便攜式足球運(yùn)動員機(jī)能狀態(tài)監(jiān)控器的嵌入式設(shè)計(jì)

張旭

摘 要： 設(shè)計(jì)足球運(yùn)動員機(jī)能狀態(tài)便攜式監(jiān)控器，提出一種基于嵌入式ARM技術(shù)的機(jī)能狀態(tài)監(jiān)控器設(shè)計(jì)解決方案。監(jiān)控器包括主機(jī)模塊、無線模塊、Android模塊、Web模塊和報(bào)警模塊等。首先進(jìn)行監(jiān)控器的總體設(shè)計(jì)方案分析，然后對模塊進(jìn)行分別設(shè)計(jì)，采用嵌入式ARM技術(shù)進(jìn)行主機(jī)模塊的串口配置和多線程程序開發(fā)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對足球運(yùn)動員身體機(jī)能數(shù)據(jù)處理和分析，并根據(jù)身體機(jī)能情況發(fā)出報(bào)警信息，便于運(yùn)動員實(shí)時(shí)調(diào)整身體狀態(tài)。測試表明，該監(jiān)控器具有較快的運(yùn)行響應(yīng)速度，對身體機(jī)能監(jiān)控的準(zhǔn)確性較好，具有極大的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 便攜式監(jiān)控器； 足球運(yùn)動員機(jī)能； 總體設(shè)計(jì)； 嵌入式ARM技術(shù)

中圖分類號： TN948.64?34； TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）10?0082?04

Abstract： A portable monitor for functional status of soccer players is designed. A design solution of functional state monitor based on embedded ARM technology is proposed. The monitor is composed of host module， wireless module， Android module， Web module and alarm module. The overall design scheme of the monitor is analyzed. All the modules are designed respectively. The embedded ARM technology is adopted to implement development design of serial port configuration and multi?threaded program of the host module， achieve the data processing and analysis of football player physical function， and give out alarm information according to the somatic function of the player， so that the physical state of the soccer player is adjusted in real time. The test result shows that the monitor has fast response speed and great practical value， and can accurately monitor the somatic function of the players.

Keywords： portable monitor； soccer player function； overall design； embedded ARM technology

0 引 言

足球運(yùn)動員長期進(jìn)行高強(qiáng)度的劇烈運(yùn)動和訓(xùn)練，需要進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的健康監(jiān)護(hù)，保障身體機(jī)能狀態(tài)穩(wěn)定。運(yùn)動員的身體機(jī)能的指標(biāo)參數(shù)能有效反應(yīng)運(yùn)動員的身體狀態(tài)特征，采用便攜式的身體機(jī)能監(jiān)控器進(jìn)行運(yùn)動員身體機(jī)能，如心肌功能、肺功能以及心血管功能等的監(jiān)控。并通過Web模塊和Android便攜儀終端發(fā)送數(shù)據(jù)供監(jiān)控中心的醫(yī)生進(jìn)行狀態(tài)分析，對心電圖或動態(tài)心電圖進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，保障運(yùn)動員具有最佳的身體狀態(tài)，因此研究運(yùn)動員機(jī)能狀態(tài)監(jiān)控器具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義[1]。本文研究的便攜式足球運(yùn)動員機(jī)能狀態(tài)監(jiān)控器建立在嵌入式的ARM平臺上進(jìn)行開發(fā)，基于CC2530設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)和SAE平臺開發(fā)，對監(jiān)控器進(jìn)行嵌入式設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

本文提出一種基于嵌入式ARM的足球運(yùn)動員機(jī)能狀態(tài)監(jiān)控器，利用嵌入式ARM嵌入式系統(tǒng)的小型化模塊化設(shè)計(jì)，得到便攜式的足球運(yùn)動員身體機(jī)能監(jiān)控終端系統(tǒng)。以嵌入式處理器S3C6410處理器為核心構(gòu)建無線模塊和系統(tǒng)的Android終端模塊。實(shí)現(xiàn)運(yùn)動員的身體機(jī)能數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、處理和異常狀態(tài)分析，并設(shè)計(jì)核心處理器和相應(yīng)的外圍匹配電路，將采集的足球運(yùn)動員的身體機(jī)能數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)讲±矸治鲋行墓┳闱蜻\(yùn)動隊(duì)醫(yī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動員自身狀態(tài)調(diào)整和醫(yī)生的雙保險(xiǎn)監(jiān)控，保障運(yùn)動員的身體狀態(tài)良好。根據(jù)上述原理分析，本文設(shè)計(jì)的便攜式足球運(yùn)動員機(jī)能狀態(tài)監(jiān)控器主要分為四大模塊：無線模塊、主機(jī)模塊、Android系統(tǒng)終端模塊、Web模塊[2]。其中，無線模塊與主機(jī)模塊之間需要設(shè)計(jì)串口通信，進(jìn)行PC端的串口編程，實(shí)現(xiàn)A/D數(shù)據(jù)傳輸和信息通信。主機(jī)模塊和Android模塊之間采用Socket套接字創(chuàng)建資源分配的線程，完成機(jī)能信息受到和數(shù)據(jù)分析等操作。Android模塊和Web模塊之間通過HTTP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通信傳輸，把便攜式移動終端系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)中心，進(jìn)行病理分析和機(jī)能狀態(tài)監(jiān)控。

根據(jù)圖1所示的機(jī)能狀態(tài)監(jiān)控器的總體設(shè)計(jì)框架圖，進(jìn)行系統(tǒng)的模塊的功能分析和設(shè)計(jì)技術(shù)原理介紹。其中，監(jiān)控器的無線模塊是由便攜式傳感器組成，通過穿戴方式配置在運(yùn)動員的身體上，進(jìn)行運(yùn)動員的心臟、脈搏和呼吸等身體機(jī)能狀態(tài)數(shù)據(jù)的原始采集，并將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)輸入到主機(jī)模塊中進(jìn)行信息加工和數(shù)據(jù)處理。通過數(shù)據(jù)分析，采用嵌入式技術(shù)進(jìn)行身體機(jī)能信息檢測。主機(jī)模塊以S3C2440A芯片為主控芯片，這是一塊ARM9芯片內(nèi)核為ARM920T，主機(jī)模塊是實(shí)現(xiàn)身體機(jī)能狀態(tài)特征分析的關(guān)鍵模塊，包括了JTAG調(diào)試接口，硬件復(fù)位電路系統(tǒng)等關(guān)鍵子系統(tǒng)。在主機(jī)模塊中通過串口傳輸身體機(jī)能數(shù)據(jù)給上位機(jī)進(jìn)行分析處理，并通過Web模塊將主機(jī)模塊傳送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝匯總[3]，通過串口輸出到監(jiān)控中心，在監(jiān)控中心進(jìn)行足球運(yùn)動員的健康管理。根據(jù)上述功能分析，得到本文設(shè)計(jì)的運(yùn)動員機(jī)能狀態(tài)監(jiān)控器的工作流程如圖2所示。

2 系統(tǒng)模塊化硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件平臺

本便攜式機(jī)能狀態(tài)監(jiān)控器設(shè)計(jì)采用3層架構(gòu)的設(shè)計(jì)原理，分為硬件層、中間層和軟件層。采用 ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)進(jìn)行監(jiān)控器無線模塊、主控系統(tǒng)模塊、Android模塊設(shè)計(jì)。其中無線模塊采用DS18B20作為外圍器件，采用單總線接口方式對足球運(yùn)動員的身體機(jī)能數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷處理，無線模塊進(jìn)行機(jī)能狀態(tài)的傳輸速率在 20～150 Kb/s，采用相應(yīng)的 Z?Stack 協(xié)議棧進(jìn)行數(shù)據(jù)無線收發(fā)控制，其他的外圍原件和外圍電路采用GT8340的32位嵌入式控制芯片。主控芯片采用TMS320VC5509A DSP芯片，該芯片為低功耗16位定點(diǎn)DSP，較好實(shí)現(xiàn)便攜式機(jī)能狀態(tài)監(jiān)控和信息處理[4]。

中央控制器有3種工作模式，分別為C，M和J模式，身體機(jī)能監(jiān)控器的驅(qū)動器使用具有低耗性能的T9871芯片通過DMA方式送到DSP內(nèi)部緩沖區(qū)驅(qū)動App Engine 平臺進(jìn)行程序燒制。在主機(jī)模塊使用 XML 和 HTTP POST多線程程序控制模式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，設(shè)計(jì)總線及橋接電路，采用多線程程序驅(qū)動模式進(jìn)行及逆行TCP連接，自動調(diào)整系統(tǒng)的放大倍數(shù)使得監(jiān)控系統(tǒng)的輸出增益處于某個范圍。對串口接收的運(yùn)動員身體機(jī)能數(shù)據(jù)通過信號采集模塊、PC端串口模塊和多線程驅(qū)動模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并與上位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換和應(yīng)用程序加載。

根據(jù)上述描述，得到本文設(shè)計(jì)的監(jiān)控器的數(shù)據(jù)處理多線程驅(qū)動程序圖如圖3所示。

根據(jù)上述硬件平臺設(shè)計(jì)，通 過 HTTP GET 和 HTTP POST把足球運(yùn)動員的身體機(jī)能狀態(tài)信息轉(zhuǎn)化為UART數(shù)據(jù)幀格式，在ARM?Linux 平臺上進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)和硬件設(shè)計(jì)，運(yùn)行網(wǎng)關(guān)/服務(wù)器應(yīng)用程序，采用 BWP08 芯片作為主機(jī)控制芯片，采用雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行監(jiān)控器模塊化硬件設(shè)計(jì)。

2.2 機(jī)能狀態(tài)監(jiān)控器的嵌入式模塊化硬件設(shè)計(jì)

對便攜式足球運(yùn)動員機(jī)能狀態(tài)監(jiān)控器的四大模塊：無線模塊、主機(jī)模塊、Android系統(tǒng)終端模塊、Web模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)描述如下：

（1） 無線模塊。無線模塊采用微處理器 STC12C5A60S2 收集足球運(yùn)動員的機(jī)能狀態(tài)原始數(shù)據(jù)[5]，STC12C5A60S2 采用片內(nèi)硬件SPI接口。首先初始化 SPI 接口工作方式，設(shè)計(jì)振蕩電路和復(fù)位電路把存儲在FLASH中的應(yīng)用程序通過A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行信息采樣，通過ARM片上的幀同步信號進(jìn)行完整的RGB數(shù)據(jù)信號控制[6]。用高電平表示一幀的開始同步信號VFRAME，來配置LCD控制器進(jìn)行時(shí)序邏輯控制，LCD控制器產(chǎn)生STN屏特有的控制信號，輸出運(yùn)動員的機(jī)能狀態(tài)信息，由此完成無線模塊的硬件設(shè)計(jì)。圖4為無線模塊電路。

（2） 主機(jī)模塊。主機(jī)模塊通過控制寄存器/顯存、LCDDMA、LPC3600進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控器的中央控制，采用嵌入式技術(shù)進(jìn)行主機(jī)模塊設(shè)計(jì)。運(yùn)動員身體機(jī)能監(jiān)控器的主機(jī)模塊使用具有低耗性能的T9871芯接收LCDDMA傳輸?shù)娘@示數(shù)據(jù)，結(jié)合串口標(biāo)識位進(jìn)行12位數(shù)據(jù)線狀態(tài)監(jiān)控[7]，主機(jī)控制的命令結(jié)構(gòu)字描述見表1。

采用片內(nèi)ROM的0F800H～0FBFFH 空間尋址，使用FLASH并行引導(dǎo)外部程序存儲器加載，對微處理器 STC12C5A60S2的4位數(shù)據(jù)總線控制進(jìn)行塊/位讀寫，GND外的引腳通過卡座內(nèi)部觸點(diǎn)接地。由此完成主機(jī)模塊設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)電路如圖5所示。

（3） Android系統(tǒng)終端模塊。Android系統(tǒng)終端模塊是實(shí)現(xiàn)足球運(yùn)動員機(jī)能狀態(tài)監(jiān)控器的終端佩戴和便攜式設(shè)計(jì)的模塊，采用片內(nèi)硬件SPI接口設(shè)計(jì)方法，將主機(jī)模塊處理的身體機(jī)能數(shù)據(jù)信息通過 Socket 發(fā)到Android模塊設(shè)備中。在Eclipse平臺中開發(fā)Android代碼，主機(jī)模塊與無線模塊通過Android系統(tǒng)終端模塊進(jìn)行串口配置，便攜儀監(jiān)控器采用ZigBee 設(shè)備自帶的USB口串口實(shí)現(xiàn)同步通信方式和異步通信，編寫串口的程序進(jìn)行Socket 端口的監(jiān)測和運(yùn)動員身體機(jī)能狀態(tài)調(diào)節(jié)。通過打開串口方式進(jìn)行從片內(nèi)ROM讀取執(zhí)行程序，在PC 端配置串口，讀寫串口的信號數(shù)據(jù)，檢查外部引腳[MP/MC]的狀態(tài)，從外部程序存儲器中進(jìn)行監(jiān)控器的Android系統(tǒng)外部執(zhí)行程序引入，在片內(nèi)RAM中讀loader首地址，然后關(guān)閉串口，得到串口接收流程如圖6所示。

在此基礎(chǔ)上，采用嵌入式ARM技術(shù)完成對Web模塊和報(bào)警模塊的集成設(shè)計(jì)，進(jìn)行主機(jī)模塊的串口配置和多線程程序開發(fā)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對足球運(yùn)動員身體機(jī)能數(shù)據(jù)處理和分析，并根據(jù)身體機(jī)能情況發(fā)出報(bào)警信息，實(shí)現(xiàn)了便攜式足球運(yùn)動員機(jī)能狀態(tài)監(jiān)控器的嵌入式設(shè)計(jì)。

3 實(shí)驗(yàn)測試分析

為了分析本文設(shè)計(jì)出的機(jī)能監(jiān)控器的應(yīng)用性能，需要進(jìn)行一次系統(tǒng)調(diào)試實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)際分析。實(shí)驗(yàn)測試中首先打開Android端的足球運(yùn)動員機(jī)能狀態(tài)監(jiān)控應(yīng)用程序客戶端，將便攜儀器穿戴到運(yùn)動員身上，進(jìn)行身體機(jī)能數(shù)據(jù)采集；在通用設(shè)備接口和I/O接口中進(jìn)行串口配置，采用C5409A XDS510 Emulator仿真器分析機(jī)能監(jiān)控的時(shí)間響應(yīng)和準(zhǔn)確性等方面的性能，得到采用本文方法和傳統(tǒng)方法的響應(yīng)性能曲線對比如圖8所示。分析得知，采用本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有較短的時(shí)間響應(yīng)，提高了監(jiān)控器對足球運(yùn)動員身體機(jī)能的敏感識別和監(jiān)控能力。

4 結(jié) 語

本文研究了足球運(yùn)動員身體機(jī)能監(jiān)控器設(shè)計(jì)方法，提出一種基于嵌入式ARM技術(shù)的機(jī)能狀態(tài)監(jiān)控器設(shè)計(jì)解決方案。監(jiān)控器包括了主機(jī)模塊、無線模塊、Android模塊、Web模塊和報(bào)警模塊等。首先進(jìn)行監(jiān)控器的總體設(shè)計(jì)方案分析，然后對模塊進(jìn)行分別設(shè)計(jì)。采用嵌入式ARM技術(shù)進(jìn)行主機(jī)模塊的串口配置和多線程程序開發(fā)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對足球運(yùn)動員身體機(jī)能數(shù)據(jù)處理和分析，并根據(jù)身體機(jī)能情況發(fā)出報(bào)警信息，便于運(yùn)動員實(shí)時(shí)調(diào)整身體狀態(tài)。測試表明，該監(jiān)控器具有較快的運(yùn)行響應(yīng)速度，對足球運(yùn)動員的身體機(jī)能監(jiān)控的準(zhǔn)確性較好，實(shí)用價(jià)值較高。

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