專利名稱：使用磁傳感器的計(jì)步器及測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種計(jì)步器及測量方法，更具體地，涉及一種使用磁傳感器來精確測量步行者的步數(shù)和步長的電子計(jì)步器及測量方法。
一種精確測量步行者步長的電子計(jì)步器包括處理單元、附加在步行者的一只腳上的磁體、以及附加到步行者的另一只腳上的磁傳感器陣列。磁傳感器陣列記錄每跨出一步時(shí)、附加在另一只腳上的磁體所產(chǎn)生的磁場的方向變化，向處理單元提供信號(hào)以記錄步數(shù)。處理單元通過利用磁場的強(qiáng)度和方向來計(jì)算距離，從而計(jì)算出步長。
背景技術(shù)：
計(jì)步器是用于測量步行者行走(奔跑)的步數(shù)、步長和距離的設(shè)備。通過與計(jì)時(shí)器一起使用，計(jì)步器可以用于測量并提供步行者行走(奔跑)的步頻和速度。
美國專利US4,578,769公開了一種測量跑步者的速度、距離、時(shí)間和所消耗的熱量的設(shè)備。位于鞋內(nèi)的壓力開關(guān)或換能器傳感跑步者的腳(鞋)何時(shí)與地面接觸，并產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間與腳與地面的接觸時(shí)間成正比的腳接觸信號(hào)。與壓力開關(guān)或換能器相連的射頻發(fā)射器無線發(fā)射腳接觸信號(hào)。由射頻接收器接收腳接觸信號(hào)。與射頻接收器相連的微處理器僅根據(jù)腳接觸信號(hào)，計(jì)算出表示跑步者速度的輸出速度信號(hào)。與微處理器相連的顯示器根據(jù)輸出速度信號(hào)，顯示跑步者的速度。
美國專利US6,145,389公開了一種精確計(jì)算用戶在行走和奔跑時(shí)的步長的計(jì)步器。利用用戶在每一步中的加速度測量結(jié)果，計(jì)算每一步的步長。所述加速度通過直接或間接附加到用戶腳上的加速度計(jì)來測量。數(shù)據(jù)處理器通過分析加速度計(jì)所測量到的腳的加速度，來執(zhí)行步長的計(jì)算。識(shí)別每一步的加速度值，并結(jié)合一組系數(shù)來計(jì)算每一步的長度。通過校準(zhǔn)處理，確定針對(duì)每個(gè)用戶的系數(shù)組，在所述校準(zhǔn)處理中，計(jì)步器針對(duì)多種不同的行走和奔跑速度，測量用戶步伐的特性。由于獨(dú)立地計(jì)算每一步的步長，用戶可以改變行走和奔跑的速度，而不會(huì)影響距離計(jì)算的精確度。
美國專利US6,243,659公開了一種測量行走或奔跑距離的設(shè)備，所述設(shè)備包括兩個(gè)分離的、互補(bǔ)的電子器件(從屬單元和主控單元)，分別固定在每只鞋上。從屬單元產(chǎn)生信號(hào)；主控單元接收、存儲(chǔ)并處理所述信號(hào)，以計(jì)算速度和距離。在計(jì)算過程中，利用檢測信號(hào)與發(fā)射器和接收器間的距離之間的線性關(guān)系，計(jì)算從屬單元與主控單元之間的距離。如美國專利US6,243,659的附圖4所示，利用了由發(fā)光二極管(LED)發(fā)射的紅外線作為從屬單元與主控單元之間發(fā)射和接收的信號(hào)。
美國專利US6,658,079公開了一種精確測量步行者步長的電子設(shè)備，所述設(shè)備包括處理單元、壓力敏感開關(guān)、附加在步行者的一只腳上的超聲波接收器、以及附加在另一只腳上的超聲波發(fā)生器。當(dāng)行進(jìn)一步時(shí)，固定在鞋上的壓力敏感開關(guān)閉合一次，從而向處理單元提供信號(hào)，以記錄步數(shù)。處理單元通過利用超聲波計(jì)算距離來計(jì)算步長。
以上美國專利分別公開了利用壓力信號(hào)、加速度計(jì)、紅外線信號(hào)和超聲波信號(hào)來測量步行者步數(shù)和步長的各種電子設(shè)備。
本發(fā)明提供了一種使用磁傳感器來精確測量步行者的步數(shù)和步長的電子計(jì)步器及測量方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種使用磁傳感器來精確測量步行者的步數(shù)和步長的電子計(jì)步器及測量方法。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的第一方案，提出了一種使用磁傳感器的計(jì)步器，包括輸入設(shè)備，用于由用戶輸入指令和數(shù)據(jù)；條形磁體，附加在用戶的一只腳上，用于產(chǎn)生時(shí)不變磁場；磁傳感器，附加在用戶的另一只腳上，用于測量由條形磁體產(chǎn)生的磁通密度的水平分量Sx；輸出設(shè)備，用于向用戶輸出各種測量結(jié)果和系統(tǒng)信息；微處理器，用于與輸入設(shè)備、磁傳感器和輸出設(shè)備進(jìn)行信號(hào)連接，根據(jù)磁傳感器所測量到的磁通密度的水平分量是否穿越零點(diǎn)，對(duì)用戶所行走的步數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并根據(jù)用戶的需要，將所計(jì)數(shù)出的步數(shù)通過輸出設(shè)備提供給用戶。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的第二方案，提出了一種使用磁傳感器的計(jì)步器，包括輸入設(shè)備，用于由用戶輸入指令和數(shù)據(jù)；條形磁體，附加在用戶的一只腳上，用于產(chǎn)生時(shí)不變磁場；磁傳感器，附加在用戶的另一只腳上，用于測量由條形磁體產(chǎn)生的磁通密度的水平分量Sx和垂直分量Sy；輸出設(shè)備，用于向用戶輸出各種測量結(jié)果和系統(tǒng)信息；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)表明了磁通密度的垂直分量的最小值Symin或最大值與平行站立時(shí)兩腳之間的實(shí)際距離DA之間的關(guān)系的第一表格、以及表明了磁通密度的歸一化幅值M與步長LS和平行站立時(shí)兩腳之間的實(shí)際距離DA的比例R之間的關(guān)系的第二表格；微處理器，用于與輸入設(shè)備、磁傳感器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和輸出設(shè)備進(jìn)行信號(hào)連接，根據(jù)磁傳感器所測量到的磁通密度的水平分量Sx和垂直分量Sy、以及存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的第一表格和第二表格，確定用戶的步長LS，并根據(jù)用戶的需要，將所計(jì)算出的步長LS通過輸出設(shè)備提供給用戶。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的第三方案，提出了一種使用磁傳感器來計(jì)數(shù)步數(shù)的方法，包括以下步驟初始化，將步數(shù)計(jì)數(shù)NS設(shè)置為0；利用附加在用戶的一只腳上的磁傳感器，測量由附加在用戶的一只腳上的條形磁體產(chǎn)生的磁通密度的水平分量；當(dāng)磁傳感器所測量到的磁通密度的水平分量穿越零點(diǎn)時(shí)，將步數(shù)計(jì)數(shù)NS加1，累計(jì)用戶所行走的步數(shù)；以及將所計(jì)數(shù)出的步數(shù)NS通過輸出設(shè)備提供給用戶。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的第四方案，提出了一種使用磁傳感器來測量步長的方法，包括以下步驟確定磁通密度的垂直分量的最小值Symin或最大值為預(yù)定數(shù)值時(shí)，平行站立時(shí)兩腳之間的校準(zhǔn)距離DC；利用附加在用戶的一只腳上的磁傳感器，測量由附加在用戶的另一只腳上的條形磁體產(chǎn)生的磁通密度的水平分量Sx和垂直分量Sy；根據(jù)所述校準(zhǔn)距離DC、磁傳感器所測量到的磁通密度的垂直分量的最小值Symin或最大值、和存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的第一表格，確定平行站立時(shí)兩腳之間的實(shí)際距離DA，所述第一表格表明了磁通密度的垂直分量的最小值Symin或最大值與平行站立時(shí)兩腳之間的實(shí)際距離DA之間的關(guān)系；根據(jù)磁傳感器所測量到的磁通密度的水平分量和垂直分量，計(jì)算磁通密度的幅值M；根據(jù)磁通密度的最小幅值A(chǔ)與最大幅值B的比A/B、和存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的第二表格，確定步長LS和平行站立時(shí)兩腳之間的實(shí)際距離DA的比例R，所述第二表格表明了磁通密度的歸一化幅值M與步長LS和平行站立時(shí)兩腳之間的實(shí)際距離DA的比例R之間的關(guān)系；根據(jù)平行站立時(shí)兩腳之間的實(shí)際距離DA和所述比例R，確定用戶的步長LS；以及將所計(jì)算出的步長LS通過輸出設(shè)備提供給用戶。
根據(jù)本發(fā)明的計(jì)步器及測量方法利用了條形磁鐵的磁力線方向和強(qiáng)度在行走的過程中將隨著雙腳的移動(dòng)而發(fā)生變化的特性，可以通過簡單地測量，精確地計(jì)算出步行者所行走的步數(shù)。而且，可以利用上述特性，通過查表或差值的方式，簡單而精確地計(jì)算出步行者的步長。


下面將參照附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述，其中圖1示出了條形磁體的磁力線。
圖2示出了如何將條形永磁體和指南針附加到步行者的雙腳上。
圖3A～3C示出了步行者的雙腳處于不同位置時(shí)磁場(磁力線)方向的變化。
圖4示出了針對(duì)磁傳感器SX和SY的輸出而定義的坐標(biāo)系統(tǒng)。
圖5是示出了在X＝1.0的情況下，針對(duì)Y從-3到3而繪制的磁傳感器SX和SY的輸出Sx和Sy及其幅值M的曲線圖。
圖6是示出了在Y＝0.0的情況下，針對(duì)X從0.75到1.25而繪制的磁傳感器SY的輸出Sy的曲線圖。
圖7是示出了在行走過程中、傳感器所測量到的波形的曲線圖。
圖8是示出了根據(jù)本發(fā)明的計(jì)步器1300的方框圖。
圖9是示出了根據(jù)本發(fā)明對(duì)步行者的步數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)的方法的流程圖。
圖10是示出了根據(jù)本發(fā)明計(jì)算步行者的步長的方法的流程圖。
圖11是示出了坡莫合金中的磁阻效應(yīng)的示意圖。
圖12是示出了磁阻效應(yīng)的線性化的示意圖。
圖13是示出了在不同溫度下、輸出電壓與橫向磁場Hy之間的關(guān)系的曲線圖。
圖14是示出了典型MR傳感器電路的示意圖。
圖15示出了典型步長測量電路的方框圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合

本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。應(yīng)該指出，所描述的實(shí)施例僅是為了說明的目的，而不是對(duì)本發(fā)明范圍的限制。所描述的各種數(shù)值并非用于限定本發(fā)明，這些數(shù)值可以根據(jù)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員的需要進(jìn)行任何適當(dāng)?shù)男薷摹?br> 基本原理圖1示出了條形磁體的磁力線。條形永磁體具有不可見的磁場，但該磁場可以通過鐵屑反映出來。
圖2示出了如何將條形永磁體和指南針附加到步行者的雙腳上。如圖2所示，將磁體附加到步行者的左腳上，而將指南針附加到步行者的右腳上。
圖3A～3C示出了步行者的雙腳處于不同位置時(shí)磁場(磁力線)方向的變化。磁場的方向隨著磁體和指南針之間的相對(duì)位置而改變。圖3A示出了左腳在右腳前方的情況，圖3B示出了左腳與右腳平行的情況，以及圖3C示出了左腳在右腳后方的情況。
圖4示出了針對(duì)磁傳感器SX和SY的輸出而定義的坐標(biāo)系統(tǒng)。如果以兩個(gè)磁感應(yīng)器(穿戴在右腳上的傳感器SX和傳感器SY)代替指南針，則可以根據(jù)如圖4所示的坐標(biāo)系統(tǒng)，繪制出這些傳感器的輸出，即磁通密度。應(yīng)當(dāng)注意，傳感器SX測量磁通密度的x分量(Sx)，而傳感器SY測量磁通密度的y分量(Sy)。
坐標(biāo)系的原點(diǎn)O在左腳的中心，并且將所有距離對(duì)平行站立時(shí)兩腳之間的距離進(jìn)行歸一化，即當(dāng)如圖4所示，左右腳彼此平行時(shí)，兩腳之間的距離為1。
圖5是示出了在X＝1.0的情況下，針對(duì)Y從-3到3而繪制的磁傳感器SX和SY的輸出Sx和Sy及其幅值M的曲線圖。
當(dāng)X＝1.0時(shí)，針對(duì)Y從-3到3，繪制了傳感器SX和傳感器SY的輸出Sx和Sy。圖5中還示出了磁通密度的幅值M，即 圖6是示出了在Y＝0.0的情況下，針對(duì)X從0.75到1.25而繪制的磁傳感器SY的輸出Sy的曲線圖。
可以在附件(Magnetic Field Sensors-General，Philips DataSheet)中找到與用于繪制這些曲線的函數(shù)有關(guān)的詳細(xì)推導(dǎo)。
如果針對(duì)已知的距離，對(duì)傳感器SY的輸出Sy的數(shù)值進(jìn)行了校準(zhǔn)，例如，當(dāng)Sy＝-1時(shí)，平行站立的兩腳之間的距離是30cm，則圖6提供了用于計(jì)算當(dāng)輸出Sy不等于-1.0時(shí)、平行站立的兩腳之間的距離所需的信息。此外，根據(jù)圖5，如果測量這些傳感器的幅值，并針對(duì)Sy的最小值Symin所在的位置處的磁通密度幅值M進(jìn)行歸一化，則可以容易地計(jì)算出步長。由圖5中傳感器SX的輸出曲線Sx(虛線)可以看到傳感器SX的輸出Sx每一步穿越零點(diǎn)一次，因此，此零點(diǎn)穿越可以用于對(duì)步數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，而無需如現(xiàn)有計(jì)步器通常需要的那樣使用任何機(jī)械開關(guān)。
圖7是示出了在行走過程中、傳感器所測量到的波形的曲線圖。稍后，將結(jié)合圖9和10對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的描述。
圖8是示出了根據(jù)本發(fā)明的計(jì)步器1300的方框圖。
如圖8所示，根據(jù)本發(fā)明的計(jì)步器1300包括微處理器1301、輸入設(shè)備1302、磁傳感器1304、條形永磁體1306、輸出設(shè)備1308、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器1310和電源1312。
微處理器1301與輸入設(shè)備1302、磁傳感器1304、輸出設(shè)備1308和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器1310進(jìn)行信號(hào)連接。
輸入設(shè)備1302用于輸入用戶指令和數(shù)據(jù)。
磁傳感器1304可以包括一個(gè)磁傳感器或兩個(gè)磁傳感器。當(dāng)包含一個(gè)磁傳感器時(shí)，所述磁傳感器用于測量由條形永磁體1306產(chǎn)生的磁場H的水平分量Hx。當(dāng)包含兩個(gè)磁傳感器時(shí)，一個(gè)磁傳感器用于測量由條形永磁體1306產(chǎn)生的磁場H的水平分量Hx，而另一個(gè)磁傳感器用于測量垂直分量Hy。這里的描述采用了如圖4所示的坐標(biāo)系。
條形永磁體1306將產(chǎn)生如圖1所示的磁場，將對(duì)位于其磁場作用下的磁傳感器1304產(chǎn)生磁力作用。
輸出設(shè)備1308可以是顯示器、揚(yáng)聲器、發(fā)光二極管(LED)等，用于向用戶輸出所測量到的各種結(jié)果以及系統(tǒng)信息。對(duì)于本發(fā)明的計(jì)步器，其主要輸出所測量到的步數(shù)和步長，這些輸出可以是可視輸出和/或可聽輸出。
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器1310主要用于存儲(chǔ)兩個(gè)表格。在第一個(gè)表格中，存儲(chǔ)與圖6所示的曲線相對(duì)應(yīng)的各種數(shù)值。如稍后所述，在確定平行站立時(shí)兩腳之間的實(shí)際距離DA時(shí)，將利用此表格。在第二個(gè)表格中，存儲(chǔ)與圖5所示的曲線(磁通密度幅值M的曲線)相對(duì)應(yīng)的各種數(shù)值。如稍后所述，在確定步長LS與平行站立時(shí)兩腳之間的實(shí)際距離DA之間的比例關(guān)系R時(shí)，將利用此表格。根據(jù)所要求的精度和存儲(chǔ)器容量的不同，可以存儲(chǔ)較多或較少的數(shù)據(jù)。
電源1312為各種設(shè)備提供電源。
各種設(shè)備之間的連接可以是有線連接，也可以是無線連接，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x擇。
圖9是示出了根據(jù)本發(fā)明對(duì)步行者的步數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)的方法的流程圖。
首先，在步驟S1400，用戶通過輸入設(shè)備1302啟動(dòng)計(jì)步器，由微處理器1301對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，將步數(shù)計(jì)數(shù)NS設(shè)置為0。
然后，在步驟S1402，微處理器1301啟動(dòng)磁傳感器1304，對(duì)于僅計(jì)數(shù)步數(shù)的應(yīng)用而言，只需要用于測量磁通密度的水平分量Sx的一個(gè)磁傳感器SX，由磁傳感器1304(SX)測量磁通密度的水平分量Sx。
之后，出于顯示的目的，在步驟S1404，顯示步數(shù)計(jì)數(shù)NS。但是，也可以根據(jù)需要，在完成全部計(jì)數(shù)之后，再顯示步數(shù)計(jì)數(shù)NS。
在步驟S1406中，微處理器1301確定用戶是否通過輸入設(shè)備1302輸入結(jié)束計(jì)步操作的命令。如果是，則在步驟S1412結(jié)束整個(gè)處理。
如果微處理器1301確定用戶并未主動(dòng)結(jié)束計(jì)步操作(步驟S1406“否”)，則處理進(jìn)行到步驟S1408。在步驟S1408，微處理器1301確定由磁傳感器1304(SX)測量的磁通密度的水平分量Sx是否穿越零點(diǎn)(參見圖7)。如果在步驟S1408確定Sx并未穿越零點(diǎn)，則返回到步驟S1402，繼續(xù)測量磁通密度的水平分量Sx。如果在步驟S1408中確定Sx已經(jīng)穿越零點(diǎn)，則微處理器1301先將步數(shù)計(jì)數(shù)NS加1，然后再返回到步驟S1402，繼續(xù)測量磁通密度的水平分量Sx。
只要用戶不發(fā)出結(jié)束指令(步驟S1406“否”)，則計(jì)步器1300將一直工作，并計(jì)算步行者所行走的步數(shù)。當(dāng)然，本發(fā)明不僅可以計(jì)算步行者所行走的總步數(shù)，也可以根據(jù)行走所花費(fèi)的時(shí)間來計(jì)算步行者的步頻(即總步數(shù)/總時(shí)間)。這對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言是顯而易見的。
圖10是示出了根據(jù)本發(fā)明計(jì)算步行者的步長的方法的流程圖。
首先，在步驟S1500，用戶通過輸入設(shè)備1302啟動(dòng)計(jì)步器。不同于圖9所示的方法，微處理器1301首先進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)，即確定當(dāng)磁通密度的垂直分量Sy為預(yù)定數(shù)值時(shí)，平行站立的兩腳之間的校準(zhǔn)距離DC。此校準(zhǔn)距離DC可以由用戶通過輸入設(shè)備1302手動(dòng)輸入，或者在計(jì)步器1300出廠時(shí)預(yù)先設(shè)定在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器1310中。
然后，在步驟S1502，微處理器1301啟動(dòng)磁傳感器1304(SX和SY)。對(duì)于計(jì)算步行者步長的應(yīng)用，需要兩個(gè)磁傳感器SX和SY，分別測量磁通密度的水平分量Sx和垂直分量Sy。
在步驟S1504，微處理器1301根據(jù)來自磁傳感器1304(SY)的測量結(jié)果，找出磁通密度的垂直分量Sy的最小值Symin。然后，在步驟S1506，由微處理器1301根據(jù)Symin和存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器1310中的第1表格(對(duì)應(yīng)于圖6所示的曲線)，通過查表或差值處理，得到平行站立時(shí)兩腳之間的實(shí)際距離DA。
在步驟S1508，微處理器1301根據(jù)來自磁傳感器1304(SX和SY)的測量結(jié)果，計(jì)算磁通密度的幅值 。然后，在步驟S1510，微處理器1301從計(jì)算出的磁通密度的幅值 中找出最小幅值A(chǔ)和最大幅值B(參見圖7)，由此計(jì)算得出二者之比A/B。之后，在步驟S1512中，微處理器1301根據(jù)A/B和存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器1310中的第2表格(對(duì)應(yīng)于圖5所示的磁通密度幅值曲線)，通過查表或差值處理，得到步長LS與平行站立時(shí)兩腳之間的實(shí)際距離DA之間的比例關(guān)系R。
上述步驟S1504～S1506與步驟S1508～S1512可以同時(shí)執(zhí)行，或者先后執(zhí)行，可以根據(jù)微處理器1301的能力來決定。
在完成步驟S1506和步驟S1512之后，微處理器1301根據(jù)平行站立時(shí)兩腳之間的實(shí)際距離DA以及步長LS與DA之間的比例關(guān)系R，計(jì)算步長LS＝DA×R，并可以根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)置，通過輸出設(shè)備1308輸出(包括顯示和廣播等)。
另外，以上對(duì)于磁通密度的垂直分量的最小值(Symin)的定義是基于圖4所示的坐標(biāo)系確定的，當(dāng)以相反的坐標(biāo)系或相反的條形永磁體南北極設(shè)置進(jìn)行計(jì)算時(shí)，與上述磁通密度的垂直分量的最小值(Symin)相對(duì)應(yīng)的數(shù)值也可能是磁通密度的垂直分量的最大值。發(fā)明人認(rèn)為本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)坐標(biāo)系以及磁極的設(shè)置，可以容易地確定要選取磁通密度的垂直分量的最小值還是最大值。
此外，通過結(jié)合如圖9所示的步數(shù)計(jì)數(shù)方法，微處理器1301還可以根據(jù)用戶行走的步長、總時(shí)間和總步數(shù)，計(jì)算用戶行走的路程、速度和步頻，并將結(jié)果通過輸出設(shè)備1308提供給用戶。
為了更清楚地解釋圖10所示的步長測量方法的各個(gè)步驟，以下將結(jié)合附圖5～7，給出特定的數(shù)值示例。應(yīng)當(dāng)理解，以下所給出的各種數(shù)值，只是作為示例的目的，而不應(yīng)當(dāng)將其理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的任何限制。
首先，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)(步驟S1500)，從而當(dāng)平行站立的兩腳之間的距離是30cm時(shí)，Sy＝-1.0(預(yù)定數(shù)值)。如圖6所示，例如，如果所測量到的最小值Symin是-1.3(步驟S1504)，則兩腳之間的實(shí)際距離是30cm×0.915＝27.45cm(步驟S1506，“DA”)。
在圖7中，點(diǎn)劃線是兩個(gè)傳感器1304(SX和SY)的總幅值(即 )(步驟S1508)。如果A/B的比值為0.2(步驟S1510)，則如圖5所示，相對(duì)于平行站立時(shí)兩腳之間的距離，步長具有因子2(步驟S1512，“R”)。因此，步長LS＝27.45cm×2＝54.9cm(步驟S1514)。
原型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)發(fā)明人利用以下組件構(gòu)建了原型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。
磁阻傳感器圖11是示出了坡莫合金中的磁阻效應(yīng)的示意圖。
磁阻(MR)傳感器利用了磁阻效應(yīng)，即在出現(xiàn)外部磁場時(shí)，載流磁性材料的電阻發(fā)生改變的特性。用于磁場的普通單位是1kA/m或1.25毫特斯拉(12.5高斯)(在空氣中)。圖11示出了被稱為坡莫合金(19％Fe，81％Ni)的鐵磁材料條。假設(shè)沒有外部磁場時(shí)，坡莫合金的內(nèi)部磁化矢量平行于電流方向(圖11所示為從左向右流過坡莫合金)。
如果施加外部磁場H，平行于坡莫合金平面但與電流垂直，則坡莫合金的內(nèi)部磁化矢量將旋轉(zhuǎn)角度α。結(jié)果，坡莫合金的電阻R將作為旋轉(zhuǎn)角度α的函數(shù)發(fā)生變化，由以下公式(1)給出R＝R0+ΔR0cos2α(1)R0和ΔR0是材料參數(shù)。為了實(shí)現(xiàn)最佳的傳感器特性，飛利浦公司(Philips)采用了具有高R0值和低磁致形變的Fe19Ni81。利用此材料，ΔR0大約為3％的數(shù)量級(jí)。根據(jù)此二次等式可知，電阻/磁場特性是非線形的，而且每個(gè)數(shù)值R不必與惟一的數(shù)值H相關(guān)聯(lián)。但是，通過將鋁條(Barber pole(理店桿式))與條的軸向成45°地設(shè)置在坡莫合金條的頂部，如圖12所示，可以使磁阻效應(yīng)線性化。由于鋁比坡莫合金具有更高的傳導(dǎo)性，Barber pole的作用是將電流方向旋轉(zhuǎn)45°(電流為“鋸齒”形，如圖12所示)，有效地將磁化方向相對(duì)于電流方向的旋轉(zhuǎn)角度從a變?yōu)閍-45°。而且，將惠斯通電橋結(jié)構(gòu)用于線形應(yīng)用。在一對(duì)對(duì)角線相對(duì)的元件中，Barber pole與條的軸向成45°角，而在另一對(duì)中，成-45°角。因此，一對(duì)元件中由于外部磁場而引起的電阻增加與另一對(duì)元件中相同幅度的電阻減小“相匹配”。于是，所得到的橋失衡是在坡莫合金條平面內(nèi)與條的軸向正交的外部磁場的幅度的線性函數(shù)。
實(shí)用的MR傳感器根據(jù)上述原理，飛利浦公司生產(chǎn)了一系列基本的磁阻傳感器。KMZ傳感器的主要特性如表1所示。
表1飛利浦KMZ系列MR傳感器的特性

(1)在空氣中，1kA/m對(duì)應(yīng)于1.25mT。
典型磁阻傳感器(KMZ10B)的輸出-溫度曲線如圖13所示。由圖13可以看到，在磁阻傳感器的工作范圍(-2.0KA/m≤Hy≤+2.0KA/m)內(nèi)，磁阻傳感器的輸出電壓Vo與橫向磁場Hy成線性關(guān)系。而且，隨著溫度Tamb的增加，磁阻傳感器的輸出電壓Vo的幅值減小，因此，磁阻傳感器具有負(fù)溫度系數(shù)。
典型的傳感器電路在本發(fā)明的步長測量應(yīng)用中，作為線位置的函數(shù)來測量模擬信號(hào)，較好的應(yīng)用電路應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)傳感器的偏移和靈敏度調(diào)整。而且，由于大多數(shù)磁場傳感器的靈敏度隨著溫度的變化發(fā)生漂移(參見圖13)，同樣需要對(duì)此漂移進(jìn)行補(bǔ)償?；倦娐啡鐖D14所示。
在第一級(jí)中，對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行預(yù)放大和偏移調(diào)整。在補(bǔ)償了溫度效應(yīng)之后，在最后一級(jí)中，進(jìn)行最后的放大和靈敏度調(diào)整。飛利浦公司的磁阻傳感器隨著溫度的變化具有線性漂移，所以需要對(duì)具有線性特性的溫度傳感器進(jìn)行補(bǔ)償。飛利浦的KTY系列溫度傳感器適用于此目的，其正溫度系數(shù)(TC)與MR傳感器的負(fù)TC匹配得非常好。可以利用兩個(gè)電阻器R7和R8來控制補(bǔ)償?shù)某潭?，而且?yīng)當(dāng)使用具有非常低的偏移和溫度漂移的特定運(yùn)算放大器來確保在較大的溫度范圍內(nèi)補(bǔ)償恒定。
典型的步長測量單元圖15示出了典型步長測量單元的方框圖?？梢岳脙蓚€(gè)MD傳感器容易地實(shí)現(xiàn)如圖15所示的典型步長測量單元。每個(gè)MD傳感器提供對(duì)一個(gè)軸向上的磁場強(qiáng)度的測量。微處理器提供信號(hào)調(diào)節(jié)和步長計(jì)算。信號(hào)調(diào)節(jié)包括反位(flipping)時(shí)鐘產(chǎn)生、偏移消除、以及溫度補(bǔ)償?？梢岳么鎯?chǔ)在存儲(chǔ)器(如EEPROM、RAM、ROM、硬盤、閃存、光盤等)中的預(yù)加載校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，容易地計(jì)算步長。
盡管已經(jīng)針對(duì)典型實(shí)施例示出和描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該理解，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以進(jìn)行各種其他的改變、替換和添加。因此，本發(fā)明不應(yīng)該被理解為被局限于上述特定實(shí)例，而應(yīng)當(dāng)由所附權(quán)利要求所限定。
權(quán)利要求
1.一種使用磁傳感器(1304)的計(jì)步器(1300)，包括輸入設(shè)備(1302)，用于由用戶輸入指令和數(shù)據(jù)；條形磁體(1306)，附加在用戶的一只腳上，用于產(chǎn)生時(shí)不變磁場；磁傳感器(1304)，附加在用戶的另一只腳上，用于測量由條形磁體產(chǎn)生的磁通密度的水平分量(Sx)；輸出設(shè)備(1308)，用于向用戶輸出各種測量結(jié)果和系統(tǒng)信息；微處理器(1300)，用于與輸入設(shè)備、磁傳感器和輸出設(shè)備進(jìn)行信號(hào)連接，根據(jù)磁傳感器所測量到的磁通密度的水平分量是否穿越零點(diǎn)，對(duì)用戶所行走的步數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并根據(jù)用戶的需要，將所計(jì)數(shù)出的步數(shù)通過輸出設(shè)備提供給用戶。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用磁傳感器(1304)的計(jì)步器(1300)，其特征在于所述微處理器還根據(jù)用戶行走的總時(shí)間和總步數(shù)，計(jì)算用戶的步頻，并將結(jié)果通過輸出設(shè)備提供給用戶。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的使用磁傳感器(1304)的計(jì)步器(1300)，其特征在于所述磁傳感器是磁阻傳感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的使用磁傳感器(1304)的計(jì)步器(1300)，其特征在于所述磁阻傳感器包括偏移調(diào)整、溫度補(bǔ)償和靈敏度調(diào)整電路。
5.據(jù)權(quán)利要求1或2所述的使用磁傳感器(1304)的計(jì)步器(1300)，其特征在于所述輸出設(shè)備提供可視輸出、可聽輸出中的至少一種。
6.一種使用磁傳感器(1304)的計(jì)步器(1300)，包括輸入設(shè)備(1302)，用于由用戶輸入指令和數(shù)據(jù)；條形磁體(1306)，附加在用戶的一只腳上，用于產(chǎn)生時(shí)不變磁場；磁傳感器(1304)，附加在用戶的另一只腳上，用于測量由條形磁體產(chǎn)生的磁通密度的水平分量(Sx)和垂直分量(Sy)；輸出設(shè)備(1308)，用于向用戶輸出各種測量結(jié)果和系統(tǒng)信息；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)(1310)，用于存儲(chǔ)表明了磁通密度的垂直分量的最小值(Symin)或最大值與平行站立時(shí)兩腳之間的實(shí)際距離(DA)之間的關(guān)系的第一表格、以及表明了磁通密度的歸一化幅值(M)與步長(LS)和平行站立時(shí)兩腳之間的實(shí)際距離(DA)的比例(R)之間的關(guān)系的第二表格；微處理器(1300)，用于與輸入設(shè)備、磁傳感器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和輸出設(shè)備進(jìn)行信號(hào)連接，根據(jù)磁傳感器所測量到的磁通密度的水平分量(Sx)和垂直分量(Sy)、以及存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的第一表格和第二表格，確定用戶的步長(LS)，并根據(jù)用戶的需要，將所計(jì)算出的步長(LS)通過輸出設(shè)備提供給用戶。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的使用磁傳感器(1304)的計(jì)步器(1300)，其特征在于所述微處理器還根據(jù)磁傳感器所測量到的磁通密度的水平分量是否穿越零點(diǎn)，對(duì)用戶所行走的步數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并根據(jù)用戶的需要，將所計(jì)數(shù)出的步數(shù)通過輸出設(shè)備提供給用戶。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的使用磁傳感器(1304)的計(jì)步器(1300)，其特征在于所述微處理器還根據(jù)用戶行走的步長、總時(shí)間和總步數(shù)，計(jì)算用戶行走的路程、速度和步頻，并將結(jié)果通過輸出設(shè)備提供給用戶。
9.根據(jù)權(quán)利要求6到8之一所述的使用磁傳感器(1304)的計(jì)步器(1300)，其特征在于所述磁傳感器是磁阻傳感器。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的使用磁傳感器(1304)的計(jì)步器(1300)，其特征在于所述磁阻傳感器包括偏移調(diào)整、溫度補(bǔ)償和靈敏度調(diào)整電路。
11.根據(jù)權(quán)利要求6到8之一所述的使用磁傳感器(1304)的計(jì)步器(1300)，其特征在于所述輸出設(shè)備提供可視輸出、可聽輸出中的至少一種。
12.一種使用磁傳感器(1304)來計(jì)數(shù)步數(shù)的方法，包括以下步驟初始化，將步數(shù)計(jì)數(shù)(NS)設(shè)置為0；利用附加在用戶的一只腳上的磁傳感器，測量由附加在用戶的一只腳上的條形磁體產(chǎn)生的磁通密度的水平分量；當(dāng)磁傳感器所測量到的磁通密度的水平分量穿越零點(diǎn)時(shí)，將步數(shù)計(jì)數(shù)(NS)加1，累計(jì)用戶所行走的步數(shù)；以及將所計(jì)數(shù)出的步數(shù)(NS)通過輸出設(shè)備提供給用戶。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的使用磁傳感器(1304)來計(jì)數(shù)步數(shù)的方法，其特征在于還包括以下步驟根據(jù)用戶行走的總時(shí)間和總步數(shù)，計(jì)算用戶的步頻，并將結(jié)果通過輸出設(shè)備提供給用戶。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的使用磁傳感器(1304)來計(jì)數(shù)步數(shù)的方法，其特征在于所述磁傳感器是磁阻傳感器。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的使用磁傳感器(1304)來計(jì)數(shù)步數(shù)的方法，其特征在于所述磁阻傳感器包括偏移調(diào)整、溫度補(bǔ)償和靈敏度調(diào)整電路。
16.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的使用磁傳感器(1304)來計(jì)數(shù)步數(shù)的方法，其特征在于所述輸出設(shè)備提供可視輸出、可聽輸出中的至少一種。
17.一種使用磁傳感器(1304)來測量步長的方法，包括以下步驟確定磁通密度的垂直分量的最小值(Symin)或最大值為預(yù)定數(shù)值時(shí)，平行站立時(shí)兩腳之間的校準(zhǔn)距離(DC)；利用附加在用戶的一只腳上的磁傳感器，測量由附加在用戶的另一只腳上的條形磁體產(chǎn)生的磁通密度的水平分量(Sx)和垂直分量(Sy)；根據(jù)所述校準(zhǔn)距離(DC)、磁傳感器所測量到的磁通密度的垂直分量的最小值(Symin)或最大值、和存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的第一表格，確定平行站立時(shí)兩腳之間的實(shí)際距離(DA)，所述第一表格表明了磁通密度的垂直分量的最小值(Symin)或最大值與平行站立時(shí)兩腳之間的實(shí)際距離(DA)之間的關(guān)系；根據(jù)磁傳感器所測量到的磁通密度的水平分量和垂直分量，計(jì)算磁通密度的幅值(M)；根據(jù)磁通密度的最小幅值(A)與最大幅值(B)的比(A/B)、和存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的第二表格，確定步長(LS)和平行站立時(shí)兩腳之間的實(shí)際距離(DA)的比例(R)，所述第二表格表明了磁通密度的歸一化幅值(M)與步長(LS)和平行站立時(shí)兩腳之間的實(shí)際距離(DA)的比例(R)之間的關(guān)系；根據(jù)平行站立時(shí)兩腳之間的實(shí)際距離(DA)和所述比例(R)，確定用戶的步長(LS)；以及將所計(jì)算出的步長(LS)通過輸出設(shè)備提供給用戶。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的使用磁傳感器(1304)來測量步長的方法，其特征在于還包括以下步驟根據(jù)磁傳感器所測量到的磁通密度的水平分量是否穿越零點(diǎn)，對(duì)用戶所行走的步數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并根據(jù)用戶的需要，將所計(jì)數(shù)出的步數(shù)通過輸出設(shè)備提供給用戶。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的使用磁傳感器(1304)來測量步長的方法，其特征在于還包括以下步驟根據(jù)用戶行走的步長、總時(shí)間和總步數(shù)，計(jì)算用戶行走的路程、速度和步頻，并將結(jié)果通過輸出設(shè)備提供給用戶。
20.根據(jù)權(quán)利要求17到19之一所述的使用磁傳感器(1304)來測量步長的方法，其特征在于所述磁傳感器是磁阻傳感器。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的使用磁傳感器(1304)來測量步長的方法，其特征在于所述磁阻傳感器包括偏移調(diào)整、溫度補(bǔ)償和靈敏度調(diào)整電路。
22.根據(jù)權(quán)利要求17到19之一所述的使用磁傳感器(1304)來測量步長的方法，其特征在于所述輸出設(shè)備提供可視輸出、可聽輸出中的至少一種。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種使用磁傳感器的計(jì)步器，包括輸入設(shè)備，用于由用戶輸入指令和數(shù)據(jù)；條形磁體，附加在用戶的一只腳上，用于產(chǎn)生時(shí)不變磁場；磁傳感器，附加在用戶的另一只腳上，用于測量由條形磁體產(chǎn)生的磁通密度的水平分量Sx；輸出設(shè)備，用于向用戶輸出各種測量結(jié)果和系統(tǒng)信息；微處理器，用于與輸入設(shè)備、磁傳感器和輸出設(shè)備進(jìn)行信號(hào)連接，根據(jù)磁傳感器所測量到的磁通密度的水平分量是否穿越零點(diǎn)，對(duì)用戶所行走的步數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并根據(jù)用戶的需要，將所計(jì)數(shù)出的步數(shù)通過輸出設(shè)備提供給用戶。另外，本發(fā)明還提出了一種使用磁傳感器來測量步長的計(jì)步器。此外，本發(fā)明還提出了應(yīng)用于上述兩種計(jì)步器的步數(shù)和步長測量方法。
文檔編號(hào)G01C22/00GK101086450SQ20061009125
公開日2007年12月12日 申請日期2006年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月8日
發(fā)明者劉子修 申請人:敦贊有限公司