人體運動數(shù)據(jù)實時捕捉系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

丁廣鵬

摘 要： 采用電子測量方法進(jìn)行人體運動數(shù)據(jù)實時捕捉，構(gòu)建人體運動數(shù)據(jù)實時捕捉系統(tǒng)，系統(tǒng)包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分，采用HP E1433A高速數(shù)據(jù)捕獲總線模塊記錄人體運動數(shù)據(jù)并存儲到數(shù)據(jù)硬盤中。進(jìn)行運動數(shù)據(jù)捕捉的發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、控制器等硬件構(gòu)件設(shè)計，軟件設(shè)計通過PXI實時系統(tǒng)觸發(fā)各通道實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步采集和回放，進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化模塊設(shè)計和數(shù)據(jù)觸發(fā)設(shè)置。最后進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，結(jié)果表明，采用該數(shù)據(jù)捕捉系統(tǒng)能實時進(jìn)行人體數(shù)據(jù)的記錄和輸出，系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好。

關(guān)鍵詞： 人體運動數(shù)據(jù)； 實時捕捉； 系統(tǒng)設(shè)計； 總線

中圖分類號： TN915?34； TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）07?0092?04

Design and implementation of human motion data real?time capture system

DING Guangpeng

（Yili Normal University， Yining 835000， China）

Abstract： The electronic measuring method is used to capture the human motion data in real time， and construct the human motion data real?time capture system. The system includes the hardware design and software design. The high?speed data capture bus module HP E1433A is used to record the human motion data and store it in the data hard disk. The hardware components of transmitter， receiver and controller were designed to capture the motion data. In the third part of this paper， each channel is trigged with PXI real?time system to realize the data synchronous acquisition and playback， the data visualization module is designed， and the data triggering is set. The system was debugged. The results show that the data capture system can record and output the human body data in real time， and its stability is high.

Keywords： human motion data； real?time capture； system design； bus

人體運動數(shù)據(jù)實時捕捉系統(tǒng)可實現(xiàn)多模自動化的人體運動數(shù)據(jù)采集，對運動數(shù)據(jù)采集的種類主要包括運動過程中的速度、加速度、高度、位移等物理數(shù)據(jù)，以及脈搏、肺功能、心肌功能、呼吸功能方面的生理數(shù)據(jù)，對人體運動數(shù)據(jù)的實時捕捉是一項系統(tǒng)性工程，由于數(shù)據(jù)分布面較廣，數(shù)據(jù)特征之間的關(guān)聯(lián)性較弱，傳統(tǒng)的運動數(shù)據(jù)實時捕捉系統(tǒng)難以有效實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和分析，需要進(jìn)行人體運動數(shù)據(jù)實時捕捉系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，提高對人體運動過程中的身體運動特征的實時分析和信息捕捉能力。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計架構(gòu)

1.1 人體運動數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)流傳輸流程

為了實現(xiàn)對人體運動數(shù)據(jù)實時捕捉，采用VXI總線數(shù)據(jù)采集技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計，人體運動數(shù)據(jù)實時捕捉系統(tǒng)建立在對運動數(shù)據(jù)信息的特征采樣和總線控制的基礎(chǔ)上，運動數(shù)據(jù)實時系統(tǒng)的觸發(fā)器PXI?6713采用標(biāo)準(zhǔn)的VPP儀器驅(qū)動程序，利用PXI總線的高速PCI帶寬進(jìn)行多通道的同步觸發(fā)。系統(tǒng)采用PXI總線內(nèi)部系統(tǒng)10 MHz時鐘，觸發(fā)方式分為內(nèi)觸發(fā)和外觸發(fā)兩種，數(shù)據(jù)采集包括發(fā)射天線、接收天線、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、控制器等[1?2]。用VXI總線數(shù)據(jù)捕獲的運動數(shù)據(jù)存儲到板上RAM，文件管理系統(tǒng)采用內(nèi)核控制寄存到HP E1562D/E SCSI數(shù)據(jù)硬盤。數(shù)據(jù)實時捕捉系統(tǒng)的VXI總線數(shù)據(jù)觸發(fā)總線采用PXI實時記錄數(shù)據(jù)的中斷脈沖，通過實時系統(tǒng)集成總線RTSI0～7路由配置PXI?6713的回放通道向量[3]，通過計數(shù)器模塊分配到各PXI?6713模塊中。人體運動數(shù)據(jù)的總線數(shù)據(jù)流傳輸流程如圖1所示。

程序首先將人體運動數(shù)據(jù)實時捕捉系統(tǒng)的VXI總線數(shù)據(jù)首址賦給地址指針，然后進(jìn)入循環(huán)體，通過DSP指令集發(fā)送到FIFO RAM緩沖區(qū)，根據(jù)控制指令驅(qū)動程序進(jìn)行系統(tǒng)總線開發(fā)。

1.2 系統(tǒng)的功能模塊技術(shù)指標(biāo)描述

人體運動數(shù)據(jù)實時捕捉系統(tǒng)包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，通過PCI橋接芯片與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，DSP接收PCI總線傳遞的應(yīng)用程序，通過設(shè)定運動數(shù)據(jù)的采樣率、采樣通道數(shù)，輸出多路回波信號到接收機(jī)，讀取的采樣值進(jìn)行運動數(shù)據(jù)的頻譜分析，通過CPLD產(chǎn)生DSP中斷[4?5]。

硬件設(shè)計主要包括如下幾個部分：運動數(shù)據(jù)信息的DSP信號處理器、模擬信號預(yù)處理機(jī)、PCI總線及橋接電路、功率放大器、人體運動數(shù)據(jù)的邏輯控制設(shè)備、外部I/O設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)的嵌入式接口設(shè)計、外部存儲器執(zhí)行數(shù)據(jù)存儲以及系統(tǒng)復(fù)位電路實現(xiàn)對運動數(shù)據(jù)捕獲系統(tǒng)的時鐘中斷。

根據(jù)上述功能模塊分析，進(jìn)行運動數(shù)據(jù)捕捉的發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、控制器等硬件構(gòu)件設(shè)計，采用收發(fā)轉(zhuǎn)換電路構(gòu)建發(fā)射回波控制單元，人體運動數(shù)據(jù)實時捕捉系統(tǒng)選用繼電器實現(xiàn)模擬信號預(yù)處理，根據(jù)信號的大小自動調(diào)整數(shù)據(jù)實時捕捉系統(tǒng)的放大倍數(shù)，在操作界面設(shè)置數(shù)據(jù)捕捉的最大放大倍數(shù)和最小放大倍數(shù)。人體運動數(shù)據(jù)實時捕捉系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

人體運動數(shù)據(jù)實時捕捉系統(tǒng)控制模擬信號預(yù)處理機(jī)的動態(tài)增益碼，通過模擬信號預(yù)處理機(jī)放大、濾波后，運動數(shù)據(jù)實時捕捉系統(tǒng)通過DSP信號處理器實現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、處理、與上位機(jī)通信，DSP與PCI通信[6]，通過硬件控制輸出動態(tài)增益、任務(wù)，設(shè)計系統(tǒng)的功能技術(shù)指標(biāo)描述主要有：

（1） 控制D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換，利用應(yīng)用程序加載程序模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣和程序?qū)懭耄ㄟ^功率放大器將存儲在FLASH中的應(yīng)用程序寄存在內(nèi)部RAM中，系統(tǒng)的輸入電源中有一路為I/O電源管腳，采用bootloader防止電壓突變，采用0805進(jìn)行系統(tǒng)的封裝，設(shè)計內(nèi)核開關(guān)電源如圖3所示，實現(xiàn)動態(tài)電源管理。

內(nèi)核開關(guān)電源的開關(guān)頻率也可以在0～1 MHz間調(diào)節(jié)，采用電容進(jìn)行交流耦合，使boot loader在處理器內(nèi)部RAM中運行。

（2） 通過PXI總線橋接PXI?6713模塊與PC機(jī)進(jìn)行通信，人體運動數(shù)據(jù)實時捕捉系統(tǒng)采用可編程功能接口與PFI0～9進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和控制，實現(xiàn)總線RTSI0～7路由接入，取得人機(jī)對話。

（3） 自動增益控制，根據(jù)外部存儲器以及復(fù)位電路的采樣值幅度調(diào)整人體運動數(shù)據(jù)實時捕捉系統(tǒng)的模擬信號，采用外部I/O設(shè)備進(jìn)行預(yù)處理機(jī)的動態(tài)增益放大，通過CPLD產(chǎn)生DSP中斷使得模擬信號預(yù)處理機(jī)輸出端滿足系統(tǒng)的放大指標(biāo)，在預(yù)處理機(jī)動態(tài)控制輸出端進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換，功率放大范圍>20 dB。

（4） 設(shè)置合理的采樣頻率，通過自動增益控制的放大量為40 dB，A/D，D/A分辨率均>200 kHz，基陣阻抗能實現(xiàn)對人體運動數(shù)據(jù)的正常采樣。

（5） 輸出信號幅度為±20 V，通過模擬信號預(yù)處理機(jī)進(jìn)行放大，讀取A/D采樣值進(jìn)行處理，接收信號范圍包括信號頻譜特征和運動數(shù)據(jù)的頻率分量，通過計算模擬信號實現(xiàn)對運動數(shù)據(jù)的波束模擬。

（6） 系統(tǒng)外部輸入電壓為±12 V，能與外部SRAM通信，根據(jù)各放大器芯片的放大特性，實現(xiàn)系統(tǒng)低功耗控制和數(shù)據(jù)存儲，信號放大控制D/A轉(zhuǎn)換器工作。

2 數(shù)據(jù)捕捉系統(tǒng)的硬件設(shè)計

人體運動數(shù)據(jù)實時捕捉系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要包括發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、控制器等硬件構(gòu)件，由于系統(tǒng)采樣率至少為200 kHz，發(fā)射機(jī)采用10位ADC進(jìn)行運動數(shù)據(jù)的局部放大，進(jìn)行寬帶阻抗匹配處理，第一級選用AD8021進(jìn)行數(shù)據(jù)放大識別，采用減法電路、計數(shù)電路進(jìn)行ADC設(shè)計[7]，達(dá)到程序控制第一級放大的目的，在進(jìn)行運動數(shù)據(jù)實時捕捉的多頻振蕩控制中，采用TI公司推出的一款增益連續(xù)可變的DSP芯片進(jìn)行走動增益控制，設(shè)計555多頻振蕩器進(jìn)行人體運動數(shù)據(jù)的信號調(diào)理，采用STM32F101xx芯片設(shè)計寬帶電壓控制放大器，將STM32F101xx的電壓放大分貝數(shù)控制在：

[Vgain=10-2（Vc+1）] （1）

式中：[Vc]是人體運動數(shù)據(jù)實時捕捉的控制電壓，范圍是[-2 V≤Vc≤0；][Vgain]是開關(guān)電容低通濾波器放大增益。

DSP控制VCA810的控制電壓，選擇MAXIM公司的5階開關(guān)電容對端口進(jìn)行分配，根據(jù)式（2）進(jìn)行程控放大：

[fstop=fCLKIN100] （2）

使放大器滿幅輸出，由于功率放大器系統(tǒng)的動態(tài)功耗與[ITC，][CT]和[fp]相關(guān)，設(shè)置了隔直通交的RC濾波電路，將TRF7960的I/O_0～I(xiàn)/O_7作為人體運動數(shù)據(jù)實時捕捉系統(tǒng)的并口輸入輸出端，得到人體運動數(shù)據(jù)實時捕捉系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)模塊設(shè)計電路如圖4所示。

圖4中為了有效地消除直流偏置，運動數(shù)據(jù)捕捉系統(tǒng)的阻抗能等效成并聯(lián)回路，各級芯片的級聯(lián)負(fù)載僅為[G，]直流偏置輸出能耗[PL=V20?G]。后級的數(shù)據(jù)采集負(fù)載功率[PL]隨著采集的人體運動數(shù)據(jù)線性變化，在電容器輸出端設(shè)計LC濾波電路，使得有用功率輸出達(dá)到最大，由于捕捉系統(tǒng)的供電電源相互獨立，高頻端選用優(yōu)質(zhì)電感[8?9]，通過SCSI?68反饋動態(tài)增益控制組件模擬預(yù)處理機(jī)，預(yù)處理機(jī)布局框圖如圖5所示。

人體運動數(shù)據(jù)實時捕捉系統(tǒng)的DSP模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)信號采集，各芯片之間邏輯時序控制模塊通過窄帶匹配濾波進(jìn)行上位機(jī)通信，PCI模塊利用PCI橋接芯片與DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)實時捕捉系統(tǒng)的窄帶匹配變壓器串行通信電壓輸出為：

[u（t）=Kpe（t）+Kie（t）dt+Kdde（t）dt] （3）

式中：[e（t）]為回路阻抗的控制閾值；[Kp]為輸出增益；[Ki]為積分增益；[Kd]為微分增益。

當(dāng)系統(tǒng)工作頻率[ff0]時，回路電抗呈感性。在陣元工作中心頻率[f0]處可產(chǎn)生30X的脈沖，改變功率因素[cosφ，]負(fù)載功率[PL]通過脈寬調(diào)變，設(shè)調(diào)制頻率[n1=1+tan2φ01+tan2φX，]通過串聯(lián)調(diào)諧匹配，得到負(fù)載功率、輸出阻抗和數(shù)據(jù)捕捉系統(tǒng)的調(diào)制電壓分別為：

[φX=tan-1ZXRL=tan-1ZL?G?（1+tan2φ0）-tanφ0] （4）

[φ0=tan-1BG] （5）

[U（s）=E（s）Kp+Kis+Kds] （6）

式中：[ZX]為電容阻抗；[B]為電容阻抗值；[R]為輸入量；[G]為給定對象；[ZL]為電感；[E（s）]為控制系統(tǒng)的輸入干擾量。在系統(tǒng)的[φX<φ0]時，采樣頻率為10 kHz，[VCE]隨輸出電流的增大而增大，得到人體運動數(shù)據(jù)實時捕捉系統(tǒng)的功率放大器輸出電壓信號在0～4.565 V，借助于多頻振蕩控制系統(tǒng)的輸出階躍響應(yīng)，數(shù)據(jù)實時捕捉系統(tǒng)窄帶阻抗匹配的輸出（[Kp]）增益、積分（[Ki]）增益和微分（[Kd]）增益用圖6所示的電路表示。

根據(jù)實測的阻抗值[G，B，]調(diào)節(jié)功放管的有用功率輸出，當(dāng)原固有諧振點功率沒有明顯提升時，輸出增益達(dá)到最大，如圖7所示。

通過窄帶匹配和功率放大，在各頻率點進(jìn)行反復(fù)計算和修正，根據(jù)阻抗匹配，對相位角最大發(fā)射電壓響應(yīng)級SVL進(jìn)行調(diào)制，實現(xiàn)人體運動數(shù)據(jù)實時捕捉系統(tǒng)的集成設(shè)計。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

人體運動數(shù)據(jù)實時捕捉系統(tǒng)的軟件設(shè)計是整個系統(tǒng)的核心，完成人體運動數(shù)據(jù)的實時采集與信息處理，軟件系統(tǒng)設(shè)計主要由DSP模塊、PCI模塊和邏輯控制模塊組成，軟件開發(fā)建立在CCS 2.20開發(fā)平臺下，采用DSP數(shù)字信息處理平臺進(jìn)行集成編譯，系統(tǒng)的DSP信號處理程序都是用ASM語言編寫，借助于 LabWindows/CVI，C/C++開發(fā)所需的軟件系統(tǒng)，數(shù)據(jù)實時捕捉的編譯代碼為：

Busybox User application layer software???>

transfer data from array signal processing session

//采集通道設(shè)置

>[*]Data HP E1433A SCSI disk /usr

//使用HP E1562E的軟件編程

VME address space （modules： signal acquisition and recording port）???>

//用戶采集參數(shù)設(shè)置

（/home/ Start VISA resource manager/nfs） start position address //從某個地址空間起始位置的偏移量

tar acquisition parameter setting20t?eabi.tgz

//輸入觸發(fā)方式=HP E1433A

通過PXI實時系統(tǒng)觸發(fā)各通道實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步采集和回放，根據(jù)編寫的PCI卡驅(qū)動程序指定的采集時間，進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化模塊設(shè)計和數(shù)據(jù)觸發(fā)設(shè)置， 運用WIN32 API函數(shù)CreateFile（）函數(shù)打開PCI設(shè)備，循環(huán)讀取HP E1562E的SCSI，一旦查到就表示可以讀取數(shù)據(jù)。最后設(shè)置耦合方式、觸發(fā)方式、采樣率，創(chuàng)建傳輸單元和儀器會話，進(jìn)行數(shù)據(jù)實時捕捉和回放，參數(shù)設(shè)置代碼為：

class Bus sampling rate ： public vpApp

{

public ： e input channel range （） {}； //儀器會話設(shè)置

～myApp（） {}； //系統(tǒng)配置

：initialize instrument session （″channel groupPXI″）

//HP E1562E傳輸序列設(shè)置10 MHz時鐘

void Sampling frequency setting （Custom acquisition parameter setting：：Key key， int mod）

//創(chuàng)建采集通道組，myApp類數(shù)據(jù)采集

private： //寫數(shù)據(jù)文件頭信息，自定義變量

}

4 系統(tǒng)測試實驗分析

在系統(tǒng)測試中，進(jìn)行硬件集成調(diào)試和軟件程序加載測試，首先對各儀器初始化自檢，在操作面板中設(shè)置輸入通道、采樣率、耦合方式、觸發(fā)方式等參數(shù)，打開SCSI數(shù)據(jù)硬盤執(zhí)行數(shù)據(jù)存儲和信息加載，指定對人體運動數(shù)據(jù)的實時采集時間，讀取HP E1562E實際完成的數(shù)據(jù)記錄量，進(jìn)行數(shù)據(jù)的批處理，得到人體運動數(shù)據(jù)的批量轉(zhuǎn)化過程如圖8所示。

循環(huán)讀取HP E1562E的SCSI硬盤數(shù)據(jù)，進(jìn)行人體運動數(shù)據(jù)實時捕捉采集，采集時間完成時停止采集，在數(shù)據(jù)回放模塊進(jìn)行運動數(shù)據(jù)回放，得到數(shù)據(jù)輸出如圖9所示。

根據(jù)上述系統(tǒng)調(diào)試和實驗分析可得，采用本文設(shè)計的系統(tǒng)進(jìn)行人體運動數(shù)據(jù)的實時捕捉，系統(tǒng)的穩(wěn)健性較好，能準(zhǔn)確有效地實現(xiàn)對運動數(shù)據(jù)的記錄和輸出。

5 結(jié) 語

本文進(jìn)行了人體運動數(shù)據(jù)實時捕捉系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，對硬件部分和軟件部分進(jìn)行模塊化設(shè)計，硬件模塊主要包括發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、控制器、模擬預(yù)處理機(jī)等部分。軟件開發(fā)建立在CCS 2.20開發(fā)平臺下，采用DSP數(shù)字信息處理平臺進(jìn)行集成編譯，通過PXI實時系統(tǒng)觸發(fā)各通道實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步采集和回放，進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化模塊設(shè)計和數(shù)據(jù)觸發(fā)設(shè)置。系統(tǒng)測試結(jié)果表明，采用該數(shù)據(jù)捕捉系統(tǒng)能實時進(jìn)行人體運動數(shù)據(jù)的記錄和輸出，系統(tǒng)可靠穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)

[1] 葛立志.基于全彈道控制分析的水下航行器攻擊模型視景仿真[J].艦船電子工程，2015，35（3）：137?141.

[2] 杜鑫，王建英.連續(xù)時間線性時滯系統(tǒng)的負(fù)虛性分析[J].信息與控制，2016，45（1）：45?52.

[3] DE RUITER A H J. Some applications of passivity?based control and invariance principles [J]. IET control theory & applications， 2013， 7（7）： 1039?1048.

[4] LIU M， XIONG J. On α?and D?negative imaginary systems [J]. International journal of control， 2015， 88（10）： 1933?1941.

[5] ORDONEZ?HURTADO R H， GRIGGS W M， SHORTEN R N. On interconnected systems， passivity and some generalizations [J]. International journal of control， 2013， 86（12）： 2274?2289.

[6] 毛臣健.基于多傳感器信息融合的機(jī)器人自定位方法[J].科技通報，2012，28（2）：146?148.

[7] 富勇，周瑞卿，阮世陽，等.高頻磁場檢測中采樣保持器的設(shè)計及其性能分析[J].電子測量技術(shù)，2015，38（8）：13?16.

[8] 郭靜波，譚博，蔡雄.基于反相雙峰指數(shù)模型的微弱瞬態(tài)極低頻信號的估計與檢測[J].儀器儀表學(xué)報，2015，36（8）：1682?1691.

[9] 陸興華，吳恩燊，黃冠華.基于Android的智能家居控制系統(tǒng)軟件設(shè)計研究[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2015，5（11）：14?16.