基于传感器技术的运动员训练状态脉搏测试

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 基于传感器技术的运动员训练状态 脉搏测试 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 地维护了运动员训练过程中的身体机能 和健康水平。 中国论文网 /8/view-12943960.htm 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 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y 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 y 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 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：03 mV/42212 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 05 mV 的输出脉搏采样 脉冲信号放大到 05 V 的范围，通过 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 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 60100 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 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，F，F 分别为电磁干扰 和噪声干扰电容，取 k，0.1 F，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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 13 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 rootlrtedgest /# 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.