基于傳感器技術(shù)的運動員訓(xùn)練狀態(tài)脈搏測試

劉佳

摘 要： 為了提高運動員訓(xùn)練狀態(tài)的身體體能特征的監(jiān)測效能，提出基于傳感器技術(shù)的運動員訓(xùn)練狀態(tài)脈搏測試方法，基于Android嵌入式系統(tǒng)進行便攜式脈搏測試儀的系統(tǒng)設(shè)計，用傳感器處理以S3C6410為系統(tǒng)的核心處理器，采用振動傳感器進行運動員訓(xùn)練狀態(tài)脈搏的數(shù)據(jù)采集，以ARM1176JZF?S作為主處理芯片進行訓(xùn)練狀態(tài)脈搏特征分析，在硬件模塊設(shè)計中，設(shè)計信號調(diào)理電路實現(xiàn)對脈搏測試信號的放大和濾波，實時輸出運動員訓(xùn)練狀態(tài)脈搏。測試結(jié)果表明，脈搏測試儀具有較好的測試性能，同時可以實現(xiàn)脈搏異常報警，較好地維護了運動員訓(xùn)練過程中的身體機能和健康水平。

關(guān)鍵詞： 傳感器技術(shù)； 訓(xùn)練狀態(tài)； 脈搏測試； Android

中圖分類號： TN4?34； TP302 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 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 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

運動員在進行體育運動過程中，脈搏的變化能有效反應(yīng)運動員的身體機能和健康水平，通過對運動員訓(xùn)練狀態(tài)時的脈搏測試，能科學(xué)掌握運動員的運動訓(xùn)練狀態(tài)，分析運動員的個體化身體機能特征，對指導(dǎo)運動訓(xùn)練，保護運動員的身體健康具有重要意義[1]。運動員訓(xùn)練狀態(tài)脈搏測試是建立在傳感監(jiān)測技術(shù)基礎(chǔ)上的，通過佩戴脈搏測試的振動傳感器，實時反饋運動員的脈搏信息，結(jié)合數(shù)字信息處理系統(tǒng)進行脈搏信息的特征分析，實現(xiàn)脈搏測試和自動報警，并將運動員訓(xùn)練狀態(tài)脈搏數(shù)據(jù)傳輸?shù)綔y試中心，如果有運動員的脈搏或者心臟發(fā)生異常，將產(chǎn)生異常的脈沖信號，實現(xiàn)及早判斷和發(fā)現(xiàn)[2?3]。

1 運動員訓(xùn)練狀態(tài)脈搏測試系統(tǒng)設(shè)計原理

運動員訓(xùn)練狀態(tài)脈搏測試系統(tǒng)分為便攜式移動終端系統(tǒng)和專家數(shù)據(jù)庫的信息監(jiān)控系統(tǒng)兩部分。其中，運動員便攜式移動終端系統(tǒng)采用傳感器技術(shù)，通過便攜式的振動傳感器進行運動員訓(xùn)練狀態(tài)下的脈搏信息采集，負(fù)責(zé)實時采集運動員的心臟數(shù)據(jù)和脈搏數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)送到環(huán)形RAM緩沖區(qū)，并且對運動員訓(xùn)練狀態(tài)的脈搏數(shù)據(jù)進行簡單的分析和處理，如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，則通過預(yù)警方式告知運動員和教練員。通過傳感器技術(shù)連續(xù)地采集數(shù)據(jù)到主控計算機，采集到的數(shù)據(jù)會通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綄＜蚁到y(tǒng)進行數(shù)據(jù)分析，結(jié)合大數(shù)據(jù)信息處理技術(shù)[4]，實現(xiàn)對運動員訓(xùn)練狀態(tài)的特征分析和身體機能調(diào)控，根據(jù)運動員的身體個性化差異特征制定合理的訓(xùn)練方案[5]。運動員訓(xùn)練狀態(tài)脈搏測試系統(tǒng)設(shè)計原理框圖如圖1所示。

本系統(tǒng)設(shè)計采用三層架構(gòu)的設(shè)計原理，分為硬件層、中間層和軟件層。運動員訓(xùn)練狀態(tài)脈搏測試系統(tǒng)的硬件層是指支持整個系統(tǒng)硬件運行和電路工作，包括傳感器信號調(diào)理、抗混疊濾波、核心處理器和相應(yīng)的外圍匹配電路，浮點DSP可以通過HP E1562D/E數(shù)據(jù)硬盤存儲脈搏測試數(shù)據(jù)[6]，采用VXI系統(tǒng)總線發(fā)送脈搏測試的調(diào)理信號輸出結(jié)果到核心控制器中，進行運動訓(xùn)練狀態(tài)特征分析；軟件層是實現(xiàn)脈搏測試系統(tǒng)的軟件測試和系統(tǒng)的程序開發(fā)；中間層是指介于硬件層和軟件層之間的一層，可以獨立設(shè)置，如輸入范圍、單端輸入，進行脈搏測試數(shù)據(jù)的調(diào)制解調(diào)和緩存，使用Motorola 56002定點DSP完成脈搏測試系統(tǒng)的中間層設(shè)計[7?8]。根據(jù)DSP層提供的可編程12 dB高通濾波器進行數(shù)據(jù)信息濾波和信號調(diào)理，完成對脈搏測試信號的實時數(shù)字濾波。根據(jù)上述設(shè)計原理，進行運動員訓(xùn)練狀態(tài)的脈搏測試系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。

2 脈搏測試儀的硬件設(shè)計

2.1 外圍器件選擇

運動員訓(xùn)練狀態(tài)脈搏測試建立在嵌入式Android系統(tǒng)技術(shù)上，外圍器件包括ADSP21160處理器系統(tǒng)、脈搏采樣的振動傳感器、存儲器（SDRAM，F(xiàn)LASH，ROM等），硬件系統(tǒng)以數(shù)字處理板為核心，為了滿足可靠性的需求，在外圍器件選擇中，選用工業(yè)級16位DSP，主頻600 MHz的Blackfin DSP芯片作為核心處理器，采用Samsung S3C6410A作為主處理芯片，S3C6410A具有16位定點DSP內(nèi)核，有效滿足脈搏測試系統(tǒng)低功耗的高頻傳輸性能，在嵌入式處理器基礎(chǔ)上添加濾波單元，構(gòu)建嵌入式處理的核心控制單元，操作系統(tǒng)和用戶應(yīng)用程序固化在ROM中構(gòu)成一個嵌入式核心控制模塊，脈搏測試儀的外圍器件分布結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 脈搏傳感器設(shè)計

采用傳感器技術(shù)進行運動員訓(xùn)練狀態(tài)脈搏測試系統(tǒng)的設(shè)計，運動員訓(xùn)練狀態(tài)脈搏傳感器負(fù)責(zé)采集運動員訓(xùn)練狀態(tài)的脈搏數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)中的運動員脈搏傳感器采用北京菲斯達科技有限公司生產(chǎn)的ZN17?KG200型脈沖振動傳感器作為脈搏采樣傳感器。運動員訓(xùn)練狀態(tài)脈搏傳感器負(fù)責(zé)采集運動員訓(xùn)練狀態(tài)脈搏數(shù)據(jù)，脈搏傳感器通過測試人體每次心跳的動態(tài)脈沖，通過振動傳感信息處理芯片進行A/D轉(zhuǎn)換，把脈搏傳感器的SA節(jié)點采用的人體脈搏信號轉(zhuǎn)化為電信號，產(chǎn)生的電流從右心房的SA節(jié)點流向下面的兩個心室，通過I/O接口（D/A、A/D、I/O口等）輸出運動員訓(xùn)練狀態(tài)脈搏圖，本文采用的脈搏采集傳感器的技術(shù)指標(biāo)如下：

輸出電壓范圍：0～3 mV/42～212 bmp；

脈搏傳感器的D/A分辨率：0.021 mV/2 bmp；

具有通用設(shè)備接口和I/O接口，主頻533 MHz，輸出的信號檢測放大倍數(shù)為500。

2.3 硬件電路模塊化設(shè)計

根據(jù)上述硬件電路的外圍器件選擇和傳感器設(shè)計，進行整個運動員訓(xùn)練狀態(tài)脈搏測試系統(tǒng)的硬件電路模塊化設(shè)計，主要對系統(tǒng)的放大電路、濾波電路和脈搏測試的控制電路設(shè)計描述如下：

（1） 放大電路設(shè)計。放大電路主要實現(xiàn)對運動員訓(xùn)練狀態(tài)脈搏測試信號的放大，將0～5 mV的輸出脈搏采樣脈沖信號放大到0～5 V的范圍，通過外部晶體配合內(nèi)部振蕩電路實現(xiàn)后級A/D輸入，通過放大電路設(shè)計使得輸出電壓滿足系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)計指標(biāo)，使用有源晶振作為系統(tǒng)的內(nèi)部時鐘進行脈搏的異常特征采樣，通過對電壓范圍濾波匹配，滿足放大倍數(shù)為1 000倍，通過和進行分壓，分兩級完成信號，前級實現(xiàn)20倍放大，后級實現(xiàn)50倍放大，當(dāng)按下開關(guān)S1后，產(chǎn)生復(fù)位輸出，得到本文設(shè)計的脈搏測試儀器的放大電路設(shè)計如圖3所示，其中VSS和VCC分別接地和3.3 V電源，電容CD1和CD2用來實現(xiàn)電源濾波，SPI串行引導(dǎo)+2.5 V為單電源進行偏置放大。

（2） 濾波電路設(shè)計。人體正常的心跳頻率大約在60～100 次/min之間，在脈搏測試中，容易產(chǎn)生噪聲干擾，需要通過濾波電路進行干擾處理，通過一個0電阻后作為I/O電源，對噪聲進行濾波處理，通過（R/X）DATDLY設(shè)置接收和發(fā)送的脈搏測試數(shù)據(jù)的濾波延遲，進行濾波器設(shè)計，在濾波電路設(shè)計中，DAM控制器讀取/寫入DRR，設(shè)計一個截止頻率在20 Hz以上的低通濾波器，以濾波輸出的調(diào)制信號作為DSP接收PC機信息時的通信窗口，在兩塊DSP之間傳送脈搏傳感信息的采樣數(shù)據(jù)，考慮到冗余設(shè)計，在濾波器設(shè)計中，系統(tǒng)采用50 MHz的參考時鐘輸入，通過DSP中斷控制進行各芯片的讀寫和片選信號鎖定，得到濾波電路設(shè)計如圖4所示。

其中，μF，μF分別為電磁干擾和噪聲干擾電容，取kΩ，0.1 μF，選用不同的DC?DC芯片控制濾波器的電流最大輸出，則濾波器的增益為，經(jīng)低通濾波器形成COS信號，F(xiàn)IR濾波器的截止頻率為符合運動員訓(xùn)練狀態(tài)脈搏測試系統(tǒng)的濾波特性要求。

（3） 控制電路?？刂齐娐肥敲}搏測試儀的信息處理和集成控制，是整個系統(tǒng)的核心，采用PCI總線技術(shù)進行脈搏測試數(shù)據(jù)的特征采樣和信號分析，采樣寬度為16位，運動員訓(xùn)練狀態(tài)脈搏測試儀的工作頻率為8 MHz，單獨輸出+3.3 V和+1.6 V，電流最大輸出為1 A，控制電路采用一組外部電源12 V進行系統(tǒng)供電，使用TCP/IP協(xié)議進行通信，得到脈搏測試控制電路設(shè)計如圖5所示。

在脈搏測試儀的主控芯片設(shè)計中，核心處理器采用Samsung S3C6410A，運動員訓(xùn)練狀態(tài)脈搏測試儀的數(shù)據(jù)線寬度是8位，通過設(shè)計的帶通濾波器來補償模擬信號預(yù)處理機的失真漂移，根據(jù)自動增益控制，訓(xùn)練狀態(tài)脈搏測試儀的回路電抗和功率放大增益分別為：

（1）

（2）

（3）

通過自定義總線SCSI?68輸出脈搏的單頻脈沖信號，繼電器的控制信號輸出電源經(jīng)預(yù)處理后，進行脈搏信號的特征分析和過載監(jiān)護，通過SCSI?68反饋動態(tài)增益控制，運動員訓(xùn)練狀態(tài)脈搏測試儀調(diào)幅發(fā)射的功率傳遞效率為。通過CPLD編程ADM706SAR進行脈搏測試儀的輸出增益控制，設(shè)計ATmega128L的ADC2采樣電路進行脈搏特征序列采樣，綜上分析，得到整個硬件電路設(shè)計如圖6所示。

3 軟件設(shè)計

基于Android嵌入式系統(tǒng)進行便攜式脈搏測試儀系統(tǒng)的軟件開發(fā)和設(shè)計，在CCS 2.20開發(fā)平臺下進行操作系統(tǒng)設(shè)計，本文選擇Android OS作為軟件仿真器（Simulator），它是在Linux內(nèi)核的基礎(chǔ)上，通過模擬DSP的指令集進行程序加載和脈搏測試，在進行運動員的脈搏監(jiān)測中，在Linux操作平臺下，采用C5409A XDS510 Emulator仿真器對兩個操作系統(tǒng)的內(nèi)核進行比較分析，讓PC轉(zhuǎn)到適當(dāng)?shù)牡刂啡〕鲋袛嘞蛄?，基于Linux kemel2.6和fedora9實現(xiàn)中斷向量的地址加載。 脈搏測試儀的操作系統(tǒng)移植分以下幾步來完成：

（1） 設(shè)置工作目錄

置INTM=0，置IMR的中斷相應(yīng)位為1，在Linux環(huán)境下執(zhí)行脈搏數(shù)據(jù)的傳感信息采集：

# mkdir / athletic training

# cd / physical function

# mkdir c ARM1176JZF?S kernel signal conditioning circuit

（2） 調(diào)用TaskBasic.postTask（）任務(wù)的TaskBasic（）.runTask（）事件，制作交叉工具鏈

刪除原來的編譯工具：

[root@ runNextTask（FALSE） /]# rm ?rf opt

[root@lrtedgest /]# ghrhh cross

設(shè)置系統(tǒng)控制核心編譯器：

# cd /mefvbfrk/csdgdsss

# xzvf /linux/ RISC ARM920T 4.3.tar.gz

Export PATH= Schematic diagram：/msdeffgvrk/crossvspile/opt

/FgsvsyARM/toadfcdgvfn/4.4.3/bin

（3） 獲得內(nèi)核源碼

# cd /mywork/kernel

# Warehouse anti?theft /linux/lfergrgv2.2?mini24w45657704.

tar.gz

最后執(zhí)行內(nèi)核程序的編譯，實現(xiàn)對運動員訓(xùn)練狀態(tài)脈搏測試的核心程序?qū)懭牒途幾g，程序編譯界面如圖7所示。

4 系統(tǒng)實驗測試分析

為驗證本系統(tǒng)的性能，以某高校的體育特長生為實驗對象進行產(chǎn)品的試用，分析本文設(shè)計的運動員訓(xùn)練狀態(tài)脈搏測試系統(tǒng)的性能，實驗中，運動員攜帶設(shè)計的便攜式運動員訓(xùn)練狀態(tài)脈搏測試進行跑步、游泳和籃球等項目的訓(xùn)練，實時顯示每位運動員的當(dāng)前訓(xùn)練狀態(tài)脈搏數(shù)據(jù)，如圖8所示。從圖8可見，采用本文設(shè)計的系統(tǒng)能實時監(jiān)測運動員在訓(xùn)練狀態(tài)下的脈搏信息，監(jiān)測的實時性和準(zhǔn)確性較好，而且可以實現(xiàn)脈搏異常報警，具有一定的實用價值。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計了一種基于傳感器技術(shù)的運動員訓(xùn)練狀態(tài)脈搏測試方法，基于Android嵌入式系統(tǒng)進行便攜式脈搏測試儀的系統(tǒng)設(shè)計，傳感器處理以S3C6410為系統(tǒng)的核心處理器，首先采用振動傳感器進行運動員訓(xùn)練狀態(tài)脈搏的數(shù)據(jù)采集，采用ARM1176JZF?S作為主處理芯片進行訓(xùn)練狀態(tài)脈搏特征分析，硬件模塊設(shè)計中，設(shè)計信號調(diào)理電路實現(xiàn)對脈搏測試信號的放大和濾波，實時輸出運動員訓(xùn)練狀態(tài)的脈搏。測試結(jié)果表明，脈搏測試儀具有較好的測試性能，應(yīng)用價值較高。

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