了解模型

　　在可用于分析跑步或步行的特征當(dāng)中，我們選擇“加速度”作為相關(guān)參數(shù)。個體（及其相關(guān)軸）的運動包括三個分量，分別是前向（“滾動”）、豎向（“偏航”）和側(cè)向（“俯仰”），如圖1所示。ADXL345檢測其三個軸——x、y和z上的加速度。計步器處于未知方向，因此測量精度不應(yīng)嚴(yán)重依賴于運動軸與加速度計測量軸之間的關(guān)系。

　　圖1. 各軸的定義

　　讓我們考慮步行的特性。圖2描繪了一個步伐，我們將其定義為單位步行周期，圖中顯示了步行周期各階段與豎向和前向加速度變化之間的關(guān)系。

　　圖2. 步行階段與加速度模式

　　圖3顯示了與一名跑步者的豎向、前向和側(cè)向加速度相對應(yīng)的x、y和z軸測量結(jié)果的典型圖樣。無論如何穿戴計步器，總有至少一個軸具有相對較大的周期性加速度變化，因此峰值檢測和針對所有三個軸上的加速度的動態(tài)閾值決策算法對于檢測單位步行或跑步周期至關(guān)重要。

　　圖3. 從一名跑步者測得的x、y和z軸加速度的典型圖樣

　　算法

　　步伐參數(shù)

　　數(shù)字濾波器：首先，為使圖3所示的信號波形變得平滑，需要一個數(shù)字濾波器?？梢允褂盟膫€寄存器和一個求和單元，如圖4所示。當(dāng)然，可以使用更多寄存器以使加速度數(shù)據(jù)更加平滑，但響應(yīng)時間會變慢。

　　圖4. 數(shù)字濾波器

　　圖5顯示了來自一名步行者所戴計步器的最活躍軸的濾波數(shù)據(jù)。對于跑步者，峰峰值會更高。

　　圖5. 最活躍軸的濾波數(shù)據(jù)

　　動態(tài)閾值和動態(tài)精度：系統(tǒng)持續(xù)更新3軸加速度的最大值和最小值，每采樣50次更新一次。平均值（Max + Min）/2稱為“動態(tài)閾值”。接下來的50次采樣利用此閾值判斷個體是否邁出步伐。由于此閾值每50次采樣更新一次，因此它是動態(tài)的。這種選擇具有自適應(yīng)性，并且足夠快。除動態(tài)閾值外，還利用動態(tài)精度來執(zhí)行進(jìn)一步濾波，如圖6所示。

　　圖6. 動態(tài)閾值和動態(tài)精度

　　利用一個線性移位寄存器和動態(tài)閾值判斷個體是否有效地邁出一步。該線性移位寄存器含有2個寄存器：sample_new寄存器和sample_old寄存器。這些寄存器中的數(shù)據(jù)分別稱為sample_new和sample_old。當(dāng)新采樣數(shù)據(jù)到來時，sample_new無條件移入sample_old寄存器。然而，sample_result是否移入sample_new寄存器取決于下述條件：如果加速度變化大于預(yù)定義精度，則最新的采樣結(jié)果sample_result移入sample_new寄存器，否則sample_new寄存器保持不變。因此，移位寄存器組可以消除高頻噪聲，從而保證結(jié)果更加精確。

　　步伐邁出的條件定義為：當(dāng)加速度曲線跨過動態(tài)閾值下方時，加速度曲線的斜率為負(fù)值（sample_new 《 sample_old）。 。

　　峰值檢測：步伐計數(shù)器根據(jù)x、y、z三軸中加速度變化最大的一個軸計算步數(shù)。如果加速度變化太小，步伐計數(shù)器將忽略。

　　步伐計數(shù)器利用此算法可以很好地工作，但有時顯得太敏感。當(dāng)計步器因為步行或跑步之外的原因而非常迅速或非常緩慢地振動時，步伐計數(shù)器也會認(rèn)為它是步伐。為了找到真正的有節(jié)奏的步伐，必須排除這種無效振動。利用“時間窗口”和“計數(shù)規(guī)則”可以解決這個問題。

　　“時間窗口”用于排除無效振動。假設(shè)人們最快的跑步速度為每秒5步，最慢的步行速度為每2秒1步。這樣，兩個有效步伐的時間間隔在時間窗口［0.2 s - 2.0 s］之內(nèi)，時間間隔超出該時間窗口的所有步伐都應(yīng)被排除。

　　ADXL345的用戶可選輸出數(shù)據(jù)速率特性有助于實現(xiàn)時間窗口。表1列出了TA = 25°C， VS = 2.5 V， and VDD I/O = 1.8 V時的可配置數(shù)據(jù)速率（以及功耗）。

　　表1. 數(shù)據(jù)速率和功耗

　　此算法使用50 Hz數(shù)據(jù)速率（20 ms）。采用interval的寄存器記錄兩步之間的數(shù)據(jù)更新次數(shù)。如果間隔值在10與100之間，則說明兩步之間的時間在有效窗口之內(nèi)；否則，時間間隔在時間窗口之外，步伐無效。

　　“計數(shù)規(guī)則” 用于確定步伐是否是一個節(jié)奏模式的一部分。步伐計數(shù)器有兩個工作狀態(tài)：搜索規(guī)則和確認(rèn)規(guī)則。步伐計數(shù)器以搜索規(guī)則模式開始工作。假設(shè)經(jīng)過四個連續(xù)有效步伐之后，發(fā)現(xiàn)存在某種規(guī)則（in regulation），那么步伐計數(shù)器就會刷新和顯示結(jié)果，并進(jìn)入“確認(rèn)規(guī)則”工作模式。在這種模式下工作時，每經(jīng)過一個有效步伐，步伐計數(shù)器就會更新一次。但是，如果發(fā)現(xiàn)哪怕一個無效步伐，步伐計數(shù)器就會返回搜索規(guī)則模式，重新搜索四個連續(xù)有效步伐。