你的一天在做什么，你的身體呈現(xiàn)什么狀態(tài)?現(xiàn)在的智能穿戴產(chǎn)品就能夠給出答案，其中智能手環(huán)是最受大家認(rèn)可的一款智能穿戴設(shè)備，它不僅可以記錄生活的鍛煉、睡眠等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，還具有社交功能，能夠?qū)㈠憻捛闆r和身體健康狀況等發(fā)送到社交網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分享。為我們健康的生活起到指導(dǎo)的作用。

　　一個(gè)智能手環(huán)最小系統(tǒng)一般包括：可充電的電源模塊、控制模塊(下圖中左邊芯片)、藍(lán)牙模塊(右邊芯片)、存儲(chǔ)模塊和加速計(jì)模塊(上面芯片)。其中加速計(jì)是為了獲得佩戴者在運(yùn)動(dòng)或睡眠過程中的加速度數(shù)據(jù)，通過分析這些數(shù)據(jù)則能夠判斷佩戴者的運(yùn)動(dòng)情況和睡眠質(zhì)量;存儲(chǔ)模塊主要負(fù)責(zé)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)暫存，接著在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻借助藍(lán)牙模塊將數(shù)據(jù)同步到手機(jī)端。方便起見本次要自制的記步手環(huán)將不采用存儲(chǔ)器暫存，而是將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地傳送到手機(jī)端。同時(shí)為了便于大家對(duì)記步算法的理解，客戶端將采用一個(gè)折線圖的形式實(shí)時(shí)展示記步手環(huán)收集的數(shù)據(jù)。

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　　2. 如何實(shí)現(xiàn)記步

　　看了上面的分析大家可能會(huì)疑惑——僅僅用一個(gè)加速計(jì)怎么能實(shí)現(xiàn)記步和睡眠質(zhì)量檢測(cè)呢?其實(shí)確實(shí)可以!因?yàn)榧铀儆?jì)可以實(shí)時(shí)獲取自身的XYZ三個(gè)軸向的加速度。當(dāng)其靜止時(shí)合加速度會(huì)在重力加速度附近波動(dòng);當(dāng)佩戴者處于深度睡眠過程中時(shí)，其合加速度將呈現(xiàn)出長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定于重力加速度附近;當(dāng)其隨著運(yùn)動(dòng)的佩戴者手臂而做周期性擺動(dòng)時(shí)，其數(shù)據(jù)也是有一定規(guī)律可循的。這樣，設(shè)計(jì)時(shí)只要通過分析從加速計(jì)獲的數(shù)據(jù)就能實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)或睡眠質(zhì)量的記錄。
 

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　　3.預(yù)期效果構(gòu)思

　　上面已經(jīng)提到：為了方便，我們并未采用存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)記步手環(huán)的離線記錄，而是實(shí)時(shí)地將數(shù)據(jù)發(fā)送到客戶端由一個(gè)可視化的折線圖動(dòng)態(tài)繪制結(jié)果。如下圖所示系統(tǒng)中記步手環(huán)部分包含單片機(jī)模塊、藍(lán)牙模塊、加速計(jì)模塊和電源模塊，這樣通過單片機(jī)的協(xié)調(diào)可以實(shí)現(xiàn)將加速計(jì)模塊的數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙實(shí)時(shí)地傳送給客戶端程序。在客戶端部分則負(fù)責(zé)將收集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以折線圖的形式動(dòng)態(tài)地展示出來，此外客戶端中也加入一個(gè)滑動(dòng)條來控制記步閾值來真正讓大家明白其設(shè)計(jì)思想(真正商業(yè)化的智能手環(huán)多數(shù)采用的是先將有效數(shù)據(jù)保存在手環(huán)的小型存儲(chǔ)器中，上位機(jī)周期性地將數(shù)據(jù)收集并同步到服務(wù)器端)。

 

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　　4.硬件整體設(shè)計(jì)

　　如下圖,相比于上一個(gè)無線小風(fēng)扇該硬件構(gòu)成反而比較簡(jiǎn)單：藍(lán)牙模塊依然采用我們比較熟悉的HC-06模塊，對(duì)于加速度的測(cè)量采用四周飛行器上常采用的MPU6050模塊。該模塊不僅含有加速計(jì)的功能，還具有陀螺儀的功能，其在汽車防側(cè)翻、相機(jī)云臺(tái)穩(wěn)定、機(jī)器人平衡、空中鼠標(biāo)、姿態(tài)識(shí)別等眾多領(lǐng)域都有應(yīng)用，這里我們只是利用了它的加速計(jì)功能。此外要注意：下圖所示的單片機(jī)模塊的電源引腳被隱藏了，在真正設(shè)計(jì)連接時(shí)一定不要忽略這兩個(gè)引腳!

 

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　　介紹

　　MPU-60X0是全球首例9軸運(yùn)動(dòng)處理器。它集成了3軸MEMS陀螺儀，3軸MEMS加速計(jì)，以及1個(gè)可擴(kuò)展的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器DMP(Digital Motion Processor)。如下圖所示軸向是相對(duì)于加速計(jì)說的，當(dāng)芯片水平靜止放置時(shí)x軸和y軸的加速度分量幾乎為0，z軸的加速度分量約為當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?而旋轉(zhuǎn)極性則是對(duì)陀螺儀來說的。

　　為何上面說9軸信號(hào)呢?因?yàn)?MPU-60X0 可用 I2C 接口連接一個(gè)第三方的數(shù)字傳感器，比如磁力計(jì)。擴(kuò)展之后就可以通過其I2C或SPI接口輸出一個(gè)9軸的信號(hào)。也可以通過其I2C接口連接非慣性的數(shù)字傳感器，比如壓力傳感器。(為什么特別提磁力計(jì)和壓力傳感器呢?因?yàn)樵陲w控方面，利用陀螺儀和加速計(jì)可以計(jì)算飛行器的傾角，從而調(diào)節(jié)飛行器平衡。但是只是調(diào)節(jié)平衡對(duì)方向沒有概念也不能執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)，因此需要配備磁力計(jì)(也即電子羅盤傳感器)。此外，由于飛行器在不同高度作業(yè)時(shí)，其周圍的重力加速度也不同，這樣會(huì)影響傾角的準(zhǔn)確性，因此通過氣壓計(jì)計(jì)算所處高度然后計(jì)算實(shí)時(shí)加速度達(dá)到精確控制的效果。)

　　MPU-60X0對(duì)陀螺儀和加速計(jì)分別用了三個(gè)16位的ADC，將其測(cè)量的模擬量轉(zhuǎn)化為可輸出的數(shù)字量。為了精確跟蹤快速和慢速運(yùn)動(dòng)，傳感器的測(cè)量范圍是可控的，陀螺儀可測(cè)范圍為±250，±500，±1000，±2000°/秒(dps)，加速計(jì)可測(cè)范圍為±2，±4，±8，±16g(重力加速度)。如圖是直接從16位ADC中讀出的6軸的數(shù)據(jù)(從左到右依次為加速計(jì)X軸數(shù)據(jù)、Y軸數(shù)據(jù)、Z軸數(shù)據(jù)、陀螺儀X極數(shù)據(jù)、Y極數(shù)據(jù)、Z極數(shù)據(jù))：

　　但是這里的輸出值并不是真正的加速度和角速度的值，上面說過，MPU是一個(gè)16位AD量程可程控的設(shè)備，這里設(shè)置的加速度傳感器的測(cè)量量程為正負(fù)2g(這里的g為重力加速度)，陀螺儀的量程為正負(fù)2000°/s。所以要用下面的公式進(jìn)行轉(zhuǎn)化：

 

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　　6.一個(gè)簡(jiǎn)單的記步算法設(shè)計(jì)

　　當(dāng)MPU6050隨著運(yùn)動(dòng)的佩戴者手臂而做周期性擺動(dòng)時(shí)，其數(shù)據(jù)也是有一定規(guī)律可循的。簡(jiǎn)單起見我們只分析合加速度：一個(gè)擺臂周期其合加速度會(huì)在重力加速度上下波動(dòng)，如圖只要選取合適的閾值(黑線代表閾值)，每次檢測(cè)出合加速度大于該閾值則認(rèn)為是一次擺臂，從而可以實(shí)現(xiàn)記步的功能。這里要特別說明下：如果想把你的手環(huán)推向市場(chǎng)，就要通過大量分析擺臂數(shù)據(jù)建立一套更好的記步算法。

 

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　　7. I2C總線介紹

　　由于51系列單片機(jī)將串口通信很多細(xì)節(jié)都封裝到芯片內(nèi)部，所以我們即使設(shè)計(jì)了串口驅(qū)動(dòng)模塊，也并沒有真正了解串口通信的核心思想。其實(shí)串口協(xié)議的出現(xiàn)是為了構(gòu)成一個(gè)總線線路，這樣單片機(jī)只要使用比較少的引腳就能和比較多的設(shè)備進(jìn)行通信了，這里要用到的I2C總線也具有相同的效果但又有些不同。

　　I2C(Inter-Integrated Circuit)總線是由PHILIPS公司開發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。是微電子通信控制領(lǐng)域廣泛采用的一種總線標(biāo)準(zhǔn)。它是同步通信的一種特殊形式，具有接口線少，控制方式簡(jiǎn)單，器件封裝形式小，通信速率較高等優(yōu)點(diǎn)。如上圖采用I2C總線后CPU只要使用2個(gè)引腳便可和多個(gè)設(shè)備進(jìn)行通信(其實(shí)每個(gè)采用I2C通信方式的設(shè)備都具有唯一的地址碼，這樣在總線中便能夠被唯一識(shí)別)，從而大大減少了引腳的使用。

　　在I2C總線中使用的兩線為時(shí)鐘線SCL和數(shù)據(jù)線SDA。所有的I2C主從設(shè)備都是只被這兩根線連接起來的。每一個(gè)設(shè)備既可以作為發(fā)送方，也可以作為接收方，或者既可以作為發(fā)送發(fā)也可以作為接收方。在總線中的主設(shè)備一般起產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)和初始化通信的作用，從設(shè)備則負(fù)責(zé)響應(yīng)主設(shè)備發(fā)出的命令。為了在總線上區(qū)分每一個(gè)設(shè)備，每一個(gè)從設(shè)備必須有一個(gè)唯一的地址。主設(shè)備一般不需要地址(一般為微處理器)，因?yàn)閺脑O(shè)備不能發(fā)送命令給主設(shè)備。

　　這里要先介紹I2C總線中幾個(gè)專有名詞：

　　l 發(fā)送者：將數(shù)據(jù)發(fā)送到總線的設(shè)備

　　l 接收者：從總線接收數(shù)據(jù)的設(shè)備

　　l 主設(shè)備：產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)、啟動(dòng)通信、發(fā)送I2C命令和終止通信的設(shè)備

　　l 從設(shè)備：監(jiān)聽總線、能被主設(shè)備尋址的設(shè)備

　　l 多主設(shè)備：I2C能夠擁有多個(gè)主設(shè)備，而且每個(gè)主設(shè)備都能夠發(fā)送命令

　　l 仲裁：當(dāng)多個(gè)主設(shè)備請(qǐng)求使用總線時(shí)，決定哪一個(gè)主設(shè)備可以占用的一個(gè)過程

　　l 同步：同步多個(gè)設(shè)備時(shí)鐘信號(hào)的一個(gè)過程

　　上面是從宏觀上對(duì)I2C總線介紹了下，接下來將深入細(xì)節(jié)研究其通信過程：

　　串行數(shù)據(jù)傳送：

　　在總線備用時(shí)SDA和SCL都必須保持高電平狀態(tài)，只有關(guān)閉I2C總線時(shí)才能使SCL鉗位在低電平。在I2C總線數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，在時(shí)鐘線高電平期間，數(shù)據(jù)線上必須保持有穩(wěn)定的邏輯電平(也就是說在數(shù)據(jù)傳輸期間只有時(shí)鐘線低電平期間，才允許數(shù)據(jù)線上的電平發(fā)生變化)。

　　因此在如上圖中對(duì)于每一個(gè)時(shí)鐘脈沖期間一比特的數(shù)據(jù)將會(huì)被傳送，SDA只能在時(shí)鐘信號(hào)為低電平時(shí)才能改變。下面是代碼中發(fā)送一字節(jié)的函數(shù)：在循環(huán)體內(nèi)每次將dat內(nèi)的最高位移出到CY中，進(jìn)而賦值給SDA(這時(shí)SCL為低，SDA可改變)。接著拉高SCL并保持5us，最后再拉低SCL實(shí)現(xiàn)一個(gè)時(shí)鐘脈沖將dat中最高位送出。依此循環(huán)8次實(shí)現(xiàn)將dat全部傳出。

　　voidI2C_SendByte(uchar dat){

　　uchar i;for(i=0; i<8; i++){

　　dat <<=1;

　　SDA = CY;

　　SCL =1;Delay5us();

　　SCL =0;Delay5us();}I2C_RecvACK();}

　　開始和結(jié)束條件

　　命令不會(huì)沒有任何預(yù)兆直接發(fā)送的，每一個(gè)I2C命令的發(fā)送總是開始于開始條件并結(jié)束于終止條件。這里所謂的開始條件和終止條件起始也是由SCL和SDA組合形成的(如下圖)。

　　如果時(shí)鐘線保持高電平期間，數(shù)據(jù)線出現(xiàn)由高到低的電平變化，則會(huì)啟動(dòng)I2C總線，此時(shí)為I2C的起始信號(hào)：

　　voidI2C_Start(){

　　SDA =1;

　　SCL =1;Delay5us();

　　SDA =0;Delay5us();

　　SCL =0;}

　　若在時(shí)鐘線保持高電平期間，數(shù)據(jù)線出現(xiàn)由低到高的電平變化，則會(huì)停止I2C總線的數(shù)據(jù)傳輸，此時(shí)為I2C的終止信號(hào)：

　　voidI2C_Stop(){

　　SDA =0;

　　SCL =1;Delay5us();

　　SDA =1;Delay5us();}

　　開始條件之后I2C總線被認(rèn)為是忙狀態(tài)，只有當(dāng)停止信號(hào)之后其他主設(shè)備才能使用該總線。此外，當(dāng)開始條件之后主設(shè)備能夠多次發(fā)出開始信號(hào)。這些開始信號(hào)和第一次發(fā)出的開始信號(hào)類似，他們后面經(jīng)常會(huì)跟從設(shè)備的地址。這樣可以方便實(shí)現(xiàn)在I2C總線忙期間，當(dāng)前占線的主設(shè)備可以和不同的從設(shè)備進(jìn)行通信。

　　7.3 I2C數(shù)據(jù)傳送

　　I2C總線上傳送的每一個(gè)字節(jié)均為8位，但是每啟動(dòng)一次I2C總線，其后的數(shù)據(jù)傳送字節(jié)數(shù)是沒有限制的。同時(shí)每傳送一字節(jié)的數(shù)據(jù)后面都要跟隨一個(gè)接收者回應(yīng)的應(yīng)答位(低電平為應(yīng)答信號(hào)，高電平為非應(yīng)答信號(hào))，當(dāng)全部數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后主設(shè)備發(fā)送終止信號(hào)。

　　所以在上面向I2C總線發(fā)送一字節(jié)的數(shù)據(jù)的代碼的最后有一個(gè)I2C_RecvACK()函數(shù)。(如下)該函數(shù)負(fù)責(zé)接收接收者發(fā)送過來的應(yīng)答信號(hào)，也即上圖中的第9個(gè)時(shí)鐘脈沖的期間的相應(yīng)操作。

　　bit I2C_RecvACK(){

　　SCL =1;Delay5us();

　　CY = SDA;

　　SCL =0;Delay5us();return CY;}

　　注：所有的數(shù)據(jù)位包括應(yīng)答位都需要主設(shè)備產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖。如果從設(shè)備沒有應(yīng)答意味著將沒有更多的數(shù)據(jù)要傳送或者設(shè)備沒有準(zhǔn)備好傳送。這時(shí)，主設(shè)備要么產(chǎn)生停止信號(hào)，要么重新發(fā)出開始條件。

　　7.4 I2C的7-bit地址

　　每一個(gè)從設(shè)備都應(yīng)該具有唯一的地址，這樣主設(shè)備才能準(zhǔn)確的尋址到每一個(gè)設(shè)備，而這些地址被統(tǒng)一規(guī)定為7比特。但是上面講過I2C總線傳輸數(shù)據(jù)都是8比特傳送，地址7比特豈不是少一位!其實(shí)緊跟地址還有一位用來表示是讀操作還是寫操作的標(biāo)志位。如果該位為0表示主設(shè)備將要向從設(shè)備寫數(shù)據(jù)，否則表示主設(shè)備將要從從設(shè)備讀數(shù)據(jù)。在這8比特被發(fā)送后主設(shè)備能夠持續(xù)地進(jìn)行讀或者寫。如果主設(shè)備想和其他從設(shè)備進(jìn)行通信，只要再次發(fā)送一個(gè)新的開始信號(hào)就可以而不必發(fā)送終止信號(hào)。

 

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　　8. MPU6050驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

　　下面將結(jié)合MPU6050的驅(qū)動(dòng)進(jìn)一步講解其原理(該部分的代碼參見工程的部分)。我們首先來看一下它的頭文件：從第6到25行上來就是一大串內(nèi)部地址的定義，對(duì)于初學(xué)者可能一頭霧水!如果樓主再引入寄存器等數(shù)字電路的知識(shí)可能又要說幾頁了，于是這里準(zhǔn)備只用一個(gè)簡(jiǎn)單的例子闡述下這些地址的作用。

　　#include""#define SMPLRT_DIV 0x19 #define CONFIG 0x1A #define GYRO_CONFIG 0x1B #define ACCEL_CONFIG 0x1C #define ACCEL_XOUT_H 0x3B#define ACCEL_XOUT_L 0x3C#define ACCEL_YOUT_H 0x3D#define ACCEL_YOUT_L 0x3E#define ACCEL_ZOUT_H 0x3F#define ACCEL_ZOUT_L 0x40#define TEMP_OUT_H 0x41#define TEMP_OUT_L 0x42#define GYRO_XOUT_H 0x43#define GYRO_XOUT_L 0x44 #define GYRO_YOUT_H 0x45#define GYRO_YOUT_L 0x46#define GYRO_ZOUT_H 0x47#define GYRO_ZOUT_L 0x48#define PWR_MGMT_1 0x6B #define WHO_AM_I 0x75 #define SlaveAddress 0xD0 voidSingle_WriteI2C(uchar REG_Address,uchar REG_data);

　　uchar Single_ReadI2C(uchar REG_Address);voidInitMPU6050();intGetData(uchar REG_Address);

　　上面講到在I2C總線中主設(shè)備可以通過固定的7-bit地址尋找到相應(yīng)的從設(shè)備(這里的7-bit地址為第26行的SlaveAddress，想必大家也能夠理解后面注釋的意義了吧~不加1表示緊跟著地址的一位為0，表示向該設(shè)備寫數(shù)據(jù);加1則表示緊跟著的一位為1，表示主設(shè)備從從設(shè)備讀數(shù)據(jù))。雖然采用這種方式能夠準(zhǔn)確找到從設(shè)備，但是從設(shè)備里面又有比較多的寄存器。這就好比你知道了某個(gè)要找的東西在具體的某個(gè)大柜子里，但是來到大柜子前又發(fā)現(xiàn)有許多小抽屜。這里的7-bit地址就好像指明了哪個(gè)柜子，而從第6到25行的內(nèi)部地址就像柜子上的抽屜編號(hào)，而不一樣之處是位于mpu6050內(nèi)的“小抽屜”一部分存放著其采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，另一部分等著外部放一些數(shù)據(jù)來設(shè)置其采樣屬性。

　　這樣，如上面的第6行的SMPLRT_DIV(0x19)是用來設(shè)置陀螺儀采樣率的寄存器地址，只要向該地址所指的寄存器寫入相應(yīng)的值則可以設(shè)置陀螺儀采樣率。因此下面MPU6050初始化函數(shù)就是調(diào)用封裝的I2C寫函數(shù)向相應(yīng)的小抽屜內(nèi)寫屬性數(shù)據(jù)，設(shè)置MPU6050采樣屬性。

　　voidInitMPU6050(){Single_WriteI2C(PWR_MGMT_1,0x00);Single_WriteI2C(SMPLRT_DIV,0x07);Single_WriteI2C(CONFIG,0x06);Single_WriteI2C(GYRO_CONFIG,0x18);Single_WriteI2C(ACCEL_CONFIG,0x01);}

　　再如第10~11行的ACCEL_XOUT_H、ACCEL_XOUT_L是用來存放最新的陀螺儀X極的數(shù)值，因?yàn)椴捎?6位ADC所以這里需要用兩個(gè)寄存器。所以下面合成數(shù)據(jù)函數(shù)負(fù)責(zé)連續(xù)讀取REG_Address開始的兩字節(jié)數(shù)據(jù)組成一個(gè)16位數(shù)據(jù)。當(dāng)函數(shù)的參數(shù)為ACCEL_XOUT_H時(shí)，則獲取的是實(shí)時(shí)的陀螺儀X極的數(shù)值，同樣地可以獲得實(shí)時(shí)的6軸數(shù)據(jù)。

　　intGetData(uchar REG_Address){

　　uchar H,L;

　　H=Single_ReadI2C(REG_Address);

　　L=Single_ReadI2C(REG_Address+1);return(H<<8)+L;}

　　**注：**關(guān)于MPU6050內(nèi)部的“小抽屜”的地址和功能需要閱讀其官方的MPU6050寄存器手冊(cè)。
 

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　　9.硬件工程整體介紹

　　9.1、打開Keil uVision2，點(diǎn)擊Project下的Open Project，打開記步手環(huán).Uv2加載工程。

　　9.2、待工程加載完畢，大家會(huì)在工程窗口中看到圖9_2所示文件結(jié)構(gòu)。其中FUNC組下面包含數(shù)i2c驅(qū)動(dòng)、mpu6050和串口驅(qū)動(dòng)文件， USER組下是最上層應(yīng)用程序文件。

　　9.3、上一章已經(jīng)把講解了，前幾節(jié)也把和mpu6050,c介紹了。這里直接從對(duì)整個(gè)工程的流程進(jìn)行分析：主函數(shù)中先初始化串口和MPU6050，接著進(jìn)入無限循環(huán)。循環(huán)中每隔一定的時(shí)間發(fā)送一幀的數(shù)據(jù)——該幀以‘#’開始以‘$’結(jié)束，中間依次是X軸加速度值、Y軸加速度值和Z軸加速度值。

　　void main (void){delay(500);InitUART();InitMPU6050();while(1){SendByte('#');SendData(GetData(0x3B));SendData(GetData(0x3D));SendData(GetData(0x3F));SendByte('$');delay(20);}}

　　其中調(diào)用了串口驅(qū)動(dòng)中的void InitUART(void)串口初始化函數(shù)、 void SendByte(unsigned char dat)串口發(fā)送一字節(jié)函數(shù)和 void SendStr(unsigned char *s)串口發(fā)送一個(gè)字符串函數(shù)，以及調(diào)用了mpu6050驅(qū)動(dòng)中的void InitMPU6050()初始化函數(shù)和int GetData(uchar REG_Address)獲取6軸數(shù)據(jù)函數(shù)。

　　externvoidInitUART(void);externvoidSendByte(unsignedchar dat);externvoidSendStr(unsignedchar*s);externvoidInitMPU6050();externintGetData(uchar REG_Address);

　　這里唯一要特別說明的函數(shù)是：void SendData(int value)函數(shù)。我們知道直接調(diào)用MPU6050的函數(shù)int GetData(uchar REG_Address)返回的是int類型的數(shù)據(jù)，而串口每次只能發(fā)送一個(gè)8bit的數(shù)據(jù)，于是這里的SendData則是負(fù)責(zé)將該int類型的數(shù)值轉(zhuǎn)換為串口容易發(fā)送的數(shù)據(jù)再進(jìn)行發(fā)送。

　　voidenCode(uchar *s,int temp_data){if(temp_data<0){

　　temp_data=-temp_data;*s='-';}else*s=' ';*++s =temp_data/10000+0x30;

　　temp_data=temp_data%10000;*++s =temp_data/1000+0x30;

　　temp_data=temp_data%1000;*++s =temp_data/100+0x30;

　　temp_data=temp_data%100;*++s =temp_data/10+0x30;

　　temp_data=temp_data%10;*++s =temp_data+0x30;*++s ='';}voidSendData(int value){enCode(temp, value);SendStr(temp);}

　　上面的enCode函數(shù)是將輸入的int類型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為第一位為符號(hào)(正用空格代替，負(fù)用負(fù)號(hào)代替)，后5位為數(shù)值的字符串，即使不足五位數(shù)前面也要填充0。這樣便不難理解SendData的功能：將value編碼并通過串口發(fā)送。

　　這樣整個(gè)工程的作用則是周期性讀取MPU6050三軸的加速度并用下面的幀格式通過藍(lán)牙發(fā)送出去：


 

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　　10.客戶端軟件構(gòu)成模塊

　　10.1、打開Eclipse點(diǎn)擊File菜單欄下的Import按鈕準(zhǔn)備導(dǎo)入second_test工程(如圖10_1所示)。

　　10.2、接著在彈出的Select窗口中選擇Android文件夾下的Existing Android Code Into Workspace點(diǎn)擊next(如圖10_2所示)。

　　10.3、接著在彈出的框中點(diǎn)擊右上角的Browse按鈕，找到要導(dǎo)入的third_test所在路徑，并且需要勾選Copy projects into workspace(如圖10_3所示)。

　　10.4、最終效果如圖10_4所示在src文件夾下有四個(gè)包：其中第一個(gè)是和藍(lán)牙相關(guān)的類(從下到上依次為藍(lán)牙設(shè)備搜索相關(guān)類、藍(lán)牙通信連接相關(guān)類和藍(lán)牙通信相關(guān)類);第二個(gè)是繪制折線圖表相關(guān)的類(這里采用開源圖表繪制引擎achartengine，所以在libs里要添加相應(yīng)的包);第三個(gè)是數(shù)據(jù)池相關(guān)的類，用于實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)高速處理;另一個(gè)包是UI相關(guān)類，也是整個(gè)工程最核心的部分。如果讀者導(dǎo)入過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤，也可以采用第三章的方法新建一個(gè)工程，然后把src下的文件、layout下的文件和文件做相應(yīng)的新建或修改，同時(shí)還要注意引入libs的包以及values里的。


 

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　　11.軟件最終效果預(yù)覽

　　上面是從模塊構(gòu)成的角度介紹工程的主要文件，為了更好的方便分析其內(nèi)部邏輯，筆者準(zhǔn)備先帶領(lǐng)大家預(yù)覽下本次應(yīng)用的最終效果(如圖11_1所示)：

　　n 第一幅圖：是初始打開界面，如果本地藍(lán)牙沒有打開最左邊的按鈕將會(huì)顯示“打開藍(lán)牙設(shè)備”;

　　n 第二幅圖：是點(diǎn)擊“連接我的小手環(huán)”后進(jìn)入藍(lán)牙搜索階段;

　　n 第三幅圖：是自動(dòng)搜索到記步手環(huán)后進(jìn)入的連接藍(lán)牙階段;

　　n 第四幅圖：是連接完成后，應(yīng)用把從手環(huán)收集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)(XYZ軸加速度以及合加速度)繪制出;

　　n 第五幅圖：是通過滑動(dòng)條調(diào)大記步閾值，并選擇CheckBox只顯示合加速度值的實(shí)時(shí)折線;

　　n 第六幅圖：是放大折線圖，并點(diǎn)擊某個(gè)點(diǎn)顯示具體信息圖。

　　其中前三個(gè)階段和上一章中的小風(fēng)扇的控制很類似，都是點(diǎn)擊連接到進(jìn)入搜索再到進(jìn)行連接。只不過一個(gè)是連接后通過應(yīng)用向硬件發(fā)送命令幀來控制小風(fēng)扇轉(zhuǎn)速;一個(gè)是不斷從記步手環(huán)讀取實(shí)時(shí)的XYZ三軸的加速度，計(jì)算合加速度同時(shí)記步，并且將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)以折線圖的形式展示出來。


 

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　　12.一個(gè)高效處理數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)池設(shè)計(jì)

　　當(dāng)提到為什么需要高效處理的數(shù)據(jù)池時(shí)，其實(shí)要從藍(lán)牙搜索講起。由于上一章的最后對(duì)藍(lán)牙搜索、連接、通信的三個(gè)過程做了詳細(xì)的講解，本次則只從整體上進(jìn)行梳理一下。

　　如圖12_1，當(dāng)點(diǎn)擊連接小手環(huán)按鈕后則執(zhí)行藍(lán)牙搜索類的doDiscovery()函數(shù)進(jìn)行搜索藍(lán)牙設(shè)備，在其搜索過程中搜索的設(shè)備名和設(shè)備地址分別存儲(chǔ)在BlueToothSearch的公有成員變量mNameVector和mAddrVector中，然后在本次搜索結(jié)束后會(huì)向Activity發(fā)送一個(gè)類型為0x01的Handler消息，而該消息會(huì)被Activity中的handleMessage接收到。

　　當(dāng)Activity中的handleMessage接收類型為0x01的消息后，程序會(huì)遍歷本次藍(lán)牙搜索到的周邊設(shè)備的名稱找到符合我們的手環(huán)的藍(lán)牙設(shè)備。然后調(diào)用藍(lán)牙連接的setDevice()函數(shù)獲取遠(yuǎn)程藍(lán)牙通信socket，接著在handleMessage內(nèi)再觸發(fā)藍(lán)牙連接的線程進(jìn)行藍(lán)牙連接。當(dāng)藍(lán)牙連接完畢，則會(huì)發(fā)送0x02類型的消息反饋給Activity中的handleMessage。

　　同樣的當(dāng)Activity中的handleMessage接收類型為0x02的消息后，程序會(huì)調(diào)用藍(lán)牙通信類的setSocket()函數(shù)來獲取標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出流。此后，如果想從軟件向硬件發(fā)送消息則直接可以調(diào)用藍(lán)牙通信類的write()函數(shù)，而接收數(shù)據(jù)則是采用啟動(dòng)一個(gè)接收線程來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)接收的。

　　現(xiàn)在我們的思維已經(jīng)跟著轉(zhuǎn)到了上圖中最后一個(gè)無限輪詢收數(shù)據(jù)階段。同時(shí)我們知道從小手環(huán)發(fā)來的數(shù)據(jù)是比較高速的(硬件工程中寫的是每次發(fā)送完畢delay(20)，應(yīng)該算是比較短的時(shí)間了)。那么問題就來了：如果我們不能及時(shí)地將手環(huán)傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，很有可能導(dǎo)致大量的數(shù)據(jù)滯留在緩沖區(qū)。這樣進(jìn)一步會(huì)導(dǎo)致每次獲得的數(shù)據(jù)都不是最新的數(shù)據(jù)，而表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)繪制折線圖滯后糟糕的效果。

　　綜上由于下位機(jī)10ms發(fā)送一次20byte的數(shù)據(jù)，上位機(jī)一方面要做好接收工作，保證數(shù)據(jù)不擁擠在串口接收緩沖區(qū);另一方面也要實(shí)時(shí)獲取當(dāng)前從串口讀到的最新數(shù)據(jù)。如果采用傳統(tǒng)多線程+鎖的機(jī)制是可以的，但是當(dāng)多線程中加入鎖勢(shì)必會(huì)影響程序執(zhí)行效率，通過綜合分析該問題筆者最終抽象出一個(gè)特殊的數(shù)據(jù)模型——自動(dòng)更新的環(huán)形棧：

　　如圖12_2所謂自動(dòng)更新的環(huán)形棧本質(zhì)上是一個(gè)基于環(huán)形數(shù)組的特殊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。圖中環(huán)形代表數(shù)據(jù)池，也是一個(gè)環(huán)形數(shù)組(普通數(shù)組，采用一定技巧將首尾連接)，p_write指示當(dāng)前數(shù)據(jù)插入位置，每次插入一個(gè)數(shù)據(jù)p_write順時(shí)針移動(dòng)一格，從而實(shí)現(xiàn)新數(shù)據(jù)覆蓋老數(shù)據(jù)的自動(dòng)更新功能。而這里最精妙的地方在于每次取數(shù)據(jù)的方式：從p_write所指的位置逆時(shí)針取40個(gè)數(shù)據(jù)(因?yàn)橛行臄?shù)據(jù)長(zhǎng)度為20，一次取40保證至少有一個(gè)有效幀)，然后從這40個(gè)數(shù)據(jù)中找出有效信息，賦值給公有成員X,Y,Z。這樣通過適當(dāng)調(diào)節(jié)環(huán)的容量，保證取數(shù)據(jù)時(shí)該段數(shù)據(jù)不被覆蓋的前提下，又能根據(jù)p_write指示獲取最新的下位機(jī)發(fā)來的有效幀，將存和取有效地分離從而完美達(dá)到了我們的需求。

　　具體在程序中的onCreate函數(shù)中聲明并實(shí)例化一個(gè)大小為20000的數(shù)據(jù)池mDataPool = new DataPool(20000)。接著在BlueToothCommunicate的輪詢接收數(shù)據(jù)的線程中(也即圖12_1的最后一環(huán)節(jié)的read中)對(duì)于每次新收到的數(shù)據(jù)調(diào)用mDataPool的push_back(buffer, bytes)函數(shù)將其存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)池中。當(dāng)每次需要取最新數(shù)據(jù)時(shí)只要先調(diào)用mDataPool的ask()函數(shù)，接著便可直接通過訪問DataPool的公有成員XYZ獲取最新三軸加速度的值了。

　　publicvoidrun(){byte[] buffer =newbyte[1024];int bytes;while(state){try{

　　bytes = mmInStream.read(buffer);

　　String readMessage =newString(buffer,0, bytes);

　　Log.i("beautifulzzzz","read: "+ bytes +" mes: "+ readMessage);

　　UI_Main.mDataPool.push_back(buffer, bytes);}catch(IOException e){break;}}}
 

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　　13.一個(gè)開源的折線圖繪制方案

　　在第10節(jié)客戶端軟件構(gòu)成模塊中曾提到本項(xiàng)目中采用了開源圖表繪制引擎AChartEngine。它是一個(gè)安卓系統(tǒng)上制作圖表的框架，支持折線圖、面積圖、分區(qū)圖、對(duì)比圖、散點(diǎn)圖、柱狀圖、餅圖等(如下圖所示)。

　　此外其所有支持的圖表類型，都可以包含多個(gè)系列，都支持水平(默認(rèn))或垂直方式展示圖表。并且支持許多其他的自定義功能。所有圖表都可以建立為一個(gè)view，也可以建立為一個(gè)用于啟動(dòng)activity的intent(顯然上面前兩幅圖是采用view的形式，其他幾個(gè)是采用intent啟動(dòng)的)。

　　一般突然提到某某開源包或者調(diào)用別的接口初學(xué)者可能會(huì)頭大，而且這里更讓多數(shù)人頭痛的是筆者竟突然亮出了這么多炫酷的UI，豈不是更加難以使用!于是可能會(huì)有很多人準(zhǔn)備自己DIY折線圖了。然而事實(shí)卻是這個(gè)開源的框架用起來十分方便：大家可以把所有的chart都想象成由兩層組成，一部分是Renderer(如XYMultipleSeriesRenderer，用于對(duì)圖表樣框架樣式的說明)，另一部分是Dataset(如XYMultipleSeriesDataset，用于對(duì)視圖數(shù)值的處理)。所以在類的開始就定義并聲明這兩種類型的私有成員：【第一步：數(shù)據(jù)層和顯示層定義并實(shí)例化】

　　private XYMultipleSeriesDataset mDataset =newXYMultipleSeriesDataset();private XYMultipleSeriesRenderer mRenderer =newXYMultipleSeriesRenderer();

　　因?yàn)閙Renderer用于對(duì)圖表框架樣式的說明，所以在setChartSettings函數(shù)里調(diào)用了多個(gè)其成員函數(shù)用來對(duì)圖表整體樣式屬性進(jìn)行設(shè)置。例如7、8兩行是設(shè)置X軸和Y軸的標(biāo)題，9到12行設(shè)置初始X軸和Y軸所表示的范圍，22到24行用來設(shè)置放大縮小的控件和屬性(就像地圖控件里的放大縮小按鈕)。這樣下層的X軸、Y軸等就都設(shè)置好了?！镜诙剑涸O(shè)置顯示層顯示樣式】

　　publicvoidsetChartSettings(String xTitle, String yTitle,double xMin,double xMax,double yMin,double yMax,int axesColor,int labelsColor){

　　mRenderer.setXTitle(xTitle);

　　mRenderer.setYTitle(yTitle);

　　mRenderer.setXAxisMin(xMin);

　　mRenderer.setXAxisMax(xMax);

　　mRenderer.setYAxisMin(yMin);

　　mRenderer.setYAxisMax(yMax);

　　mRenderer.setAxesColor(axesColor);

　　mRenderer.setLabelsColor(labelsColor);

　　mRenderer.setShowGrid(true);

　　mRenderer.setGridColor(Color.GRAY);

　　mRenderer.setXLabels(16);

　　mRenderer.setYLabels(20);

　　mRenderer.setYLabelsAlign(Align.RIGHT);

　　mRenderer.setPointSize((float)2);

　　mRenderer.setShowLegend(true);

　　mRenderer.setZoomEnabled(true,false);

　　mRenderer.setPanEnabled(true,false);}

　　當(dāng)表格框架設(shè)置好之后，接下來就是向框架內(nèi)填充折線，并且在此過程中把每一條折線的數(shù)據(jù)層放入總的數(shù)據(jù)層中。如下setLineSettings函數(shù)循環(huán)4次，每次首先實(shí)例化一個(gè)標(biāo)題為titles[i]的坐標(biāo)序列，然后將該序列放入總的數(shù)據(jù)層mDataset中。同樣的每次實(shí)例化一個(gè)XYSeriesRenderer(因?yàn)槊總€(gè)折線也有自己的樣式)，并將其加入總的圖標(biāo)層mRenderer中。這樣就能夠?qū)?條分別表示X軸加速度、Y軸加速度、Z軸加速度和合加速度的折線圖設(shè)置好。【第三步：設(shè)置4個(gè)折線數(shù)據(jù)序列并加入數(shù)據(jù)層，設(shè)置4個(gè)折線層并加入顯示層】

　　publicvoidsetLineSettings(){for(int i =0; i < titles.length; i++){

　　mCurrentSeries[i]=newXYSeries(titles[i]);

　　mDataset.addSeries(mCurrentSeries[i]);

　　renderer[i]=newXYSeriesRenderer();

　　mRenderer.addSeriesRenderer(renderer[i]);

　　renderer[i].setPointStyle(styles[i]);

　　renderer[i].setColor(colors[i]);

　　renderer[i].setFillPoints(true);

　　renderer[i].setDisplayChartValues(false);

　　renderer[i].setDisplayChartValuesDistance(10);}}

　　此時(shí)mDataset里存放著當(dāng)前要顯示的折線的所有XYSeries，每個(gè)折線XY序列存放在mCurrentSeries[i]中，如果想在該折線圖上增加一個(gè)數(shù)據(jù)只要調(diào)用mCurrentSeries[i].add(x, y)即可;如果想顯示或隱藏某個(gè)折線圖只要調(diào)用圖表層的mRenderer和數(shù)據(jù)層mDataset移出對(duì)應(yīng)的折線和折線序列即可?！咎崆耙徊?5)：如何往對(duì)應(yīng)的折線中增加數(shù)據(jù)，以及如何顯示隱藏某條折線】

　　publicvoidshowLine(int i){

　　mDataset.addSeries(mCurrentSeries[i]);

　　mRenderer.addSeriesRenderer(renderer[i]);}publicvoidhideLine(int i){

　　mDataset.removeSeries(mCurrentSeries[i]);

　　mRenderer.removeSeriesRenderer(renderer[i]);}publicvoidaddData(int i,double x,double y){

　　mCurrentSeries[i].add(x, y);}

　　上面說過所有圖表都可以建立為一個(gè)view，也可以建立為一個(gè)用于啟動(dòng)activity的intent。這里由于我們需要在中添加其他控件，所以采用view的方式新建圖表。如下setChartViewSetting函數(shù)負(fù)責(zé)當(dāng)圖表沒有建立時(shí)分別實(shí)例化layout和mChartView，并將新建的mChartView加入中圖表所在的layout中，這樣我們就可以看到基本的圖表了。此外，第10行是給圖表加的點(diǎn)擊監(jiān)聽，用于顯示點(diǎn)擊點(diǎn)的詳細(xì)信息(圖11_1軟件最終效果的第6張圖)?！镜谒牟剑簩?shù)據(jù)層和顯示層合成為圖表加入U(xiǎn)I中】

　　publicvoidsetChartViewSetting(final Activity activity){if(mChartView == null){

　　LinearLayout layout =(LinearLayout) activity

　　.findViewById(R.id.chart);

　　mChartView = ChartFactory.getLineChartView(activity, mDataset,

　　mRenderer);

　　mRenderer.setClickEnabled(true);

　　mRenderer.setSelectableBuffer(10);

　　mChartView.setOnClickListener(newView.OnClickListener(){publicvoidonClick(View v){

　　……(略)}});

　　layout.addView(mChartView,newLayoutParams(

　　LayoutParams.WRAP_CONTENT, LayoutParams.WRAP_CONTENT));}else{

　　mChartView.repaint();}}
 

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　　14 整體邏輯梳理

　　其實(shí)仔細(xì)觀察的讀者會(huì)發(fā)現(xiàn)：本次的和上次的大致相同。前一階段都是點(diǎn)擊按鈕來連接遠(yuǎn)程藍(lán)牙設(shè)備。而不同之處在于上一章是通過加減按鈕向小風(fēng)扇發(fā)送速度控制命令來控制速度，這一章是不斷讀取手環(huán)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并用折線圖繪制出來。整體業(yè)務(wù)邏輯還是在控件的點(diǎn)擊事件和handleMessage之間有序進(jìn)行，下面將著重說明數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示及一些用于優(yōu)化操作的細(xì)節(jié)。

　　在onCreate中首先實(shí)例化藍(lán)牙三劍客，接著實(shí)例化數(shù)據(jù)池和折線圖表，然后調(diào)用折線圖類的成員函數(shù)對(duì)折線圖做前期設(shè)置，最后啟動(dòng)ChartThread線程。

　　mBlueToothSearch =newBlueToothSearch(this, myHandler);

　　mBlueToothConnect =newBlueToothConnect(myHandler);

　　mBlueToothCommunicate =newBlueToothCommunicate(myHandler);

　　mDataPool =newDataPool(20000);

　　mChartLine =newChartLine();

　　mChartLine.setChartSettings("Time","",0,100,-20000,20000, Color.WHITE, Color.WHITE);

　　mChartLine.setLineSettings();

　　ChartThread.start();

　　在此之后便是對(duì)連接手環(huán)按鈕做的相關(guān)設(shè)置，這里和上一章中的連接風(fēng)扇幾乎一樣，關(guān)鍵在于理解藍(lán)牙三劍客通過線程啟動(dòng)并通過handler將消息反饋的機(jī)制。

　　這樣當(dāng)點(diǎn)擊連接手環(huán)的按鈕之后，然后在handler的溝通下上位機(jī)和下位機(jī)最終實(shí)現(xiàn)可通信。此時(shí)下位機(jī)一旦有數(shù)據(jù)傳送上來，上位機(jī)便快速的將其放入數(shù)據(jù)池內(nèi)。那么程序是在成么時(shí)候取數(shù)據(jù)并更新UI的呢?秘密就在于()!

　　private Thread ChartThread =newThread(){publicvoidrun(){while(true){try{sleep(100);

　　Message msg =newMessage();

　　msg.what =0x04;

　　myHandler.sendMessage(msg);}catch(InterruptedException e){}}}};

　　從上面的可以看出ChartThread主要負(fù)責(zé)周期性發(fā)送類別為0x04的消息，而在handleMessage的case 0x04中則是負(fù)責(zé)獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并更新UI的。之所以這樣繞個(gè)彎是因?yàn)閁I更新一旦放在ChartThread中就會(huì)導(dǎo)致程序運(yùn)行異常。這里的數(shù)據(jù)獲取和更新也比較容易理解：首先調(diào)用數(shù)據(jù)池的ask函數(shù)從p_write向后找40個(gè)數(shù)據(jù)尋找并解析有效幀，如果成功則最新的XYZ三軸的加速度已經(jīng)保存在mDataPool的公有成員XYZ中。下面第3行是計(jì)算合加速度(減去16000是為了方便顯示)，接著6到9行負(fù)責(zé)分別將三軸加速度及其合速度值加入折線圖。第10到13行便是我們簡(jiǎn)單的記步算法了，即當(dāng)合加速值超過設(shè)定的記步閾值時(shí)記步數(shù)加一。第15、16行是控制折線圖滾動(dòng)到最新的位置并刷新ChartView。

　　case0x04:if(mDataPool.ask()==true){int all =(int) Math.sqrt(mDataPool.X * mDataPool.X

　　+ mDataPool.Y * mDataPool.Y + mDataPool.Z

　　* mDataPool.Z)-16000;

　　mChartLine.addData(0, mTime, mDataPool.X);

　　mChartLine.addData(1, mTime, mDataPool.Y);

　　mChartLine.addData(2, mTime, mDataPool.Z);

　　mChartLine.addData(3, mTime, all);if(all > mUpperLimit){

　　mNum++;

　　mTextView2.setText("當(dāng)前記步數(shù)為: "+ mNum);}

　　mTime +=1;

　　mChartLine.letChartMove(mTime);

　　mChartLine.mChartView.repaint();}break;

　　綜上，當(dāng)建立藍(lán)牙通信后，整個(gè)應(yīng)用程序中主要有三個(gè)線程：

　　①用于不斷讀取串口數(shù)據(jù)并將其存入數(shù)據(jù)池的數(shù)據(jù)線程;

　?、谟糜谥芷谛园l(fā)送0x04消息的信號(hào)線程;

　?、垭[蔽而重要的主線程(UI更新等操作)。

　　如圖14_2所示：一方面數(shù)據(jù)線程不斷讀取數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)池，另一方面信號(hào)線程周期性發(fā)送0x04消息觸發(fā)handleMessage的case 0x04執(zhí)行ask讀數(shù)據(jù)函數(shù)，當(dāng)成功解析到有效數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)在主線程中記步并更新UI。

　　此外，還有一些其他的控件用于提高交互性，如表14_1所示：開始/停止按鈕用于控制折線圖是否動(dòng)態(tài)滾動(dòng)，當(dāng)停止折線圖動(dòng)態(tài)滾動(dòng)時(shí)折線圖的數(shù)據(jù)增加并未被中止，此時(shí)可以方便用戶拖動(dòng)折線圖查看歷史或觀察細(xì)節(jié)。四個(gè)CheckBox用于控制顯示哪一個(gè)折線圖，這樣便于單獨(dú)分析。滾動(dòng)條是用來動(dòng)態(tài)設(shè)置記步閾值的，這樣便于大家深入理解我們的簡(jiǎn)單的記步算法。
 

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