基于傳感器技術的運動員訓練狀態脈搏測試

劉佳

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

關鍵詞： 傳感器技術； 訓練狀態； 脈搏測試； Android

中圖分類號： TN4?34； TP302 文獻標識碼： 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運動員的身體機能和健康水平，通過對運動員訓練狀態時的脈搏測試，能科學掌握運動員的運動訓練狀態，分析運動員的個體化身體機能特征，對指導運動訓練，保護運動員的身體健康具有重要意義[1]。運動員訓練狀態脈搏測試是建立在傳感監測技術基礎上的，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，結合數字信息處理系統進行脈搏信息的特征分析，實現脈搏測試和自動報警，并將運動員訓練狀態脈搏數據傳輸到測試中心，如果有運動員的脈搏或者心臟發生異常，將產生異常的脈沖信號，實現及早判斷和發現[2?3]。

1 運動員訓練狀態脈搏測試系統設計原理

運動員訓練狀態脈搏測試系統分為便攜式移動終端系統和專家數據庫的信息監控系統兩部分。其中，運動員便攜式移動終端系統采用傳感器技術，通過便攜式的振動傳感器進行運動員訓練狀態下的脈搏信息采集，負責實時采集運動員的心臟數據和脈搏數據，把數據送到環形RAM緩沖區，并且對運動員訓練狀態的脈搏數據進行簡單的分析和處理，如果發現數據異常，則通過預警方式告知運動員和教練員。通過傳感器技術連續地采集數據到主控計算機，采集到的數據會通過網絡傳輸到專家系統進行數據分析，結合大數據信息處理技術[4]，實現對運動員訓練狀態的特征分析和身體機能調控，根據運動員的身體個性化差異特征制定合理的訓練方案[5]。運動員訓練狀態脈搏測試系統設計原理框圖如圖1所示。

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

2 脈搏測試儀的硬件設計

2.1 外圍器件選擇

運動員訓練狀態脈搏測試建立在嵌入式Android系統技術上，外圍器件包括ADSP21160處理器系統、脈搏采樣的振動傳感器、存儲器（SDRAM，FLASH，ROM等），硬件系統以數字處理板為核心，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內核，有效滿足脈搏測試系統低功耗的高頻傳輸性能，在嵌入式處理器基礎上添加濾波單元，構建嵌入式處理的核心控制單元，操作系統和用戶應用程序固化在ROM中構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構如圖2所示。

2.2 脈搏傳感器設計

采用傳感器技術進行運動員訓練狀態脈搏測試系統的設計，運動員訓練狀態脈搏傳感器負責采集運動員訓練狀態的脈搏數據，本系統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的ZN17?KG200型脈沖振動傳感器作為脈搏采樣傳感器。運動員訓練狀態脈搏傳感器負責采集運動員訓練狀態脈搏數據，脈搏傳感器通過測試人體每次心跳的動態脈沖，通過振動傳感信息處理芯片進行A/D轉換，把脈搏傳感器的SA節點采用的人體脈搏信號轉化為電信號，產生的電流從右心房的SA節點流向下面的兩個心室，通過I/O接口（D/A、A/D、I/O口等）輸出運動員訓練狀態脈搏圖，本文采用的脈搏采集傳感器的技術指標如下：

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；

具有通用設備接口和I/O接口，主頻533 MHz，輸出的信號檢測放大倍數為500。

2.3 硬件電路模塊化設計

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

（1） 放大電路設計。放大電路主要實現對運動員訓練狀態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部振蕩電路實現后級A/D輸入，通過放大電路設計使得輸出電壓滿足系統的技術設計指標，使用有源晶振作為系統的內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，滿足放大倍數為1 000倍，通過和進行分壓，分兩級完成信號，前級實現20倍放大，后級實現50倍放大，當按下開關S1后，產生復位輸出，得到本文設計的脈搏測試儀器的放大電路設計如圖3所示，其中VSS和VCC分別接地和3.3 V電源，電容CD1和CD2用來實現電源濾波，SPI串行引導+2.5 V為單電源進行偏置放大。

（2） 濾波電路設計。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設置接收和發送的脈搏測試數據的濾波延遲，進行濾波器設計，在濾波電路設計中，DAM控制器讀取/寫入DRR，設計一個截止頻率在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據，考慮到冗余設計，在濾波器設計中，系統采用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，經低通濾波器形成COS信號，FIR濾波器的截止頻率為符合運動員訓練狀態脈搏測試系統的濾波特性要求。

（3） 控制電路。控制電路是脈搏測試儀的信息處理和集成控制，是整個系統的核心，采用PCI總線技術進行脈搏測試數據的特征采樣和信號分析，采樣寬度為16位，運動員訓練狀態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進行系統供電，使用TCP/IP協議進行通信，得到脈搏測試控制電路設計如圖5所示。

在脈搏測試儀的主控芯片設計中，核心處理器采用Samsung S3C6410A，運動員訓練狀態脈搏測試儀的數據線寬度是8位，通過設計的帶通濾波器來補償模擬信號預處理機的失真漂移，根據自動增益控制，訓練狀態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預處理后，進行脈搏信號的特征分析和過載監護，通過SCSI?68反饋動態增益控制，運動員訓練狀態脈搏測試儀調幅發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計如圖6所示。

3 軟件設計

基于Android嵌入式系統進行便攜式脈搏測試儀系統的軟件開發和設計，在CCS 2.20開發平臺下進行操作系統設計，本文選擇Android OS作為軟件仿真器（Simulator），它是在Linux內核的基礎上，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測中，在Linux操作平臺下，采用C5409A XDS510 Emulator仿真器對兩個操作系統的內核進行比較分析，讓PC轉到適當的地址取出中斷向量，基于Linux kemel2.6和fedora9實現中斷向量的地址加載。 脈搏測試儀的操作系統移植分以下幾步來完成：

（1） 設置工作目錄

置INTM=0，置IMR的中斷相應位為1，在Linux環境下執行脈搏數據的傳感信息采集：

# mkdir / athletic training

# cd / physical function

# mkdir c ARM1176JZF?S kernel signal conditioning circuit

（2） 調用TaskBasic.postTask（）任務的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

設置系統控制核心編譯器：

# 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） 獲得內核源碼

# cd /mywork/kernel

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

tar.gz

最后執行內核程序的編譯，實現對運動員訓練狀態脈搏測試的核心程序寫入和編譯，程序編譯界面如圖7所示。

4 系統實驗測試分析

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

5 結 語

本文設計了一種基于傳感器技術的運動員訓練狀態脈搏測試方法，基于Android嵌入式系統進行便攜式脈搏測試儀的系統設計，傳感器處理以S3C6410為系統的核心處理器，首先采用振動傳感器進行運動員訓練狀態脈搏的數據采集，采用ARM1176JZF?S作為主處理芯片進行訓練狀態脈搏特征分析，硬件模塊設計中，設計信號調理電路實現對脈搏測試信號的放大和濾波，實時輸出運動員訓練狀態的脈搏。測試結果表明，脈搏測試儀具有較好的測試性能，應用價值較高。

參考文獻

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