基于传感器技术的运动员训练状态脉搏测试

刘佳
摘 要: 为了提高运动员训练状态的身体体能特征的监测效能,提出基于传感器技术的运动员训练状态脉搏测试方法,基于Android嵌入式系统进行便携式脉搏测试仪的系统设计,用传感器处理以S3C6410为系统的核心处理器,采用振动传感器进行运动员训练状态脉搏的数据采集,以ARM1176JZF?S作为主处理芯片进行训练状态脉搏特征分析,在硬件模块设计中,设计信号调理电路实现对脉搏测试信号的放大和滤波,实时输出运动员训练状态脉搏。测试结果表明,脉搏测试仪具有较好的测试性能,同时可以实现脉搏异常报警,较好地维护了运动员训练过程中的身体机能和健康水平。
关键词: 传感器技术; 训练状态; 脉搏测试; Android
中图分类号: TN4?34; TP302 文献标识码: A 文章编号: 1004?373X(2017)11?0147?04
Sensor technology based pulse test for athletic training condition
LIU Jia
(Huanghuai University, Zhumadian 463000, China)
Abstract: In order to improve the monitoring efficiency of physical characteristics of athletic training condition, a sensor technology based pulse test method for athletic training condition is put forward. The system design of the portable pulse tester was carried out on the basis of Android embedded system. The S3C6410 is taken as the main processing chip of the system. The vibration sensor is adopted to acquire the pulse data of athletic training condition. The ARM1176JZF?S is employed as the main processing chip to analyze the pulse characteristic of training condition. In the second part of this article, the signal conditioning circuit was designed to amplify and filter the pulse testing signal to output the pulse of the athletic training condition in real time. The test results show that the pulse tester has high test performance, can realize the pulse abnormal alarm, and protect the athletic physical function and health level in athletic training process better.
Keywords: sensor technology; training condition; pulse test; Android
运动员在进行体育运动过程中,脉搏的变化能有效反应运动员的身体机能和健康水平,通过对运动员训练状态时的脉搏测试,能科学掌握运动员的运动训练状态,分析运动员的个体化身体机能特征,对指导运动训练,保护运动员的身体健康具有重要意义[1]。运动员训练状态脉搏测试是建立在传感监测技术基础上的,通过佩戴脉搏测试的振动传感器,实时反馈运动员的脉搏信息,结合数字信息处理系统进行脉搏信息的特征分析,实现脉搏测试和自动报警,并将运动员训练状态脉搏数据传输到测试中心,如果有运动员的脉搏或者心脏发生异常,将产生异常的脉冲信号,实现及早判断和发现[2?3]。
1 运动员训练状态脉搏测试系统设计原理
运动员训练状态脉搏测试系统分为便携式移动终端系统和专家数据库的信息监控系统两部分。其中,运动员便携式移动终端系统采用传感器技术,通过便携式的振动传感器进行运动员训练状态下的脉搏信息采集,负责实时采集运动员的心脏数据和脉搏数据,把数据送到环形RAM缓冲区,并且对运动员训练状态的脉搏数据进行简单的分析和处理,如果发现数据异常,则通过预警方式告知运动员和教练员。通过传感器技术连续地采集数据到主控计算机,采集到的数据会通过网络传输到专家系统进行数据分析,结合大数据信息处理技术[4],实现对运动员训练状态的特征分析和身体机能调控,根据运动员的身体个性化差异特征制定合理的训练方案[5]。运动员训练状态脉搏测试系统设计原理框图如图1所示。
本系统设计采用三层架构的设计原理,分为硬件层、中间层和软件层。运动员训练状态脉搏测试系统的硬件层是指支持整个系统硬件运行和电路工作,包括传感器信号调理、抗混叠滤波、核心处理器和相应的外围匹配电路,浮点DSP可以通过HP E1562D/E数据硬盘存储脉搏测试数据[6],采用VXI系统总线发送脉搏测试的调理信号输出结果到核心控制器中,进行运动训练状态特征分析;软件层是实现脉搏测试系统的软件测试和系统的程序开发;中间层是指介于硬件层和软件层之间的一层,可以独立设置,如输入范围、单端输入,进行脉搏测试数据的调制解调和缓存,使用Motorola 56002定点DSP完成脉搏测试系统的中间层设计[7?8]。根据DSP层提供的可编程12 dB高通滤波器进行数据信息滤波和信号调理,完成对脉搏测试信号的实时数字滤波。根据上述设计原理,进行运动员训练状态的脉搏测试系統的硬件设计和软件设计。
2 脉搏测试仪的硬件设计
2.1 外围器件选择
运动员训练状态脉搏测试建立在嵌入式Android系統技术上,外围器件包括ADSP21160处理器系统、脉搏采样的振动传感器、存储器(SDRAM,FLASH,ROM等),硬件系统以数字处理板为核心,为了满足可靠性的需求,在外围器件选择中,选用工业级16位DSP,主频600 MHz的Blackfin DSP芯片作为核心处理器,采用Samsung S3C6410A作为主处理芯片,S3C6410A具有16位定点DSP内核,有效满足脉搏测试系统低功耗的高频传输性能,在嵌入式处理器基础上添加滤波单元,构建嵌入式处理的核心控制单元,操作系统和用户应用程序固化在ROM中构成一个嵌入式核心控制模块,脉搏测试仪的外围器件分布结构如图2所示。
2.2 脉搏传感器设计
采用传感器技术进行运动员训练状态脉搏测试系统的设计,运动员训练状态脉搏传感器负责采集运动员训练状态的脉搏数据,本系统中的运动员脉搏传感器采用北京菲斯达科技有限公司生产的ZN17?KG200型脉冲振动传感器作为脉搏采样传感器。运动员训练状态脉搏传感器负责采集运动员训练状态脉搏数据,脉搏传感器通过测试人体每次心跳的动态脉冲,通过振动传感信息处理芯片进行A/D转换,把脉搏传感器的SA节点采用的人体脉搏信号转化为电信号,产生的电流从右心房的SA节点流向下面的两个心室,通过I/O接口(D/A、A/D、I/O口等)输出运动员训练状态脉搏图,本文采用的脉搏采集传感器的技术指标如下:
输出电压范围:0~3 mV/42~212 bmp;
脉搏传感器的D/A分辨率:0.021 mV/2 bmp;
具有通用设备接口和I/O接口,主频533 MHz,输出的信号检测放大倍数为500。
2.3 硬件电路模块化设计
根据上述硬件电路的外围器件选择和传感器设计,进行整个运动员训练状态脉搏测试系统的硬件电路模块化设计,主要对系统的放大电路、滤波电路和脉搏测试的控制电路设计描述如下:
(1) 放大电路设计。放大电路主要实现对运动员训练状态脉搏测试信号的放大,将0~5 mV的输出脉搏采样脉冲信号放大到0~5 V的范围,通过外部晶体配合内部振荡电路实现后级A/D输入,通过放大电路设计使得输出电压满足系统的技术设计指标,使用有源晶振作为系统的内部时钟进行脉搏的异常特征采样,通过对电压范围滤波匹配,满足放大倍数为1 000倍,通过和进行分压,分两级完成信号,前级实现20倍放大,后级实现50倍放大,当按下开关S1后,产生复位输出,得到本文设计的脉搏测试仪器的放大电路设计如图3所示,其中VSS和VCC分别接地和3.3 V电源,电容CD1和CD2用来实现电源滤波,SPI串行引导+2.5 V为单电源进行偏置放大。
(2) 滤波电路设计。人体正常的心跳频率大约在60~100 次/min之间,在脉搏测试中,容易产生噪声干扰,需要通过滤波电路进行干扰处理,通过一个0电阻后作为I/O电源,对噪声进行滤波处理,通过(R/X)DATDLY设置接收和发送的脉搏测试数据的滤波延迟,进行滤波器设计,在滤波电路设计中,DAM控制器读取/写入DRR,设计一个截止频率在20 Hz以上的低通滤波器,以滤波输出的调制信号作为DSP接收PC机信息时的通信窗口,在两块DSP之间传送脉搏传感信息的采样数据,考虑到冗余设计,在滤波器设计中,系统采用50 MHz的参考时钟输入,通过DSP中断控制进行各芯片的读写和片选信号锁定,得到滤波电路设计如图4所示。
其中,μF,μF分别为电磁干扰和噪声干扰电容,取kΩ,0.1 μF,选用不同的DC?DC芯片控制滤波器的电流最大输出,则滤波器的增益为,经低通滤波器形成COS信号,FIR滤波器的截止频率为符合运动员训练状态脉搏测试系统的滤波特性要求。
(3) 控制电路。控制电路是脉搏测试仪的信息处理和集成控制,是整个系统的核心,采用PCI总线技术进行脉搏测试数据的特征采样和信号分析,采样宽度为16位,运动员训练状态脉搏测试仪的工作频率为8 MHz,单独输出+3.3 V和+1.6 V,电流最大输出为1 A,控制电路采用一组外部电源12 V进行系统供电,使用TCP/IP协议进行通信,得到脉搏测试控制电路设计如图5所示。
在脉搏测试仪的主控芯片设计中,核心处理器采用Samsung S3C6410A,运动员训练状态脉搏测试仪的数据线宽度是8位,通过设计的带通滤波器来补偿模拟信号预处理机的失真漂移,根据自动增益控制,训练状态脉搏测试仪的回路电抗和功率放大增益分别为:
(1)
(2)
(3)
通过自定义总线SCSI?68输出脉搏的单频脉冲信号,继电器的控制信号输出电源经预处理后,进行脉搏信号的特征分析和过载监护,通过SCSI?68反馈动态增益控制,运动员训练状态脉搏测试仪调幅发射的功率传递效率为。通过CPLD编程ADM706SAR进行脉搏测试仪的输出增益控制,设计ATmega128L的ADC2采样电路进行脉搏特征序列采样,综上分析,得到整个硬件电路设计如图6所示。
3 软件设计
基于Android嵌入式系统进行便携式脉搏测试仪系统的软件开发和设计,在CCS 2.20开发平台下进行操作系统设计,本文选择Android OS作为软件仿真器(Simulator),它是在Linux内核的基础上,通过模拟DSP的指令集进行程序加载和脉搏测试,在进行运动员的脉搏监测中,在Linux操作平台下,采用C5409A XDS510 Emulator仿真器对两个操作系统的内核进行比较分析,让PC转到适当的地址取出中断向量,基于Linux kemel2.6和fedora9实现中断向量的地址加载。 脉搏测试仪的操作系统移植分以下几步来完成:
(1) 设置工作目录
置INTM=0,置IMR的中断相应位为1,在Linux环境下执行脉搏数据的传感信息采集:
# mkdir / athletic training
# cd / physical function
# mkdir c ARM1176JZF?S kernel signal conditioning circuit
(2) 调用TaskBasic.postTask()任务的TaskBasic().runTask()事件,制作交叉工具链
删除原来的编译工具:
[root@ runNextTask(FALSE) /]# rm ?rf opt
[root@lrtedgest /]# ghrhh cross
设置系统控制核心编译器:
# cd /mefvbfrk/csdgdsss
# xzvf /linux/ RISC ARM920T 4.3.tar.gz
Export PATH= Schematic diagram:/msdeffgvrk/crossvspile/opt
/FgsvsyARM/toadfcdgvfn/4.4.3/bin
(3) 获得内核源码
# cd /mywork/kernel
# Warehouse anti?theft /linux/lfergrgv2.2?mini24w45657704.
tar.gz
最后执行内核程序的编译,实现对运动员训练状态脉搏测试的核心程序写入和编译,程序编译界面如图7所示。
4 系统实验测试分析
为验证本系统的性能,以某高校的体育特长生为实验对象进行产品的试用,分析本文设计的运动员训练状态脉搏测试系统的性能,实验中,运动员携带设计的便携式运动员训练状态脉搏测试进行跑步、游泳和篮球等项目的训练,实时显示每位运动员的当前训练状态脉搏数据,如图8所示。从图8可见,采用本文设计的系统能实时监测运动员在训练状态下的脉搏信息,监测的实时性和准确性较好,而且可以实现脉搏异常报警,具有一定的实用价值。
5 结 语
本文设计了一种基于传感器技术的运动员训练状态脉搏测试方法,基于Android嵌入式系统进行便携式脉搏测试仪的系统设计,传感器处理以S3C6410为系统的核心处理器,首先采用振动传感器进行运动员训练状态脉搏的数据采集,采用ARM1176JZF?S作为主处理芯片进行训练状态脉搏特征分析,硬件模块设计中,设计信号调理电路实现对脉搏测试信号的放大和滤波,实时输出运动员训练状态的脉搏。测试结果表明,脉搏测试仪具有较好的测试性能,应用价值较高。
参考文献
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