毕业论文外文翻译-基于3轴加速度计ADXL345的跌倒检测应用（含英文原文）.doc

中北大学2015届毕业设计说明书外文文献为PDF格式，下载后双击即可打开另存基于3轴加速度计ADXL345的跌倒检测应用简介 由于其自我保护能力下降，老年人经常遭受意外跌落。如果没有给出援助的时间，这些事故有可能造成严重的后果。统计数据显示，大多数严重的后果不是跌倒的本身，而是由于跌倒后的援助和治疗的延迟。在坠落的情况下，如果救援人员可以及时提醒，后果的危险可大大减少。鉴于此，已经增强了为检测和下降的情况下的预测设备的发展。在最近几年，在MEMS加速度传感器技术的进步下，使得有可能设计出基于3轴加速度传感器的下降检测器。这些探测器坠落在通过跟踪个体身穿传感器的三个正交方向的加速度变化，对移动检测体位改变的原则进行操作。然后，数据通过算法进行分析，以确定该个人的身体是否正在下降。如果一个人跌倒，该装置可通过一个GPS模块和一个无线发射机模块，以确定位置，并用于协助发出警报。因此，跌倒检测器的核心部分是紧急下降的情况通过检测原理和算法来判断的。 ADXL345的是最新的3轴数字输出加速度传感器，并且有非常适合用于跌倒检测器的应用程序。本应用笔记的基础上，跌倒检测的个体身上原则的研究，提出了检测使用这样ADXL345下跌的情况下一个新的解决方案。 图1 ADXL345系统框图ADXL345 MEMS加速度计 微电子机械系统（MEMS）是构建微机械结构和电气电路集成到单个硅芯片的半导体技术。 MEMS加速度计是基于这种技术的实现上单轴，双轴，或三轴条件加速度传感的传感器。该加速度计可以提供检测的不同的范围从几克至几十克的数字或模拟输出的，取决于应用，并且可以具有多个中断模式。这些功能为用户提供了更方便，更灵活的解决方案。 ADXL345是ADI公司的最新的MEMS数字输出3轴加速度计。它具有可选的2克，4克，8克或16 克的测量范围;高达13位的分辨率;固定4毫克/ LSB的灵敏度; 3毫米5毫米1毫米超小封装; 40A至145A超低功耗;标准I2C和SPI数字接口; 32级FIFO存储;各种内置的运动状态检测选项;和灵活的中断系统。这些功能大大简化算法跌倒检测，进而使ADXL345成为理想加速度计。跌倒检测解决方案，提出本应用笔记，完全基于运动状态检测的ADXL345的内部功能和中断系统，以及算法的复杂性，很少需要访问实际的加速度值或执行任何最小化其他计算。ADXL345的中断系统在中断部分中描述。对于ADXL345的更详细的规格，请参阅数据表或访问。图1显示了系统的方框图，图2示出了ADXL345的引脚定义。 图2. ADXL345引脚配置中断ADXL345的具有两个可编程中断引脚，INT1和INT2，共八个中断：DATA_READY，SINGLE_TAP，DOUBLE_TAP，活动，不活动，FREE_FALL，水印，和溢出。每个中断可以启用或通过设置适当的位在INT_ENABLE寄存器，可以选择映射到任何的INT1或INT2引脚独立禁用。DATA_READY当新数据是可用的DATA_READY位设置，当没有新的数据是可用的清除。SINGLE_TAP当单一的加速度事件大于在THRESH_TAP寄存器中的值发生的时间比在DUR寄存器指定一个长度较短的SINGLE_TAP位被置位。DOUBLE_TAP该DOUBLE_TAP位被设置，当两个加速度事件是大于在THRESH_TAP寄存器中的值发生的时间比在DUR寄存器指定一个更短的长度，与由潜寄存器和指定的时间后第二次敲击开始在窗口登记规定的时间内。图3示出了有效SINGLE_TAP和DOUBLE_TAP中断。 图3. SINGLE_TAP和DOUBLE_TAP中断活动活动位被设置时加速度大于该值存储在THRESH_ACT寄存器的经历。闲置当小于存储在THRESH_INACT寄存器中的值的加速度是有经验的时间比在TIME_INACT寄存器指定一个较长的长度不活动位被设置。对于TIME_INACT最大值为255秒。为活动和非活动的中断，用户可以单独地启用或禁用每个x轴，y或z轴。例如，对于x轴的活动中断，同时禁止中断为y轴和z轴被启用。此外，用户可以直流耦合或交流耦合的操作模式之间的活动选择和不活动中断。在直流耦合操作，当前的加速度与THRESH_ACT并直接THRESH_INACT进行比较，以确定活动或闲置是否被检测到。在用于活动探测器和灰交流耦合操作中，在活动检测开始时的加速度值被取为参考值。加速度的新的样本进行比较，以该基准值，并且如果该差值的大小超过THRESH_ACT，该设备触发活动中断。在不活动检测的交流耦合操作，参考值被再次用来进行比较，并在器件超过静止阈值时更新。一旦所述参考值被选择，则器件将参考值与当前加速度与THRESH_INACT之间的差的大小。如果该差值低于THRESH_INACT总共TIME_INACT的，该装置被认为是不活动的和不活动的中断被触发。FREE_FALL当小于存储在THRESH_FF寄存器中的值的加速度是有经验的时间比在TIME_FF寄存器指定一个较长的长度的FREE_FALL位被置位。 FREE_FALL中断主要用于检测自由落体运动。其结果是，该FREE_FALL中断不同于静止中断在于所有的轴总是参加，定时器周期小得多（1.28秒的最大值），并且它总是直流耦合。水印当FIFO填补了对存储在样本寄存器中的值的水印位。它会自动清除当FIFO读取并存储以下样品中的价值内容清空登记。该FIFO中的ADXL345有四种工作模式：旁路模式，FIFO模式，流模式和触发模式;并可以存储多达32个样本（x轴，y轴和z轴）。先进先出功能对ADXL345一个重要的和非常重要的作用;然而，对于坠落检测不使用FIFO功能，因此所提出的解决方案是不进一步在本申请说明中讨论。关于FIFO功能的进一步详情，请参阅ADXL345数据表。溢出超限位时，将设置新的数据已经取代了未读数据。超限函数的精确操作取决于FIFO模式。在旁路模式下，溢出位时，新的数据替换未被读取的数据在DATAX，DATAY和DATAZ寄存器设置。在所有其他模式下，溢出位当FIFO充满32个样品进行设置。溢出位是通过读取FIFO的内容清空，当数据被读取时自动清除。THE FALL 过程中的加速度变化特征的人体坠落过程中对跌倒检测原理的主要研究集中于加速度变化的特性。图4图7目前加速度变化曲线期间下楼，上楼走路，坐下，从椅子上站起来的动作。 （THE FALL探测器是带布线在个人的身体。） 图4. 加速度变化曲线在楼下散步的过程 图5. 加速度变化曲线在上楼的过程 图6. 加速度变化曲线在坐下的过程 图7. 加速度变化曲线在站立起来的过程 图8. 加速度变化曲线在坠落的过程因为老年人的移动速度比较慢，加速度变化时的步行运动，如图4和图5.图8落下的过程中呈现出的加速度变化的曲线不是很显眼。通过比较图8与图4至图7，可以看出，有一个下降事件的四个关键特征。这四个特点可以用作的跌倒检测的标准。它们是由拖曳在图8中标示，并详细说明如下。失重失重的现象总是发生在free fall的开始。这种现象变得期间自由落下更显著和加速度的矢量和降低到接近0克，持续时间取决于自由下落的高度。即使在一个普通的下降失重并不像期间自由下落作为显著，加速度的矢量和也小于1g（通常大于1在正常条件下克）。因此，这是用于确定能够由ADXL345的FREE_FALL中断被检测到的下降状态的第一基础。碰撞在经历失重，人体使得与地面的冲击;加速度曲线显示这是一个很大的冲击，如图8。这冲击是由ADXL345的活动中断检测。因此，确定跌倒第二基础是活动后FREE_FALL中断立即中断。不动一般而言，人体，落下，使冲击后，不能立即上升。相反，它仍然是在一个短周期一动不动的位置。这被示出的加速度曲线，如图8的扁平线的区段上，并且是由不活动检测中断ADXL345的。因此，确定跌倒情况的第三基是静止中断后活动中断。初始状态跌倒后，人体翻转，所以加速度在三个轴是从坠落前的初始状态不同。如果跌倒检测器是带布线在人体获得的加速度的初始状态下，在三个轴的加速度数据可以经过静止中断读取，并且采样数据然后可以与初始状态相比较。因此，它是用于确定跌倒如果采样数据和初始状态之间的差超过特定阈值，例如，0.7克第四基础。判定这四个碱基的组合形成整个跌倒检测算法，然后该系统可以相应地发出警报的下降状态。中断之间的时间间隔必须是一个合理的范围之内。在正常情况下，FREE_FALL中断和活动中断（撞击）之间的时间间隔应该不会很长，除非从一个非常高的距离掉落。类似地，活动中断（冲击）和不活动中断（静止）之间的时间间隔不应该很长。一个实际的例子是由于在使用ADXL345简化跌倒检测算法部分有一组合理的值。相关的中断检测阈值，时间等参数可以根据需要灵活设置。此外，如果跌倒导致严重的后果，例如彗差，人体静止不动的时间甚至更长的时间。此状态仍可以通过静止中断被检测到。因此，如果再次检测到非活动状态，一个关键的警报可以被发送出去，继续对跌倒后一段时间进行检测。该系统的典型电路连接ADXL345的和MCU之间的电路连接非常简单。对于本应用笔记，测试平台使用的ADXL345和微控制器ADUC7026创建。图9显示了ADXL345和ADUC7026之间的典型连接。随着ADXL345的CS引脚接高电平时，ADXL345工作在I2C模式。 SDA和SCL是数据传输和I2C总线，它连接到ADUC7026的相应引脚的时钟。 ADUC7026的的GPIO连接到ADXL345的SDO/ ALT ADDRESS引脚来选择ADXL345的I2C地址。 ADXL345的INT1管脚连接到ADUC7026的IRQ输入时产生中断信号。几乎任何MCU或处理器可以被用来访问ADXL345具有类似于在图9中所示的ADXL345还可以工作在SPI模式，以实现较高的数据速率的一个电路连接。为SPI连接电路实例，请参考ADXL345数据手册。 图9. ADXL345和MCU之间典型电路连接利用ADXL345连接到要简化跌倒检测算法本节介绍实现从前面提到的溶液的算法。表1给出了每个寄存器的功能，并且本算法中使用的值。请参考ADXL345数据手册每个寄存器位的详细定义。注意，某些在表1中给出的寄存器有两个算法的设定值。这表明，在这两个间，该算法切换到达到不同的检测的目的。该算法流程图如图10所示。Hex AddressDec AddressRegister NameTypeReset ValueDescriptionSettings in AlgorithmFunction of the Settings in Algorithm0x000DEVIDRead-only0xE5Device IDRead-onlyX-axis offset compensation,0x01 to1 to 28ReservedReservedReserved, do notReserved0x1Caccess0x1D29THRESH_TAPRead/write0x00Tap thresholdNot used0x1E30OFSXRead/write0x00X-axis offset0x06obtain from initializationcalibration0x1F31OFSYRead/write0x00Y-axis offset0xF9Y-axis offset compensation,obtain from initializationcalibration0x2032OFSZRead/write0x00Z-axis offset0xFCZ-axis offset compensation,obtain from initializationcalibration0x2133DURRead/write0x00Tap durationNot used0x2234LatentRead/write0x00Tap latencyNot used0x2335WindowRead/write0x00Tap windowNot used0x2436THRESH_ACTRead/write0x00Activity threshold0x20/0x08Set activity threshold as2 g/0.5 g0x2537THRESH_INACTRead/write0x00Inactivity threshold0x03Set inactivity threshold as0.1875 g0x2638TIME_INACTRead/write0x00Inactivity time0x02/0x0ASet inactivity time as 2 sec or10 sec0x2739ACT_INACT_CTLRead/write0x00Axis enable control0x7F/0xFFEnable activity and inactivityfor activity/inactivityof x-, y-, z-axis, whereininactivity is ac-coupled mode,activity is dc-coupled/ac-coupled mode0x2840THRESH_FFRead/write0x00Free-fall threshold0x0CSet free-fall threshold as 0.75 g0x2941TIME_FFRead/write0x00Free-fall time0x06Set free-fall time as 30 ms0x2A42TAP_AXESRead/write0x00Axis control forNot usedtap/double tap0x2B43ACT_TAP_STATUSRead-only0x00Source ofRead-onlyactivity/tap0x2C44BW_RATERead/write0x0AData rate and power0x0ASet sample rate as 100 Hzmode control0x2D45POWER_CTLRead/write0x00Power save features0x00Set as normal working modecontrol0x2E46INT_ENABLERead/write0x00Interrupt enable0x1CEnable activity, inactivity, free-controlfall interrupts0x2F47INT_MAPRead/write0x00Interrupt mapping0x00Map all interrupts to INT1 pincontrol0x3048INT_SOURCERead-only0x00Source of interruptsRead-only0x3149DATA_FORMATRead/write0x00Data format control0x0BSet as 16 g measurementrange, 13-bit right alignment,high level interrupt trigger, I2Cinterface0x3250DATAX0Read-only0x00X-Axis Data 0Read-only0x3351DATAX1Read-only0x00X-Axis Data 1Read-only0x3452DATAY0Read-only0x00Y-Axis Data 0Read-only0x3553DATAY1Read-only0x00Y-Axis Data 1Read-only0x3654DATAZ0Read-only0x00Z-Axis Data 0Read-only0x3755DATAZ1Read-only0x00Z-Axis Data 1Read-only0x3856FIFO_CTLRead/write0x00FIFO controlNot used0x3957FIFO_STATUSRead-only0x00FIFO statusNot used 图10. 算法流程图该算法在每次中断阈值和相关时间参数如下： 1.After初始化，系统等待FREE_FALL中断（失重）。 THRESH_FF被设置为0.75 g且TIME_FF被设定为30毫秒。 2.After的FREE_FALL中断被断言，则系统开始等待活动中断（影响）。 THRESH_ACT设置为2克，活动中断被直流耦合模式下运行。所述FREE_FALL中断（失重）和活动中断（冲击）之间。 3.时间间隔设置为200毫秒。如果这两个中断之间的时间大于200毫秒，那么状态是无效的。 200毫秒计数器通过单片机的定时器来实现。 4.活动后的活动中断被断言，则系统开始等待静止中断（冲击后静止）。 THRESH_INACT设为0.1875克和TIME_INACT设置为2秒。静止中断工作在交流耦合模式。 5.静止中断（撞击后一动不动）应在3.5秒之后，活动中断（撞击）断言。否则，结果是无效的。 3.5秒计数器是通过单片机的定时器来实现。 6.如果稳定状态和初始状态之间的加速度差超过0.7克门槛，有效秋天检测系统提出了一个下降的警报。 7.After检测秋天，中断活动和非活动中断必须持续监测，以确定是否有失守经过长时间静止不动的。该THRESH_ACT设定为0.5克，活动中断被AC耦合模式中操作。 THRESH_INACT设为0.1875克，TIME_INACT设置为10秒和不活动中断被AC耦合模式中操作;也就是说，如果被检者的身体保持不动，持续