摘  要： 設(shè)計了一種人員腳步聲采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)以STM32微控制器為核心，采用三分量加速度傳感器MMA7260采集人員的腳步聲信號。在與上位機的通信過程中，STM32采用無線發(fā)射模塊或者串口向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)，上位機在接收到數(shù)據(jù)后將上傳的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬波形。大量實驗數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地采集到人員的腳步聲信號，為后續(xù)的人員腳步聲的特征提取及多人腳步聲信號分離提供了準(zhǔn)確的原始數(shù)據(jù)。
關(guān)鍵詞： 加速度傳感器；人員腳步信號；MMA7260；STM32；信號采集

　在人獨特的生理特征和行為特征中，人員的腳步聲作為一種新興的生物識別技術(shù)正受到越來越多的研究者的關(guān)注。較之人臉、指紋、虹膜等其他的生物特征[1]，人員的腳步聲具有在非接觸或者隱蔽的狀態(tài)下進行人身份鑒別等優(yōu)點。由于人的生理特征比較穩(wěn)定，不易被竊取，因此在生物識別中具有更大的優(yōu)勢及準(zhǔn)確性?，F(xiàn)今生物識別技術(shù)已經(jīng)逐漸成為一種公認的應(yīng)用較為廣泛的身份認證技術(shù)[2]。
　而生物識別技術(shù)是在大量的原始數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進行的，因此本文就人員的腳步聲的采集系統(tǒng)進行了設(shè)計。設(shè)計中采用MMA7260三軸加速度傳感器采集人員的腳步聲信號，經(jīng)過STM32101C8T6微控制器（MCU）的處理將數(shù)據(jù)傳送到上位機顯示。該采集系統(tǒng)外形小巧，易于安裝，能夠準(zhǔn)確地采集到人員的腳步聲信號，為后續(xù)的腳步聲的特征提取及多人腳步聲信號分離提供大量的原始數(shù)據(jù)。
1 人員腳步聲采集系統(tǒng)方案設(shè)計
　人員腳步聲信號采集系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成。在硬件系統(tǒng)設(shè)計中，通過MMA7260三軸加速度傳感器同時采集人員腳步聲3個方向的加速度信號，將采集到的數(shù)據(jù)通過STM32的A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換、存儲。在與上位機的通信過程中，STM32將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過無線發(fā)射模塊或者串口發(fā)送到上位機上，供上位機處理。硬件系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

　在軟件系統(tǒng)設(shè)計中，由微控制器軟件系統(tǒng)和上位機軟件系統(tǒng)兩部分組成。單片機軟件系統(tǒng)包括驅(qū)動程序和應(yīng)用程序兩部分，如圖2所示。在驅(qū)動程序中，首先需要配置好信號采集過程中用到的A/D驅(qū)動、DMA驅(qū)動和存儲驅(qū)動等。在應(yīng)用程序中，主要是編寫A/D采集程序及與上位機通信程序。在上位機軟件設(shè)計中，將采集到的腳步聲信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，并將模擬信號波形顯示出來。

2 腳步聲采集系統(tǒng)硬件設(shè)計
2.1 STM32101C8T6與MMA7260
　STM32F101C8T6基于ARM 32 bit的Cortex-M3內(nèi)核，其具有豐富的外設(shè)：2個SPI接口，3個USART接口，10通道的A/D，并且具有DMA、定時器等，可以滿足本系統(tǒng)的需求。因此選取STM32F101C8T6 MCU作為主控制芯片。
　MMA7260Q[3]是一種低成本、單芯片、三軸向、高靈敏度的加速度傳感器，基于表面微機械結(jié)構(gòu)，集成信號調(diào)理電路、單極點低通濾波器和溫度補償部分，并且具有4種不同的靈敏度選擇模式。本設(shè)計采用MMA7260來測量人走路時三維的加速度信號[4]。MMA7260的功能如圖3所示[5]，X、Y、Z 3個相互垂直方向上的加速度由G-Cell傳感單元感知，經(jīng)過容壓變換器、增益放大、濾波器和溫度補償后，以電壓信號輸出。

2.2 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計
　人員腳步聲采集系統(tǒng)以STM32101C8T6 MCU為核心，STM32的工作電壓（VDD）為2.2~3.6 V，MMA7260的正常工作電壓范圍也是2.2~3.6 V，因此選擇3節(jié)1.2 V電池進行供電，能夠滿足系統(tǒng)要求。
MMA7260的3個加速度輸出管腳分別與STM32的A/D轉(zhuǎn)換器中的3個通道相連。由于MMA7260內(nèi)部使用開關(guān)電容作為濾波器，為降低時鐘帶來的噪聲，在輸出通道上采用RC濾波，在輸出通道上使用1 k?贅的電阻和0.1 μF的電容構(gòu)成RC濾波器。為了更加準(zhǔn)確地采集到人員腳步聲加速度信號，在硬件電路實現(xiàn)時，還應(yīng)保證MMA7260與STM32的物理連接距離最短，在板卡元器件布局過程中，將MMA7260放在板卡的背面，STM32放在板卡的正面，兩者正對放置，保證了硬件連線最短。這樣既減少了寄生電阻、寄生電容的產(chǎn)生，同時也防止了加速度信號的衰減和噪聲的干擾。
　為了能讓采集系統(tǒng)和上位機通信，在設(shè)計過程中利用MCU的USART外設(shè)外接MAX3232芯片進行電平轉(zhuǎn)換，引出RS-232接口通過串口線與上位機進行通信。同時，預(yù)留了SPI接口，可以外接UTC1212SE無線發(fā)射模塊，方便地與上位機進行無線數(shù)據(jù)傳輸。
　硬件電路的設(shè)計首先應(yīng)該按照硬件板卡所要實現(xiàn)的功能及總體功耗來選取適當(dāng)?shù)钠骷M行設(shè)計。為了達到硬件板卡的小型化及低功耗的目的，在選擇元器件時都選用貼片形式，而整個板卡34 mm×26 mm的尺寸也是比較小巧的，方便了硬件板卡的安裝及放置。在選擇芯片時都選用了帶有休眠功能的芯片，在沒有腳步聲信號到來時，芯片都處于低功耗狀態(tài)；腳步聲信號到來時自動喚醒芯片，進行腳步聲信號的采集，有效地降低了系統(tǒng)功耗。
3 腳步聲采集系統(tǒng)軟件設(shè)計
3.1 單片機軟件系統(tǒng)設(shè)計
　在軟件系統(tǒng)設(shè)計中，首先根據(jù)硬件電路圖配置相應(yīng)的I/O端口：配置USART引腳；設(shè)置g-Select1和g-Select2為0、1；將MMA7260的測量范圍調(diào)整到4 g，精度調(diào)整到300 mV/g；X軸、Y軸和Z軸3個方向上分別配置成與STM32101C8T6的第7個、第8個和第9個模數(shù)轉(zhuǎn)換通道等。
　當(dāng)MMA7260采集到人員腳步聲3個方向的加速度信號時，STM32101C8T6內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器開始采樣，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過DMA傳輸存儲于內(nèi)存中。
　本系統(tǒng)采用了1 000 Hz的采樣頻率。在實驗中， X軸、Y軸和Z軸3個方向上均記錄5 000個數(shù)據(jù)， 每個數(shù)據(jù)占用2 B，3個方向的數(shù)據(jù)總共需要30 KB的存儲空間。為了保證采集信號時間的準(zhǔn)確性，在軟件設(shè)計中選用了STM32101C8T6的TIMER1來產(chǎn)生定時器中斷。每1 ms產(chǎn)生一次定時器中斷，在中斷程序中開始采集腳步聲信號，并將其存儲到存儲區(qū)。其流程圖如圖4所示。

3.2 上位機軟件設(shè)計
　在上位機軟件設(shè)計中，當(dāng)上位機接收到數(shù)據(jù)以后，首先判斷協(xié)議頭數(shù)據(jù)是否正確，若正確，則連續(xù)接收后面的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)全部接收完成以后，將3個方向的加速度數(shù)字信號分別轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬信號。轉(zhuǎn)換完成后分別將3個方向上的模擬量繪圖顯示出來，整個程序流程圖如圖5所示。

4 實驗結(jié)果與分析
　為了采集到準(zhǔn)確的腳步聲信號，在實驗中采集了大量的原始腳步聲信號。實驗環(huán)境在噪聲比較小的封閉教室內(nèi)進行，將硬件板卡的背面（即有MMA7260那面）與地面緊密接觸。測試對象分為單人和多人幾組進行，在單人測試過程中測試對象以T=0.5 s左右的步頻行走5 s；多人測試過程中所有的人也都以T=0.5 s左右的步頻行走5 s，但每個人的開始行走的起始點不同。
　單人腳步聲測試以Y軸方向的加速度信號為例，測得的加速度信號如圖6所示。圖6中縱坐標(biāo)代表加速度信號的強度，橫坐標(biāo)代表行走時間。測試實驗結(jié)果表明，腳步聲信號具有一定的周期性，每隔0.5 s左右能夠檢測到一次腳步聲信號；腳步聲信號的持續(xù)時間與人員的行走方式有一定的關(guān)系；人員離傳感器距離越來越遠時，腳步聲信號的強度逐漸降低。

　多人腳步聲測試Y軸方向的加速度信號為例，測得的加速度信號如圖7所示。圖中縱坐標(biāo)代表加速度信號的強度，橫坐標(biāo)代表行走時間。測試結(jié)果表明：多人的腳步聲信號混雜在一起，在噪聲比較小的環(huán)境中能夠明顯看出多人腳步聲信號的整體輪廓；在腳步聲比較密集時，混雜在一起的腳步聲信號波形也比較密集，在腳步聲比較稀疏時，混雜在一起的腳步聲信號波形也比較的稀疏；每個人的腳步聲信號強度也有些差異。采集到的大量的原始數(shù)據(jù)，為后續(xù)的多人腳步聲信號的分離提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

　本文設(shè)計的人員腳步聲采集系統(tǒng)板卡小巧，易于放置，系統(tǒng)整體功耗低，能夠不間斷地長時間工作。實驗結(jié)果表明，此采集系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地采集到人員的腳步聲信號。采集得到的大量的原始信號為后續(xù)的單人腳步聲的特征提取及多人腳步聲的信號分離都提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。在下一步的工作中，將利用采集到的原始信號分離出單一的腳步聲信號。
參考文獻
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[5]  侯向鋒，劉蓉.加速度傳感器MMA7260在步態(tài)特征提取中的應(yīng)用[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2007，20（3）：508-509.