（通信与信息系统专业论文）基于嵌入式技术的游泳项目竞赛信息系统研究.pdf

摘要 根据体育赛事领域游泳项目竞赛信息系统的现状，采用最新的嵌入式理念， 利用现有的传感器技术和网络通信技术，实现游泳项目竞赛信息系统竞赛信息的 准确采集、实时处理、可靠传输，已经成为游泳项目竞赛信息系统的研究重点 本课题是结合国家体育总局体育信息中心委托的“亚洲第二届室内运动会 v r s 现场竞赛信息及计时记分系统的开发与实施”项目完成的。研究中提出一种 基于嵌入式技术的游泳信息采集终端设计方案，开发完成了基于设计模式的现 场成绩处理系统，实现在采集终端利用三种传感器采集游泳运动员的反应时间 和竞赛成绩信息，通过r s 2 3 2 r s 4 8 5 通信标准和t c p i p 网络协议将竞赛信息发 送到l e d 显示屏、电视字幕显示终端、评论员系统，并将竞赛信息经过竞赛专 网传输到上位机一现场成绩处理工作站和i n t e r n e t 公共网络，实现游泳竞赛信 息实时、可靠的测报与传输。该设计方案和现场成绩处理系统已实施应用于亚 洲第二届室内运动会游泳项目的竞赛信息系统。 该论文阐述了游泳项目竞赛信息系统的整体构建；介绍了基于嵌入式技术 的游泳信息采集终端设计，把嵌入式a r m 微处理器$ 3 c 2 4 1 0 应用于前端采集终 端的硬件设计中：论述了采集终端应用软件的设计，实现l i n u x 操作系统的嵌 入和移植，完成了各功能模块的程序设计；着重论述游泳项目现场成绩处理系 统的开发，利用软件设计模式的思想，设计一套具有通用性和复用性的竞赛信 息系统软件框架，开发完成了游泳竞赛项目上位机软件一现场成绩处理系统；最 后分析和讨论了系统调试、实施过程中遇到的问题，并提出进一步开发设想。 关键词：竞赛信息、游泳、嵌入式、a r m 、l i n u x 、t c p i p 、设计模式 a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h es i t u a t i o na n dt r e n di nt h er e a l mo fs p o r t s ，a d o p t i n ge m b e d d e d i d e a , s e n s o ra n dn e wn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , r e a l i z i n ga c c u r a t e ， r e a l - t i m et r a n s f e r i n go ft h ec o m p e t i t i v ei n f o r m a t i nc o l l e c t i n gi nt h ec o m p e t i t i v e i n f o r m a t i o ns y s t e mh a sb e e nb e c o m i n gt h em a i nt r e n do fc o m p e t i t i v ei n f o r m a t i o n s y s t e m t h i sp a p e rd e s i g n sa ni n f o r m a t i o nc o l l e c t i n gt e r m i n a lb a s e do ne m b e d d e d t e c h n o l o g ya n dv e n u er e s u l tp r o c e s s i n gs y s t e mb a s e do nd e s i g np a t t e r n s i tc o l l e c t s a t h l e t e s r e a c t i o nt i m ea n dc o p e t i t i v ei n f o r m a t i o nb yt h r e es e n s o r si nt h ec o l l e c t i n g t e r m i n a ls i d e t h e ni r a n s f e rc o m p e t i t i v ei n f o r m a t i o nt ol e d , t v ga n dv e n u er e s u l t p r o c e s s i n g w o r k s t a t i o nb ys e r i a lc o m m u n i c a t i o na n dt c p i p t h e nt r a n s f e r c o m p e t i t i v ei n f o r m a t i o nt ov r sw o r k s t a t i o na n di n t e r a c tb yp r i v a t en e t w o r k , i tg a s r e a l i z et h et r a n s m i s s i o no f c o m p e t i t i v ei n f o r m a t i o nr a p i da n dd e p e n d a b l e t h i ss y s t e m h a sb e e ns u c c e s s f u l l yu s e di ns w i m m i n gs p o r t so f t h em a c a ui ia s i a ni n d o o rg a m e s t h e p a p e re l a b o r a t e s t h ec o n s t r u c t i o no fs w i m m i n g s p o r t sc o m p e t i t i v e i n f o r m a t i o ns y s t e mb a s e do ne m b e d d e dt e c h n o l o g y i tt a k e st h ec o l l e c t i n gt e r m i n a la s t h er e s e a r c ho b j e c ta n da p p l i e sa r mp r o c e s s o r $ 3 c 2 4 1 0t ot h eh a r d w a r ed e s i g n d e s i g n i n gt h ef e a l i z a t i o no fc e n t r a lm a n a g e m e ma n dn e t w o r ki n t e r f a c em o d u l e , c o m p o s i n gn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nm o d u l ew i t l lc s 8 9 0 0 a ；i n t r o d u c i n gt h es o f t w a r e d e s i g no ft h ed a t ac o l l e c t i n gt e r m i n a l ，f i n i s he m b e d d i n ga n dt r a r t s p l a n t i n go fl i n u x o p e r a t i n gs y s t e m , f i n i s hd e v e l o p i n gt h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r e , m e a n w h i l e ，d e v e l o pt h e v e n u er e s u l tp r o c e s s i n gs y s t e m , e l a b o r a t et h ed e s i g nm o d e li ns o f t w a r ed e v e l o p m e n t ； f i n a l l y , t h ep a p e rd i s c u s s e st h ep r o b l e m se n c o u n t e r e di nt h ep r o c e s so fs y s t e m d e b u g g i n g ，a n dp r o p o s e st h ep l a no f f u r t h e rd e v e l o p m e n t k e y w o r d ：c o m p e t i t i v ei n f o r m a t i o n ，s w i m m i n g ，e m b e d d e d ，a r m ，l i n u x ，t c p i e d e s i g np a t t e r n s 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：妒踔多月钿 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：衣妨年；月巧日 基于嵌入式技术的游泳项目竞赛信息系统研究 1 1 课题的背景及意义 第一章绪论 随着经济水平的提高和科学技术的飞速发展，在体育事业信息化的进程中，人们对体 育竞赛现场信息的准确性、公平性、实时性要求越来越高。在各大型综合性运动会中，游 泳项目是不可或缺的，游泳比赛作为体育比赛中瞬时性很强的运动，是对现场竞赛信息的 数据准确性、数据可靠性和传输的实时性要求最高的项目之一，游泳项目的竞赛信息系统 也成为体现运动会赛事科技含量和技术水平高低的一个重要标志。近年来，如何充分利用 现代化的设备和采用最先进的技术手段，如何开发完善的游泳项目竞赛信息系统，全面实 现比赛的自动化、信息化和安全化处理，为各个代表团、官员、新闻媒体和人民大众提供 快速、准确的比赛信息，成为国内外体育部门和相关行业关注的热点。 然而，传统的游泳项目竞赛信息系统由于受到技术发展水平的局限，大多只能采用手 动计时方式，该方式存在两个问题：由于比赛需要大量的人工记录，需要大量的劳力，易 出错，且花费时间较长，比赛节奏不易控制；同时，比赛数据的准确性和公正性难以得到 保证。由于存在上述问题，国家以及国际游泳联合会组织并不认可采用手动计时比赛所获 得的成绩【1 1 。对于相应的竞赛信息传输和信息共享方面，也远远达不到需求。因此，如何 利用现代的信息采集技术、计算机技术和信息技术，做到高效率的信息采集、信息处理、 信息传输，减少工作人员负担，实现游泳竞赛信息的准确和竞赛的公平公正，并且成本合 理，能够保证比赛的正常运转，将游泳项目竞赛信息系统水平提高到一个新的高度，已经 成为当前竞赛信息系统发展的一个方向。 进入2 l 世纪，传感器技术、嵌入式技术、局域网通信技术的进一步发展，为游泳项 目竞赛信息系统的发展提供了技术条件。新技术、新材料、新工艺的应用，使得传感器技 术得到了长足的发展，为我们提供了高精度、高速度、高效率的传感器，使得信息采集系 统更加完善。嵌入式系统是以应用为中心，软硬件可裁减的，具有高可靠性、低成本、严 要求、综合性强的专用计算机系统，它主要由嵌入式微处理器、相关支撑硬件、嵌入式操 作系统及应用软件系统等组成，集软硬件于一体，能够独立工作【2 l 。嵌入式系统具有实时 性好，稳定性强等特点，为游泳项目信息系统的前端采集和处理提供了技术支撑。在局域 网方面，基于以太网的网络接入，使得系统的信息传输和信息控制有了良好的保障。因此， 加强对传感器技术、嵌入式系统和局域网通信技术的研究，对游泳项目竞赛信息系统的前 端采集和信息传输有着重要意义。 在上位机软件一现场成绩处理软件中，随着软件设计中面向对象设计( o b j e c t - o r i e n t e d d e s i g n ，o o d ) 思想的逐步成熟，设计模式又为面向对象提供了良好的辅助设计，它总结 河海大学工学硕士论文 第一章绪论 了以往面向对象设计经验，使得我们再次遇到类似的场景时可以直接使用模式准确高效地 完成问题的对象模型化，所以软件复用思想的成熟为设计游泳项目竞赛信息系统的应用软 件提供了良好的契机。 1 2 国内外研究现状 现在游泳已经成为奥运会上令人瞩目的重大项目之一，人们对游泳的关注程度逐渐高 涨，从而促进了游泳竞赛信息系统的开发。在自动计时方面，一直处于领先地位的是来自 瑞士钟表集团斯沃琪的欧米茄o m e g a ，欧米茄在运动计时领域内持之以恒，推出了众多 高科技创新计时仪器，包括了称作e i g h t - 0 m a t i c 的全球首个游泳比赛计时器( 在1 9 5 6 年的 墨尔本奥运会上首次使用) 以及现在被大家熟知的触板式计时器( 在1 9 6 7 年泛美运动会上 首次使用) 例。很多年以来欧米茄电子计时系统已经成了世界的参考标准。目前，其计时 装置a r e s 2 1 已经在全球数百个游泳池内全面使用，a r e s 2 1 是目前世界上功能最全，使 用性最强的体育计时设备系统。 目前在国内外使用最多的游泳计时设备是瑞士斯沃琪集团的欧米茄产品，在奥运会和 洲际以上的大型比赛中，采用的都是欧米茄a r e s 2 1 的自动计时系统，它的稳定性和准 确性得到了公众的认可，其技术参数得到了国际泳联的肯定。a r e s 2 1 产品性能相当稳定， 其7 0 年代的核心技术生产的产品仍然被广泛使用，但是价格极其昂贵，并且技术保密， 在引进产品的同时，以防有突发性技术问题，还需要欧米茄技术人员做技术支持，在很大 程度上不够自主。除欧米茄之外，美国的科罗拉多自行开发了一套计时系统，目前在国内 部分比赛中也使用这套科罗拉多计时系统。 在国内方面，游泳计时设备的生产厂家较少，起步也比较晚，目前有昆明体育电子电 子设备研究所生产了一套游泳计时系统，在国内的一些赛事上也得到了使用。但是为保证 大型赛事的准确性和稳定性，大部分赛事仍然使用欧米茄的计时设备。 在运动会软件方面，源讯公司( a r o s o g ) 与国际奥委会签订了世界体育史上最 大的信息技术合约，囊括六届奥运会，源讯主要负责信息技术的咨询、系统集成和运行管 理，以及信息安全和奥运会软件系统开发，源讯公司是一家全球领先的信息技术服务公司， 具有成熟的整个运动会信息系统，但是它并不是特别针对游泳项目进行开发的。 目前国内的游泳项目信息系统的应用软件的开发技术上也不够成熟，深圳市凯士信息 技术有限公司生产了a d o 游泳赛事裁判系统，但是其应用软件只是接入美国科罗拉 多c o l o r a d o 或瑞士欧米茄o m e g a 游泳计时系统，并没有自己的计时系统，不能独立支 持游泳比赛和满足其需求。 近年来，随着信息技术的发展，中国也在逐渐关注生产自主产品，特别是诸多大型游 泳赛事在国内展开，促进了中国部分行业对游泳项目竞赛信息系统的开发。目前中国的游 泳计时设备的生产企业在技术水平、研发能力等很多方面都落后于国外公司。中国尚不能 2 基于嵌入式技术的游泳项目竞赛信息系统研究 完全独立开发专业的计时设备，无法掌握核心芯片的关键技术，企业技术创新能力较差。 通过对嵌入式技术、传感器技术、局域网通信技术的深入研究，充分利用国内外的先进技 术成果，相关行业正致力于开发具有自主知识产权的适应运动会需求的游泳自动计时设 备。目前的游泳项目竞赛应用软件开发上，可以充分利用面向对象思想，积极应用设计模 式的概念，生产一套适用于大多数各级游泳比赛的应用软件，这样可以避免每次运动会都 开发软件的重复工作情况。为此，充分利用现代化信息技术，开发基于嵌入式技术的游泳 项目竞赛信息系统，对我国体育信息行业的发展具有很大的促进作用。 1 3 课题来源及主要内容 1 3 1 课题来源 本课题来源于国家体育总局体育信息中心的“第二届亚洲室内运动会电子信息服务系 统”项目，该项目是为2 0 0 7 年l o 月在澳门举行的第二届亚洲室内运动会提供赛事管理和 信息技术服务的。目前在国家体育总局承接的项目当中，游泳计时设备均需从瑞士欧米茄 引进，增加了成本，如果出现技术上的问题，很难在第一时间解决，o m e g a 通信协议也 不能通用，基于上述问题，本课题依托于现有的传感器技术、嵌入式技术以及软件面向对 象o o d 思想，提出一种新的游泳项目竞赛信息系统的设计方案。 1 3 2 主要研究内容 基于嵌入式技术的游泳项目竞赛信息系统的前端硬件主要由：信息采集模块、中央管 理控制模块、网络接入模块组成。在上位机上，需要开发完善的现场成绩处理软件，完成 信息的传输、处理以及对采集前端的控制，本课题的研究内容主要包括： ( 1 ) 竞赛信息系统前端硬件设计 选用压力传感器、声音传感器、加速度传感器，对数据量进行采集，然后采集到的模 拟量经模拟数字( a d ) 模块转换，将转换的数字量传送至主控c p u 进行处理主控c p u 采用基于a r m 9 2 0 t 处理器核的$ 3 c 2 4 1 0 ，它是基于s u m s a n g 公司开发的基于3 2 位a r m 核的高性能、低功耗微处理器。主要完成数据的处理和传送，通过串口传给l e d 显示屏 和电视字幕显示终端，并通过以太网芯片c s 8 9 0 0 a 接收和发送上位p c 机的数据。 ( 2 ) 嵌入式操作系统的实现 在a r m 微处理器上运行嵌入式操作系统，可以为上层软件的开发提供统一的接口， 方便系统功能的进一步扩展升级，同时操作系统可以实现多任务操作，宏观上实现多个任 务的同时执行。在嵌入式系统领域，目前有很多优秀的嵌入式操作系统，如u c o s 、p a l m o s 、v x w o r k s 、w 证c e 、u c l i n u x 等，l i n u x 系统是开源的操作系统，相比较其他操作系 统，具有一定的优越性。在该系统中通过嵌入操作系统l i n a x2 6 来实现多任务操作，l i n u x 2 6 自身带有t c p i p 协议，具有强大的网络功能，方便用户进行网络编程。 3 河海大学工学硕士论文第一章绪论 ( 3 ) 网络驱动程序和上层应用程序的设计 以太网芯片c s 8 9 0 0 a 驱动程序是l i n u x 2 6 和以太网芯片c s 8 9 0 0 a 之间的接口。需 要进行芯片的初始化、数据的读取和数据传送，还有一些错误的检测和处理，所以进行网 络驱动程序的开发是必须的。同时，开发数据采集、实时时钟、串口通信与以太网通信的 应用程序完成现场信息采集、处理、传输。 ( 4 ) 游泳项目竞赛信息系统的上位机应用软件成绩处理系统设计 在课题研究中，分析现场竞赛需求，划分具体的软件功能模块，设计现场成绩系统的 结构流程。整个软件的开发框架采用三层结构，它具有分布性强、维护方便、开发简单且 共享性强、总体成本低等特点，该框架是基于设计模式的三层体系结构，完成了表示层、 应用逻辑层、数据服务层的有效分离，同时利用工厂模式和对象适配器模式等设计模式准 确高效的完成对象模型化，实现了竞赛现场成绩统计的高效率和信息发布的实时性。 ( 5 ) 上位机软件成绩处理系统的测试、调试 在开发上位机软件中，为保证软件的功能实现及其健壮性、可维护性等，对软件进行 了各方面的测试。经过了多次软件独立测试后。将系统接入o m e g a 的计时设备，进行 了软件的外围测试，如数据读取、将数据实时传送给l e d 、评论员系统、电视字幕转播 系统和i n f o 官方网站。 ( 6 ) 澳门运动会信息系统现场实施 在澳门第二届亚洲室内运动会的游泳比赛中，将本课题开发现场成绩处理系统接入 o m e g a 电子计时设备，成功接收o m e g a 电子计时设备采集的数据，进行赛事编排、 成绩处理，提供秩序单、成绩单、名次公告和奖牌榜等表单样式，并且将数据传送给评论 员系统、电视字幕转播系统的控制终端和官方网站，满足了本届运动会游泳比赛的现场需 求。 4 基于嵌入式技术的游泳项目竞赛信息系统研究 第二章基于嵌入式的游泳项目竞赛信息系统总体设计 2 1 系统结构总体设计 基于嵌入式技术的游泳项目竞赛信息系统的总体设计结构如图2 1 所示，前端的数 据采集模块是声音传感器、压力传感器以及加速度传感器，完成运动员成绩数据和反 应时间的实时采集，采集到的模拟信息经过模拟，数字( a d ) 转换成数字信息，a r m 模块负责将采集到的信息进行处理，实时信息分成两路：一路是滚动? 时钟信号，通 过r s 2 3 2 串口传出，经过r s 2 3 2 瓜s 4 8 5 的转换器，由r s 4 8 5 总线分别传给l e d 显示 屏和电视字幕转播终端，以便实时的显示滚动时钟信号；另外一路是成绩数据信息， 通过以太网传给现场成绩处理工作站，现场成绩处理工作站将竞赛信息处理后，分别 通过网络发送给l e d 屏显示控制器、电视字幕转播显示控制器、评论员显示终端以及 中央数据处理中心，中央数据处理中心就可以将信息分发到官方网站上，以便公众查 看。 图2 1 系统总体结构设计图 在本课题中，重点研究了硬件系统的构架与设计、系统前端数据采集与处理、数 据传输和通信协议的实现，现场成绩处理软件。系统前端有压力传感器、声音传感器、 加速度传感器，将接收到的模拟信号转换为数字信号，送至主控c p u 进行处理。主控 c p u 采用基于a r m 9 2 0 t 内核的$ 3 c 2 4 1 0 x 微处理器，主要完成数据的处理和网络发 送。在该系统中通过接收来自压力传感器、加速度传感器和声音传感器的信号，再经 由以太河芯片c s 8 9 0 0 a 发送至网络。 在a r m 上面运行嵌入式操作系统，这样不仅可以为上层提供统一的接口，而且可 5 河海大学工学硕士论文第二章基于嵌入式的游泳项目竞赛信息系统总体设计 以大大减少整个系统的开发周期。目前，嵌入式操作系统有很多，其中l i n u x 作为源 码开放功能强大的嵌入式操作系统已经在a r m 处理器上得到了广泛的应用。在该系统 中采用s a m s u n g 公司的a r m 微处理器s 3 c 2 4 1 0 x ，通过在处理器上运行l i n u x 操作系 统，实现数据采集和数据处理功能，完成网络驱动程序的开发，制订和外围设备交互 的协议，实现数据的实时传输。 2 2 信息的采集和处理 2 2 1 多种传感器的选择 传感器是获取信息的工具，传感器技术是现代信息科学的三大支柱之一，是现代 信息系统的源头或“感官”。如果没有高度保真和性能可靠的传感器，没有先进的传感 器技术，那么信息的准确获取和精度检测就成了一句空话 4 1 。因此在本系统中，如果没 有传感器提供准确、可靠的信息，运动员所有的成绩将会错乱，所以对于传感器，需 要依照运动会现场的具体情况进行选择。 对于游泳项目的竞赛，前端需要采集的有成绩信息和反应时间。成绩信息包括运 动员的阶段成绩和总成绩信息。反应时间是指刺激施于有机体之后到明显的反应开始 时所需要的时间，即刺激与反应之间的时间间隔。由于反应时间是判断运动员是否犯 规的一个重要标志，准确采集反应时间是本系统研究的关键点之一。 ( 1 ) 压力传感器的选择 压力传感器是安装在触板上，运动员在离开或者到达池端的时候，将用手、脚、 手蹊或脚蹼碰触。我们利用压力传感器获得该信号，然后进行处理。在本系统选取了 m o t o r o l a 生产的m p x 系列压力传感器，该压力传感器不采用传统的4 个电阻组成 的惠斯通电桥，而是采用嵌入腐蚀硅膜片上的压敏电阻，它的输出电压与压力成正比， 并且线性度很好。m p x 系列传感器的灵敏度很高，并可长期反复使用。 m p x 系列传感器利用计算机对内部的刻度和温度补偿电阻进行微调校准，所以在 很宽的温度范围内都可实现准确的压力测定。当工作温度在o 8 5 摄氏度之间时，由 于温度而造成的误差的典型值为满刻度的i - 0 5 ，输出电压的最大误差值为士i m v 卯。 为使设计工作简单可靠，我们采用了m p x 5 0 0 0 系列的m p x 5 9 9 9 d 型号压力传感 器。该传感器是全集成化的压力传感器，它除了具有以上系列压力传感器的功能外( 如 温度补偿和校准功能) ，还增加了放大器信号调节功能，将电压信号放大处理，这样就 可以和任何带a d 转换器的微控制器直接相连，进行模数转换。信号的放大调节是由 一个4 级放大网络完成的，这个网络采用线性双极性工艺、薄膜金属化技术以及交互 式激光微调技术，代表着传感器技术目前的世界水平。 ( 2 ) 声音传感器的选择 声音传感器是检测发令枪发出的声音的，声音传感器检测到发令枪的声音信号后， 6 基于嵌入式技术的游泳项目竞赛信息系统研究 计时器开始计数，并查询到加速度传感器的信号，这个时问差值即为要采集的反应时 间所以声音检测是本系统的一个关键部分，要求具有较好的灵敏度和抗干扰能力。 驻极体传声器是一种微型声电转换器，高质量的声传感器应具有频率范围宽、频 率响应平直、动态范围大、失真度小、灵敏度高、电磁干扰小等特性。驻极体传声器 除了具有以上优点外，还具有价格低、体积小等特点 6 f i 因而在本系统中选用驻极体 话筒作为声音检测部分的声音传感器，用其将声音信号变换成电信号。 ( 3 ) 加速度传感器的选择 加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备，加速力就是当物体在加速过程 中作用在物体上的力，加速力可以是常量，也可以是变量。加速度传感器基本的原理 就是加速度使其介质产生变形，测量变形量并用相关电路转化成电压输出。 加速度传感器是设置在游泳池端的出发台上，当运动员出发的时候，将会用力蹬 出发台。加速度传感器将检测到这个信息，作为运动员起跑的时刻。本设计选用了a d i 公司生产的单片机加速度传感器a d x l 3 3 0 ，其内含加速度传感器和信号调理电路，该 加速计的测量动态范围是= t = 3 9 。单块的硅表面具有微机电传感器和信号处理电路可实现 开环加速度测量，输出的模拟电压信号与加速度成正比，它不仅可以测量静态加速度， 还可以测量动态加速度，具有1 0 0 0 0 9 额定耐冲压强度，具有良好的o g 偏压稳定性和 良好的灵敏度i s 。 由于a d x l 3 3 0 是一种差容式力平衡加速度传感器，其利用变间隙的方法，把被测 的加速度转换为电容器的电容量变化。内部的电容分压电路，提供与加速度大小成正 比的模拟输出电压，其相位取决于加速度的方向，无需外加任何有源器件即可接到a d c 的输入端，这也是我们选择这个加速度传感器的原因之一。 2 2 2 信息的采集、处理 传感器是采集模拟信号的，而控制器是处理数字信号的，在这个过程中需要将模 拟信号数字化，数字化的过程可以是抽样、量化和编码。下面概述三种传感器采集的 模拟信号的处理过程。 ( 1 ) 压力信息 在本设计中，考虑到性能和整个硬件框架的具体情况，我们采用的是m p x 5 9 9 9 d 压力传感器，因为该型号的压力传感器是自带放大器信号调节功能，可以和带有a d 的$ 3 c 2 4 1 0 x 直接相连，进行模数转换。m p x 5 9 9 9 d 的压力测量范围0 1 0 0 0 k p a 9 1 ， 压力范围大，可以满足现场需要。对应的输出电压范围为0 2 4 7 v ，压力和电压两者 成线性关系，如图2 2 所示，此图在我们软件编程中的数据处理部分有着重要作用，是 从电压值到压力值转换的依据，将依照该线性关系，过滤掉低于一定压力的信号。 假如在4 c m 2 低于0 0 1 k g f 的信号视为无效信号，根据i k g 封c m 2 - - 9 8 0 6 6 5 p a ，可以 得出压力信号边界值为2 4 5 1 6 6 2 5p a 。由图2 2 可以得出，对应的电压约为1 4 v 。 7 河海大学工学硕士论文 第二章基于嵌入式的游泳项目竞赛信息系统总体设计 m 彬 彬 z 膨! 髟岁 缎 p 。一 莎彩。 t 嬲、0 ； l 矗夕 l 劢 歹 口 7 w卸9 0 0帅 图2 2m p x 5 9 9 9 d 输入输出特性 在具体的实际应用中，需要充分考虑触板的传感器排列和布局，这对触板的工艺 和生产有很高的要求，生产时，还需注意触板的局部敏感性，以排除水浪的冲击产生 的误差。在此实验设计中，不作过多陈述。 ( 2 ) 声音信息 驻极体传声器作为本系统的声音检测部分的声音传感器，用于将声音信号变换成 电信号，采用幅度比较法实现声音检测的功能。因为发令枪的声音信号震动幅度较大， 可以直接进行放大，通过比较器与阈值电压( 在实际中，设为4 v ) 相比，当声音信号 大于一定幅度时将产生翻转信号。 ( 3 ) 加速度冲击力信息 a d x l 3 3 0 加速度传感器根据压电效应的原理来工作的，利用了其内部的加速度造 成的晶体变形这个特性，由于这个形变能产生电压信号，只要计算出产生电压和所旌 加的加速度之间的关系，就可以将加速度转化成电压输出。输出的模拟电压是和加速 度成比例的，比如2 5 v 对应o g 的加速度，2 6 v 对应于o 5 9 的加速度。传感器的采样 频率是可调的，采样频率可以根据工作需求来设定。 加速度信息的量化。是指采样到的状态信息是和加速度成比例的模拟电压信号， 而系统微控制器只有数字接口，需要将采集到的模拟信号转换成数字信号，a d 转换 是整个系统的一个非常重要的部分，它决定了整个系统的工作精度。根据传感器手册 的建议，加速度传感器的采样频率定位5 0 h z ，输出电压的比例精度可以达到3 0 0 m v g ， 由于具体工作环境要求精度达到0 0 1 9 ，计算可以得到，通过1 0 b i t 的a d 转换后的数 字信号，可以满足工作要求。 2 3 嵌入式微处理器 进入信息时代，智能化、网络化的数字产品得到蓬勃发展，这些都得益于个高 性价比、能适合实时应用的高性能嵌入式微处理器微控制器。嵌入式微处理器微控制 器可以进行大量数字化信息的处理及对外围设备的控制，从而实现设备的智能化，通 8 基于嵌入式技术的游泳项目竞赛信息系统研究 过网络控制器实现设备的网络化。 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ，e m u ) 的基础是通用计算机系 统中的中央处理器。在设计中，为满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然 在功能上和标准微处理器基本是一样的，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面 都有所增强。和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、 可靠性高的优点，在电路板设计时，将嵌入式微处理器与包括r o m 、r a m 、总线接口、 各种外设等器件设计到一块电路板上，从而提高系统的集成度，有利于系统的小型化 设计 9 1 。 2 3 1 嵌入式微处理器特点 作为信息产品智能化和网络化的核心，嵌入式微处理器除了具有体积小、重量轻、 成本低外，还具备以下一些基本特点1 1 0 】： ( 1 ) 对多任务有更强的支持 模块化的软件结构特征使嵌入式微处理器对于多任务的要求越来越高，同时必须 满足严格的实时应用要求。因此，嵌入式微处理器的结构必须能完成多任务切换并且 具有较短的中断响应时间，从而使内部的代码以及实时内核的执行时间减少到最低限 度。 ( 2 ) 具有很强的存储区保护功能 日益复杂的系统和有效的软件再利用提出了软件结构模块化的要求。为了避免在 软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能。在软件集成的 时候，对于数据或程序中某一部分允许访问的类型是可以预先规定的，并在每次访问 存储系统之前先检查所要访问的区域和访问类型。如果访问了预先未定义的区域或者 访问的类型是不允许的时候则会引起存储区保护陷阱。另外，存储区保护功能还可以 用来进行软件诊断。 ( 3 ) 可扩展的处理器结构 嵌入式系统和面向用户应用的系统，不仅要求在较低的价格水准上具有较高的性 能，而且还希望能更快地缩短投入市场的时间。为此对嵌入式微处理内核，提出了具 备可扩展的结构要求，以能最迅速地开发出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。 嵌入式微处理器结构的可扩展性表现在多级流水线，可扩展的功能，可配置的c a c h e 以及与协处理器的灵活接口四个方面。 ( 4 ) 低功耗 在今天多媒体技术蓬勃发展的时代，信息社会是以网络及移动计算和通讯设备为 基础的，在这样一些设备中的嵌入式微处理器必须消耗非常低的能量。因此，便携式 和无线应用中靠电池操作的嵌入式微处理器设计的最重要的指标是功耗而不是性能。 现在已经n t 不是用m h z 来比较处理器而是用m w 或p w 来比较处理器的时候了，同 时功率的传送和能量的消耗已成为性能和集成度的主要限制，因此嵌入式微处理器的 9 河海大学工学硕士论文第二章基于嵌入式的游泳项目竞赛信息系统总体设计 设计必须是低功耗的。 2 3 2 嵌入式微处理器选择 嵌入式系统是面向特定应用的，嵌入式微处理器与通用处理器最大的不同就是嵌 入式微处理器大多工作在为特定用户设计的系统中，能够把许多外围接口集成到芯片 内部，因此大大提高了系统集成度。同时，高度的集成度使得嵌入式微处理器都面向 一定的应用领域，没有一种微处理器和微处理器公司可以主导嵌入式系统，也使得同 一应用领域出现多种可以选择的嵌入式微处理器，这就产生了设计的多样化。针对特 定的应用领域，嵌入式系统设计的差异性极大，在某种情况下，性能极为重要，而在 另一种情况下，低功耗又成为最关键的因素。同时，嵌入式系统的设计还要考虑处理 器支持软件、代码的大小以及成本等因素。 目前，嵌入式微处理器主要有p o w e rp c 、6 8 0 0 0 、m i p s 、a r m 系列等。其中，采 用a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 系列处理器，以其内核耗电少、成本低、功能强、 特有1 6 3 2 位双指令集，已成为移动通信、手持计算、多媒体数字消费等嵌入式解决方 案的r i s c 标准，市场占有率超过了7 5 。a r m 公司作为知识产权供应商，本身不直 接从事芯片生产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片，世界各大半导体 生产商从a r m 公司购买其设计的a r m 微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入 适当的外围电路，从而形成自己的a r m 微处理器芯片进入市场。因此，使得a r m 技 术获得更多的开发工具和丰富的第三方资源，使整个系统成本降低，越来越多的开发 人员开始了针对a r m 平台的开发。 s a m s u n g 公司的$ 3 c 2 4 1 0 x 是基于a r m 9 2 0 t 内核的3 2 位r i s c 处理器，为嵌入 式应用提供高性价比和高性能的微控制器解决方案。$ 3 c 2 4 1 0 x 在a r m 9 2 0 t 内核基础 上扩展一系列完整的通用外围器件，是一款低功耗、高性能、资源丰富的嵌入式微处 理器。该系统采用s 3 c 2 4 l o x 微处理器作为中央管理控制单元的核心部件，不仅其性 能完全能够满足竞赛信息系统的要求，有着丰富的外围接1 3 ，而且它对软件支持广泛， 在s 3 c 2 4 1 0 x 处理器上可以运行嵌入式操作系统l i n u x ，而l i n u x 是源码开放的自由软 件，具有完整的网络协议栈，对网络通信的开发有很好的支持，这样可以大大缩短系 统开发时间。 2 4 竞赛信息系统的网络架构 2 4 1 设计原则 运动会信息系统的网络系统庞大而复杂，是运动会信息系统运行的基础。同时， 除了互联网站有单向的数据输出外，它可以被认为是一个封闭的网络系统。下面以澳 门第二届亚洲室内运动会为例，讲述竞赛信息系统的网络架构。 1 0 基于嵌入式技术的游泳项目竞赛信息系统研究 网络系统设计遵循以下原则： 安全性：是网络系统设计的关键因素。包括系统安全和数据安全两部分内容； 可靠性：在运动会举行期间要求能够提供不问断服务； 易用性：保证数据传输速度的同时还能够进行有效且相对简单的网络管理； 经济性：本着节俭办赛的原则设计，尽量复用竞赛设备和人员，降低成本。 2 4 2 竞赛信息系统系统网络结构 运动会信息系统网络物理结构主要包括以下核心： 主数据中心( p d c ) 备份数据中心( s d c ) 技术运行中心( t o c ) 国际广播中心( m c ) 主新闻中心( m p c 各个竞赛场馆 其他非竞赛场馆( 运动员村，p c 工厂，集成测试实验室l a b 等) 以澳门第二届亚洲室内运动会为例，其信息系统网络结构图示意如图2 3 所示。 图2 3 第二届亚洲室内运动会信息系统网络结构 在本届运动会信息系统中： 基础网络线路由澳门电讯( c i m ) 提供，局域网( l a n ) 线路由各场馆提供。 河海大学工学硕士论文 第二章基于嵌入式的游泳项目竞赛信息系统总体设计 场馆服务器支持室内运动会信息系统本地运行和数据存储，当与总部的连接失 败时，提供根据不同场馆需求提供服务。 该运动会基础网络是以澳门电讯宽带网、数字电路网、公共宽带网( i n t e r n e t 网络) 和相关设施为基础构筑的赛事网络系统。该系统以主数据中心机房为核心实施 网络工程建设，向外辐射到各比赛场馆、组委会办公楼、代表团驻地、记者驻地和官 员( 贵宾) 驻地等。 2 4 2 1 网络系统的物理结构 第二届亚洲室内运动会的2 0 个项目分布在澳门地区不同的场馆，由于分布的范围 广，要建立一个可靠安全的竞赛信息系统，需要一个好的系统物理结构和健壮的网络 结构做保障，其物理结构如图2 4 所示。第二届亚渊室内运动会竞赛信息系统网络结构 分为基础骨干网、城域网、场馆网络三大部分，在比赛中，每个项目的场馆工作站将 每场比赛的成绩数据通过场馆网络传送到场馆数据中心，再从场馆数据中心通过地区 城域网将数据传送到竞赛数据中心，竞赛数据中心通过公网向外发布比赛信息。并且 采用主备电路方式，保证运动会期间比赛的信息数据的正常传输和公共信息服务。 澳门盈仔 国囤国回国 国园国国国 图2 4 距洲第二届室内运动会竞赛信息系统物理结构 2 4 2 2 网络系统的逻辑结构 基础网络将以竞赛专用网的网络形式，提供竞赛信息数据传输。竞赛专网与外网 1 2 基于嵌入式技术的游泳项目竞赛信息系统研究 实现物理隔离，以保证竞赛信息数据的安全传输。 竞赛专用网以澳门电讯宽带专网( ，n ) 为主，数字电路( s d h ) 为辅，竞赛主 网提供竞赛信息数据传输，将各比赛场馆的现场局域网直接连接组委会机房的中心路 由器，形成竞赛专网。以澳门电讯专网带宽为基础，建立竞赛专网第一路由，以c 1 m 通数字电路带宽为第二路由( 备份路由) 实现接入。 2 4 3 游泳竞赛信息系统网络结构 根据游泳现场比赛的实际需要，我们采用了r s 4 8 5 串行通讯和以太网接入。由于 实时时钟信号的同步性，在传送信息给l e d 和t v g 时，必须使用串行通信，信号从 r s 2 3 2 接口传给r s 2 3 2 r s 4 8 5 转换器，然后分发。为了实现成绩信息的网络传送，开 发了以太网驱动程序，实现数据的实时传输。在游泳场馆中，竞赛信息系统的主要网 络结构如图2 5 所示。 图2 5 游泳场馆竞赛信息系统网络拓扑结构 2 4 3 1 串行通信标准 典型的串行通讯标准是r s 2 3 2 和r s 4 8 5 ，由于r s - 2 3 2 c 接口标准出现较早，难免 有不足之处，主要有以下四点l “i ： ( 1 ) 接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与t r l 电平不兼 容故需使用电平转换电路方能与1 几电路连接。 ( 2 ) 传输速率较低，在异步传输时，波特率为2 0 k b p s 。 ( 3 ) 接口使用一根信号线和根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地 传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。 ( 4 ) 传输距离有限，最大传输距离标准值为5 0 英尺，实际上也只能用在5 0 米左 右。 1 3 河海大学工学硕士论文第二章基于嵌入式的游泳项耳竞赛信息系统总体设计 针对r s - 2 3 2 c 的不足，于是就不断出现了一些新的接口标准，r s - 4 8 5 就是其中之 一，它具有以下特点： ( 1 ) r s 4 8 5 的电气特性：逻辑“1 ”以两线间的电压差为+ ( 2 - _ 6 ) v 表示；逻辑“o ， 以两线问的电压差为一( 2 6 ) v 表示。接口信号电平比r s 2 3 2 c 降低了，就不易损 坏接口电路的芯片，且该电平与r r l 电平兼容，可方便与r r l 电路连接。 ( 2 ) r s - 4 8 5 的数据最高传输速率为1 0 m b p s 。 ( 3 ) r s 4 8 5 接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强， 即抗噪声干扰性好。 ( 4 ) r s 4 8 5 接口的最大传输距离标准值为4 0 0 0 英尺，实际上可达3 0 0 0 米，另 外r s 2 3 2 c 接口在总线上只允许连接1 个收发器，即单站能力。面r s - 4 8 5 接口在总 线上是允许连接多达1 2 8 个收发器，即具有多站能力。这样用户可以利用单一的r s - 4 8 5 接口方便地建立设备网络。 因为r s - 4 8 5 接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等上述优点 就使其成为我们首选的串行接口。限于微控制器本身支持r s 2 3 2 接口，所以只需要一 个r s 2 3 2 r s 4 8 5 转换器就可以满足现场需求。 2 4 3 2 网络信息交换技术 i n t e r n e t 网络通常叫做t c p i p 网络，它在网络层提供无