1.研究方案
图4-12 定位标签技术架构图
在研究定位标签（腕带）主要休眠调度策略、加速度传感器移动距离估计等技术的基础上，研制出的定位标签（腕带）的技术架构图如图4-12所示，其主要功能是：当定位基站（base station）发送唤醒信号（125KHz）给TAG时，低频唤醒芯片唤醒MCU并启动UHF模块，同时将TAG的ID、定位基站的ID、当前加速度值以及TAG的电量等信息通过433MHz或者2.4G的无线链路发回定位基站。
2.研究方法和过程
定位标签（腕带）主要包括超低功耗三维低频磁场接收模块、三轴磁场接收线圈、超低功耗三轴加速度传感器、超低功耗微控制器TI CC430系列芯片、具有休眠模式的UHF无线通信模块、板级印刷（PCB）天线、电源模块和时钟模块等组成。
（1）低功耗MCU单元设计。
低功耗MCU单元内部逻辑图如图4-13所示，其主控芯片采用TI的超低功射频SOC系列16位微控制器CC430系列，采用32KHz外部时钟，休眠状态下实时时钟模式的电流1μA左右，工作状态下芯片内部时钟模块提供1MHz工作时钟，工作电流为200μA/MIPS。
图4-13 定位标签主控MCU内部逻辑图
（2）三维低频磁场接收模块设计。
三维低频磁场接收模块采用3通道低频唤醒接收器。该芯片为每个通道提供一个数字RSSI（接收信号强度指示）值，并可支持可编程数据速率和带时钟恢复的曼彻斯特解码，而且包括一个由晶体振荡器或内部RC振荡器产生的内部时钟发生器，并提供了内置自动天线调谐器。三维低频磁场接收模块采用32KHz的外部时钟，功耗极低，3通道监听值守电流2.7μA，3通道接收电流8.3μA。其内部逻辑图如图4-14所示，该芯片的工作流程如图4-15所示。
图4-14 低频唤醒模块芯片内部逻辑图
（3）UHF无线通信模块设计。
设计的UHF无线通信模块的工作时钟26MHz，待机模式下电流仅为0.2μA，接收状态工作电流为15mA～18mA，发射状态下工作电流为13mA～16mA，发射功率默认设置为0dBm，数据速率默认设置为250Kbps。为了便于标签小型化的设计，该通信模块采用TI超低功射频SOC系列16位微控制器CC430系列内置的UHF无线通信模块。其主要性能指标与低功耗MCU单元的性能指标相匹配。
(www.xing528.com)
图4-15 低频唤醒模块芯片工作流程图
（4）超低功耗三轴加速度传感器设计。
超低功耗三轴加速度传感器采用超低功耗三轴数字加速度计，其工作电流仅有1.8μA（典型采样频率100Hz时），在运动触发唤醒模式下功耗为270nA。与使用周期采样来实现低功耗的加速度计不同，ADXL362没有通过欠采样混叠输入信号，采用全数据速率对传感器的整个带宽进行采样，封装体积为3mm×3.25mm×1.06mm，通过SPI接口与主控芯片连接，其内部逻辑图如图4-16所示。
图4-16 三轴加速度芯片内部逻辑图
（5）低功耗定位标签（腕带）状态机设计。
定位标签（腕带）中各个期间的工作状态包括缺省状态、休眠状态和工作状态，设计的低功耗定位标签（腕带）中各个器件工作状态的转换方法如下。
①在缺省状态时，三维低频磁场接收模块处于监听值守状态，三轴加速度计处于典型采样频率工作模式，主控芯片处于实时时钟模式，UHF频段无线通信模块处于休眠模式。
②当三维低频磁场接收模块收到定位基站发出的低频磁场信号并完成信号解析后，唤醒主控芯片转换为1MHz的工作模式，中断唤醒时间5μs，基于三轴加速度计的测量采样值估算定位标签（腕带）自身的相对移动距离，在计算完成随机延迟后，转换为实时时钟模式。
③延迟结束后，主控芯片转换为1MHz的工作模式，并将UHF频段无线通信模块由休眠模式转换至发送模式，模式切换时延200μs。
④发送过程结束后，返回缺省状态。
3.基于三轴加速度计的移动距离评估算法设计与实现
定位标签（腕带）主要解决的是根据三轴加速度计的测量结果通过二次积分获得的相对移动距离随时间累计误差急剧增加的问题。低成本的消费级三轴加速度计通过积分后得到的移动距离与真实移动距离误差很大，且误差随时间的增加而急剧上升，前期试验结果表明在真实移动30米的情况下，通过三轴加速度计二次积分产生的误差可能超过100米。
为了解决这个问题，引入人体步态检测机制，设计了基于步伐计数的三轴加速度计的移动距离评估算法，通过加速度计测量值来估计人体走动的步数。人体步态检测的原理如图4-17所示。在该算法中，首先对三轴加速度计的测量值进行低通平滑滤波，然后识别低通滤波结果的两个连续局部最小值，如果位于2个最小值时间区间内的局部最大值与2个最小值之间差别大于一个门限值，则为新的一步。通过步态检测机制，可将移动距离的估计误差降低至米级。
图4-17 人体步态检测原理图
免责声明：以上内容源自网络，版权归原作者所有，如有侵犯您的原创版权请告知，我们将尽快删除相关内容。
