计步器是一种日常训练进展监控器，能够核算人们行走的步数，估量行走距离、耗费的卡路里，便利人们随时监控自己的健身强度、运动水平缓推陈出新。前期的机械式计步器使用人走动时发生的振荡触发机械开关检测脚步，尽管成本低，可是精确度和灵敏度都很低，体积较大，且不利于体系集成。
跟着MEMS 技能的开展，依据MEMS 技能的惯性传感器得到敏捷开展，其具有价格低、体积小、功耗低、精度高的特色，使用MEMS 加快度传感器规划的电子计步器，经过丈量人体行走时的加快度信息，经过软件算法核算脚步，能够战胜机械式计步器精确度和灵敏度低的缺陷，可精确地检测脚步，一起还能够输出运动状况的实时数据，对运动数据进行收集和剖析。
1 人体运动模型
经过步态加快度信号提取人步行的特征参数是一种简洁、可行的步态剖析办法。行走运动包含3 个重量，别离是前向、侧向以及笔直向，如图1 所示。LIS3DH 是一种三轴（ X，Y，Z 轴） 的数字输出加快度器，能够与运动的3 个方向相对应。
行走运动重量在一个脚步，即一个跨步周期中加快度改变规则如图2 所示，脚蹬地脱离地上是一步的开端，此刻，因为地上的反作用力笔直加快度开端增大，身体重心上移，当脚到达最高方位时，笔直加快度到达最大，然后脚向下运动，笔直加快度开端减小，直至脚着地，加快度减至最小值，接着下一次跨步发生。前向加快度由脚与地上的摩擦力发生的，因此，双脚触地时增大，在一脚离地时减小。
图3 为一次步行试验中，LIS3DH 检测到的X，Y，Z 轴的加快度改变状况。能够看出： Z 轴加快度数据（ 人行走的竖直方向） 具有显着的周期性，加快度值最小处对应的是脚脱离地上（ 一步的开端或完毕） ，最大值对应脚抬到最高点。
在详细使用时，手持设备的放置状况是随意的，加快度计的3 个轴有或许不与人体模型界说的3 个轴向重合，文中说到使用加快度的峰—峰值来判别加快输出最大的一轴作为有用轴。但这种办法易丢掉计数点，使计数不行精确。为了充分使用加快度传感器输出的三轴信号，本文将加快度信号进行取模求和后用来计步。
2 算法规划
由图3 可知，Z 向加快度计原始输出尽管具有必定的周期性，但因为噪声导致改变杂乱，不易于直接进行计步，需对信号进行滤波，尽或许消除噪声影响。通常状况下，人的步频最快不会超越5 steps /s，最慢为0．5 steps /s。因此，能够以为原始信号中频率为0． 5 ～ 5 Hz 的信号为有用信号，其他信号均为噪声。能够用（ FFT） 滤波完成保存部分频率信息的要求，提取有用信息。但正常行走的任一段时刻内，步频的改变都会会集在峰值频率邻近的一个小规模内，而不是0． 5～ 5 Hz 这么大，所以，本文经过剖析很多试验数据的频谱，建立了一个比0． 5 ～ 5 Hz 小的自习惯频率规模（ f1，f2） （ 如图4 所示） ，经过FFT 保存该频率规模内的有用信号，去除规模外的无用信息。
经试验验证使用该动态频率规模能更好地去除噪声对步数判别的影响，如图5（ a） 和（ b） 所示。图5 （ a） 是使用FFT 滤波和动态频率规模对原始加快度信号滤波后的加快度改变曲线，图5（ b） 是直接使用FFT 滤波与0． 5 ～ 5 Hz 的频率规模对原始加快度滤波后的加快度改变曲线。
由图5 能够看出： 图5（ a） 中部分噪声还不能消除，存在多峰值的状况，而计步图5（ b） 中加快度曲线较滑润，加快度的周期性化趋势已十分显着，改换规则也比较简单，可使用软件算法完成计步，中止时加快度虽仍有必定的输出，但其峰值显着小于行走时加快度峰值，因此，可经过约束加快度的巨细去除影响。对行走时加快度改变曲线进行剖析，能够看出在必定时刻距离内会有一个加快度波谷（ 图中的1 ～ 4 点） 和加快度最小的时刻（ 对应脚落下或许抬起） ，当脚抬起来的时分（ “起点”） ，身体重心上移，加快度也变大，加快度曲线中波峰对应的是人脚抬至最高处，再到下一个波谷，这便是一个完好的脚步。此外，计步器因步行之外的原因此敏捷或缓慢振荡时，也会被计数器误以为是脚步。在步行时，速度快时一个脚步所占的时刻距离长，走的慢时时刻距离短，但都应在动态频率规模确认时刻窗口内，所以，使用这个时刻窗口就能够有用地减小无效振荡对步频判别形成的影响。依据以上剖析，能够确认跨步周期中加快度改变状况应具有以下特色
（1）一个跨步周期中仅呈现一次加快度极大值、极小值，有一个上升区间和下降区间; （2）一个单调区间对应跨步周期的50 %，因此，时刻距离应该在1 /2 个时刻窗口之间; （3）行走时，加快度极大值与极小值是替换呈现的，且其差的绝对值不小于预设的阈值1。依据以上三点对加快度改变区间进行束缚，以为一起满意以上三点改变区间对应半个脚步。详细流程图如图6所示。
3 硬件完成
图7 所示为体系的硬件结构框图。本文中选用的加快度传感器LIS3DH 输出数字信号，所以，采样得到的数据不用再专门选用芯片来做模数转化。传感器和操控模块接口为SPI 总线或许I2C 总线。加快度传感器LIS3DH，有X，Y，Z 三个自由度的加快度数字输出，能够全方位感知人体行走运动信息; 操控模块由LCD12864［5］显现模块、微操控器MC9S12XS128［6］、键盘和电源组成，用来读取加快度信息，并将算法处理得到计步数值显现在液晶显现屏上。
为了查验计步器的精度和习惯能力，在加快度计Z 轴朝上的状况下从较慢步频、正常步频、较快步频3 个方面进行测验，别离进行2 组试验，每次试验行走100 步。计步器测验成果见表1。
4 定论
加快度传感器LIS3DH 选用3mm &TImes; 3mm &TImes; 1mm 的小尺度封装，大大减小了整个体系的尺度，能够很便利地移植到如手机、遥控器以及游戏机这些有运动感应功用，而空间和功耗有严厉约束的规划中; 因为具有三轴数字输出功用，用户能够将计步器戴在身上任何部位。该计步体系能够较好地习惯不同步频状况，计步精度高，稳定性好。
