基于3轴加速度计ADXL345的全功能计步器设计

距离参数
根据上述算法计算步伐参数之后，我们可以使用公式1获得距离参数。

每步距离取决于用户的速度和身高。如果用户身材较高或以较快速度跑步，步长就会较长。参考设计每2秒更新一次距离、速度和卡路里参数。因此，我们使用每2秒计数到的步数判断当前跨步长度。表2显示了用于判断当前跨步长度的实验数据。

表2. 跨步长度与速度（每2秒步数）和身高的关系

2秒的时间间隔可以利用采样数精确算出。以50 Hz数据速率为例，处理器可以每100次采样发送一次相应的指令。处理器利用一个名为m_nLastPedometer的变量记录每个2秒间隔开始时的步数，并利用一个名为m_nPedometerValue的变量记录每个2秒间隔结束时的步数。这样，每2秒步数等于m_nPedometerValue与m_nLastPedometer之差。

虽然数据速率为50 Hz，但ADXL345的片内FIFO使得处理器无需每20 ms读取一次数据，极大地减轻了主处理器的负担。该缓冲器支持四种工作模式：旁路、FIFO、流和触发。在FIFO模式下，x、y、z轴的测量数据存储在FIFO中。当FIFO中的采样数与FIFO_CTL寄存器采样数位规定的数量相等时，水印中断置1。如前所述，人们的跑步速度最快可达每秒5步，因此每0.2秒刷新一次结果即可保证实时显示，从而处理器只需每0.2秒通过水印中断唤醒一次并从ADXL345读取数据。FIFO的其它功能也都非常有用。利用触发模式，FIFO可以告诉我们中断之前发生了什么。由于所述解决方案没有使用FIFO的其它功能，因此笔者将不展开讨论。 本文来自电子发烧友网(http://www.elecfans.com)

速度参数
速度 = 距离/时间，而每2秒步数和跨步长度均可根据上述算法计算，因此可以使用公式2获得速度参数。

卡路里参数
我们无法精确计算卡路里的消耗速率。决定其消耗速率的一些因素包括体重、健身强度、运动水平和新陈代谢。不过，我们可以使用常规近似法进行估计。表3显示了卡路里消耗与跑步速度的典型关系。

表3. 卡路里消耗与跑步速度的关系

由表3可以得到公式(3)。

以上所用的速度参数单位为m/s，将km/h转换为m/s可得公式4。

卡路里参数随同距离和速度参数每2秒更新一次。为了考虑运动者的体重，我们可以将公式4转换为公式5。体重(kg)为用户输入量，一个小时等于1800个2秒间隔。

如果用户在步行或跑步之后休息，则步数和距离将不变化，速度应为0，此时的卡路里消耗可以利用公式6计算（休息时的卡路里消耗约为1 C/kg/h）。

最后，我们可以将所有2秒间隔的卡路里相加，获得总卡路里消耗量。

硬件连接
ADXL345易于连接到任何使用I2C®或SPI数字通信协议的处理器。图8给出了演示设备的原理示意图，它采用3V电池供电。ADXL345的/CS引脚连接到板上的VS，以选择I2C模式。利用一个低成本精密模拟微控制器ADuC7024从ADXL345读取数据，执行算法，并通过UART将结果发送至PC。SDA和SCL分别为I2C总线的数据和时钟引脚，从ADXL345连接到ADuC7024的对应引脚。ADXL345的两个中断引脚连接到ADuC7024的IRQ输入，以产生各种中断信号并唤醒处理器。

图8. 硬件系统的原理示意图

用户界面
用户界面显示测试数据，并对操作员的指令做出响应。用户界面(UI)运行之后，串行端口应打开，通信链路应启动，随后演示程序将持续运行。图9显示了用户佩戴计步器步行或跑步时的测试情况。用户可以输入其体重和身高数据，距离、速度和卡路里参数将根据这些数据进行计算。

图9. 用户佩戴计步器步行或跑步时的测试情况

结论
ADXL345是一款出色的加速度计，非常适合计步器应用。它具有小巧纤薄的特点，采用3 mm × 5 mm × 0.95 mm塑封封装，利用它开发的计步器已经出现在医疗仪器和高档消费电子设备中。它在测量模式下的功耗仅40 µA，待机模式下为0.1 µA，堪称电池供电产品的理想之选。嵌入式FIFO极大地减轻了主处理器的负荷，使功耗显著降低。此外，可以利用可选的输出数据速率进行定时，从而取代处理器中的定时器。13位分辨率可以检测非常小的峰峰值变化，为开发高精度计步器创造了条件。最后，它具有三轴输出功能，结合上述算法，用户可以将计步器戴在身上几乎任何部位。

几点建议：如果应用对成本极其敏感，或者模拟输出加速度计更适合，建议使用ADXL335，它是一款完整的小尺寸、薄型、低功耗、三轴加速度计，提供经过信号调理的电压输出。如果PCB尺寸至关重要，建议使用ADXL346，这款低功耗器件的内置功能甚至比ADXL345还多，采用小巧纤薄的3 mm × 3 mm × 0.95 mm塑封封装，电源电压范围为1.7 V至2.75 V。