便携式足球运动员机能状态监控器的嵌入式设计
张旭
摘 要： 设计足球运动员机能状态便携式监控器，提出一种基于嵌入式ARM技术的机能状态监控器设计解决方案。监控器包括主机模块、无线模块、Android模块、Web模块和报警模块等。首先进行监控器的总体设计方案分析，然后对模块进行分别设计，采用嵌入式ARM技术进行主机模块的串口配置和多线程程序开发设计，实现对足球运动员身体机能数据处理和分析，并根据身体机能情况发出报警信息，便于运动员实时调整身体状态。测试表明，该监控器具有较快的运行响应速度，对身体机能监控的准确性较好，具有极大的实用价值。
关键词： 便携式监控器； 足球运动员机能； 总体设计； 嵌入式ARM技术
中图分类号： TN948.64?34； TP274 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）10?0082?04
Abstract： A portable monitor for functional status of soccer players is designed. A design solution of functional state monitor based on embedded ARM technology is proposed. The monitor is composed of host module， wireless module， Android module， Web module and alarm module. The overall design scheme of the monitor is analyzed. All the modules are designed respectively. The embedded ARM technology is adopted to implement development design of serial port configuration and multi?threaded program of the host module， achieve the data processing and analysis of football player physical function， and give out alarm information according to the somatic function of the player， so that the physical state of the soccer player is adjusted in real time. The test result shows that the monitor has fast response speed and great practical value， and can accurately monitor the somatic function of the players.
Keywords： portable monitor； soccer player function； overall design； embedded ARM technology
0 引 言
足球运动员长期进行高强度的剧烈运动和训练，需要进行实时有效的健康监护，保障身体机能状态稳定。运动员的身体机能的指标参数能有效反应运动员的身体状态特征，采用便携式的身体机能监控器进行运动员身体机能，如心肌功能、肺功能以及心血管功能等的监控。并通过Web模块和Android便携仪终端发送数据供监控中心的医生进行状态分析，对心电图或动态心电图进行实时跟踪，保障运动员具有最佳的身体状态，因此研究运动员机能状态监控器具有很强的现实意义[1]。本文研究的便携式足球运动员机能状态监控器建立在嵌入式的ARM平台上进行开发，基于CC2530设备进行系统模块设计和SAE平台开发，对监控器进行嵌入式设计。
1 系统的总体设计方案
本文提出一种基于嵌入式ARM的足球运动员机能状态监控器，利用嵌入式ARM嵌入式系统的小型化模块化设计，得到便携式的足球運动员身体机能监控终端系统。以嵌入式处理器S3C6410处理器为核心构建无线模块和系统的Android终端模块。实现运动员的身体机能数据的实时采集、处理和异常状态分析，并设计核心处理器和相应的外围匹配电路，将采集的足球运动员的身体机能数据通过无线网络传输到病理分析中心供足球运动队医进行数据分析和远程监护，实现运动员自身状态调整和医生的双保险监控，保障运动员的身体状态良好。根据上述原理分析，本文设计的便携式足球运动员机能状态监控器主要分为四大模块：无线模块、主机模块、Android系统终端模块、Web模块[2]。其中，无线模块与主机模块之间需要设计串口通信，进行PC端的串口编程，实现A/D数据传输和信息通信。主机模块和Android模块之间采用Socket套接字创建资源分配的线程，完成机能信息受到和数据分析等操作。Android模块和Web模块之间通过HTTP网络进行远程网络通信传输，把便携式移动终端系统采集的数据发送到远程监护中心，进行病理分析和机能状态监控。
根据图1所示的机能状态监控器的总体设计框架图，进行系统的模块的功能分析和设计技术原理介绍。其中，监控器的无线模块是由便携式传感器组成，通过穿戴方式配置在运动员的身体上，进行运动员的心脏、脉搏和呼吸等身体机能状态数据的原始采集，并将采集的数据实时输入到主机模块中进行信息加工和数据处理。通过数据分析，采用嵌入式技术进行身体机能信息检测。主机模块以S3C2440A芯片为主控芯片，这是一块ARM9芯片内核为ARM920T，主机模块是实现身体机能状态特征分析的关键模块，包括了JTAG调试接口，硬件复位电路系统等关键子系统。在主机模块中通过串口传输身体机能数据给上位机进行分析处理，并通过Web模块将主机模块传送来的数据进行封装汇总[3]，通过串口输出到监控中心，在监控中心进行足球运动员的健康管理。根据上述功能分析，得到本文设计的运动员机能状态监控器的工作流程如图2所示。
2 系统模块化硬件设计
2.1 系统硬件平台
本便携式机能状态监控器设计采用3层架构的设计原理，分为硬件层、中间层和软件层。采用 ZigBee 标准设计进行监控器无线模块、主控系统模块、Android模块设计。其中无线模块采用DS18B20作为外围器件，采用单总线接口方式对足球运动员的身体机能数据进行判断处理，无线模块进行机能状态的传输速率在 20～150 Kb/s，采用相应的 Z?Stack 协议栈进行数据无线收发控制，其他的外围原件和外围电路采用GT8340的32位嵌入式控制芯片。主控芯片采用TMS320VC5509A DSP芯片，该芯片为低功耗16位定点DSP，较好实现便携式机能状态监控和信息处理[4]。
中央控制器有3种工作模式，分别为C，M和J模式，身体机能监控器的驱动器使用具有低耗性能的T9871芯片通过DMA方式送到DSP内部缓冲区驱动App Engine 平台进行程序烧制。在主机模块使用 XML 和 HTTP POST多线程程序控制模式进行数据采集，设计总线及桥接电路，采用多线程程序驱动模式进行及逆行TCP连接，自动调整系统的放大倍数使得监控系统的输出增益处于某个范围。对串口接收的运动员身体机能数据通过信号采集模块、PC端串口模块和多线程驱动模块进行数据处理，并与上位机通信，实现D/A转换和应用程序加载。
根据上述描述，得到本文设计的监控器的数据处理多线程驱动程序图如图3所示。
根据上述硬件平台设计，通 过 HTTP GET 和 HTTP POST把足球运动员的身体机能状态信息转化为UART数据帧格式，在ARM?Linux 平台上进行系统开发和硬件设计，运行网关/服务器应用程序，采用 BWP08 芯片作为主机控制芯片，采用双网络结构设计方法进行监控器模块化硬件设计。
2.2 机能状态监控器的嵌入式模块化硬件设计
对便携式足球运动员机能状态监控器的四大模块：无线模块、主机模块、Android系统终端模块、Web模块详细设计描述如下：
（1） 无线模块。无线模块采用微处理器 STC12C5A60S2 收集足球运动员的机能状态原始数据[5]，STC12C5A60S2 采用片内硬件SPI接口。首先初始化 SPI 接口工作方式，设计振荡电路和复位电路把存储在FLASH中的应用程序通过A/D转换进行信息采样，通过ARM片上的帧同步信号进行完整的RGB数据信号控制[6]。用高电平表示一帧的开始同步信号VFRAME，来配置LCD控制器进行时序逻辑控制，LCD控制器产生STN屏特有的控制信号，输出运动员的机能状态信息，由此完成无线模块的硬件设计。图4为无线模块电路。
（2） 主机模块。主机模块通过控制寄存器/显存、LCDDMA、LPC3600进行状态监控器的中央控制，采用嵌入式技术进行主机模块设计。运动员身体机能监控器的主机模块使用具有低耗性能的T9871芯接收LCDDMA传输的显示数据，结合串口标识位进行12位数据线状态监控[7]，主机控制的命令结构字描述见表1。
采用片内ROM的0F800H～0FBFFH 空间寻址，使用FLASH并行引导外部程序存储器加载，对微处理器 STC12C5A60S2的4位数据总线控制进行块/位读写，GND外的引脚通过卡座内部触点接地。由此完成主机模块设计，设计电路如图5所示。
（3） Android系统终端模块。Android系统终端模块是实现足球运动员机能状态监控器的终端佩戴和便携式设计的模块，采用片内硬件SPI接口设计方法，将主机模块处理的身体机能数据信息通过 Socket 发到Android模块设备中。在Eclipse平台中开发Android代码，主机模块与无线模块通过Android系统终端模块进行串口配置，便携仪监控器采用ZigBee 设备自带的USB口串口实现同步通信方式和异步通信，编写串口的程序进行Socket 端口的监测和运动员身体机能状态调节。通过打开串口方式进行从片内ROM读取执行程序，在PC 端配置串口，读写串口的信号数据，检查外部引脚[MP/MC]的状态，从外部程序存储器中进行监控器的Android系统外部执行程序引入，在片内RAM中读loader首地址，然后关闭串口，得到串口接收流程如图6所示。
在此基础上，采用嵌入式ARM技术完成对Web模块和报警模块的集成设计，进行主机模块的串口配置和多线程程序开发设计，实现对足球运动员身体机能数据处理和分析，并根据身体机能情况发出报警信息，实现了便携式足球运动员机能状态监控器的嵌入式设计。
3 实验测试分析
为了分析本文设计出的机能监控器的应用性能，需要进行一次系统调试实验进行实际分析。实验测试中首先打开Android端的足球运动员机能状态监控应用程序客户端，将便携仪器穿戴到运动员身上，进行身体机能数据采集；在通用设备接口和I/O接口中进行串口配置，采用C5409A XDS510 Emulator仿真器分析机能监控的时间响应和准确性等方面的性能，得到采用本文方法和传统方法的响应性能曲线对比如图8所示。分析得知，采用本文设计的系统具有较短的时间响应，提高了监控器对足球运动员身体机能的敏感识别和监控能力。
4 结 语
本文研究了足球运动员身体机能监控器设计方法，提出一种基于嵌入式ARM技术的机能状态监控器设计解决方案。监控器包括了主机模块、无线模块、Android模块、Web模块和报警模块等。首先进行监控器的总体设计方案分析，然后对模块进行分别设计。采用嵌入式ARM技术进行主机模块的串口配置和多线程程序开发设计，实现对足球运动员身体机能数据处理和分析，并根据身体机能情况发出报警信息，便于运动员实时调整身体状态。测试表明，该监控器具有较快的运行响应速度，对足球运动员的身体机能监控的准确性较好，实用价值较高。
参考文献
[1] 曾爱林.基于Android的心电实时监护系统设计与实现[J].计算机测量与控制，2013，21（11）：2997?3000.
[2] 王培锦，路佳宣.基于ZigBee的多传感器智能火災报警系统[J].物联网技术，2015，5（7）：8?10.
[3] 李钢，赵彦峰.1?Wire总线数字温度传感器DS18B20原理及应用[J].现代电子技术，2005，28（21）：77?79.
[4] 郭昌飞.基于ZigBee的无线传感器组网技术研究与应用[D].北京：北京信息科技大学，2013.
[5] 史玉珍，马丽.物联网下的智能血糖监控系统的研究[J].计算机测量与控制，2012，20（2）：374?376.
[6] 张飙，周国清，周祥，等.激光雷达多路距离测量系统设计[J].激光技术，2016，40（4）：576?581.
[7] DIN D R， HUANG J S. Multicast backup reprovisioning problem for Hamiltonian cycle?based protection on WDM networks [J]. Optical fiber technology， 2014， 20（2）： 142?157.
摘 要： 设计足球运动员机能状态便携式监控器，提出一种基于嵌入式ARM技术的机能状态监控器设计解决方案。监控器包括主机模块、无线模块、Android模块、Web模块和报警模块等。首先进行监控器的总体设计方案分析，然后对模块进行分别设计，采用嵌入式ARM技术进行主机模块的串口配置和多线程程序开发设计，实现对足球运动员身体机能数据处理和分析，并根据身体机能情况发出报警信息，便于运动员实时调整身体状态。测试表明，该监控器具有较快的运行响应速度，对身体机能监控的准确性较好，具有极大的实用价值。
关键词： 便携式监控器； 足球运动员机能； 总体设计； 嵌入式ARM技术
中图分类号： TN948.64?34； TP274 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）10?0082?04
Abstract： A portable monitor for functional status of soccer players is designed. A design solution of functional state monitor based on embedded ARM technology is proposed. The monitor is composed of host module， wireless module， Android module， Web module and alarm module. The overall design scheme of the monitor is analyzed. All the modules are designed respectively. The embedded ARM technology is adopted to implement development design of serial port configuration and multi?threaded program of the host module， achieve the data processing and analysis of football player physical function， and give out alarm information according to the somatic function of the player， so that the physical state of the soccer player is adjusted in real time. The test result shows that the monitor has fast response speed and great practical value， and can accurately monitor the somatic function of the players.
Keywords： portable monitor； soccer player function； overall design； embedded ARM technology
0 引 言
足球运动员长期进行高强度的剧烈运动和训练，需要进行实时有效的健康监护，保障身体机能状态稳定。运动员的身体机能的指标参数能有效反应运动员的身体状态特征，采用便携式的身体机能监控器进行运动员身体机能，如心肌功能、肺功能以及心血管功能等的监控。并通过Web模块和Android便携仪终端发送数据供监控中心的医生进行状态分析，对心电图或动态心电图进行实时跟踪，保障运动员具有最佳的身体状态，因此研究运动员机能状态监控器具有很强的现实意义[1]。本文研究的便携式足球运动员机能状态监控器建立在嵌入式的ARM平台上进行开发，基于CC2530设备进行系统模块设计和SAE平台开发，对监控器进行嵌入式设计。
1 系统的总体设计方案
本文提出一种基于嵌入式ARM的足球运动员机能状态监控器，利用嵌入式ARM嵌入式系统的小型化模块化设计，得到便携式的足球運动员身体机能监控终端系统。以嵌入式处理器S3C6410处理器为核心构建无线模块和系统的Android终端模块。实现运动员的身体机能数据的实时采集、处理和异常状态分析，并设计核心处理器和相应的外围匹配电路，将采集的足球运动员的身体机能数据通过无线网络传输到病理分析中心供足球运动队医进行数据分析和远程监护，实现运动员自身状态调整和医生的双保险监控，保障运动员的身体状态良好。根据上述原理分析，本文设计的便携式足球运动员机能状态监控器主要分为四大模块：无线模块、主机模块、Android系统终端模块、Web模块[2]。其中，无线模块与主机模块之间需要设计串口通信，进行PC端的串口编程，实现A/D数据传输和信息通信。主机模块和Android模块之间采用Socket套接字创建资源分配的线程，完成机能信息受到和数据分析等操作。Android模块和Web模块之间通过HTTP网络进行远程网络通信传输，把便携式移动终端系统采集的数据发送到远程监护中心，进行病理分析和机能状态监控。
根据图1所示的机能状态监控器的总体设计框架图，进行系统的模块的功能分析和设计技术原理介绍。其中，监控器的无线模块是由便携式传感器组成，通过穿戴方式配置在运动员的身体上，进行运动员的心脏、脉搏和呼吸等身体机能状态数据的原始采集，并将采集的数据实时输入到主机模块中进行信息加工和数据处理。通过数据分析，采用嵌入式技术进行身体机能信息检测。主机模块以S3C2440A芯片为主控芯片，这是一块ARM9芯片内核为ARM920T，主机模块是实现身体机能状态特征分析的关键模块，包括了JTAG调试接口，硬件复位电路系统等关键子系统。在主机模块中通过串口传输身体机能数据给上位机进行分析处理，并通过Web模块将主机模块传送来的数据进行封装汇总[3]，通过串口输出到监控中心，在监控中心进行足球运动员的健康管理。根据上述功能分析，得到本文设计的运动员机能状态监控器的工作流程如图2所示。
2 系统模块化硬件设计
2.1 系统硬件平台
本便携式机能状态监控器设计采用3层架构的设计原理，分为硬件层、中间层和软件层。采用 ZigBee 标准设计进行监控器无线模块、主控系统模块、Android模块设计。其中无线模块采用DS18B20作为外围器件，采用单总线接口方式对足球运动员的身体机能数据进行判断处理，无线模块进行机能状态的传输速率在 20～150 Kb/s，采用相应的 Z?Stack 协议栈进行数据无线收发控制，其他的外围原件和外围电路采用GT8340的32位嵌入式控制芯片。主控芯片采用TMS320VC5509A DSP芯片，该芯片为低功耗16位定点DSP，较好实现便携式机能状态监控和信息处理[4]。
中央控制器有3种工作模式，分别为C，M和J模式，身体机能监控器的驱动器使用具有低耗性能的T9871芯片通过DMA方式送到DSP内部缓冲区驱动App Engine 平台进行程序烧制。在主机模块使用 XML 和 HTTP POST多线程程序控制模式进行数据采集，设计总线及桥接电路，采用多线程程序驱动模式进行及逆行TCP连接，自动调整系统的放大倍数使得监控系统的输出增益处于某个范围。对串口接收的运动员身体机能数据通过信号采集模块、PC端串口模块和多线程驱动模块进行数据处理，并与上位机通信，实现D/A转换和应用程序加载。
根据上述描述，得到本文设计的监控器的数据处理多线程驱动程序图如图3所示。
根据上述硬件平台设计，通 过 HTTP GET 和 HTTP POST把足球运动员的身体机能状态信息转化为UART数据帧格式，在ARM?Linux 平台上进行系统开发和硬件设计，运行网关/服务器应用程序，采用 BWP08 芯片作为主机控制芯片，采用双网络结构设计方法进行监控器模块化硬件设计。
2.2 机能状态监控器的嵌入式模块化硬件设计
对便携式足球运动员机能状态监控器的四大模块：无线模块、主机模块、Android系统终端模块、Web模块详细设计描述如下：
（1） 无线模块。无线模块采用微处理器 STC12C5A60S2 收集足球运动员的机能状态原始数据[5]，STC12C5A60S2 采用片内硬件SPI接口。首先初始化 SPI 接口工作方式，设计振荡电路和复位电路把存储在FLASH中的应用程序通过A/D转换进行信息采样，通过ARM片上的帧同步信号进行完整的RGB数据信号控制[6]。用高电平表示一帧的开始同步信号VFRAME，来配置LCD控制器进行时序逻辑控制，LCD控制器产生STN屏特有的控制信号，输出运动员的机能状态信息，由此完成无线模块的硬件设计。图4为无线模块电路。
（2） 主机模块。主机模块通过控制寄存器/显存、LCDDMA、LPC3600进行状态监控器的中央控制，采用嵌入式技术进行主机模块设计。运动员身体机能监控器的主机模块使用具有低耗性能的T9871芯接收LCDDMA传输的显示数据，结合串口标识位进行12位数据线状态监控[7]，主机控制的命令结构字描述见表1。
采用片内ROM的0F800H～0FBFFH 空间寻址，使用FLASH并行引导外部程序存储器加载，对微处理器 STC12C5A60S2的4位数据总线控制进行块/位读写，GND外的引脚通过卡座内部触点接地。由此完成主机模块设计，设计电路如图5所示。
（3） Android系统终端模块。Android系统终端模块是实现足球运动员机能状态监控器的终端佩戴和便携式设计的模块，采用片内硬件SPI接口设计方法，将主机模块处理的身体机能数据信息通过 Socket 发到Android模块设备中。在Eclipse平台中开发Android代码，主机模块与无线模块通过Android系统终端模块进行串口配置，便携仪监控器采用ZigBee 设备自带的USB口串口实现同步通信方式和异步通信，编写串口的程序进行Socket 端口的监测和运动员身体机能状态调节。通过打开串口方式进行从片内ROM读取执行程序，在PC 端配置串口，读写串口的信号数据，检查外部引脚[MP/MC]的状态，从外部程序存储器中进行监控器的Android系统外部执行程序引入，在片内RAM中读loader首地址，然后关闭串口，得到串口接收流程如图6所示。
在此基础上，采用嵌入式ARM技术完成对Web模块和报警模块的集成设计，进行主机模块的串口配置和多线程程序开发设计，实现对足球运动员身体机能数据处理和分析，并根据身体机能情况发出报警信息，实现了便携式足球运动员机能状态监控器的嵌入式设计。
3 实验测试分析
为了分析本文设计出的机能监控器的应用性能，需要进行一次系统调试实验进行实际分析。实验测试中首先打开Android端的足球运动员机能状态监控应用程序客户端，将便携仪器穿戴到运动员身上，进行身体机能数据采集；在通用设备接口和I/O接口中进行串口配置，采用C5409A XDS510 Emulator仿真器分析机能监控的时间响应和准确性等方面的性能，得到采用本文方法和传统方法的响应性能曲线对比如图8所示。分析得知，采用本文设计的系统具有较短的时间响应，提高了监控器对足球运动员身体机能的敏感识别和监控能力。
4 结 语
本文研究了足球运动员身体机能监控器设计方法，提出一种基于嵌入式ARM技术的机能状态监控器设计解决方案。监控器包括了主机模块、无线模块、Android模块、Web模块和报警模块等。首先进行监控器的总体设计方案分析，然后对模块进行分别设计。采用嵌入式ARM技术进行主机模块的串口配置和多线程程序开发设计，实现对足球运动员身体机能数据处理和分析，并根据身体机能情况发出报警信息，便于运动员实时调整身体状态。测试表明，该监控器具有较快的运行响应速度，对足球运动员的身体机能监控的准确性较好，实用价值较高。
参考文献
[1] 曾爱林.基于Android的心电实时监护系统设计与实现[J].计算机测量与控制，2013，21（11）：2997?3000.
[2] 王培锦，路佳宣.基于ZigBee的多传感器智能火災报警系统[J].物联网技术，2015，5（7）：8?10.
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[4] 郭昌飞.基于ZigBee的无线传感器组网技术研究与应用[D].北京：北京信息科技大学，2013.
[5] 史玉珍，马丽.物联网下的智能血糖监控系统的研究[J].计算机测量与控制，2012，20（2）：374?376.
[6] 张飙，周国清，周祥，等.激光雷达多路距离测量系统设计[J].激光技术，2016，40（4）：576?581.
[7] DIN D R， HUANG J S. Multicast backup reprovisioning problem for Hamiltonian cycle?based protection on WDM networks [J]. Optical fiber technology， 2014， 20（2）： 142?157.
