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1、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11.1 背景与意义11.2 国内外发展现状11.3 课题介绍22 课题方案论证32.1 总体设计框图32.2 功能描述32.3 微控制器的选择42.4 传感器的选择62.5 显示器的选择72.6 输入设备的选择82.7 存储器的选择102.8 电源的选择102.9 关键指标102.10 可行性分析113 系统硬
2、件设计153.1 硬件整体设计153.2 各模块设计与分析163.3 小结224 系统软件设计244.1 软件整体设计244.2 各模块设计与分析254.3 小结345 系统测试365.1 滤波性能测试365.2 计步器准确度测试375.3 功耗测试385.4 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441 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
3、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
4、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
5、（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
6、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8448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
7、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
8、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Thum
9、b/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9A、11W，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
10、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的场合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
11、方案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5V1.83.6V1.83.6V1.83.6V1.713.6V表2.2 微控制器特性对比表2芯片类型80C51MSP430Cortex-M0+Cortex-M3Cortex-M4位数8位16位32位32位32位主频(最大)24M25M48M72M204M最小工作电流20mA165A/MHz9A/MHz175A/MHz90A/MHz价格(元)2.512.011.020.037.
12、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.
13、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
14、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流5m
15、A30A-工作精度0.1g0.002g-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。在2008年北京奥运会上曾将它用于检测运动员的蹬地力、蹬地时间、足底接触形状、运动速度、离心力等信息，以便指导运动员取得更好的成绩。这种传感器价格昂贵，设计难度较大，不适合本设计。机械设振动传感器应用于早期的计步器，测量精度低，误判、漏判严重，不符合本课题高精度的设计原则。随着加速度传感器的工艺逐渐成熟，测量精度也逐渐提高，功耗已达到微安级别，随着市场的大量使用，价格也降了下来，非常符合本课题的设计理念。表2.4列出了不同型号的三轴加速度传感器的特性。表2.4 加速度传感器特性对比表加
16、速度计代表型号LSM303DLHMPU-6050MMA8451QADXL345BCCZ工作电流0.83mA500A50A150A精度0.0003g0.0003g0.002g0.008g价格(元)40.0元50.0元5.0元3.0元结合价格、功耗和精度等多方面考虑，本课题选择飞思卡尔公司的三轴加速度传感器MMA8451Q作为计步传感器。2.4.2 温湿度传感器的选择在本课题中，采集环境的温湿度变化为扩展要求，故对温湿度传感器的要求并不高。同时，为简化硬件电路和软件设计，应选择数字式的温湿度传感器模块。最终本课题选择目前市面上常用的温湿度传感器模块DHT11，它采用的是单总线协议。2.5 显示器的
17、选择一共有两种方案，第一种是选择数码管，第二种是选择LCD（如笔段式、TFTLCD等）。方案对比如表2.5所示。表2.5 显示屏对比表类型LED（如数码管）LCD正常工作电流mA级别A级别，400A左右(LCD5110)接口电路若需要多个数码管时，电路较复杂，显示信息少支持多种协议，与MCU的通讯接口简单体积大小价格(元)数码管0.3(元)/段可低至10元通过对比可以看出，数码管的体积大，当使用多个数码管静态显示时，需增加锁存电路，不适合作为小型携带设备的显示部分；同时数码管每段所需要的电流也比较大，不适合作为低功耗产品的设计。液晶屏机身薄，节省空间，省电，发热量小，画面柔和不伤眼，满足本项目
18、设计的性能需求和低功耗的设计理念。TFT液晶屏的显示效果很好，但是功耗稍高。最后折中选择了一款功耗较低的液晶屏，具体型号为诺基亚LCD5110（单色，分辨率为8448）。2.6 输入设备的选择2.6.1 方案一，机械式按键机械式按键使用最为普遍，型号繁多，价格低廉。缺点是有一定的使用寿命，易损坏，手感较差。2.6.2 方案二：电容触摸按键根据采用触摸传感器类型的不同，触摸输入方式可以分为电阻式、电波式、光学式、电感式、电容式和电磁式等几种类型。电容式触摸输入方式凭借其工艺成本低、触摸检测方便、硬件免维护、按键精度高、灵敏度可调、外观时尚等特点，成为触摸输入方式的主要选择。TSI模块（Touch
19、 Sensing Interface）是飞思卡尔公司为简化硬件设计人员开发过程而嵌入到Kinetis架构的电容触控驱动模块，结构简单，使用简单的驱动接口连接到一定面积的覆铜区即可。（TSI）模块具有高灵敏度和强鲁棒性的特点，提供了较强的触摸检测的能力，它最高支持和带有16个电容性触摸输入引脚，TSI模块拥有可编程模块和相应的结果寄存器。2.6.3 方案对比方案对比如表2.6所示。表2.6 按键对比表按键类型机械式按键电容触摸式按键工作电流1mA10A价格(元)0.010（仅需引出一块覆铜即可）与触摸键盘相比，机械按键易老化，寿命短，而且工作电流比触摸按键的高很多，在成本上，他们相差不大，但是从
20、整体性能上考虑，触摸式按键更加符合本项目的性能设计需求。综上所述，本课题选择电容触摸式按键作为本项目的输入输入设备。2.6.4 TSI触摸感应原理根据电子学知识可知，未接地的电极与地之间存在电容。而人体可以当做一个接地面（虚地），当手指接近电极板时，等效的增大了电极与地之间的有效面积，使电极板电容增大（如图2.2）。TSI模块的内部机制能实现对电极电容值的检测，并且可以设定触发事件的阈值。当检测到电容值大于设定阈值时，TSI触发标志位将被置位，并可激活发出中断请求，从而实现对触摸感应事件的响应。图2.2 电容检测电路TSI模块测量电容的简易电路图如图2.2所示。可以看出，两个电流源对外接电极进
21、行充放电，在电极板上产生三角波信号，此电压的峰峰值可以通过配置TSI模块中的寄存器来配置，电极上的三角波信号的频率随电极电容的变化而变化，当电极电容增大时，三角波信号的频率减小，周期变大。TSI模块以一个内部振荡器产生的时钟信号为信号参考节拍，对电极的周期进行计数，当三角波周期增大时，则对应的计数值也会增大，如图2.3所示，红色为扫描结果存放在TSI的数值寄存器中，可通过程序访问。TSI模块将每次取得的计数值与存放在阈值寄存器中的预设阈值进行比较，若超出设定阈值范围，则会导致TSI扫描计数器超出标志位，此时，若使能TSI溢出中断，则进入TSI中断服务程序响应事件。图2.3 参考时钟对信号频率进
22、行计数2.7 存储器的选择一共有两种方案。方案一、选用外扩SPI-Flash；方案二、选用内部Flash。对比如表2.7所示。表2.7 存储器对比表类型外部Flash内部Flash功耗2mA不增加功耗读写速度(根据主控主频)12M24M本课题的主控芯片拥有128KB的Flash，对于本项目的软件设计来说是有剩余的，所以可以从128KB存储空间中分配4KB空间作为系统的存储器，这样不但降低了系统的功耗，而且还节约了成本，在读写速度上也比外扩的存储器要快。综上所述，本设计不再外扩Flash存储器空间，将运动数据直接存储在微控制器内部Flash中。2.8 电源的选择一共有三种方案，第一种是选择干电池
23、，第二种是选择纽扣电池，第三种是选择聚合物锂电池。如表2.8所示。表2.8 电池对比表类型型号容量电压体积价格(元)干电池555电池1000mAH1.5V大0.4纽扣电池CR2032210mAH3.0V小1.2聚合物锂电池072030450mAH3.7V4.2V中8计步器本来就是小型便携型的设备，电池太大会影响到整体的美观。为减小计步器尺寸，电池体积越小越好，不再考虑普通的干电池。为增加计步器的续航能力，应采用大容量的可充电电池。通过对比，最终选择聚合物锂电池作为本设计的电源。为此在设计硬件电路时须增加充电电路。2.9 关键指标 精准记录行走步数，实现灵敏度可调； 降低计步器的功耗，要求整机电
24、流在1-2mA范围内； 完成电容触摸按键的设计，通过点触、滑动等操作，有效控制显示界面； 记录用户特征、运动步数等信息，保证掉电不丢失； 通过USB与上位机通信，将用户的运动参数上传至上位机显示。2.10 可行性分析2.10.1 低功耗的可行性分析本设计采用基于Cortex-M0+内核的微控制器KL25Z128VLK4。另外，本设计采用LCD显示屏，功耗低，正常工作电流在A级别，符合我们设计的要求。采用的三轴数字加速度传感器的正常工作电流也在30A左右。电容触摸按键灵敏度高，且正常工作电流在10A左右。各模块具体电流如表2.9。表2.9 模块电流功能模块Cortex-M0+控制器LCD显示屏三
25、轴加速度传感器TSI触摸按键电流9A/MHZ200-300A30A10A综上，本设计可以实现整机电流在1-2mA的低功耗计步器。2.10.2 TSI触摸按键的可行性分析图2.4为TSI模块示意图，该图反映了模块各部分的连接关系。TSI模块拥有从低功耗中唤醒CPU的能力。具有可配置的TSI中断，当结尾扫描、TSI计数寄存器超过阈值寄存器的值和VDD/VSS的短暂停留等事件发生时都会触发中断。另外，它还拥有补充温度补偿、电压变化补偿的功能，支持在低电压模式下不使用外部晶振等功能。对于高灵敏的可编程电平极性振荡器和TSI索引振荡器，具有极小的扫描时间。它为触摸键盘、旋转式机器、滑块等提供了一种稳定有
26、力的措施。该TSI模块被集成在KL25Z芯片上，写出该触摸按键的驱动即可实现用触摸感应技术实现控制，所以，使用TSI触摸按键来实现输入控制可行。图2.4 TSI模块示意图2.10.3 灵敏度可控的可行性分析飞思卡尔公司的MMA8451Q是14位/8位精度可选的智能低功耗三轴加速度传感器，工作电压为1.95V-3.6V，动态可选择满刻度为2g/4g/8g，输出数据速率(ODR)的范围为1.56Hz到800Hz，噪声为99g/Hz，利用I2C总线进行通信，在实时方向检测(如3D定位反馈)和实时行为分析上具有很大的优势。MMA8451Q提供了一系列特殊的感测功能：动态和静态感测功能可以检测有无运动的
27、发生以及在任何轴上的加速度是否超过用户设置的水平；点击感测功能可以检测单击和双击动作。这些功能都可以映射到中断信号输出的引脚上。MMA8451Q拥有一个集成的32级FIFO，可用于储存数据，利用此特性可以将主机处理负荷降至最低，从而降低系统总功耗。图2.5 不同姿态下的X、Y、Z重力输出显而易见，无论用户如何携带计步器，至少有一个轴具有相对较大的周期性加速度变化。因此只要做好峰值检测和设定好加速度阈值即可判断目标是否在跑动，图2.5是MMA8451Q在不同姿X、Y、Z重力输出。综上，可以实现灵敏度可控。2.10.4 上位机通信的可行性分析本次设计使用的飞思卡尔自由开发平台FRDM-KL25Z支
28、持USB功能，通过将微控制器的USB虚拟成串口，与上位机进行数据通信。在USB标准子类中，有一类称之为CDC类，可以实现虚拟串口通信。CDC类由两个接口子类组成，这两个接口子类称为接口通信类（Communication Interface Class）和数据接口类(Data Interface Class)。它们占有不同数量和类型的终端点，如图2.6所示。通信接口类需要一个控制终端点和一个可选的中断型终端点，数据接口子类需要一个方向为输入（IN）的周期性型终端点和一个方向为输出（OUT）的周期性型终端点。其中控制终端点主要用于USB设备的枚举和虚拟串口的波特率和数据类型（数据位数、停止位和起始
29、位）设置的通信。输出方向的非同步终端点用于主机向从设备发送数据，相当于传统物理串口中的TXD线（从微控制器的角度看），输入方向的非同步终端点用于从设备向主机发送数据，相当于传统物理串口中的RXD线。这样即可保证与上位机的正常通信。图2.6 CDC分类3 系统硬件设计3.1 硬件整体设计为尽可能的降低功耗，可只引出使用到的一些端口，未使用的资源一律不引出。对于功耗高的模块，可通过一个IO口控制P沟道MOS管的通断，从而控制对模块的供电。为方便调试程序，增加了无线模块，故需要预留SPI接口。表3.1列出了计步器最小系统所使用的硬件资源。表3.1 最小系统资源使用表功能分类引脚名引脚序号功能描述电源
30、VDD7,38,60电源VSS8,39,59地VREGIN12USB模块的参考电压（5V）复位nRST42复位引脚。拉低可使芯片复位时钟EXTAL0，XTAL040,41时钟输入输出引脚RTCRTC_CLKIN56时钟输入引脚，可实现日历，时间功能下载接口SWD_CLK26JTAG时钟SWD_IO29JTAG数据输入、输出为了实现远程监控计步器的工作状态，确保计步器正常工作，同时为了直观的快捷的观测传感器数据，本设计增加了NRF24L01模块和UART接口作为系统的调试接口。表3.2列出了系统调试工具所占用的资源。表3.2 系统调试资源使用表功能分类引脚名引脚序号功能描述串口UART0_RX,
31、TX79,80用于UART收发数据，用于调试程序无线模块接口SPI0_PCS0,SCK,MOSI,MISO61,62,63，64硬件SPIPTD376复用为外部中断功能PTC1067控制无线模块的工作模式PTD275控制对无线模块的供电表3.3列出了系统所有外设所使用的微控制器的引脚。表3.3 外设资源使用表功能分类引脚名引脚序号功能描述三轴加速度传感器I2C0_SCL,SDA24,25硬件I2CPTA2,PTA128,27复用为中断引脚唤醒LLWU_P1477复用为唤醒引脚液晶屏接口PTB1,PTB2,PTB3,PTB8,PTB9,44,45,46,47,48模拟串行总线协议PTB1049控
32、制对液晶屏的供电PTB1150控制液晶屏的背光电容触摸按键TSI0_CH0,10,11,13,1543,52,53,55,57五个触摸按键功能分别为：切换、进入、退出、温湿度传感器接口PTD578模拟单总线协议PTE01控制对温湿度传感器的供电USB通讯USB_DP,USB_DM9,10USB的差分信号线确定了所使用的微控制器的引脚资源后，我们就可以着手设计硬件电路。3.2 各模块设计与分析3.2.1 最小系统电路最小系统电路由以下几部分组成：电源电路，SW下载电路，复位电路，系统时钟电路，RTC时钟电路和滤波电路。本设计采用聚合物锂电池供电，故需要低压差稳压器件。MIC5203是一种低压差稳
33、压器（LDO），最低压差可达到0.2V，完全满足本设计要求，同时我们又设计了简易的充电电路，可通过USB方便地为锂电池充电。电路如图3.1所示。图3.1 电源电路复位引脚低电平可导致该MCU复位。电阻R4的作用是防止复位按键按下时，电容放电电流过大。电路如图3.2所示。由于飞思卡尔的这一款芯片支持SW下载方式，故预留了下载接口，电路如图3.3所示。多组VSS/VDD可保证内部信号完整性，故芯片电源引脚的滤波电容要尽量靠近其引脚，电源线中的电流应先通过滤波电容，再通过芯片引脚，如此有利于抑制高频噪音，电路如图3.4所示。图3.2 系统复位电路图3.3 下载接口电路图图3.4 芯片电源滤波电路无源
34、晶振是有两个引脚的无极性元件，需借助时钟电路（即晶振谐振器）才能产生震荡信号，自身无法振荡起来。有源晶振一般有四个引脚，它是一个完整的振荡器，其中除了石英晶体外，还有晶体管和阻容元件。本设计系统时钟电路采用无源晶振，电路如图3.5所示。RTC时钟电路采用有源晶振电路，电路如图3.6所示。图3.5 系统时钟电路图3.6 RTC时钟电路3.2.2 电容触摸按键电路电容式触摸按键的硬件电路仅将TSI引脚连接到一定面积的覆铜区即可。在PCB制作过程中，应注意以下几点：（1） 应尽量使触摸按键到MCU触摸引脚的走线尽量短和细（建议710 mil），以保证信号的稳定性。如图3.7为理想的布线方式和不理想的
35、布线方式。图3.7 TSI理想走线与不理想走线（2） 走线间的间距尽量保持两倍以上距离，最小不能小于7mil，如果空间允许尽量大。（3） 同一条线尽量不使用过孔，若要使用不要超过两个以上，避免干扰源增加。（4） 触摸按键走线尽量远离其他元件和走线，尤其是远离信号线（如IIC，SPI，高频通信线），因为信号线会产生一个变化的磁场，变化的磁场产生电流，若触摸按键走线与信号线相邻，那么就会影响触摸按键的充放电，从而影响触摸按键的性能，在没有办法避免的情况下，让两条线垂直布线，而不能走平行线。如图3.8和图3.9分别为传感线与通讯线在同层与不同层的分布示范。图3.8 传感线与通讯线在同层的分布图3.9
36、 传感线与通讯线在不同层的分布（5） 不推荐将传感器的走线放在任何电源层上。充满在传感器下面的地层或电源层会增加对地的寄生电容，并降低灵敏度。当将地层放在传感器下面时，地层必须使用十字交叉形以保证铜的覆盖率小于40%，并置于最远的一层，以降低对地的寄生电容，同时保证较好的屏蔽效果。本次设计在按键背面采用网格铺地。按键与地层之间的间隔设定，若间隔太大，触摸按键的基本电容值越小，RC震荡的频率越大，灵敏度也越高，地对电场的约束越小，干扰越大。若间隔太小，基本电容值越大，灵敏度越低，且电场对地的约束太大，一般建议在0.5mm2.0mm，若PCB允许，则建议在1mm以上的间隔。本次PCB设计中按键与地
37、层之间的距离在0.6mm左右。（6） 关于按键形状设计。任何形状的按键均可用于电容感应式触摸中，如图3.10所示。不同的形状不会影响感应的性能，仅与板子的美观程度有关。本次设计采用圆形按键和锯齿条状按键。图3.10 各种触摸按键形状按键的尺寸大小与其灵敏度息息相关，若按键太小，触摸电容较低，导致灵敏度降低。若按键太大则不会显著提高触摸电容。只有当按键面积增大至与触摸物（手指）相当时，触摸电容才能达到最大值，推荐按键大小8mm15mm。单个按键之间的距离推荐大于2.5mm，以避免相邻按键的影响。对于滑动条来说，各个按键之间的距离最好保持在0.31.0mm的范围。滑动条与周围地层的间距最好与按键相
38、同，那么两者之间的边缘电容可降至足够低，从而对感应的影响非常小。滑动条设计如所示。图3.11 滑动条根据以上分析，本项目设计了如图3.12和图3.13所示的电容触摸按键的PCB设计。本次触摸按键设计考虑到了传感线走线，避免了与通讯线相邻且平行的情况，考虑了地层与触摸按键之间的关系，使寄生电容对触摸按键的影响降到最低值，还考虑了按键形状，使人手触摸后的效果达到最大化，整个设计最终取得了灵敏度高、功耗低等效果。图3.12 TSI设计（顶层）图3.13 TSI设计（底层）3.2.3 液晶显示接口电路LCD5110是一块集成了低功耗CMOS LCD控制驱动器的液晶屏，分辨率为8448，采用串行接口与主
39、处理器进行通信，接口信号线数量大幅度减少，包括电源和地在内的信号线仅有8条。支持多种串行通信协议（如AVR 单片机的SPI、MCS51 的串口模式0等），传输速率高达4Mbps，可全速写入显示数据，无等待时间。模块的体积很小，采用3.3V低电压供电，正常显示时的工作电流在200A 以下，传输速度快，是LCD12864的40倍，是LCD的20倍。表3.4列出了LCD5110引脚的功能。表3.4 LCD5110引脚功能表引脚SDINSCLKD/CSCERES功能串行数据线串行时钟线模式选择芯片使能复位实时时钟模块本设计采用P沟道MOS管控制对液晶的供电，采用N沟道MOS管控制液晶的背光。如此可根据
40、实际需要控制液晶的工作状态，从而达到降低功耗的目的。接口电路如图3.14所示。图3.14 液晶LCD5110接口电路 3.2.4 传感器接口电路本设计舍弃了市面上广泛使用的振动传感器，优先选择功耗极低，分辨率较高的三轴加速度传感器，具体型号为MMA8451Q。传感器外围电路非常简单，如图3.15所示。其中I2C数据线需要有上拉电阻拉高，SA0引脚用来选择传感器的节点地址。图3.15 MMA8451Q电路如图3.16所示，为本系统的温湿度传感器DHT11的接口，DHT11传感器采用的是单总线的传输方式，由主机发起读信息指令，通过单总线完成信号传输，这种传感器的缺点是传输速度慢，耗时长，功耗高，所
41、以在硬件设计的时候，增加了MOS管控制温湿度传感器的工作状态，达到控制功耗的效果。图3.16 DHT11接口3.2.5 通讯接口电路为了在设计计步算法时，为获取步伐的真实数据，我们增加了无线模块作为辅助调试手段，这样可以加快调试进度。同时我们设计了用一个P沟道MOS管来控制对它的供电，以避免正常工作状态下不必要的功率消耗。如图3.17所示。图3.17 无线模块接口电路USB接口电路如图3.18，USB是差分信号传输。这种传输方式可以增强USB数据传输的抗干扰能力。为实现阻抗匹配，在数据线上各串联一个33的电阻，防止差分信号在高速传输过程中，由于阻抗不匹配，造成信号反射。图3.18 USB接口电
42、路3.3 小结硬件设计不是一蹴而就的，需要反复验证方案的可行性，同时要充分考虑到所需的硬件资源。由于传感器为QFN封装，腐蚀板达不到它的精度要求。我们的PCB是发给PCB厂商做的，一共做了两次。第一次一味追求紧凑、小巧，导致TSI触摸按键太小，干扰也很大。此外，芯片封装偏小，非常不利于手工焊接。由于对芯片资源了解的不够清晰，还有个别引脚连接错误，最后被迫跳了几根线。还有丝印层偏小、覆铜间距偏小、RTC晶振选型错误等等问题，如图3.19和图3.20所示。“吃一堑长一智”，第二个版本完美地解决了上述问题，使得我对这一款MCU的硬件资源了解地更加透彻，同时自己的PCB制作能力也得到了很大地提升。如图
43、3.21和图3.22所示。图3.19 计步器V1.00 正面图3.20 计步器V1.00 背面图3.21 计步器V2.00 正面图3.22 计步器V2.00 背面4 系统软件设计4.1 软件整体设计4.1.1 设计思路本次设计主要有6个功能，即计步算法的实现，Flash存储运动数据，USB与上位机的通信，温湿度传感器的实现，TSI电容触摸按键的实现，及人机界面的设计。首先上电之后，主界面显示当前时间和温湿度。之后设置个人参数，输入性别、步长、体重。随后切换界面，进入计步状态，加速度计正常工作，实时显示当前步数、距离和消耗的热量。计步完成后，可以将信息存储起来，下次上电之后可以调出该信息，计步器
44、可记录七天的运动信息。将计步器与上位机通过USB数据线连接后，可以通过上位机发送指令获取计步信息，使其在上位机显示出来。在没有按键按下一段时间内系统关屏以降低功耗，在加速度计不工作时且没有其他操作，系统经过一段时间自动进入低功耗模式。本项目软件部分采用模块化设计的思想，把系统分为七个模块，然后每个模块对外留出接口，方便其他模块与其通信，每个模块之间无不干扰，相对独立。4.1.2 设计流程图图4.1为主程序流程图。首先初始化系统时钟、RTC时钟，配置液晶屏的初始界面，以及加速度传感器、温湿度传感器、USB、Flash和个人信息配置等初始化工作，并取得电容触摸按键无遮挡状态下的电容值。然后进入任务
45、循环，根据当前的按键操作调用相应的功能函数，如若在主界面，则正常显示日期、时间，环境的温湿度；要开始运动，则使加速度传感器处于激活状态，并开始计步；若要存储运动信息，则调用Flash读写函数。最后若一段时间没有使用计步器，则系统进入低功耗状态，传感器暂停工作，并切断液晶屏的电源。此时，可通过滑动方式解除低功耗模式，使得计步器正常工作。图4.1 计步器主程序流程图4.2 各模块设计与分析4.2.1 采集传感器数据的程序设计4.2.2 数据缓冲区的程序设计要实现计步算法，必须将三轴加速度传感器三个轴的历史数据存储在一个数据缓冲区中。这样在当新的数据到来时，会舍掉最后面的数据。同时这个数据缓冲区始终更新当前的数据特征，如最大值，最小值，基值，上限阈值，下线阈值等。如程序清单4.1所示。程序清单4.1 计步器的数
