（电路与系统专业论文）拳击综合训练系统的设计与实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 为了提高拳击运动员的实战能力，方便教练制定有针对性的i l l 练，研发了拳 击综合训练系统。该系统能够训练拳击运动员长时间击打的体能、快速有力出拳 的击打能力和实战击打能力：能够获取训练数据，为教练制定训练方式提供依据。 本系统的中央处理器选用a r m t t d m i 核处理器l p c 2 2 t 4 ，外围设备设计了 用于提示有效击打位置并获取实际击打位置的击打点模块；用于采集气囊压力的 a d c 模块；用于与上位机通信的通信模块：用于人机交互的模块，包括键盘、 液晶、打印机和喇叭；用于存储大量数据的存储器模块。这些模块是本系统的电 路部分，依靠它们制定训练方式、采集训练数据、控制训练过程、获取训练结果。 在软件方面，完成了所有硬件模块的驱动函数i 推导了测量拳重的算法，完 成了测量拳重的代码；设计了用于提高拳击运动员长时间击打体能的耐力训练。 用于提高拳击运动员快速有力出拳的速度训练，用于提高实战击打能力的方案训 练。为了提高本系统的易操作性，利用键盘和液晶显示器设计了一套控制训练过 程的页面系统。页面系统由系统设置、数据管理和队员训练组成。其中系统设置 能够判断气囊压力是否合运。能够修改对两，能够迸行击打测试；数据管理锈够 上传训练结果，下载训练方案，察看、打印训练结果；队员训练页面中能够制定 每位拳击运动员的训练方式，控制训练的过程。 拳击综合调练系统训练拳击运动员的出拳、反应、移动等各项实战击打技术。 方便教练了解训练情况并做出相应的指导。训练结果的显示对于拳击运动员了解 自己的优缺点，树立自信心和制定新的目标都有很大的作用。该系统可以应用于 健身、娱乐等领域。 关键词拳击训练；拳的力量；a r m 处理器；l p c 2 2 1 4 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t h o “l c r t 0h c l p t h eb o x e r s t o i m p m v e t h e i r sc o m b a tc 印a b i l 姆衄d t o m a k cm c c o hd e s i 印p e r s o n a l 拉a i n i n gm e t h o d se 鹊i l y ，t h ea u t h o rh a sd e v e l o p e dt h eb o x i n g t r a i n i n gs y s t e m t h es y s t e mc 龇t r a i nt h cb o x dl o n g - t e r mb e a t i n gc a p a c i 哪锄d i tc 龃 a l s o 豇l h a n c ch i sq u i c ka n dp o w e r f u lb l o w se a p a e i t ) ，蛆dt h e a lc o m e te 印a b i l i t y r e l y i n go nt h et r a i n i n gd a mw h i c hi sp r o v i d e db yt h es y s t e m t h ec o a c hc 强d e s i 驴 p e r s o n a lt r a i n i n gn l e t h o d s o nt h el u a r d w a r es i d e ，t h es y s t c m sc p ui sl p c 2 2 1 4 ，1 ) v ：h i c hi so ft h ek e r n e lo f a r m 7 t d m i t h e r e 哦f i v em o d u l e so nt h ep e r i p h e r a lo q l l i p m 吼砌c h 黜m e b a s i cc i r c l l i t si nt h i ss y s t e m t h eb o x i n gp o s i f i o nm o d l l l e 锄画v eah i n to ft h e e 彘c t i v eb o x i n gp o s i f i o nt ot h cb o x c rb e f 0 i cb o x i n ga n dg c tt h ea c t u a lb o x i n gl o c 撕o n a f t 盯b o x i n g t h ea d c m o d u l ec a l lg e tt h ep r e s s u r eo fa i r b a g t h ec c 衄如砌c a t i o 邶 m o d l l l ec o m m u n i e a t e sw i mt h ep c t h eh c i ( h u m a nc o m p u t e rm t e r a e t i o n ) m o d l l l e ， m e l l l d m gk e y b o a r d , l c d ，p r i n t e ra n ds p e a k e r ，t a k e sc h a r g e o fc o m m l l n i a m n g b c t w e c np ca n dp e o p l e t h em e m o r ym o ( 1 l l l ei su s e dt os t o r el a r g e 锄o 岫t so fd a t a r c l y i n go nt h ed e s 蛳i o m o ft b ea b o v ec i f e u i t ，t h es y s t e mc a nd e s i 印也ei r a i n i n g m e t h o d s ，e o h e e tm et r a i n i n gd a t a , t a k ec o n 自r o lo ft h et r a i n i n gp r o c e s s ，a n dg c tt h e t r a i n i n gr e s u l t s o n 也c t t w a r es i d e ，f a r s f l y ，l h e 卸m o rh a sc o m p l 酏e da l ld r i v e nf u n c t i o mo f t l a e h a r d w a r em o d d e s e c d l y ，h ch a sf i n i s h c dt h ed e r i v a l i o no faa r i t h l n e 如w h i c hc 缸 m c a s u t h ep o w 盯o fb o x i n g ，a n dc e d ef o ri t t h i r d l y , h eh a sd e s i 鲥ae i i d u 船n c e 扛a i n i n g 麟i 也o dt 0 h a l 雠b o x e r ip h y s i e a la b i l 时o fl o b - t e r mb o x i n g ，as p e e d t r a i n i n gm e t h o dt 0i m p r o v et h eb o x 盯sq u i c ka n dp o w e r f u lb l o w sc a p a c i 劬a n da p r o g r a m 订a i n i n gm e t h o dt ow a i nb o x e r s c o m b a tc a p a b i l i 批t 0i m o v et h es y s t e m s 咄l i v m b i l i 劬t h ea u t h o rh a sd c s i 驴c dat r a i n i n gc o n 血d lp a g e ss y s t e mw h i c h i n c l u d e s “s e ts y s t e m ”，”d a t am a n a g e m 蹦t ”蛆d ”c wt r a i n i n g ”、时t ht h ek e y b r da n d l c d t h ep a g eo f ”t 夥s t e m ”c a nj u d g et h es u i m b 嘶o fp r e s s u r ea i r b a g , c a n c h a n g et i m e ，a n dt c s tb o x i n g mp a g co f ”d a mm a n a g e m e n t ”c a nl 叫o a dl a a i n i n g r e s i l l t sa n dd o w n l o a dt r a i n i n gm e t h o d s 、i t hi ty o uc 锄a l s o 咖l r a i m n gr e g u n sa n d p r i n tt h 锄t h ep a g eo f “c i e wl x a i n i n g ”c a nd e s i 驴i r a i n i n gm e t h o d sa n dc 们ll h e t r a i n i n gp r o c e s s 1 1 扯b o x i n gt r a i l i i n gs y s t e mi st ot r a i nt h eb o x e r si nb a 函n g ，础e c 血1 吕m o b i l e a n do l h 盯r e a lb e a t i n gt c c b l l o g y i tf a c n i t a t ec o 矾i h 船u n d e r s t a n dt h et r a i n i n gr e s u l 招 蛐d 画v e 咒l e v a n tg u i d a n c c t h ed i s p l a yo f t h et r a i n i n gd a t ah a sag r e a le f f e c tf b rt h e b o x e r s i th e l p st h e mt ou n d e r s t a n dt h c i ra d v 锄t a g e sa n dd i s a d v 锄t a g e s ，f o s t e rm e i r l 曲d e n c c ，a n dw s df l l r t h e ro n e e t i v e s t h es y s t e mc 趾b c 印曲e dt om 北醛， k e yw o r d sb o x i n gu a h 血g ，b l o wf o r c e s ，a r mp r o c e s s o r ，l p c 2 2 1 4 i l l 独创性声明 本人声明所呈交的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，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：有4 日期：趔牡也 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名币雌 导师签名：扭日期：鬯坚u 乙卫 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 随着我国综合国力的提高，体育运动越来越受到重视。近年来，我国体育事 业飞速发展。尤其是2 0 0 8 年奥运会即将在北京举办，奥运健儿们都希望取得好 成绩而积极备战。其中拳击运动在我国还处于起步阶段，但是在恢复短短二十年 的拳击事业发展中已经取得了十分可喜的成绩。2 0 0 4 年雅典奥运会上男子4 8 公 斤级的拳击比赛中，我国选手邹市明夺得了一枚宝贵的铜牌，创造了中国拳击在 奥运会上获得第一枚奖牌的历史。但我国的拳击运动水平与世界先进水平还存在 差距，训练水平需要进一步提高。 目前，我国拳击运动员的训练方法基本上仍采用传统的训练模式。拳击运动 员平时训练以击打手靶、沙袋、模拟人形靶等来提高击打能力。大量的训练工作 还是停留在人工训练上，陪练的训练强度很大。如击打手靶训练需要教练员的辅 助参与，教练员需要极好的体能才能适应这种高强度的训练工作。训练数据还没 有真正电子化、系统化。没有训练设备可以采集拳击运动员训练时的出拳力量、 出拳速度、击打位置等击打参数，不能分析击打训练的数据。训练数据和比赛的 结果尚不具有直接参照性，教练不能通过具体的训练数据进行纵向和横向的比 较，影响教练员与运动员之间的相互提高和促进。教练员之间的业务交流停留在 较低水平上。同时拳击管理部门也需要十分准确的量化数据作为参考，才能对训 练和比赛提出深入的计划和要求。国外的训练状况与我国大体相同。使用计算机 技术开发新的有效的训练设备采集和处理训练时的数据，提高拳击运动员的各方 面素质在国外也还处于起步阶段；国内开发专项击打训练的电子设备也较少。 国家体育总局分析研究认为很有必要设计一套拳击训练系统，应用于拳击运 动员专项体能训练，以提高实战素质，使我国的拳击事业走向新的胜利。最后决 定研发一套“拳击运动员专项体能训练器材”。该项目是国家体育局2 0 0 8 年奥运 科技攻关项目。 本实验室接下该项目后，与机电学院的老师组成了研发团队。机电学院的老 师负责“拳击运动员专项体能训练器材”机械部分的研制；本实验室负责数据处 理部分的研制。该器材机械部分主要包括：人型气囊、气体压缩泵、气囊高度调 整装置、曲杆连接和微型气泵模拟拳击运动员出拳装置、支架和移动装置、电气 控制柜等。数据处理部分包括上位机和下位机两部分。上位机软件部分要求有四 北京工业大学工学硕士学位论文 大功能：管理拳击运动员的资料、编辑“基本训练方案”、与下位机通信、处理 方案训练结果。下位机主要的功能是：采集拳击运动员的拳重；编辑拳击运动员 的训练方式；按照设定好的训练方式训练拳击运动员；打印训练结果数据；与上 位机通信等。 国家拳击队在使用“拳击运动员专项体能训练器材”的过程中，提出了许多 宝贵的意见，对该器材的性能提出了更高的要求。因此为了完善该器材的功能， 进一步提高设备的稳定性、精确性和易用性。作者在实现原有器材功能的基础上， 使用新的技术手段和方法，设计了新的下位机体系结构以完善其功能。本课题设 计的“拳击综合训练系统”保留“拳击运动员专项体能训练器材”中原有的机械 部分；重新设计下位机部分，使用新的处理器提高系统的性能，方便系统的扩展、 升级，提高稳定性；采用新的测量拳重算法以提高精确性；重新设计下位机部分 的软件功能，提高系统的易用性。 1 2 拳击训练方式综述 拳击运动员在比赛中能否取胜是由很多因素确定的，如生理的因素、心理因 素、环境因素等，因此平常训练的好坏是关键。训练的内容包括四部分：身体素 质训练、拳击技术和实战技术训练、心理素质训练和文化知识学习f ”。 身体素质是拳击运动员能否取胜的基础。拳击运动员在平常的身体素质训练 中，主要围绕力量训练、速度训练和耐力训练展开。 力量是拳击运动员的一项重要身体素质，是速度、耐力和灵敏等身体素质的 基础，在比赛中的作用尤为突出。力量包括最大力量、速度力量和力量耐力，其 中最大力量是基础1 2 - - 5 。最大力量训练的途径，主要是通过杠铃、哑铃等器械增 加肌肉生理横断面来提高最大力量，其特点是提高肌肉克服阻力的最大能力， 可以增加肌肉的体重。最大力量的主要练习内容：高抓、挺举、膝上提拉发力、 负重弯身、转体、深蹲、平推、卧推、负重俯卧撑、哑铃空击等。速度力量是拳 击运动员最典型的素质，具有力量和速度的综合特征。速度力量训练途径主要是 通过小杠铃、小哑铃等器械针对专项肌肉用力特点，有效地发展动力性力量，可 以提高肌肉的收缩能力和更好地改善神经、肌肉的协调性，以此来提高队员的速 度力量。速度力量主要训练内容有快速平推、负重快速半蹲跳和弓箭步跳、快速 俯卧撑、快速跳绳、负重快速滑步等。拳击运动员力量耐力的特征是一种持续较 长时间的力量能力和一种始终保持良好状态的对抗能力。力量耐力训练途径主要 是通过杠铃、小哑铃、跳绳、沙袋等器械，根据专项力量的需要按照预先设置的 2 第1 章绪论 练习内容、次数、时间、要求、组数等组成小力量循环方案。 拳击比赛中速度起着非常重要的作用。拳击运动员在对抗中能否掌握台上的 主动权，能否准确无误、快速而又正确的发挥技术，主要取决于快速反应能力和 防守反击能力。速度训练的方法主要有短跑、球类练习和跳绳练习等。如5 0 米 左右的短跑用来提高脚的移动速度和爆发力；排球、篮球、乒乓球等可以训练脚 步移动的频率，掌握方向感，提高灵敏性以及快速反应能力等。 耐力是非常重要的素质，没有良好耐力的运动员，在比赛的后期，很难发挥 出自己的技能。运动员在拳击运动中的专项耐力与其在实战中所发挥的特殊技术 有着密切的关系。中长距离跑是提高耐力的一个好方法，能够发展总耐力，增强 心血管系统和呼吸系统强度等。其他类型的训练如足球、篮球、排球、长距离划 船等都是提高耐力的好方法。 拳击运动员要有好的身体素质，更重要的是要掌握拳击技术和战术，因为拳 击技术和实战技术是拳击运动员能否取胜的关键。训练拳击运动员的技、战术有 重复训练法、分解训练和完整训练法、变化训练法和辅助训练法等。重复训练法 是指在动作尚未成熟掌握之前，应根据动作的需要安排练习强度、重复次数、间 歇时间。随着拳手技术水平的提高，可分阶段逐步增加重复次数或提高强度以及 按照预定的量化数据进行练习。分解训练和完整训练法主要用以掌握和完善各种 拳击技术动作。变换训练法包括范围有训练的速度、时间、间歇、动作的组合i 顺序、结构、变换练习条件以及环境等，速度与时间是这种练习方法的主要结构 因素。辅助训练法有打沙袋、打手靶、打墙靶、打梨形球等。 一位优秀的拳击运动员应该具备好的心理素质。提高拳击运动员心理素质的 训练方法主要有：念动训练法、心理调整训练法、模拟训练法、意志力训练法、 情绪控制训练法、集中注意力训练法、自我暗示和放松训练法和专门化知觉训练 等 。通过这些方法训练进一步掌握拳击技术，消除比赛时的过分激动和恐惧， 磨练意志力，有利于参加比赛和取得优异的运动成绩。 提高拳击运动员的文化知识水平，在基础理论知识的传授中发展智能是拳击 训练中的一个重要环节。在对专项进行分析的讲授中培养运动员的观察力、思维 力。让运动员学习了解竞赛规则，培养运动员的观察能力和适应能力；同时也要 加强运动员对训练计划和自我医务监督等知识的掌握。在训练的过程中，通过教 学比赛和模拟比赛等训练手段，让运动员把自己所掌握的理论应用到实践，提高 运动员运用理论知识的能力。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 3 本课题的主要内容 本课题主要研究基于a r m 7 t d m i 核处理器l p c 2 2 1 4 的拳击综合训练系统设计。 该系统的上位机软件沿用过去的配套软件，但是需做必要的修改。作者负责修改 两部分的内容：收发数据部分和编辑基本训练方案部分。 本课题重点设计系统下位机部分。即在实现原有功能基础上，以提高稳定性、 精确性和易用性为出发点，重新设计整个系统，完成所有下位机部分的软件、硬 件工作。 1 3 1 设计下位机硬件 重新设计下位机硬件的所有电路部分以提高系统运行的稳定性，具体如下： l ：选用a r m 7 t d m i 核处理器l p c 2 2 1 4 代替原来的w 7 8 e 5 8 b ，提高了系统运行 的速度和性能，减少系统外围电路部分的复杂性。该处理器内部的高速1 0 位a d c 转换器代替过去的a d c 0 8 0 4 ，提高了a d c 转换的速度和精度；内部的实时时钟模 块代替了过去的p c f 8 5 8 3 ，方便了代码的编写而且减少了外围电路的复杂性；处 理器可以外扩4 个b a n k 的设备，而且每一个b a n k 的寻址空间是1 6 m b ，这样减 少了过去使用7 4 l s l 3 8 、7 4 l s 3 7 3 和7 4 l s 3 7 7 组成的译码电路，极大地减少了系 统的复杂性，提高了电路的稳定性。 2 ：与上位机通信依然采用r s 一2 3 2 方式，但是在原来有线通信的基础上增加 了无信通信模块，即依据场地的情况可以选择有线通信或者无线通信。 ： 3 ：击打点物理设计依然采用过去的形式，但是电路部分作了修改。处理器 l p c 2 2 1 4 有大量的g p i o 供使用，所以扫描击打健状态时不再使用寻址电路，而 是使用g p i o 直接扫描c d 4 0 9 3 构成的击打健锁存电路。同样由于l p c 2 2 1 4 有足够 的g p i o ，所以直接用g p i o 通过 j l n 2 0 0 3 驱动提示灯，不再使用寻址电路。这样 电路板减少了芯片的使用，降低了电路部分的复杂性，提高了系统运行的稳定性。 4 ：人机交互依然使用过去的液晶、键盘、打印机和喇叭，但是电路部分除 喇叭电路未改动外，其余部分都作了修改。因为它们都被固定在机壳上，不能被 固定在电路板上，只能通过接口与电路板连接，所以应该减少引脚的连接。这样 可以降低训练过程中因强烈的震动带来的引脚接口松动而使系统运行不正常的 现象，提高系统的稳定性。决定把用总线方式控制液晶显示器和打印机改为用串 4 第1 苹绪论 行的方式控制：控制键盘电路不再使用过去由7 4 l s l 3 8 组成的键盘译码电路，采 用键盘管理芯片c h 4 5 2 s 来处理1 6 个按键的情况。这都减少了引脚的使用，也方 便编写代码。 5 ；外部数据存储器由过去的5 1 2 k 8 增加到i m b ，方便了数据的存储。 6 ：使用的芯片尽量选用贴片型封装，减少电路板的面积。 7 ；最后使用p r o t e l2 0 0 4 画p c b 图；焊接电路板上所有的元件；测试所有 电路部分的正确性。 1 3 2 设计下位机软件 重新编写下位机软件，目的是为了提高测量拳重的精确性和在使用时的易用 性。主要的工作如下： 1 ：采用c 语言编写各个硬件模块的驱动代码，方便以后的软硬件测试和系 统功能的扩展，降低代码出错的机率。 2 ：推导测量拳重的新算法，并用代码实现。为了测量拳重，设计了一套独 立的代码，专门用来测量电压对力的转换系数。通过实验获得这些系数后，系统 就可以测量拳重了 3 ：设计了三种训练方式：耐力训练、速度训练和方案训练。耐力训练是训 练拳击运动员长时间击打的体能。即在规定训练时间和拳重阈值的条件下尽可能 多击打。训练的结果数据是有效拳数和有效拳重。速度训练是训练拳击运动员快 速有力出拳的击打能力。即在规定较短的时间内和拳重阈值的条件下拳击运动员 尽可能又快又有力的击打。训练的结果数据是出拳速度和平均拳重。方案训练是 训练拳击运动员的实战击打能力，采用每次只有一个有效击打位置的训练方式。 通过提示灯亮来模拟此处目前是对方的弱点，提示拳击运动员可以击打此处。灯 亮的持续时间是模拟此处可以击打的有效时间。位置变化是模拟前一个可以击打 的机会已经失去了，出现了新的可以击打的机会，要求拳击运动员快速反应并有 力的击打中提示灯亮的位置。 4 ：重新设计了页面系统，按照“系统设置”、“数据管理”、“队员训练”三 个主功能块划分具体的操作，提高系统的易用性。“系统设置”中能够测量气囊 压力、修改时间、进行击打测试。“数据管理”中能够管理与上位机通信，能够 北京工业大学工学硕士学位论文 察看拳击运动员信息、基本方案信息，耐力训练和速度训练的结果。“队员训练” 中有两个功能块，一个功能是“训练设置”。即教练员设定需要训练的拳击运动 员的训练方式。另一个功能是“开始训练”。即系统按照设定的训练方式对拳击 运动员进行相应的训练。 1 3 3 技术指标 训练前，系统从上位机下载拳击运动员信息和方案信息。教练员依据这些信 息对需训练的拳击运动员制定具体的训练方式。 训练的过程中，系统采集拳击运动员击打的位置，计算击打时出拳的力量、 出拳的速度；提供训练拳击运动员长时间击打能力的耐力训练；提供训练拳击运 动员快速出拳的速度训练；提供模拟实际击打的方案训练；通过人机交互部分控 制拳击运动员的训练过程。 训练结束，系统存储拳击运动员训练时的数据：通过液晶显示器察看拳击运 动员训练的结果，并将训练的结果打印出来；可以上传拳击运动员方案训练结果 等数据以便进一步统计处理，方便教练依据这些数据制定更加科学合理的训练方 法，从而提高训练水平和比赛成绩。 1 4 本论文结构 绪论部分介绍了本文的研究背景、拳击训练的方法、论文的主要内容和结构 安排。 第二章详细描述了下位机的硬件电路设计，包括c p u 模块、击打点模块、采 集气压模块、通信模块、人机交互模块和外部存储器模块。 第三章描述了下位机软件设计。详细介绍了各个功能模块的驱动函数；推导 了测量拳重的算法；设计了耐力训练、速度训练和方案训练；最后介绍了如何设 计页面系统。 第四章描述了上位机软件的基本功能，主要内容是：管理拳击运动员的资料， 编辑基本训练方案，与下位机进行数据交互，统计、处理训练结果。 最后对全文进行了总结。描述了完成课题所做的主要工作，论文的创新点， 课题完成后所取得的成果。最后对未来本课题的设计展望提出了一些建议。 6 第2 章下位机硬件设计 第2 章下位机硬件设计 拳击综合训练系统下位机由电源模块、c p u 模块、击打点模块、采集气压模 块、通信模块、人机交互模块、外部存储器模块七部分组成。下位机硬件电路框 图如图2 - i 所示。 图2 1 硬件电路框图 电源模块：外部电源提供两个不同电压的电源，即电压5 v 电流至少4 a 的电 源和电压1 2 v 电流1 a 电源。1 2 v 电源专供气压传感器，5 v 电源则共给电路部分 的其他各个模块。5 v 电源至少需要电流4 a 是由于点亮l o 个并联的提示灯至少 需要2 2 a 左右的电流，同时其它模块如液晶显示器和打印机也需要较大的电流。 c p u 模块：该模块包括处理器电源电路、时钟电路、复位电路和调试接口电 路。中央处理器使用的是a r m 7 t d m i 核处理器l p c 2 2 1 4 。电源电路中使用电源芯 片s p x l l l 7 m 3 - 3 3 和s p x i l l 7 m 3 - i 8 为l p c 2 2 1 4 提供所需的3 3 v 和1 8 v 两个电 源。时钟电路采用的是外部i i 0 5 9 2 晶振和3 0 p f 电容构成的振荡电路。复位电 路中的复位芯片是m a x 8 1 1 ，采用外部手动复位的方式。调试接口电路适用于k e i l 公司的u - l i n k ，可以调试和下载代码。 击打点模块：气囊身上有1 0 个击打点。每个击打点都由击打键和提示灯构 7 北京工业大学工学硕士学位论文 成。击打键是两片很薄的电路板，其中一片上面有十个并联贴片型l e d ，这十个 l e d 构成一个提示灯。提示灯用于提示拳击运动员此处为有效击打位置。提示灯 流过的电流至少要求2 0 0 m a ，处理器l p c 2 2 1 4 通过u l n 2 0 0 3 驱动提示灯的亮灭。 击打键和c d 4 0 9 3 构成的r s 触发器组成了击打键电路。击打键电路锁存拳击运动 员击打的位置，方便测量反应时间和判断拳击运动员实际击打位置。 采集气压模块：气囊身上有一个压力传感器，该传感器反应的是气囊的压力。 处理器l p c 2 2 1 4 中的一路1 0 位a d c 转化器采集压力传感器电压大小，可以由压 力大小的变化算出拳重。 通信模块：该模块由s p 3 2 3 2 e 电平转化芯片构成。通过该模块下位机从上位 机下载拳击运动员的基本信息和基本训练方案等数据；上传训练结果给上位机， 以便上位机做迸一步的统计和处理。 人机交互模块：该模块由键盘控制电路、打印机、液晶显示器、音频控制电 路四部分组成。键盘控制电路由控制芯片c h 4 5 2 s 与键盘中的1 6 个按键构成。 c h 4 5 2 s 管理1 6 个按键的状态。打印机是面板式热敏打印机t pu p - a h 3 2 ，处理器 l p c 2 2 1 4 通过u a r t 控制打印机打印的过程和内容。打印机打印耐力训练和速度 训练的结果。液晶显示器是2 4 0 x 1 2 8 的字符型液晶l c m l 2 8 6 4 z k 。液晶显示器与 键盘一起控制该系统的运行，管理系统设置、数据管理、队员训练三大功能。音 频控制电路是由芯片5 5 5 和喇叭组成。l p c 2 2 1 4 通过5 5 5 控制喇叭发出开始提示 音、结束提示音和有效拳提示音等，用于提示拳击运动员的训练过程。 外部存储器模块：该模块由两片h y 6 2 8 4 0 0 a 连接构成l g 的空阈。为防止电 源关闭时存储器中的数据丢失，存储器电源管理芯片使用的是d s l 2 1 0 s 。l p c 2 2 1 4 的地址、数据线与芯片h y 6 2 8 4 0 0 a 和d s l 2 1 0 s 相连。存储所有的掉电非易失数据， 包括拳击运动员的编号、姓名，基本训练方案的编号、内容，设定好的拳击运动 员的训练方式，训练的结果等。 本系统中各个部分虽然相互独立，但是又紧密联系构成了一个整体。拳击运 动员训练前，处理器l p c 2 2 1 4 由通信模块从上位机上下载基本训练方案和拳击运 动员信息。这些下载的数据存储于外部存储器模块。教练依靠这些数据通过键盘 和液晶显示器设置各位拳击运动员的训练方式，即设置耐力训练、速度训练、方 案训练的参数。训练开始后，如果是进行耐力训练或则速度训练，处理器l p c 2 2 1 4 控制所有提示灯在训练的整个时问内一直亮，同时扫描击打键的状态，采集压力 传感器电压的变化，算出拳重。进行方案训练时，处理器l p c 2 2 1 4 读取存储器模 块中的方案数据，依据方案数据控制相应提示灯亮。方案训练一次只点亮一个提 3 第2 章f 位机硬件设计 示灯，即进行不同位置的训练。提示灯亮的位置模拟为实际比赛中有机会击打的 位置，提示灯亮的时间模拟为拳击运动员可以掌控此次机会的时间，位置变化的 时间模拟为上一个击打机会到下一个击打机会的时间。在灯亮的持续时间内扫描 击打键，采集压力传感器电压的变化，算出拳重。在所有方式的训练过程中，键 盘可以控制退出训练，拳重如果超过拳重阈值，喇叭发出有效拳提示音。训练结 束后，所有训练结果存储于存储器模块中。耐力训练和速度训练的结果可以被打 印。方案训练的结果可以上传给上位机，上位机上的软件做进一步存储、处理。 2 1c p u 模块 中央处理器的选择主要考虑了以下几个方面的因素：拳击综合训练系统外设 需要大量的i 0 腿；大量的代码需要足够的存储空间；训练时需要定时计数器： 与上位机通信和控制打印机需要两个u a r t ；采集电压变化时需要高速高精度a d c 转换器；键盘中的按键被按下时需要外部中断；开发难度和系统开发成本；代码 能够运行的速度等。最后决定选用l p c 2 2 1 4 2 1 1l p c 2 2 14 概述 l p c 2 2 1 4 1 6 4 i 是基于一个支持实时仿真和跟踪的1 6 3 2 位a p 撙7 t d b l 核c p u ， 是1 4 4 脚封装。l p c 2 2 1 4 带有2 5 6 k 字节( k b ) 嵌入的高速f l a s h 存储器。1 2 8 位 宽度的存储器接口和独特的加速结构使3 2 位代码能够在最大时钟速率下运行。 对代码规模有严格控制的应用可使用1 6 位t h u m b 模式将代码规模降低超过 3 0 ，而性能的损失却很小。2 个3 2 位定时器和基于标准定时器模块的p w m 能够 非常方便的管理时钟。2 个标准u a 盯方便了与上位机通信。还有实时钟、8 路 l o 位a d c 转换器、9 个外部中断、高速，2 c 接口( 4 0 0k b i t s ) 和2 个s p i 接 口等。使它特别适用于工业控制、医疗系统、访问控制等设备。 l p c 2 2 1 4 主要特性如下： 1 ：1 6 3 2 位a 跚7 t d m i _ s 微处理器，l q f p l 4 4 封装。 2 ：1 6 k b 片内静态r a m 和2 5 6 k b 片内f l a s h 程序存储器。1 2 8 位宽接口加速 器可实现高达6 0 m h z 的工作频率。 3 ：通过片内b o o t 装载程序实现在系统编程( i s p ) 和在应用编程( i a p ) 。 5 1 2 字节行编程时间为i m s 。单扇区或整片擦除时间为4 0 0 m s 。 9 北京工业大学工学硕士学位论文 4 ：e m b e d d e d i c e - r t 和嵌入式跟踪接口使用片内r e a l m o n i t o r 软件对任务进 行实时调试并支持对执行代码迸行无干扰的高速实时跟踪。 5 ：8 路1 0 位a d c 转换器，转换时间低至2 4 4 i is 。 6 ：2 个3 2 位定时器( 带4 路捕获和4 路比较通道) 、p 嘲单元( 6 路输出) 、 实时时钟和看门狗。 7 ；多个串行接口，包括2 个1 6 c 5 5 0 工业标准u a r t ，高速，2 c 接口( 4 0 0 k b i t s ) 和2 个s p i 接口。 8 ：向量中断控制器。可配置优先级和向量地址； 9 ：通过外部存储器接口可将存储器配置成4 组，每组的容量高达1 6 r o ，数 据宽度为8 1 6 3 2 位。 l o ：多达1 1 2 个通用i o 口( 可承受5 ￥电压) ，9 个边沿或电平触发的外部 中断引脚。 1 1 ：通过片内p l l 可实现最大为6 0 m h z 的c p u 操作频率。 1 2 ：片内晶振频率范围：i 3 0 m h z 。 1 3 ：2 个低功耗模式：空闲和掉电。通过外部中断将处理器从掉电模式中唤 醒，可通过个别使能禁止外部功能来优化功耗。 1 4 ：双电源。 一c p u 操作电压范围：1 6 5 1 9 5v ( i ，8y 0 1 5 ￥) ； - - i o 操作电压范围：3 o 3 6v ( 3 3v l o ) ，可承受5 v 电压。 2 1 2 最小系统设计 l p c 2 2 1 4 微处理器不能独立工作，必须给它供电，加上时钟信号，并提供复 位信号，这些就构成了l p c 2 2 1 4 微处理器的最小系统( l p c 2 2 1 4 微处理器有片内 程序处理器，不用外加程序存储器) 。l p e 2 2 1 4 的调试与测试接口虽然在芯片实 际工作时并不使用，但是这部分在开发调试下载代码时很重要。所以本论文的最 l o 第2 章下位机硬件设计 小系统包括：电源电路、时钟电路、复位电路、调试与测试接口电路四部分1 1 0 1 。 电源电路为整个系统提供能量，是整个系统工作的基础。整个系统有不同的 电压要求：压力传感器需要1 2 v 电源；外设如打印机、液晶显示器、击打点等需 要5 v 大电流的电源；c p u 模块则需要3 3 v 和1 8 v 电源。c p u 模块需要的电源大 小是由l p c 2 2 1 4 位处理器决定的，即l p c 2 2 1 4 微处理器需要两组电源：i 0 口供 电电源为3 3 v ，内核及片内外设供电电源为i 8 v 。为了方便管理，这两组电源 由5 v 电源降压得到。因为系统对这两组电压的要求比较高，且其功耗不是很大， 所以不适合选用开关电源，应当用低压差模拟电源( l d o ) 。合乎l p c 2 2 1 4 电源 要求技术参数的l d o 芯片很多，在这里选用s i p e x 半导体s p x i i l 7 m 3 3 3 和 s p x l l l 7 m 3 一1 8 。它们的性价比较好，且有一些产品可以与它直接替换，减少了 成本和采购风险。s p x il1 7 m 3 3 。3 和s p x i i l 7 m 3 - 1 。8 输出电流可达o 。8 a ，输出电 压的精度在士1 以内，还具有电流限制和热保护功能【l “。 n 口丑忑百互f 风， f 正 匿生f 卫e 凹西 图2 - 2 电源系统电路原理图 f i g u r e2 - 2t h ep o w e rc h c u i td i a g r a m 电源系统电路原理图如图2 2 所示。电源接口座( j p l ) 连接外部1 2 v 和5 v 的电源。接口座( j p 2 ) 用于连接压力传感器，给压力传感器提供电源并从传感 器获得气囊的压力。电容c l 、c 2 滤波j p l 提供的1 2 v 电源，滤波后的电源连接 j p 2 的2 、3 腿给压力传感器提供电源。二极管( d 1 ) 4 1 4 8 是一个保护二极管， 电源正常时发光二极管( l e d l ) 会被点亮。3 3 v 这一组电源中，5 v 直流电源经 过c 3 3 、c 3 6 滤波，然后通过芯片s p x l l l 7 m 3 3 3 ( u 4 ) 将电源稳压至3 3 v 。l p c 2 2 1 4 鳓 北京工业大学工学硕士学位论文 具有独立的模拟电源引脚，为了降低噪声和出错几率，模拟电源与数字电源应该 隔离。隔离电感l l 和l 2 就是将数字电源v d d 3 3 和模拟电源a v d d 3 3 隔离了。 电容c 1 0 - c 1 9 用于滤波3 3 v 电源，连接处理器l p c 2 2 1 4 的各个3 3 v 电源引脚。 1 8 v 这组电源中，5 v 直流电源经过c 3 3 、c 3 5 、c 3 6 滤波，然后通过芯片 s p x i l l 7 m 3 - i 8 ( u 4 ) 将电源稳压至1 8 v 。同样，隔离电感l 3 隔离了数字电源 v d d i 8 和模拟电源a v d d i 8 。电容c 8 、c 9 用于滤波1 8 v 电源，连接处理器l p c 2 2 1 4 的各个1 8 v 电源引脚。这样就得到了l p c 2 2 1 4 需要的两组电源。 l p c 2 2 1 4 可以使用外部晶振或外部时钟源，内部p l l 电路可以调整系统时钟， 使系统运行速度更快( c p u 最大操作时钟为6 0 m h z ) 。若不使用片内p l l 功能及 i s p 下载功能，则外部晶振频率为i 3 0 m h z ，外部时钟频率为1 5 0 m h z ；若使用 片内p l l 功能或i s p 下载功能，则外部晶振频率为i o - - 2 5 m h z ，外部时钟频率为 i o 2 5 m h z 。本拳击综合训练系统使用外部1 1 0 5 9 2 m i i z 晶振，时钟电路原理图如 图2 3 所示。由于l p c 2 2 1 4 的两个u a r t 在本系统中都被使用，因而用i i 0 5 9 2 m i i z 晶振保证u a r t 波特率更加精确，同时晶振的值满足片内p l l 功能的要求i l “。 罩 图2 - 3 时钟电路原理图 f i g u n ：2 - 3t h ec l o c kc i r c u i td i a g 咖 上电的时候，微处理器状态并不确定，可能会造成微处理器不能正确工作。 为了解决这个问题，所有微处理器均有一个复位逻辑，它负责将微处理器初始化 为确定状态。这个复位逻辑需要一个复位信号才能工作，因此必须设计复位电路。 由于l p c 2 2 1 4 芯片的高速、低功耗和低工作电压导致噪声容限低，对电源的纹波、 瞬态响应性能、时钟源的稳定性和电源监控可靠性等诸多方面提出了较高的要 求。本系统采取手动复位，为了保证任何情况下都产生稳定可靠的复位信号，选 择使用专门的复位芯片m a x 8 1 卜e u c - t 。 m a x 8 1 1 一e u s - t 1 5 1 是四引脚微处理器电压监视器，具有精密电源监控和低功耗 的特点，能够监视3 3 v 的电压电源。它具有手动复位功能，为低电平有效复位， 电源电流6 u a 。复位阈值电压为3 0 8 v ，上电复位的脉冲宽度最小为1 4 0 m s 。手 动复位电路原理图如图2 q 所示。因为手动复位输入端( 五孺) 内部有一个2 0 k 1 2 第2 章下位机硬件设计 的上拉电阻，因而该端与地之间可以直接连接一个复位按钮( 躲r e s e t l ) ，同时 复位输入端( 】i 覆) 和地之间接一个0 1 u f 的去藕电容c 2 4 。当复位按钮按下， 复位输出端( 面) 输出低电平使微处理器l p c 2 2 1 4 复位。 二己 图2 - 4 复位电路原理图 f i g u r e2 - 4t h er e s e tc i r c u i td i a g r a m 调试与测试接口不是系统运行必需的，但现代系统越来越强调可测性，调试 与测试接口的设计也越来越受到重视。l p c 2 2 1 4 微处理器有一个内置t r a g 调试 接口，通过这个接口可以控制芯片的运行并获取内部信息。调试与测试接口电路 原理图如图2 - 5 所示。该接口可以与k e i l 公司的调试工具u - l i n k 连接，在k e i l u v i s i o n 3 的开发环境中调试下载代码于l p c 2 2 1 4 中。 v d d 3 3 j r 图2 - 5 调试与测试接口电路原理图 f i g u r e2 - 5t h ed e b u g g i n ga n du - 镕t i n gi n t e r f a c i m u i td i a g r a m l p c 2 2 1 4 调试与测试接口的引脚功能和与j t a g 引脚连接的对应关系1 川如表 2 一l 所示。