（信号与信息处理专业论文）高尔夫球员体重转移检测仪设计.pdf

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3 6 8 ；u c o si i ；体重转移；检测 作者：刘静静 指导教师：曲波 a b s t r a c t d e s i g no fw e i g h tt r a n s f e rd e t e c t o rf o rt h eg o l fp l a y e r d e s i g no fw e i g h tt r a n s f e r d e t e c t o rf o rt h eg o l f p l a y e r a b s t r a c t t h ew e i g h tt r a n s f e ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r a m e t e r si nt h ep r o c e s so fg o l f s w i n ga n dh i g h - q u a l i t yw e i g h tt r a n s f e rg r a p hi s t h em a j o rr e f e r e n c et oj u d g et h e n o r m a l i z a t i o no fa c t i o n s a sg o l f i n gi sw i d e s p r e a d ，i t ss i g n i f i c a n tt od e s i g nw e i g h tt r a n s f e r a n a l y z e rs u i t a b l ef o rt h ep u b l i ct op r a c t i c et h e i rg o l f i n gs k i l l t h ew e i g h tt r a n s f e rd e t e c t i n gs y s t e mi si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h es t r e n g t ho ft w o l e g sc a nb et e s t e db yw e i g h i n gs e n s o ro fw h i c ht h es i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i ti sd e s i g n e d t h e s y s t e m ，u s i n g3 2 b i t sl o wp o w e rc o n s u m p t i o nm i c r o p r o c e s s o rl p c 2 3 6 8o f a r m 7 t d m i sa st h ec o n t r o lc o r ea n dt h eu c o s i ia st h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ， c a nd i s p l a ya n da n a l y z et h ew e i g h tt r a n s f e rd a t a t h eh a r d w a r ec i r c u i ti sc o n s t i t u t e dm a i n l y b yt h e s e c t i o n so fd a t ac o l l e c t i n g ，c o r ep r o c e s s o r , d i s p l a y i n g ，d a t as t o r i n ga n dp o w e r s u p p l y i n g t h ef u n c t i o ni st h a tt h eo u t p u td a t af r o mt h ew e i g h i n gs e n s o rw i l lb ee x t r a c t e d a f t e rt h ee n l a r g e m e n ta n df i l t r a t i o na n dt h e nb et r a n s f o r m e di n t od i g i t a ls i g n a lb ya d c o n v e r t e ra n db eu p l o a d e dt op ct h r o u g hs e r i a lp o r ta n db ea n a l y z e db yt h ep c a tt h e s a m et i m e ，t h ea n a l y s i so ft h ew e i g h tt r a n s f e rg r a p hc a nb ei m p l e m e n t e do nt h ea r m d a t a c a l lb ed i s p l a y e do nt h el c da n ds t o r e di nt h ec dc a r da st h ef o r mo ft x t t h es o f t w a r e s e c t i o ni n c l u d e sm a i n l ye m b e d d i n gt h eu c o s _ i io p e r a t i n gs y s t e mf o rl p c 2 3 6 8a n d p r o c e s st h em o d u l a rd e s i g n t h ei n t e r f a c ei sd e s i g n e db yu s i n gv c + + a n dt h e nt h e c h i v e s o r t i n gi d e n t i f y i n gp r o g r a m m ei sd e s i g n e d a c c o r d i n gt ot h ef i e l dd e b u g g i n g ，t h ee x p e c t e dg o a lo fw e i g h tt r a n s f e rd a t ac o l l e c t i n g ， s t o r i n g ，w a v e f o r md i s p l a ya n dc l a s s i f i c a t i o ne t c i sa c h i e v e d ，w h i c hp r o v i d e st h eb a s i st o t h ed e s i g no ft h en e w t y p eg o l fs w i n gt r a i n e r sa n dg o l fs w i n ga n a l y z e r k e y w o r d s ：l p c 2 3 6 8 ；u c o s _ i i ；w e i g h tt r a n s f e r ；d e t e c t w r i t t e nb y ：l i uj i n g j i n g s u p e r v i s e db y ：q ub o i i 目录 i 第一章绪论1 1 1 体重转移介绍1 1 2 课题研究的意义l 1 3 国内外研究动态2 1 4 论文主要内容2 第二章系统总体方案4 2 1 系统需求分析4 2 2 系统的硬件选型4 2 2 1 微处理器选型4 2 2 2 存储器选型。5 2 2 3 液晶显示器选型5 2 2 4 其它硬件选型6 2 3 系统的硬件概述7 2 4 系统的软件概述8 第三章系统的硬件设计9 3 1 体重转移信号检测原理9 3 2 电源模块9 3 3 数据采集部分设计。10 3 4 核心处理器模块12 3 4 1l p c 2 3 6 8 介绍1 2 3 4 2 核心处理器的存储器映射1 2 3 4 3a d c 模块13 3 5l c d 显示模块1 4 3 6 数据存储模块。15 3 7u a r t 接口的应用1 6 第四章系统的软件设计18 4 1 实时操作系统的移植：1 8 4 1 1u c o si i 系统介绍18 4 1 2u c o si i 在l p c 2 3 6 8 上的移植2 1 4 1 3 模块设计2 6 4 2 上位机用户界面程序设计3 7 4 2 1 界面主要菜单介绍3 8 4 2 2 窗口程序设计4 0 4 2 3 串口程序设计4 0 4 2 4 数据处理程序4 0 4 3 体重转移曲线分析4 1 4 4 本章小结4 4 第五章结论4 5 5 1 总结4 5 5 2 展望4 5 参考文献4 6 攻读硕士学位期间公开发表的论文4 9 附录：传感器称重平台和主要电路5 0 致j 射。5 2 高尔夫球员体重转移检测仪设计 第一章绪论 1 1 体重转移介绍 第一章绪论 打高尔夫球是一项具有特殊魅力的运动，它使人们在优雅的自然环境中，锻炼身 体，陶冶情操。 高尔夫的挥杆动作是在一个很短的时间和有限的空间里完成的。衡量挥杆动作是 否规范的一个重要标准就是体重分布的变化。正确的体重转移对很好地完成挥杆十分 必要。体重转移过程为：开始挥杆时将体重均匀的分布在两个脚上，收杆时分布在左 脚和右脚趾上。如果挥杆动作是正确的，那么在一个平坦的地方，初始阶段或瞄球时 应该感觉体重是均匀的分布在左右两脚的，在挥杆到顶部时，如果挥杆者做了一个充 分的转肩，而且没有摇摆的话，应该感觉体重的8 0 在右脚内侧和2 0 在左脚内侧【1 1 。 送杆时感觉到的正好与此相反。 在后挥杆的时候保持体重在右脚内侧，这对于正确的体重转移十分关键。让体重 转移到脚的外侧会使你在“弹回”到左边时失去坚实的基础，这也会导致身体摇摆，这 些都会产生多余的身体移动和对正确的挥杆造成破坏。为了形成一个正确的姿势，瞄 球和后挥杆时，保持右膝在脚内侧的上面 2 1 。 1 2 课题研究的意义 在美国，高尔夫挥杆分析仪器被普遍应用于专业高尔夫球员练习之中，可以通过 测量球员的挥杆路径、球速、起飞角度等参数，为高尔夫练习和教学工作提供支持和 帮助。 除了上述参数( 球员的挥杆路径、球速、起飞角度等) 外，球员挥杆过程中体重 分布也是重要参数之一，当前高尔夫教学中只是讲述转移体重的技巧，凭个人感觉， 这样难免产生较大误差。如果同时将体重转移情况记录下来并加以分析，则可以更全 面地了解球员的挥杆动作，让球员知道该如何改善他们的挥杆动作。因此，研究开发 一种价格低廉且操作简单的高尔夫球员体重转移检测仪对高尔夫球的推广和普及有 着重要的意义。 第一章绪论 高尔夫球员体重转移检测仪设计 本课题设计的高尔夫球员体重转移检测仪，可以使球员从上位机界面中直观地看 到自己挥杆过程体重转移曲线是否符合标准的挥杆动作的要求，并且上位机分类识别 程序可以对体重转移数据进行分类，给出一组挥杆动作中符合标准的挥杆动作所占的 比例，球员可以根据识别结果改进自己的挥杆动作。这样，球员可以不断地对挥杆动 作进行改进，以至动作符合标准。同时，采集到的体重转移数据及挥杆过程所用的时 间等数据可以在s d 卡中进行保存，也可以通过用户界面直接保存在硬盘中。 随着人工智能、神经网络和信号处理等各个领域的科学技术的发展，高尔夫挥杆 检测系统将有更高的准确度、实时性、便携性和性价比。 1 3 国内外研究动态 高尔夫运动在中国的发展起步虽晚，发展却相当迅速。目前，国内外常用的高尔 夫挥杆检测和分析仪主要是通过图像分析来观察挥杆动作的特点，比如：高尔夫视频 挥杆分析器，数码影像记录约2 0 0 张正、侧面挥杆时刻图像，自动回放对比练习者和 教练挥杆视频，练习者可通过液晶显示器清晰的分析其挥杆动作，练习者可逐帧查看 自己及教练挥杆动作；室内高尔夫模拟器，硬件系统由以下部分组成：投影仪，分析 用摄像机，电脑，精密传感器，自动供球机，移动式踏板等，有摄像头跟踪拍摄，通 过回放有助于提高球技。 主要的问题在于，这类图像分析的设备成本较高，并且体积庞大，一般是提供给 专业球员练习用的，不适合普通的业余爱好者使用。 1 4 论文主要内容 论文共分五章，主要研究内容及章节安排如下： 第一章：对高尔夫挥杆过程球员体重转移情况做了介绍，介绍了课题研究的意义， 国内外研究的动态。 第二章：首先对系统整体需求进行了分析并对系统的硬件进行选型，最后给出了 体重转移检测系统的硬件和软件的总体设计方案。 第三章：首先介绍了体重转移信号的检测原理，接着详细地介绍系统的硬件设计， 高尔夫球员体重转移检测仪设计第一章绪论 主要包括电源模块、数据采集部分、核心处理器模块、l c d 模块、数据存储模块以及 串口通信模块的设计。 第四章：首先对u c o s _ i i 实时操作系统进行了介绍，并将其移植到a r m 芯片 l p c 2 3 6 8 上，同时在软件方面对整体和各模块的应用程序进行了设计，实现了体重转 移曲线波形和挥杆过程参数在液晶屏上的动态显示。用户界面程序包括：上位机用户 界面的设计、串口程序的设计、数据的处理程序。分类识别程序：特征值的提取，k 近邻法分类设计，体重转移曲线的分类效果。 第五章：总结了本文的设计特点，并指出了今后待研究的问题。 第二章系统总体方案高尔夫球员体重转移检测仪设计 2 1 系统需求分析 第二章系统总体方案 为了完成既定的设计目标，提出系统需求为： 1 、u c o s _ i i 操作系统在a r m 芯片l p c 2 3 6 8 上的移植和实现多任务的调度。 2 、完成数据采集电路和核心处理器外围电路设计。 3 、以1 k h z 的采样频率采集体重转移信号。 4 、将采集到的体重转移数据通过串口上传至i j p c 机。 5 、具有数据管理功能。 6 、具有数据处理功能。 7 、有足够大容量来存储数据。 8 、在l c d 上动态显示体重转移信号和挥杆参数。 9 、练习曲线可与标准的挥杆曲线进行对比，直观看到两者之间的差距。 1 0 、分析出成组体重转移曲线中被判定为标准曲线的百分比，即标准率。 2 2 系统的硬件选型 2 2 1 微处理器选型 目前微处理器有很多种选择，如单片机、a r m 系列处理器和d s p 等。本系统微处 理器的主要作用是实现a d 采样，将采集到的数据通过串口上传到p c 机，同时可以在 s d 卡中存储，此外，还要实现数据的处理，主要包括挥杆时间的测量，处理后的体 重数据曲线和挥杆参数可以在液晶显示器上显示。所以使用普通8 9 x 5 1 等没有乘法功 能的8 位单片机很难完成任务。对于d s p 处理器来说，它专门用于处理数字信号，优 势是强大的数据处理能力和较高的运行速度，但是由于系统软件设计建立在通用嵌入 式实时操作系统基础上，这样有可能无法真正发挥d s p 处理器的高速运算结构特点【3 】。 而a r m 具有比较强的事务管理功能，其优势主要体现在控制方面，能满足本设计的 需求。 4 高尔夫球员体重转移检测仪设计第二章系统总体方案 本系统选用l p c 2 3 6 8 作为核心处理器，它是n x p 公司的a r m 7 t d m i s 核a r m 芯 片，l p c 2 3 6 8 作为目前较流行的一款3 2 位a r m 7 系列处理器，具有j t a g 调试等功能， 各种相关的资料、资源非常丰富易得，使系统的整体设计风险降低，设计周期缩短。 2 2 2 存储器选型 高尔夫球员体重转移检测系统需要有一个能够记录体重转移数据的存储器， l p c 2 3 6 8 内置3 2 k b 的s r a m 、51 2 k b 的片f l a s h ，同时也可外接存储器。 外存储器种类很多，考虑便携性和功耗等方面的性能，可以选择s d 卡( s e c u r e d i g i t a lc a r d ，安全数据卡) 等f 4 ，5 1 。s d 卡可以工作在s p i 模式和s d 模式，接1 2 1 灵活。 l p c 2 3 0 0 系列删中的l p c 2 3 6 8 l p c 2 3 7 8 内部带有s d m m c 卡控制器，支持s d m m c 卡的s d 总线模式，可以直接使用该控制器来访问卡。因此，本设计选择了基于s d 模 式的s d 卡作为系统存储体重转移数据的外接存储器。 体重转移数据以文本文件形式存储，用户应用程序以文件的形式访问s d m m c 卡，实现以文件的形式对卡进行数据存储，而文件系统层又通过调用s d m m c 卡物理 层的有关函数来实现。本文利用周立功文件系统z l g f s 来实现这一目标。 2 2 3 液晶显示器选型 液晶显示器( l c d ) 具有功耗低、体积小、重量小、超薄等很多显示器无法比拟 的特点，被广泛应用于医用仪器和低功耗电子产品中。l c d 可分为段位式l c d 、字符 式l c d 和点阵式l c d ，前两种只能显示有限种字符，而点阵式l c d 不仅能显示汉字和 各种图形，并且可实现屏幕的上下左右滚动显示、反转显示及显示闪烁等功能，用途 十分广泛。 本系统的液晶显示器选用的是m z l 0 2 1 2 8 6 4 点阵式l c d 显示器，m z l 0 2 1 2 8 6 4 的 模块上的l c m 采用c o g 技术将控制( 包括显存) 、驱动器集成在l c m 的玻璃上，将 模块所必需的外围电容电阻集成到模块上，并引出多种形式的引线，接口简单、操作 方便【6 。这款显示器由北京铭正同创公司生产，点阵数为1 2 8 6 4 ，单电源供电，对 比度编程可调，并行接口为6 8 0 0 时序m p u 接口方式，集成$ 6 8 0 7 2 4 驱动控n i c ，3 3 v 的白色l e d 背光，美观大方。 第二章系统总体方案高尔夫球员体重转移检测仪设计 2 2 4 其它硬件选型 1 、t x 0 5 d 红外反射开关 本设计采用两个t x 0 5 d 红外反射开关，输出分别接到l p c 2 3 6 8 芯片的外部中断 管脚p 2 1 2 和p 2 1 3 上，其中一个提供开始挥杆和结束挥杆的信号；另一个提供挥杆到 最高点的信号。 t x 0 5 d 红外反射开关工作原理：当t x 0 5 d 接通电源后，即从模块内部的红外线 发射管向前方发射3 8 k h z 的调制红外线，一旦有物体或人体进入有效范围内时，红 外线就会有一部分被反射回来，被与发射管同排安装的光敏接收管收到并转换成同频 率的电信号后，由模块内部电路进行放大，解调，整形，比较处理后，在输出端给出 高电平信号。模块的红外线发射能力与工作电压有关。工作电压越高，红外线发射功 率越强，检测距离就越远；反之，电压低，检测距离就相对较近【羽。 t x 0 5 d 的电参数：工作电压5 1 2 v ，极限电压1 5 v ，工作电流5 - 2 0 m a ，最大 3 0 m a ，对应检测距离为0 , - 1 2 0 c m ，当工作电压1 2 v 时，输出最大灌电流大于5 0 m a ， 最大输出电流大于3 m a 。 2 、称重传感器 称重传感器的作用是测量高尔夫球员在挥杆过程中左右两脚重量的变化。 根据设计要求，选择的传感器为应变式悬臂梁称重传感器，型号是n a 3 2 0 0 k g 。 该传感器工作原理为【9 】：弹性体( 弹性元件，敏感梁) 在外力作用下产生弹性形变， 使粘贴在它表面的电阻应变片( 转换元件) 也随同产生变形，它的阻值将发生变化( 增 大或减小) ，再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号( 电压或电流) ，从 而完成将重量变换为电信号的过程。称重传感器如图2 1 所示【l0 1 。 6 高尔夫球员体重转移检测仪设计 第二章系统总体方案 图2 1 称重传感器 其中，红色为供桥电压( + ) ，黄色为供桥电压( 一) ，绿色为输出信号( + ) ，黑色为 输出信号( 一) 。 其主要技术参数如下： 最大量程2 0 0 k g 额定输出2 m v v 士5 推荐激励电压5 1 2 v d c 最大激励电压1 5 v d c 本课题中，采用5 v 作为称重传感器的激励电压。 2 3 系统的硬件概述 硬件电路以l p c 2 3 6 8 作为主控芯片，l p c 2 3 6 8 内置模数转换器( a d c ) 、数模转 换器( d a c ) 、3 2 k b 的s r a m 、5 1 2 k b 的片内f l a s h 、u 幔t 串行接口、j t a g 接口，可 以大大减少系统电路中除处理器以外的元器件配置，从而最小化系统成本1 1 】。a r m 芯片外接s d 存储卡、l c d 显示器和按键电路。前置电路将体重转移信号通过放大和 滤波处理提取出来，送入l p c 2 3 6 8 的a d 转换器中。系统硬件结构框图如图2 2 所示。 7 第二章系统总体方案高尔夫球员体重转移检测仪设计 2 4 系统的软件概述 图2 2 系统硬件结构框图 传统的程序是基于单任务机制的，各个模块构成一个整体，作为一个任务运行。 在实际应用中，这种程序的安全性差，只要一个系统的设计模块出了错误，整个系统 工作就会被打乱，只有利用看门狗进行复位1 1 2 , 1 3 】。因而这里采用了嵌入式操作系统 u c o si i 实现多任务的管理等工作。 基于u c o s _ i i 的应用程序结构图如图2 3 所示。为简化程序设计过程，方便程序 的维护和管理，程序设计采用了模块化设计方法。 图2 3 应用程序结构图 本章总结： 首先对系统整体需求进行了分析并对系统硬件进行选型，然后给出了高尔夫挥杆 过程球员体重转移分析系统的硬件和软件的总体设计方案。 8 高尔夫球员体重转移检测仪设计 第三章系统的硬件设计 第三章系统的硬件设计 3 1 体重转移信号检测原理 球员开始挥杆之前，双脚放平，站在安装了称重传感器的平台上( 见附录图( 1 ) ) ， 体重均匀分布在两脚上。利用两个t x 0 5 d 红外反射开关，来检测球杆位置的变化，球 员开始挥杆时，红外反射开关l 输出脉冲信号，该脉冲信号作为主控制芯片l p c 2 3 6 8 的中断源信号，微处理器开始对称重传感器输出端的信号进行实时采集；挥杆到最高 点，红外反射开关2 启动，输出脉冲，系统记录下该时刻，数据采集任务继续：当球 杆击球时，红外反射开关1 再次输出脉冲信号，处理器停止采集信号。 3 2 电源模块 系统共需要用三种工作电压和两种参考电压： l p c 2 3 6 8 内核所需工作电压为3 3 v 。 a d 6 2 0 运算放大器需要工作电压为5 v 、5 v 。 l c d 显示屏、红外反射开关和称重传感器所需电压为5 v 。 a d 6 2 0 运算放大器的参考电压为1 2 v 。 l m 3 5 8 a n 运算放大器输入参考电压为2 5 v 。 整个系统的输入电源为直流9 v ，经过l m 7 8 0 5 c t 和l m 7 9 0 5 c t 分别得到5 v 和 5 v 电压；经过l d l l l 7 3 3 v 得到3 3 v 工作电压；l m 2 8 52 5 可提供2 5 v 电压，作 为运算放大器基准电压源【1 4 】；l m 2 8 51 2 提供1 2 v 基准电压。电源电路见图3 1 。 9 第三章系统的硬件设计高尔夫球员体重转移检测仪设计 3 3 数据采集部分设计 图3 1 电源电路 本课题设计了左右脚两路体重转移信号的检测电路，两路电路结构一样。电路的 组成框图如图3 2 所示： 图3 2 体重转移信号调理电路框图 一 针对称重传感器输出信号的特点，对体重转移信号的前置调理电路的设计提出以 下要求： 高输入阻抗( 1 mq 以上) 高共模抑制比( 6 0 d b 以上) 较高的增益 低噪声、低漂移 合适的通频带宽度和动态范围( 0 0 5 h z 2 0 k h z ) 称重传感器输出的信号比较微弱，为2 m v v _ _ _ 5 ，必须经过放大以后才能送至 微处理器进行处理。 放大器采用a d 6 2 0 ，它是一种低功耗的仪用放大器，特别适合做压力传感器电 桥电路信号的前置放大级，内部结构如图3 3 所示。 1 0 高尔夫球员体重转移检测仪设计 第三章系统的硬件设计 o u 耵，l 玎 r e f 图3 3a d 6 2 0 内部结构图 a d 6 2 0 内部经典的三运放结构有效的减小了共模输入的干扰。经a d 6 2 0 放大后 的小信号失真度很小。a d 6 2 0 内部增益电阻r 1 和r 2 已调整至绝对值2 4 7 艘，只需 利用一个外部电阻便可实现对增益的精确编程【1 5 l 。 根据系统要求设计的电路如图3 - 4 所示。 图3 - 4 前置调理电路 称重传感器电桥电路输出电压v + 和v - 送入a d 6 2 0 的3 脚和2 脚，a d 6 2 0 的5 脚接1 2 v 参考电压，输出电压为： = ( 嚣+ 1 ) ( _ 圳+ ( 3 1 ) 式中，r 1 = 2 4 7 l ，r x = r 2 8 + r 2 9 ，v r e f = 1 2 v 。放大后的体重信号经过后续调零滤波 电路进行调零、滤波处理之后送入微处理器。 第三章系统的硬件设计 高尔夫球员体重转移检测仪设计 3 4 核心处理器模块 3 4 1l p c 2 3 6 8 介绍 l p c 2 3 6 8 是n x p 公司推出的高性价比、高性能的r i s c 处理器，其核心是a r m 公 司设计的一个通用的3 2 位a r m 7 t d m i s 微处理器，具有高性能和低功耗的特点。 l p c 2 3 6 8 是一款基于a r m 的微控制器，内部包含了1 0 1 0 0e t h e m e tm a c 、u s b2 0 全速接1 2 1 、4 - j k u a r t 、2 磷h c a n 通道、1 1 s p i 接口、2 个同步串行端口( s s p ) 、3 1 - 1 2 c 接1 2 1 、1 个1 2 s 接口，支持j t a g 等嵌入式系统调试方式【16 1 。核心处理器及外围电路原理 图见附录图( 2 ) 。 3 4 2 核心处理器的存储器映射 l p c 2 3 6 8 包含一个高达5 1 2 k b 的f l a s h 存储器系统。该存储器可用于代码和数据 存储。当正在运行时，应用程序可以对f l a s h 进行擦除或编程，从而为数据存储和现 场固件升级等带来了极大的灵活性。 l p c 2 3 6 8 包含一个3 2 k b 大小的静态r a m 存储器，可用于代码和数据存储。s r a m 控制器包含一个回写缓冲区，它用于防止c p u 在连续的写操作时停止运行。回写缓 冲区总是保存着软件发送到s r a m 的最后数据。数据只有在软件执行另外一次写操 作时被写入s r a m 。 l p c 2 3 6 8 提供了一套非常完善的存储器管理和控制功能。芯片复位后存储器的地 址分配见图3 5 。 o x o 0 0 0 0 0 0 0 o x 0 0 0 疆平f f 图3 5 系统地址空间分配 1 2 高尔夫球员体重转移检测仪设计第三章系统的硬件设计 3 4 3a d c 模块 l p c 2 3 0 0 系列删内置a d 转换器，它具有以下特点： 1 ) 内部具有一个逐次逼近型6 路1 0 位a d c 2 ) 6 个管脚复用为输入脚 3 ) 测量范围为肛3 3 v 4 ) 拥有独立的参考电压输入v r e f 5 ) 1 0 位转换时间不小于2 4 4u s 6 ) 一个或多个输入的b u r s t 转换模式( 突发模式) 7 ) 可选择由输入跳变或定时器匹配信号触发转换 8 ) 每个a d 通道的独立结果寄存器减少了中断开销 一般地，称重传感器输出信号是连续变化的模拟信号，采样频率越高，精确度就 越高，此设计的采样频率为1 k h z 。 l p c 2 3 0 0 系列a r m 提供了独立的参考电压v r e f 引脚，那么针对1 0 位a d 转换 器的精度要求选择的微功耗电压基准l m 2 8 5 2 5 ，提供2 5 v 作为v r e f 基准电压源， 小于l p c 2 3 6 8 内部a d c 模拟输入上限电压3 3 v t l 6 1 。 由于l p c 2 3 0 0 系列删内部的a d c 转换精度是1 0 b i t ，因此在计算a d 转换值时， 当通道的结果寄存器a d d r 中保存的转换值为v a l u e a d d r 时，则转换结果 v a l u e a d c 的计算方法如下： v a l 沈k = 普蹦 ( 3 2 ) 使用2 5 v 作为基准参考电压源，则把- 2 5 v 代入上式即可求出，d 转换结果， 同时可计算出a d 转换器的最小分辨率： 三船：簪：塑_ 2 4 4 m v ( 3 3 ) 2 “ 1 0 2 4 、7 即在一次转换中，a d 转换器能够区分的最小电压为2 4 4 m v 。 输入到a r m 的a d 引脚上的电压处在l p c 2 3 6 8 的模拟输入范围( 0 - 2 5 v ) 内。 第三章系统的硬件设计 高尔夫球员体重转移检测仪设计 3 5l c d 显示模块 系统要求能够提供直观的体重转移波形，具有良好的人机交互界面。本课题使用 的是铭正同创公司的点阵式液晶显示器m z l 0 2 1 2 8 6 4 ，其l c d 模块的总线接口为6 8 0 0 总线。m z l 0 2 1 2 8 6 4 模块与各种m c u 均可进行方便简单的接口操作1 7 1 1 ) 1 2 8x6 4 点阵f s t n 2 ) 1 6 4 占空比l 9 偏压比 3 ) 单电源供电对比度编程可调 4 ) 并行接口为6 8 0 0 时序m p u 接口方式 5 ) 3 3 v 的白色l e d 背光，美观大方 6 ) 集成$ 6 8 0 7 2 4 驱动控带l j i c l p c 2 3 6 8 和l c d 的接口原理图如图3 6 所示；m z l 0 2 1 2 8 6 4l c d 模块的接口功能 如表3 2 所示【1 8 】。 酽 v s s v d d ( 3 v 3 ) ：d l ，p i p e 了n m ：l 几r a c e s y n c 气l ，t r a c e p 咖 j l ，t r a c e p i 订l s 1 厂t r a c e p l c t 2 ) 2 仃r a c e p l c t 3 r ，r x d 2 ，e x t l n 0 d i ，s s e l 刖s s e l 靴i s c k 0 s c k s l ，m i s 0 0 t m i s o ) l ，m o s i o ，m o s i ，m c i c l k s d a i ，m c i c m d ，s c l l l ，m c i p w 胍d 1 ，m c i d t 0 ，r d l v s s v d d ( 3 v d p 21 0 ，e i n r 0 建蠕? 萨2 。 毫凰o j 罟垦e i 。巳l l2 鼍声1 震 。研汗一 34 4 苟历6 西夏一 56 4 茹历7 氤万一 78 4 器丽罚罚一 91 0 4 有丽百万一 1 1 1 2 墨而丽广 1 31 4 萋,：疆lp鬻o 1 7 e p 1 i 芦 1 51 6 1 71 8 1 92 0 灞： 地啦。到 ，r 确 莓耍2t 一 c i l l 5 。一5 4 l |l 9 5 3p 21 0l s 40 l u f l 墨r 瓦- 兀1 - 3铂 3 _ 葡气广面 图3 - 6l p c 2 3 6 8 和l c d 的接口原理图 1 4 高尔夫球员体重转移检测仪设计 第三章系统的硬件设计 表3 - 2m z l 0 2 1 2 8 6 4l c d 模块的接口功能表 序接口引脚名说明序号接口引脚名说明 号 1v d d l c m 供电 2l e d a 背光正极输入 3d b 04c s 片选( 低电平有效) 5d b l6r s t 复位脚( 低电平有效) 7d b 28 r s ( a 0 ) 数据命令选择脚 9d b 3 8 位数据总线 1 0帆 6 8 0 0 系列m p u 读写信号( w r ) 1 1 d b 41 2e p 6 8 0 0 系列m p u 时钟信号使能脚 1 3 d b 5 1 4 1 5d b 6 1 6 1 7d b 71 8 1 9v s s 地 2 0l d e k 背光负极输入 3 6 数据存储模块 l p c 2 3 6 8 内置一个高达5 1 2 k b 的f l a s h 存储器，如果不需要存储大量数据，则可以 使用其内置的f l a s h ，若需要存储大量数据，可以选择外接存储卡。一 本系统的数据存储模块选用的是s d 卡存储器件。s d 卡在不同的通信模式下，各 引脚的功能也不相同。通信模式是指微控制器访问卡时使用的通信协议，分为两种： s d 模式和s p i 模式。 l p c 2 3 6 8 内部带有s d m m c 卡控制器，只支持s d m m c 卡的s d 总线模式，因此， 采用s d 模式，就可以直接使用该控制器来访问卡【1 9 1 。 图3 7 中左图是提供s d 卡电源的电路，右图为s d m m c 卡的s d 总线接口电路。s d 总线上的信号线的功能描述如表3 3 所示【2 0 1 。 第三章系统的硬件设计高尔夫球员体重转移检测仪设计 图3 7s d 卡供电电路及s d 总线接口电路 表3 3s d 总线信号线功能描述表 信号线功能描述 c l k主机向卡发送的用于同步双方通信的时钟信号 c m d 双向的命令响应信号 d a t 0 d a t 34 个双向的数据信号 v d d 电源正极 v s s l 、v s s 2电源地 对卡的供电采用可控方式，防止s d m m c 卡进入不确定状态。可以通过对卡重新 上电使卡复位而无需拔出卡。e h l p c 2 3 6 8 的g p l 0 1 2 p 0 2 1 对q 4 进行控制，当p o 2 1 输出 高电平时，q 4 关断，断开卡的电源；当p o 2 1 输出低电平时，q 4 导通，+ 3 3 v 电源给 卡供电。 3 7u a r t 接口的应用 串行通信分为异步与同步两种方式。通用异步收发器( u a r t u n i v e r s a l a s y n c h r o n o u sr e c e i v e rt r a n s m i t t e r ) ，是设备间进行异步串行通信的关键模块。它的功 能如下： 1 ) 处理数据总线和串行1 2 之间的串并、并串转换。 2 ) 通信双方只要采用相同的帧格式和波特率，就能在未共享时钟信号的情况 下，仅用两根信号线( r x 和t x ) 就可以完成通信过程。 1 6 高尔夫球员体重转移检测仪设计 第三章系统的硬件设计 3 ) 采用异步方式，数据收发完毕后，可通过中断或者置位标志的方式通知微控 制器进行处理，大大提高微控制器的工作效率川。 l p c 2 3 0 0 系列a r m 通用异步收发器u a r t 有以下特性： 1 ) 1 6 字节接收f i f o 和1 6 字节发送f i f o 2 ) 寄存器位置符合1 6 c 5 5 0 5 1 2 业标准 3 ) 接收器f i f o 触发点可为1 、4 、8 和1 4 字节 4 ) 内置波特率发生器 l p c 2 3 6 8 具有自动波特率功能，通过测量接收输入数据流的位所消耗的时间而 设置除数锁存寄存器u i l d l m 和u n d l l ，从而产生合适的波特率圈。u a r t 与p c 机通 讯的电路如图3 8 所示。 图3 8 串口电平转换电路 本章总结： 首先介绍了体重转移信号的检测原理，接着详细地介绍系统的硬件设计，主要 包括电源模块、数据采集部分、核心处理器模块、l c d 模块、数据存储模块以及串口 通信模块的设计。制作的硬件系统电路板见附录图( 3 ) 。 第四章系统的软件设计 高尔夫球员体重转移检测仪设计 第四章系统的软件设计 4 1 实时操作系统的移植 4 1 1 u c 0 s _ ii 系统介绍 u c o s _ i i 是1 9 9 2 年由j e a nj l a b r o s s e 编写的一个嵌入式多任务实时操作系统。作 为开源的实时性操作系统，可以实现基本的实时调度、信号量、队列和存储管理。采 用嵌入式实时操作系统，可以实现多任务，这样可以更合理、更有效地利用c p u 的资 源，简化应用软件的设计，缩短系统开发时间，更好地保证系统的实时性和可靠性。 l 、u c o si i 的主要特点： 1 ) 可移植性 u c o si i 绝大部分源码是用a n s ic 写的，而与微处理器硬件相关的那部分是用 汇编语言写的，已经压到最低限度，使得u c o s i i 便于移植到其他微处理器上。 2 ) 可裁剪性 可以只使用u c o si i 中应用程序需要的那些系统服务，这样可以减少产品中的 u c o si i 所需的存储器空间。 3