基于MSP430和μC/OS-Ⅱ的低功耗智能手環(huán)設(shè)計(jì)

王　磊，邵平凡（1.武漢科技大學(xué)　計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北　武漢 430065；2.智能信息處理與實(shí)時(shí)工業(yè)系統(tǒng)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北　武漢 430065）

基于MSP430和μC/OS-Ⅱ的低功耗智能手環(huán)設(shè)計(jì)

王磊1，2，邵平凡1，2
（1.武漢科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北武漢 430065；
2.智能信息處理與實(shí)時(shí)工業(yè)系統(tǒng)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430065）

智能手環(huán)作為一款穿戴式的電子產(chǎn)品，制約其發(fā)展的最大因素是待機(jī)時(shí)間和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，本文采用TI公司的MSP430F5529 16位超低功耗單片機(jī)為主控制器，在其上移植μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)后改進(jìn)了計(jì)步算法。實(shí)驗(yàn)測(cè)試了手環(huán)的待機(jī)功耗和手環(huán)計(jì)步的精確度，通過(guò)與目前市場(chǎng)上其他主流產(chǎn)品對(duì)比，本文設(shè)計(jì)的智能手環(huán)在計(jì)步的準(zhǔn)確度與低功耗方面都有顯著提升，有進(jìn)一步研究和推廣的價(jià)值。

MSP430F5529；智能手環(huán)；超低功耗；μC/OS-Ⅱ

0　引言

智能手環(huán)是一種穿戴式智能設(shè)備，其最基本的功能是計(jì)步和睡眠質(zhì)量追蹤，而這兩個(gè)最基本的數(shù)據(jù)都是依靠手環(huán)中的加速度傳感器來(lái)測(cè)量的。加入用戶(hù)身高、體重、年齡等數(shù)值后通過(guò)軟件計(jì)算可得出消耗熱量［1-3］、行走距離、睡眠質(zhì)量［4］等其他數(shù)據(jù)。目前其困境主要來(lái)源兩個(gè)方面，一方面是數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，計(jì)步的原理是根據(jù)人行走時(shí)擺臂產(chǎn)生的加速度數(shù)據(jù)來(lái)統(tǒng)計(jì)步數(shù)，如何屏蔽非行走時(shí)擺臂產(chǎn)生的干擾是計(jì)步算法的一大難點(diǎn)，而僅依靠睡眠時(shí)手臂產(chǎn)生的加速度數(shù)據(jù)，以多導(dǎo)睡眠圖（包含腦電圖、心電圖、肌電圖等10多種生理信號(hào)）的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量睡眠質(zhì)量不夠科學(xué)和嚴(yán)謹(jǐn)，只能作為一種參考；另一方面智能手環(huán)的待機(jī)時(shí)間也是制約其發(fā)展的一大因素，在供電電池電量受體積所限的情況下必須降低系統(tǒng)功耗達(dá)到延長(zhǎng)待機(jī)的目的。本文設(shè)計(jì)的智能手環(huán)特點(diǎn)在于采用了TI公司的MSP430超低功耗單片機(jī)為主控制器，在其上移植了 μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)，完成了整個(gè)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，并根據(jù)反復(fù)測(cè)試的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)了精確度更高的計(jì)步算法。

1　硬件設(shè)計(jì)

本文將系統(tǒng)硬件部分劃分為三個(gè)模塊：系統(tǒng)主模塊、顯示模塊和數(shù)據(jù)通信模塊，系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。顯示模塊選用ST公司的STM8L101K3經(jīng)濟(jì)型單片機(jī)驅(qū)動(dòng)的19×5字母LED點(diǎn)陣顯示數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通信模塊選用 CC2541的低功耗藍(lán)牙芯片，完成與 IOS或ANDROID設(shè)備通信。系統(tǒng)主模塊主要由 LIS3DH傳感器、BQ2423電源管理模塊和MSP430F5529單片機(jī)組成。

圖1　智能手環(huán)硬件結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)選擇MSP430F5529單片機(jī)為主控制器，其主要優(yōu)勢(shì)如下：

（1）低功耗。MSP430F5529主要用到2種功耗模式，一是激活模式 （AM），其功耗為 270 μA/MHz（8 MHz，3.0 V）；二是待機(jī)模式（LPM3），功耗為2.1 μA（3.0 V）。

（2）高性?xún)r(jià)比。MSP430F5529片內(nèi)有4個(gè)通用串行通信接口，128 KB的閃存，8 KB的 SRAM，支持 SPI、I2C、UART，在滿(mǎn)足本系統(tǒng)應(yīng)用的情況下 MSP430F5529擁有最低的價(jià)格。

2　LIS3DH傳感器

LIS3DH是ST公司出品的一款低功耗三軸加速度芯片，其有自動(dòng)休眠的功能，本系統(tǒng)中如果 20 s內(nèi)傳感器沒(méi)有檢測(cè)到任何加速度的變化則自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，當(dāng)加速度變化時(shí)LIS3DH會(huì)被喚醒。內(nèi)置有96級(jí)的FIFO可以作為數(shù)據(jù)緩存存儲(chǔ)32組XYZ軸的加速度數(shù)據(jù)，當(dāng)FIFO溢出時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷輸出，將中斷輸出映射到MSP430F5529單片機(jī)的外部中斷源上能將430單片機(jī)從待機(jī)模式喚醒讀取FIFO中的數(shù)據(jù)，緩存的存在能使430單片機(jī)一次連續(xù)讀取32組的數(shù)據(jù)，相比一次讀取一組數(shù)據(jù)的方式能讓430單片機(jī)更多時(shí)間處于待機(jī)模式。LIS3DH芯片本身支持 SPI或者I2C兩種接口，本系統(tǒng)選擇SPI，其具體外圍電路如圖2所示。數(shù)字IO的供電雖然與芯片加速度部分的供電電壓相等，但必需保證IO部分先于加速度部分工作，否則芯片的初始化會(huì)有問(wèn)題，因此加速度部分供電引腳VDD相比數(shù)字IO供電引腳VDD_IO另外并聯(lián)了一個(gè)大電容以保證VDD_IO足夠的上電時(shí)間。

圖2　LIS3 DH模塊電路圖

3　系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

3.1移植μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)

μC/OS-Ⅱ是一種采用優(yōu)先級(jí)搶占式調(diào)度方案的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)多年研究已經(jīng)成功移植到多種MSP430系列的單片機(jī)中。本系統(tǒng)在 MSP430F5529上成功移植了μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)，移植的關(guān)鍵部分是根據(jù)MSP430F5529處理器內(nèi)核修改 OS_CPU.H，OS_CPU_A.ASM，OS_CPU_C.C三個(gè)文件中的代碼。

（1）OS_CPU.H文件編寫(xiě)

根據(jù)MSP430F5529的內(nèi)核重新定義數(shù)據(jù)類(lèi)型，不同內(nèi)核的控制器字長(zhǎng)不同，μC/OS-Ⅱ移植包括各種數(shù)據(jù)類(lèi)型、開(kāi)關(guān)中斷和任務(wù)切換的宏定義，以及堆棧增長(zhǎng)方向和一些常量標(biāo)識(shí)聲明。

（2）OS_CPU_A.ASM文件編寫(xiě)

在OS_CPU_A.ASM文件中需要用匯編語(yǔ)言修改 4個(gè)函數(shù)：OSStartHighRdy（），由 OSStart（）函數(shù)調(diào)用，功能是運(yùn)行優(yōu)先級(jí)最高的就緒任務(wù)；OSCtxSw（），是一個(gè)任務(wù)級(jí)的任務(wù)切換函數(shù)，調(diào)用該函數(shù)可能造成系統(tǒng)任務(wù)重新調(diào)度；OSIntCtxSw（），中斷級(jí)的任務(wù)切換函數(shù)；OSTickISR（），提供一個(gè)定時(shí)Tick。

（3）OS_CPU_C.C文件編寫(xiě)

在OS_CPU_C.C文件中需要改寫(xiě)6個(gè)函數(shù)，實(shí)際需要修改的只有 OSTaskStkInit（）函數(shù)，其余 5個(gè)函數(shù)只需聲明。OSTaskStkInit（）函數(shù)由 OSTaskCreate（）函數(shù)和OSTaskCreateExt（）函數(shù)調(diào)用，用來(lái)初始化任務(wù)的堆棧。其代碼編寫(xiě)如下：

3.2任務(wù)設(shè)計(jì)

智能手環(huán)的應(yīng)用非常強(qiáng)調(diào)低功耗特性。MSP430系列［4］的特點(diǎn)也在于此。如果由于運(yùn)行μC/OS-Ⅱ而破壞了單片機(jī)的低功耗特性是得不償失的。在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)一個(gè)最低優(yōu)先級(jí)的任務(wù) Task_EnterLPM3（），其作用就是使系統(tǒng)進(jìn)入LPM3的待機(jī)模式。這樣，在其他高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)都運(yùn)行完畢后，系統(tǒng)會(huì)調(diào)用這個(gè)任務(wù)使整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入低功耗工作模式，當(dāng)其他任務(wù)又恢復(fù)運(yùn)行時(shí)，會(huì)自動(dòng)進(jìn)入其特定的工作狀態(tài)，以達(dá)到降低功耗的目的。

當(dāng) MSP430F5529在完成對(duì)各模塊的初始化和任務(wù)的創(chuàng)建后就調(diào)用 OSStart（）函數(shù)，此時(shí)系統(tǒng)任務(wù)由 μC/ OS-Ⅱ進(jìn)行調(diào)度，開(kāi)始 Task_EnterLPM3（）任務(wù)處于就緒態(tài)，其余所有任務(wù)都掛起，MCU進(jìn)入LPM3的待機(jī)模式，通過(guò)系統(tǒng)中斷，在中斷服務(wù)程序中將對(duì)應(yīng)任務(wù)喚醒成就緒態(tài)，其他任務(wù)按優(yōu)先級(jí)的高低搶占CPU運(yùn)行，運(yùn)行完后再次掛起［5］。

本系統(tǒng)中斷和任務(wù)主要設(shè)計(jì)了以下幾種：

（1）MCU內(nèi)部RTC的定時(shí)中斷（alarm interrupt），當(dāng)RTC時(shí)鐘走到定時(shí)時(shí)間觸發(fā)中斷，在中斷服務(wù)程序中喚醒定時(shí)任務(wù)，任務(wù)函數(shù)震動(dòng)馬達(dá)，達(dá)到無(wú)聲喚醒的鬧鐘功能。

（2）MCU內(nèi)部的 RTC的時(shí)鐘時(shí)間事件中斷（clock time event interrupt），當(dāng)RTC時(shí)鐘走到第二天0時(shí)觸發(fā)時(shí)鐘時(shí)間事件中斷，同上，當(dāng)任務(wù)函數(shù)獲取CPU后將當(dāng)天測(cè)得的步數(shù)、卡路里消耗、睡眠質(zhì)量等數(shù)據(jù)自動(dòng)存入MCU片內(nèi)SRAM中。

（3）LIS3DH內(nèi)部 FIFO溢出中斷，任務(wù)函數(shù)喚醒MCU處理FIFO中的加速度數(shù)據(jù)。

（4）CC2541藍(lán)牙模塊接收到手機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，觸發(fā)UARTRX中斷，任務(wù)函數(shù)根據(jù)不同的發(fā)送數(shù)據(jù)完成不同的操作，如進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，或修改內(nèi)部的參數(shù)（身高、體重、步長(zhǎng)、時(shí)間、鬧鐘等）。

（5）按鍵中斷，任務(wù)函數(shù)根據(jù)按鍵的時(shí)間、次數(shù)進(jìn)行復(fù)位，在LED點(diǎn)陣上顯示數(shù)據(jù)，開(kāi)關(guān)藍(lán)牙等操作。

本系統(tǒng)程序在 μC/OS-Ⅱ調(diào)度下的流程圖如下圖 3所示。

圖3　系統(tǒng)程序流程圖

4　計(jì)步算法

智能手環(huán)的一大重要功能就是計(jì)步，而計(jì)步的準(zhǔn)確性除依賴(lài)高精度的傳感器外，還需要復(fù)雜的軟件算法來(lái)實(shí)現(xiàn)，本文參考多次測(cè)試的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行算法的分析設(shè)計(jì)。

行走時(shí)產(chǎn)生的加速度數(shù)據(jù)波形是周期性的類(lèi)正弦波［6］，具有周期性且運(yùn)動(dòng)步數(shù)與正弦波數(shù)一致，在經(jīng)濾波［7］處理后的加速度數(shù)據(jù)中尋找波峰，當(dāng)出現(xiàn)一對(duì)波峰時(shí)，判斷是否滿(mǎn)足三個(gè)條件：一是兩個(gè)波峰的時(shí)間間隔是否在時(shí)間窗口內(nèi)；二是局部最值之差是否滿(mǎn)足軟件設(shè)置的閾值；三是系統(tǒng)是否處于計(jì)步確認(rèn)模式。如上述條件都滿(mǎn)足則步數(shù)加一，流程圖如圖4所示。

圖4　計(jì)步算法流程圖

每秒行走的步數(shù)在［2，5］區(qū)間內(nèi)，第一個(gè)條件的時(shí)間窗口定義了人行走一步所需的最短和最長(zhǎng)時(shí)間，不滿(mǎn)足就不計(jì)步。不同的運(yùn)動(dòng)形式（如打字時(shí)手臂的微小晃動(dòng)與步行時(shí)手臂的擺動(dòng)）產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)沖擊力不同，從而導(dǎo)致加速度幅度變化不同，第二個(gè)條件中加速度的局部最大最小值之差［8］可以反映正弦波形的幅度大小，通過(guò)其與閾值進(jìn)行比較可以判斷人是否處于行走狀態(tài)。為判斷LIS3DH傳感器檢測(cè)到的加速度是真正的步行還是偶爾的擾動(dòng)所致，第三個(gè)條件中設(shè)計(jì)兩個(gè)工作狀態(tài)：搜索模式和確認(rèn)模式［8-9］，系統(tǒng)最初處于搜索模式，此時(shí)檢測(cè)到的步數(shù)計(jì)入緩存，若計(jì)入緩存的步數(shù)大于兩步則進(jìn)入確認(rèn)模式，開(kāi)始正常計(jì)步并將之前緩存中的步數(shù)加上；系統(tǒng)處于確認(rèn)模式時(shí)，若出現(xiàn)不滿(mǎn)足條件的情形，如數(shù)據(jù)波峰間隔不在時(shí)間窗口內(nèi)則退出計(jì)步，進(jìn)入搜索模式重新搜索。

5　測(cè)試

按照前面智能手環(huán)的軟硬件設(shè)計(jì)完成實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷拇罱?，選用TI公司的MSP-EXP430F5529LP評(píng)估板外接上傳感器模塊、藍(lán)牙模塊和顯示模塊，用 3.7 V的鋰電池為系統(tǒng)供電，使用藍(lán)牙助手APK驗(yàn)證藍(lán)牙模塊與手機(jī)通信的連通性，實(shí)際模型如圖5所示。

圖5　實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦\(yùn)行情況

為檢測(cè)手環(huán)測(cè)量數(shù)據(jù)的精確性與系統(tǒng)的低功耗是否達(dá)到預(yù)期的效果，分別對(duì)系統(tǒng)計(jì)步的精確度與待機(jī)功耗做了合理的測(cè)試。表1是A、B、C、D四名被測(cè)試者將實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒壴谑滞笊系挠?jì)步測(cè)試結(jié)果，檢測(cè)步數(shù)是模型的顯示結(jié)果，實(shí)際步數(shù)是兩名旁觀者口頭計(jì)數(shù)的平均值。

表1　計(jì)步測(cè)試精確度

因?yàn)橹悄苁汁h(huán)在實(shí)際使用中藍(lán)牙和顯示模塊不需要經(jīng)常開(kāi)啟，測(cè)量實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷拇龣C(jī)（關(guān)閉藍(lán)牙和顯示模塊）功耗能反應(yīng)系統(tǒng)在電池供電下實(shí)際運(yùn)行時(shí)間。如下表2是兩名被測(cè)試者（A和B）在一星期內(nèi)使用手環(huán)（關(guān)閉藍(lán)牙和顯示模塊）電池電量的消耗情況，電池電量為90 mAh。

6　總結(jié)

本次試驗(yàn)在構(gòu)建智能手環(huán)軟硬件系統(tǒng)方面探討了如何降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗，并最終選擇了以MSP430F5529為主控制器移植 μC/OS-Ⅱ的設(shè)計(jì)方案，16位的MSP430單片機(jī)兼顧了性能與低功耗的特點(diǎn)，相比目前電池容量40 mAh、普遍待機(jī)7～10天的智能手環(huán)產(chǎn)品，本系統(tǒng)在同等電池容量40 mAh下能將待機(jī)時(shí)間延長(zhǎng)至 15～20天，且在計(jì)步方面有更高的精確度，有進(jìn)一步研究的意義與價(jià)值。

表2　待機(jī)功耗測(cè)試表

［1］向劍鋒，李之俊.應(yīng)用步頻建立步行能耗預(yù)測(cè)公式的研究［J］.中國(guó)運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)雜志，2013，31（3）：198-201.

［2］江崇民，邱淑敏，王歡，等.平板運(yùn)動(dòng)跑臺(tái)和場(chǎng)地環(huán)境測(cè)試走、跑運(yùn)動(dòng)能量消耗的比較研究［J］.體育科學(xué)，2011，30（7）：30-36.

［3］王步標(biāo)，華明.運(yùn)動(dòng)生理學(xué)［M］.北京：高等教育出版杜，2011.

［4］范志祥.基于腕動(dòng)信息的睡眠監(jiān)測(cè)儀研究［D］.重慶：重慶大學(xué)，2008.

［5］沈建華，楊艷琴.MSP430系列 16位超低功耗單片機(jī)原理與實(shí)踐［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

［6］韓文正，馮迪，李鵬，等.基于加速度傳感器 LIS3DH的計(jì)步器設(shè)計(jì)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2012，31（11）：97-99.

［7］武曉春.數(shù)字信號(hào)處理原理與實(shí)現(xiàn)［M］.蘭州：蘭州大學(xué)出版社，2007.

［8］宋浩然，廖文帥，趙一鳴.基于加速度傳感器 ADXL330的高精度計(jì)步器［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2006，19（4）：1005-1008.

［9］謝如花.步數(shù)檢測(cè)方法及在手腕式計(jì)步器中的應(yīng)用研究［D］.蘭州：蘭州交通大學(xué)，2013.

Low-power smart bracelet based on MSP430 MCU and μC/OS-Ⅱ

Wang Lei1，2，Shao Pingfan1，2
（1.College of Computer Science and Technology，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430065，China；
2.Hubei Province Key Laboratory of Intelligent Information Processing and Real-time Industrial System，Wuhan 430065，China）

Smart bracelet as a wearable electronic products，the biggest factor restricting its development is standby time and the accuracy of data.This paper uses TI′s MSP430F5529 16-bit ultra-power microcontroller as the based controller，transplants μC/ OS-Ⅱ system on it and improves the pedometer algorithm.By experimental testing the pedometer accuracy and the standby power consumption.Contrasting to the other mainstream products currently on the market，the smart bracelet of this paper proposed hassignificantlyim proved in terms of pedometer accuracy and low power consumption，and it is worthy of further research and extension.

MSP430F5529；smart bracelet；ultra low power；μC/OS-Ⅱ

TP368

A

1674-7720（2015）15-0095-04

王磊，邵平凡.基于MSP430和μC/OS-Ⅱ的低功耗智能手環(huán)設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2015，34（15）：95-98.

2015-03-05）

王磊（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向：嵌入式。

邵平凡（1956-），男，碩士研究生導(dǎo)師，教授，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)。