基于飞思卡尔CortexM0微控制器的计步器设计设计说明

基于飞思卡尔CortexM0微控制器的计步器设计设计说明2013届毕业生毕业设计说明书题目: 基于飞思卡尔Cortex-M0+微控制器的计步器设计学院名称：电气工程学院班级：自动 F0903 学生姓名：姬小三学号： 200948280303 指导教师：孙丽君教师职称：教授2013年05月27日目次1 概述 (1)1.1 背景与意义 (1)1.2 国内外发展现状 (1)1.3 课题介绍 (2)2 课题方案论证 (3)2.1 总体设计框图 (3)2.2 功能描述 (3)2.3 微控制器的选择 (4)2.4 传感器的选择 (6)2.5 显示器的选择 (7)2.6 输入设备的选择 (8)2.7 存储器的选择 (10)2.8 电源的选择 (10)2.9 关键指标 (10)2.10 可行性分析 (11)3 系统硬件设计 (15)3.1 硬件整体设计 (15)3.2 各模块设计与分析 (16)3.3 小结 (22)4 系统软件设计 (24)4.1 软件整体设计 (24)4.2 各模块设计与分析 (25)4.3 小结 (34)5 系统测试 (36)5.1 滤波性能测试 (36)5.2 计步器准确度测试 (37)5.3 功耗测试 (38)5.4 小结 (38)总结 (39)致谢 (40)参考文献 (41)附录A 计步器原理图图纸 (42)附录B 计步器部分程序 (44)1 概述1.1 背景与意义随着生活水平的提高，人们越来越注重自己的身体健康。

与此同时，科学技术的迅猛发展也催生了“可穿戴健康跟踪设备”的问世。

研究如何通过“便携式健康跟踪器”改善人们的健康状况，将对人类的未来产生深远的影响。

计步器作为一款可穿戴健康跟踪设备，可以记录人的行走步数，反馈给用户准确的运动数据，帮助佩戴者量化锻炼强度、制定合理的健身方案，提醒佩戴者适当调节运动量，激励佩戴者坚持锻炼。

计步器起源于奶牛养殖业，后经外观和测量精度的改善，逐渐推广到医疗器械上面，并向个人保健养生方面延伸，曾一度引发了人们的锻炼热潮。

随着人口老龄化时代的到来，计步器等相关产品的需求量持续增加，市场持续扩大。

由此可见，计步器仍具有巨大的商业前景和研究价值。

1.2 国内外发展现状早期的计步器设计采用机械一维振动传感器，利用机械球的来回运动来控制触点的通断，从而实现人体运动的检测，但是这种传感器的固有缺点是精度不高，灵敏度不可调。

近年来，随着三轴加速度传感器的出现，计步器得到了迅速地发展，其精确度也越来越高。

三轴加速度传感器能够检测人运动时X、Y、Z轴三个方向的加速度分量，灵敏度较高。

同时三轴加速度传感器的超低功耗和高集成度也使得计步器更加轻便。

目前，市面上计步器的基本功能有时间显示、跑表功能、步数检测、距离计算、能量消耗计算及个性化步幅设计。

此外还有FM收音机、行走时间、闹钟提醒功能、步距设置、10000步提示、速度显示、能量消耗计算、心率检测、数据浏览等特色功能。

市场上，国外知名品牌主要有：acumen（安康盟）、casio（卡西欧）、欧姆龙品牌等，而国产知名品牌有Green Forest/绿森林（武汉产）多功能计步器和康都牌计步器（广东产），价格在168-398元不等。

整体上，计步器正朝着功能多元化、体积小型化、寿命长、精度高，价格低等方面发展。

1.3 课题介绍本课题的设计要求为：所设计的计步器须使用寿命长、检测精度高、系统功耗低、人机界面操作友好，能满足用户的日常需求。

本课题设计的计步器的基本功能是计步，除此之外，还有行走距离换算、能量消耗计算、提醒是否满足日常运动需求等增值功能，并通过USB将采集的数据传送到上位机。

拓展功能为对温度、湿度、气压等环境变量的检测。

整个系统的设计理念为高精度，低功耗。

本课题选用了功耗极低、处理数据能力较强的基于Cortex-M0+内核的32位微控制器MKL25Z作为主控芯片。

计步传感器采用三轴加速度传感器MMA8451Q，分辨率更高、反应速度更快、功耗更低。

同时，在低功耗的基础上，为了改善用户界面，在输出设备中，我们选用了一块84×48分辨率的液晶屏作为显示器；在输入设备中，我们采用MKL25Z内置的TSI模块设计了5个电容触摸按键作为输入按键。

2 课题方案论证2.1 总体设计框图系统总体设计框图如图2.1所示。

图2.1 系统总体设计框图2.2 功能描述本设计利用三轴加速度传感器获取佩戴者运动时身体在三个轴的加速度分量，通过滤波算法和计步算法分析获取步数，配合佩戴者的身高、体重、步距等信息，换算得到行走距离和消耗的能量，并将相关信息显示在液晶屏上。

利用本设计的电容触摸按键可快捷地控制屏幕显示相应信息。

温湿度传感器采集到环境的温湿度参数后也可将环境的温湿度变化显示在液晶屏上。

当佩戴者的特征信息和运动数据确定后，通过电容触摸按键的相关操作将其储存到微控制器的内部Flash中，保证信息在系统掉电后不丢失。

用户也可以通过USB数据线将计步器连接至电脑终端，将记录的信息上传至上位机显示。

此外，在开发调试阶段，为实现对计步器的远程监控，本设计又另外增加了无线模块，将佩戴者X、Y、Z三个方向的加速度分量实时传送至上位机显示，可视化效果明显。

为配合上述功能，本设计运用C#语言编写了一个计步器专用的上位机软件。

2.3 微控制器的选择2.3.1 方案一：采用8位微控制器8位微控制器的典型代表是8051微控制器。

8051微控制器是一款入门级微控制器，它内核简易，应用广泛，资料齐全，非常适合入门学习。

同时它的价格低廉，是一款适用于追求低成本，不追求实时性的电子产品。

在我国很长一段时间内，8051微控制器占据了小型家电市场，其中的原因正是超低的成本。

2.3.2 方案二：采用16位微控制器MSP430微控制器是一款以低功耗闻名的16位微控制器，有许多低功耗的工作模式，采用了精简指令集(RISC)结构，具有丰富的寻址方式，高效率的查表处理指令。

这些特点都保证了用它可以编写出高效率的源程序。

2.3.3 方案三：采用32位微控制器Cortex-M0+内核基于ARMv6架构，支持Thumb/Thumb-2子集ISA，单核心，采用低成本的90nmLP工艺制造，核心面积仅0.04mm2，每MHz单位频率消耗的电流、功耗分别有9μA、11μW，是现今其它8/16位微控制器的大约三分之一，而性能上又比它们高出很多。

飞思卡尔的Kinetis L系列微控制器基于ARM Cortex-M0+内核，是目前市场上能效极高的32位微控制器，每微安数据吞吐量居业内领先水平；超低功耗模式多种灵活的功率模式，适合不同的应用情形，可最大限度延长电池寿命；多种技术优化功耗，包括90nm薄膜存储(TFS)技术、时钟和电源门控技术，以及带有位处理引擎、外围交叉桥和零等待闪存控制器的高效平台等；深度睡眠模式下，可在不唤醒内核的情况下进行智能决策并处理数据。

2.3.4 方案对比为选择一款最适合本课题的微控制器，我们列出了上述三种方案的微控制器特性对比表，如表2.1和表2.2所示。

表2.1 微控制器特性对比表1类型8位微控制器16位微控制器32位微控制器代表系列8051系列微控制器MSP430系列微控制器ARM公司的Cortex系列微控制器属于ARMv7指令集构架，其中有：“A”系列；“R”系列；“M”系列。

Cortex-A系列Cortex-R系列Cortex-M系列设计方向面向实时性要求不高面向低功耗应用面向尖端的基于虚拟内存的操作系统和用户应用面向实时应用和实时系统面向微控制器应用的成本敏感型解决方案的场合应用广泛应用于工业测控系统之中广泛应用于手持式产品,远程抄表等低功耗系统中应用于超低成本的智能手机、数字电视、机顶盒、打印机和服务器应用于汽车制动系统、大容量存储控制器应用于混合信号设备、智能传感器、汽车电子和气囊电压5V 1.8~3.6V1.8~3.6V 1.8~3.6V 1.71~3.6V 表2.2 微控制器特性对比表2芯片类80C51MSP430 Cortex-M0+Cortex-M3Cortex-M4型位数8位16位32位32位32位主频(最大)24M 25M 48M 72M 204M最小工作电流20mA165μA/MHz9μA/MHz175μA/MHz90µA/MHz价格(元)2.5 12.0 11.0 20.0 37.0通过两表的对比可知，8051微控制器的片上资源少、功耗高，因此它很难充当复杂系统的微控制器，而只适用于低性能的产品开发。

MSP430系列的微控制器比8051系列微控制器的功耗低很多，但是处理速度不及Cortex-M0+微控制器，而且Cortex-M0+微控制器的功耗更低一些，价格上也有一定优势。

此外，我们也参考了目前市面上比较热门的微控制器，如Cortex-M3和Cortex-M4系列微控制器，考虑到它们功耗稍和成本稍高、内部资源无TSI，暂不采用。

综上所述，本设计选择基于Cortex-M0+内核的Kinetis L系列MCU，具体型号选择MKL25Z128VLK4。

2.4 传感器的选择2.4.1 计步传感器的选择一共有三种方案，第一种是选择机械式振动传感器，第二种是选择加速度传感器，第三种选择压力传感器。

此外还有GPS定位等方案，在此不再考虑。

机械式振动传感器内部有一个平衡锤，当传感器振动时，平衡被破坏，如此会造成上下触点的通断。

佩戴者在跑步过程中，身体起伏重心高低产生变化，计步器内部的振动传感器就会将这一变化转换为数字量送至控制单元，从而获得佩戴者的运动信息。

机械式振动传感器原理简单、精度和成本低，适用于振幅较大的场合。

三轴加速度传感器分为压阻式，压电式和电容式。

加速度的变化能够改变电阻、电压或者电容的变化，从而获得空间位置三个垂直方向的加速度分量。

佩戴者在跑步过程中，身体上下起伏，计步器内部的微控制器读取三轴加速度传感器的三组模拟量，通过计步算法分析，获取运动信息。

三轴加速度传感器具有精度高、反应速度快、通讯协议简单可靠等特点，广泛使用于汽车、数码产品、航天设备等领域。

压力传感器是将压力的变化转化为电压的变化。

利用这一特性，可将压力传感器内置在鞋的底部，当用户在行进过程中，压力传感器受到的压力不同（抬脚时脚对鞋无压力，放脚时脚对鞋有持续压力），这样，计步器的主控单元读取压力值，经过计步算法即可判断运动状态。

为选择一款最适合本课题的计步传感器，表2.3列出了三种传感器的特性对比表。

表2.3 计步传感器特性对比表类型机械式振动传感器加速度传感器压力传感器工作电5mA 30μA --流工作精度0.1g 0.002g --价格(元)1.0元 5.0元--目前内置于鞋底的压力传感器属于柔性传感器。