GPIO控制OLED显示器，SCI接口控制蓝牙，SPI接口控制SD卡，IIC接口控制MPU6050。一定程度上来讲，比较全面使用了MCU的资源。& && & MSP430FR5969是目前为止世界上最低功耗的单片机，本次设计中也是用了其低功耗特性。& && & 由于系统硬件采用了较多模块设计，从硬件上比较难修改。在软件设计方面，系统尽可能运行在低功耗模式下，具体说明如下。& && & 当系统启动后，首先通过__bis_SR_register(LPM3_bits| GIE);语句进入低功耗模式3并使能中断。此时系统将运行于低功耗模式3，main函数是不会运行的。但是定时器中断（中断时间为10ms），即负责MPU6050采样测算的部分可以工作，可以完成正常的采样测算。& && & 这里做的处理是，如果中断函数检测到运动状态或步数改变，则暂时退出低功耗模式3，使用语句__bic_SR_register_on_exit(LPM3_bits);，同时，将一个undate标志位置为1。& && & 当退出低功耗模式后，main主循环可以执行，在完成刷新显示和蓝牙数据发送之后，将update标志位置为0，同时再次使用__bis_SR_register(LPM3_bits | GIE);语句进入低功耗模式3。& && & 由此可以判定，MCU绝大部分时间均处于低功耗模式3运行。中断函数10ms执行一次，系统主循环仅仅在需要刷新显示情况下进行一次执行。这样，已经比较好地利用了其低功耗特性。& && & 当上电调试以后，我非常吃惊地发现EnergyTrace中显示功耗高达100mJ/s！在3.3V电压下，相当于系统有30mA电流！我将拓展板拔掉重新测试后，功耗显示为10mJ/s（这里需要说明的是，如果系统初始化MPU6050失败，则会不断重复，因此是MCU全速运行下的功耗。所以说，如果能够载有拓展板并初始化成功，MCU的功耗应远低于此。）。这里可知，拓展板消耗的电流基本为30mA。& && & 这稍稍超出我的预想，我决定找到原因。& && & 首先，我拔下SD卡重新初始化，显示功耗98mJ/s，说明SD卡并不是耗电大户。OLED显示器在前测试过，屏幕全亮下约20mA电流，本次设计中只显示了一些字符，且刷新频率很低，所以功耗应该不到20mA。那么，说明MPU6050或者蓝牙模块消耗电能也比较多。& && & 本次设计中使用了TI的BLE，同样保持了很低的工作时间，按照模块的手册中说明，其电流不超过5mA。然后再看MPU6050模块。打开MPU6050店主给我的原理图重新查看一下，找到了一些问题。电路图如图5-1所示，这里图上标注的是9150，这里不必在意，接口电路完全一致。
图 5-1& && & 由原理图可以观察到，IIC的上拉电阻取值为2.2k，所以这里的消耗的功率是比较高的。考虑IIC管脚输出低电平时，2.2k电阻在3.3v电压下有1.5mA。同时led灯D1也消耗了一定的电流。& && & 总体来看，如果想实现真正的低功耗设计，可以进行的修改是：1.使用无背光的液晶显示器。液晶显示器功耗极低。但本次设计时间比较仓促，实验室能找到的液晶屏都比较大，所以还是使用了功耗较高的OLED显示器。2.电路设计中，去除不必要的指示灯，将上拉电阻等尽可能取得大一些。例如，IIC上拉电阻取到20k应该是没有问题的。& && & 最后放上视频链接：
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能看到我的回复么？？
看到了哈~不过就看到个& &“能看到我的回复么？”
楼主可以公开你的代码吗？很想研究下 这几天遇到些问题~~~~~~呃。。。。。。
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本帖最后由 nemo1991 于
19:03 编辑
这里再放几张作品的照片，大家可以提提意见，欢迎拍砖。。PS:做好视频发现撞击检测没有拍。。咳咳，大家请相信我这是可以用的。。
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哥们儿 给你留了好多言 不管咋样 你回我一个呗~~~~好伤心~&
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本帖最后由 nemo1991 于
18:59 编辑
最后，看一下我ccs下的工程吧。
最近写程序喜欢模块化，这里也按照自己习惯分了一下。嘿嘿。限于个人水平和时间仓促，和论坛大牛们相比还有很大差距。
所以这里非常希望大家给我一些建议，我会尽力改正，非常感谢大家！
我在2013年暑假开始在eeworld潜水，在这里问过一些问题，得到了很大的帮助，这里也一并感谢一些论坛的各位前辈！
同时感谢maylove姐姐的督促，正是有她我才能加快进度！
@一下我的小伙伴。
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这么图文并茂的帖子怎么没人看呢。。
这是我的最终作品啦！当然时间允许大家可以提提改进意见！
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谢谢！时间有限，这次就先做到这个程度，以后可以的话继续参加~&
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做得不错谢谢！时间有限，这次就先做到这个程度，以后可以的话继续参加~
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对于自己制板打样的工作我都要表示敬意！加油！
哈哈，谢谢老同学支持！&
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很详细&&赞
谢谢soso姐支持！&
2015，继续为中国电子行业做出小小的贡献吧！
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对于自己制板打样的工作我都要表示敬意！加油！哈哈，谢谢老同学支持！
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很详细&&赞谢谢soso姐支持！
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楼主很给力啊，赞一个.....
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计步很精确啊 厉害！
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我比较好奇，FR5969板子（具体应该是MPU6050）水平拿着，居然能精确记步，不知道你算法是怎么搞的？很好奇，跟我理解的不一样，感觉怪怪的
三轴的数据啊。根据我的算法，是不需要区分方向的，怎么拿都行的。&
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我比较好奇，FR5969板子（具体应该是MPU6050）水平拿着，居然能精确记步，不知道你算法是怎么搞的？很好奇，跟我理解的不一样，感觉怪怪的三轴的数据啊。根据我的算法，是不需要区分方向的，怎么拿都行的。
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RE: 【TI首届低功耗设计大赛】具有BLE及文件存储功能的计步器设计
问题是水平匀速移动，三轴数据会变化吗？
三轴的数据啊。根据我的算法，是不需要区分方向的，怎么拿都行的。
看不到回复，版主您有什么问题？&
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看不到回复，版主您有什么问题？
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问题是水平匀速移动，三轴数据会变化吗？
肯定不会啊。捕捉动态的。&
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问题是水平匀速移动，三轴数据会变化吗？肯定不会啊。捕捉动态的。
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看你视频里面，板子接近是水平匀速移动，所以比较诧异你的步数是怎么算出来的。
按你视频中所演示的，即使能采到3轴加速度变化也是微量，这种情况下很难准确记步。此时，比如手的抖动都会误认为有走动而误记步。
事实上，我就是通过这个微量检测的。带有滤波算法，还是比较准确的。&
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看你视频里面，板子接近是水平匀速移动，所以比较诧异你的步数是怎么算出来的。
按你视频中所演示的，即使能采到3轴加速度变化也是微量，这种情况下很难准确记步。此时，比如手的抖动都会误认为有走动而误记步。事实上，我就是通过这个微量检测的。带有滤波算法，还是比较准确的。
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逛了这许久，何不进去瞧瞧？> 智能计步器
智能计步器
在电子工程世界为您找到如下关于“智能计步器”的新闻
智能计步器资料下载
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【导读】在这个智能穿戴设备如雨后春笋的时代，“智慧养老”的概念已经开始火热。专为老人设计的智能穿戴设备也应运而生。看我爱快包小编给大家带来的最新任务老人智能手表开发，技术高手们快使出你的设计绝招吧！
任务名称：老人智能手表开发
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一块STM32F031K6T6，想测评的请举手 我可以带着它到 mbed 上走一趟
作ST-LINK使用不错。
这么大的板子比一个NUCLEO板子要小很多啊& &但是功能没有少& &真的很期待&&用它做一个智能手表试试
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2014年广东省电子设计大赛获奖作品-STM32智能手表
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分享一个9月份参加广东省电子设计大赛的作品<img src="/9mcubbs/static/image/smiley/default/lol.gif" border="0" alt="" />，基于STM32F103VET6的智能手表，开放源代码，电路原理图，但是暂时不公开PCB，请大家见谅<img src="/9mcubbs/static/image/smiley/default/smile.gif" border="0" alt="" />。系统采用STM32F103VET6（主控芯片）+uCOS（操作系统）-III+emwin5.24(图形界面)+MPU6050（三轴加速度传感器）+BC04（蓝牙模块）+GPRS+DS18B20。
湿度那个就没做啦
现在简单介绍一下它的功能。功能简介：
1.具有手表功能，可以查看当前日期、时间、以及环境的温度和湿度。
2.可以对当前的使用者运动的情况进行检测，检测运动的步数，运动时间以及运动过程中所消耗的体内能量情况。
3.可以检测当前使用者是否发生摔倒的情况，若摔倒则会以手机短信的形式发送到另一台固定的手机号码上。
4.可以进行家电控制的功能，控制空调的开关，温度以及模式，控制大灯，房间，厨房灯的开关和亮度。
5.可以设置当前整个手表系统的环境，设置日期、时间、计步的灵敏度、蓝牙开关、报警开关、以及屏幕的背光亮度，背光时长。
废话不多说，现在先上几张作品图。
1.发个外观图，这个是时间界面，首先先要说明，这个屏幕选用，ili寸，320*240的液晶屏。
GPRS模块，它具有基站定位的功能。
0204cab36b730af28c78_390.jpg (0 Bytes, 下载次数: 0)
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2.计步界面（对应上面功能叙述2，下面同）
d46a8fbca83c19e6b49f_139.jpg (0 Bytes, 下载次数: 0)
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3.报警界面
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4.蓝牙控制家电界面
1d65af96d65da44bc.jpg (0 Bytes, 下载次数: 0)
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5.系统设置界面
d3be643e45757c04bbe23d893b278caf_684.jpg (0 Bytes, 下载次数: 0)
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界面设计的挺人性化的，想必大家一看界面就知道是怎么操作的啦。
接下来就是系统的原理图，这里的图片看不清楚，大家有兴趣的话可以下载PDF文件来看看。
接下来就是工程文件和项目源码了。<img src="/9mcubbs/static/image/smiley/default/lol.gif" border="0" alt="" />
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高大上啊，我的没你功能强大啊
nrf51822蓝牙4.0手环开发板：
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好mini的LCD.
我的淘宝小店：
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下文呢？不要停啊。。。
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不错！！！！！！！！！
互联网，智能设备爱好者，欢迎讨论任何有意思的想法。
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亲，源码原理图呢。做的非常不错。
单片机Zigbee方案代开发。可接毕设。
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楼主&&附件呢？
道不同，不相与为谋
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回复【4楼】加速度:
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回复【9楼】zwh:
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道不同，不相与为谋
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楼主哪个学校的啊？
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回复【14楼】正点原子:
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以前有发简历到你公司的那个、、
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这个几等奖？？我也参加了，不过作品功能没你的这么高大上。。。。。。
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原子哥收了吧
单片机Zigbee方案代开发。可接毕设。
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很不错的作品&学习学习&消化消化
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还可以。。。。
学电子，学音乐！！
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好东西！要学习。
手艺人要内外兼修。
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EMWIN生产的界面细节方面还可以再优化下，看起来就更像商业产品
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帅呆了哇&&&&哈哈
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这个做的好，可以推广啊
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为什么你这么牛逼，什么时候可以超过你
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很不错，请教一下，你说的那个GPRS是什么？是GSM么
给我一块二向箔，清理用~
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回复【26楼】季夏木槿:
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是的。淘宝搜&&GSM&SIM&模块&&就有了
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mark，，，，，
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牛人都在openedv啊。
原子哥是不是又要出黑科技了呀。^_^...
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实在是高端大气上档次啊
总有一天，要为自由而活
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你的，真是屌爆了
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这片MCU居然能跑EMwin？
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楼主，能不能告诉我，用MPU6050做计步器的原理？？
初学STM32，很多不懂，但是我相信坚持一定可以成功，向原子哥学习
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mark！！！！
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看了-----学了-----就顶
了解、学习
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谢谢楼主！！！！！！！！！！！！
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楼主太强大了
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顶一个，高大上！！！
天是棺材盖，地是棺材底，无论闯哪里，总在棺材里
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楼主牛逼&代码量这么大&看代码都要好好研究好久&&看样子得加加餐了
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先把代码收藏，有空学习学习，哈哈
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回复【27楼】zwh:
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GSM&SIM&模块尺寸好大哦，你是直接买的芯片么？？
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我也想求计步原理
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非常不错，感谢分享
我有故事，你有酒吗
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谢谢楼主分享
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