本帖最后由 nemo1991 于 2014-12-30 18:52 编辑
1. 系统总体说明
随着生活水平的提高，人们对运动健身的需求也日益提高。本次设计中采用MSP430FR5969 Launchpad完成了一款具有较高测量精度的计步器。
该计步器可以供给所有人群使用，可以方便计数步数和运动状态，此外，如果检测到诸如跌倒等剧烈感应变化情况，可以通过BLE提示报警信息。BLE可以为智能手机、平板等提供接口，借助上位机实现更多功能。
该计步器的主要功能如下：
1. 可鉴别人体运动状态，如静止、走路和跑步，可将运动状态实时显示在OLED上；
2. 当人体处于运动状态时，可以实时记录并显示运动步数；
3. 当人体受到撞击或跌倒时，可以通过OLED和BLE发送报警信息；
4. 通过基于文件系统的SD卡存储器，可以一键存储运动状态和运动步数；
5. 可以通过BLE(低功耗蓝牙)实时发送运动状态和运动步数。
计步器最终如图1-1所示。
2. 系统硬件电路设计系统主要硬件模块如下所述：
1. 主控制器：德州仪器MSP430FR5969。最新一代基于FRAM超低功耗MCU，是目前世界上最低功耗的控制器。具有多种超低功耗模式，灵活而丰富的系统外设。
2. 运动传感器：MPU6050。MPU6050是InvenSense公司生产的6轴传感器。本次设计中，使用了该传感器的三轴陀螺仪和三轴加速度计，用以检测运动状态。该传感器为数字传感器，通过IIC与MCU通讯；
3. SDHC卡：采用金士顿公司的class10高速卡。通过基于文件系统的方式，MCU可以创建文本文件并写入数据。文本文件可以通过PC读取，方便Matlab等上位机进行分析。SDHC卡通过SPI与MCU通讯；
4. BLE模块：采用德州仪器CC2541蓝牙模块，可以以较小功耗发送信息。蓝牙模块通过SCI与MCU通讯；
5. 显示器：采用串行128*64 OLED显示器，通过自己构建字库和图标等，可以完成较为丰富的显示功能，同时整体功耗也比较低。
本次设计中传感器等主要使用了模块，使用模块可以最快地建立系统，但也会造成布局等一些不方便的地方。本次设计中，由于全部电路使用手工焊接，MPU6050等VQFN封装元件焊接难度较大，故采用了购买模块的方式。
设计中做了一个Launchpad和各个模块的接口电路。原理图如图2-1所示。
图2-1
完成的PCB 3D效果图如图2-2所示。
图2-2
3. 系统硬件驱动1. MSP430FR5969的使用。MSP430系列单片机是TI的核心产品之一，早在比赛之前就有接触过430的使用。同样的，借助MSP430WARE的帮助，在设计过程中很快地掌握了430的基本使用方式，例如时钟、GPIO、定时器、SCI等外设的使用也并没有遇到太大的难度。
2. MPU6050的驱动。通过学习官方的参考设计，可以很快上手使用该6轴传感器。不得不说这是一款非常出色的产品，从尺寸到功能都非常让人满意。之前参加智能车竞赛使用过模拟的加速度计和陀螺仪，后来学习使用MPU6050后爱不释手，其价格也是非常亲民的。MPU6050使用IIC与MCU通讯，除加速度计和陀螺仪功能外，还有一个温度传感器，所以本次设计中也读取了其温度。
3. SD卡。本次设计的文件系统基于znFAT，测试下来感觉很满意，性能也很稳定。使用SD卡目前也是个人的一种设计习惯，在系统调试阶段可以记录大量参数进行分析，同时断电之后可以直接在PC上读取。这对调试等有非常大的帮助。同时，结合上位机设计，可以非常便捷地对文本文件进行分析，例如对计步器而言，可以分析使用者的使用记录，便于对运动情况的长期掌握。
4. BLE模块。BLE即低功耗蓝牙，在低功耗设计中很有用。显示器等通常都是能量消耗的大户，所以通过蓝牙发送到上位机是实现低功耗的一个技术手段。本次设计中，可以使用BLE将运动数据实时显示到PC端。
5. OLED显示模块。购买的时候店主提供了一些底层代码，但是处于个人习惯和代码执行效率考虑，已经重写了大部分底层文件。同时自己制作了一些图标，这在显示界面可以看到。
4. 系统软件设计
本次设计中，系统软件设计分为三部分，即初始化流程、系统主循环功能和中断功能。
系统初始化流程包括第3章中说明的各种硬件驱动，以及初始界面的显示。
系统中断函数负责MPU6050数据的采集和测算，一直到最终的步数计算和运动状态检测。
系统主循环负责OLED显示器的刷新和蓝牙信息的发送。
在系统中断函数中，采集MPU6050原始数据以后，通过进行简单的数字滤波，可以认为得到一个较为稳定的数据。在经过一定的数字信号处理，也就是计步器的核心算法，可以得到使用者的运动状态，进而可以得到运动步数。比赛阶段暂时不公开，之后利用寒假进一步完善后可以和大家分享。事实上，借助MPU6050可以实现更多种运动状态的检测，包括上楼下楼、起立做下等。
系统主循环中，如果检测到显示信息需要刷新，则刷新显示信息，同时经过蓝牙向PC发送信息。
5. MSP430FR5969特性使用和低功耗设计
MSP430FR5969总体来讲是一款相对简单的MCU，管脚并不是特别丰富。在本次设计中，使用了4个GPIO控制OLED显示器，SCI接口控制蓝牙，SPI接口控制SD卡，IIC接口控制MPU6050。一定程度上来讲，比较全面使用了MCU的资源。
MSP430FR5969是目前为止世界上最低功耗的单片机，本次设计中也是用了其低功耗特性。
由于系统硬件采用了较多模块设计，从硬件上比较难修改。在软件设计方面，系统尽可能运行在低功耗模式下，具体说明如下。
当系统启动后，首先通过__bis_SR_register(LPM3_bits| GIE);语句进入低功耗模式3并使能中断。此时系统将运行于低功耗模式3，main函数是不会运行的。但是定时器中断（中断时间为10ms），即负责MPU6050采样测算的部分可以工作，可以完成正常的采样测算。
这里做的处理是，如果中断函数检测到运动状态或步数改变，则暂时退出低功耗模式3，使用语句__bic_SR_register_on_exit(LPM3_bits);，同时，将一个undate标志位置为1。
当退出低功耗模式后，main主循环可以执行，在完成刷新显示和蓝牙数据发送之后，将update标志位置为0，同时再次使用__bis_SR_register(LPM3_bits | GIE);语句进入低功耗模式3。
由此可以判定，MCU绝大部分时间均处于低功耗模式3运行。中断函数10ms执行一次，系统主循环仅仅在需要刷新显示情况下进行一次执行。这样，已经比较好地利用了其低功耗特性。
当上电调试以后，我非常吃惊地发现EnergyTrace中显示功耗高达100mJ/s！在3.3V电压下，相当于系统有30mA电流！我将拓展板拔掉重新测试后，功耗显示为10mJ/s（这里需要说明的是，如果系统初始化MPU6050失败，则会不断重复，因此是MCU全速运行下的功耗。所以说，如果能够载有拓展板并初始化成功，MCU的功耗应远低于此。）。这里可知，拓展板消耗的电流基本为30mA。
这稍稍超出我的预想，我决定找到原因。
首先，我拔下SD卡重新初始化，显示功耗98mJ/s，说明SD卡并不是耗电大户。OLED显示器在前测试过，屏幕全亮下约20mA电流，本次设计中只显示了一些字符，且刷新频率很低，所以功耗应该不到20mA。那么，说明MPU6050或者蓝牙模块消耗电能也比较多。
本次设计中使用了TI的BLE，同样保持了很低的工作时间，按照模块的手册中说明，其电流不超过5mA。然后再看MPU6050模块。
打开MPU6050店主给我的原理图重新查看一下，找到了一些问题。电路图如图5-1所示，这里图上标注的是9150，这里不必在意，9150和6050接口电路完全一致。
图 5-1
由原理图可以观察到，IIC的上拉电阻取值为2.2k，所以这里的消耗的功率是比较高的。考虑IIC管脚输出低电平时，2.2k电阻在3.3v电压下有1.5mA。同时led灯D1也消耗了一定的电流。
总体来看，如果想实现真正的低功耗设计，可以进行的修改是：1.使用无背光的液晶显示器。液晶显示器功耗极低。但本次设计时间比较仓促，实验室能找到的液晶屏都比较大，所以还是使用了功耗较高的OLED显示器。2.电路设计中，去除不必要的指示灯，将上拉电阻等尽可能取得大一些。例如，IIC上拉电阻取到20k应该是没有问题的。
最后放上视频链接：
提升卡
变色卡
千斤顶
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