基于大數據的運動員折返跑測試系統的設計探析

摘要：本文闡述了基于大數據處理器的運動員折返跑電子測試系統的設計理念和實現方法。該系統以滿足測試主要功能要求為出發點，通過軟硬件的綜合設計，不僅能精確測量并醒目顯示運動員的折返跑成績，有效避免人工操作帶來的誤差，而且能將成績數據通過無線方式傳輸至PC上位機，為后續的統計和分析提供便利。此系統的運用，旨在提升運動員訓練和測試的準確性和效率。

關鍵詞：大數據 運動員 測試系統 自動測試 WIFI 傳感器

中圖分類號：G804 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8902-（2024）-19-104-3-TBB

隨著體育競技水平的不斷提高，對運動員的訓練和測試也提出了更高的要求。折返跑測試作為一種常見的體能訓練測試方法，對于評估運動員的速度、靈敏度和耐力等重要指標具有重要意義。然而，傳統的折返跑測試方法通常依賴人工計時和記錄，不僅效率低下，而且容易受到人為因素的干擾，導致測試結果的不準確。因此，開發一種基于大數據的運動員折返跑測試系統，實現自動化、準確的測試和數據記錄，具有重要的實際應用價值。

1、系統總體方案設計

基于大數據微處理器的運動員折返跑測試系統，旨在通過先進的總體方案設計，為運動員和教練提供一個精確、高效的測試解決方案。該系統不僅實現了對折返跑成績的準確測量，還能實時顯示測試數據，并通過無線傳輸將數據發送至PC上位機進行進一步分析。系統設計框圖如圖1所示。

如圖1所示該系統的核心組件包括跑步記錄器、兩個跑步傳感器測量柱、傳感器充電器、WIFI模塊以及PC上位機。這些組件協同工作，確保測試的準確性和可靠性。在系統的核心控制部分，選用了大數據F103RCT6微控制器。這款微控制器基于ARM Cortex-M3架構，具備強大的數據處理能力和豐富的外設接口。其高性能和低功耗特性使其成為該系統的理想選擇。為了實現對折返次數的精確檢測，系統采用了兩個跑步傳感器測量柱，內置上下兩個光電傳感器。這種非接觸式檢測方式不僅提高了測試的準確性，還避免了傳統接觸式測試方法可能帶來的誤差。跑步記錄器負責實時顯示測試數據，包括折返次數、秒計時和0.01s計時等信息。該記錄器采用了ZLG7289數碼管驅動器，可同時驅動8位共陰式數碼管，確保數據的清晰可讀。在數據傳輸方面，系統通過USR-WIFI232-A工業級WIFI模塊實現了跑步記錄器與PC上位機的無線連接。該WIFI模塊支持串口轉WIFI功能，使得數據傳輸更加便捷高效。PC上位機在接收到數據后，可進行進一步的數據處理和分析。此外，系統選用了上海閏安工業傳感器有限公司的GC16-M2000-DN1光電開關作為傳感器，其高達2m的檢測距離確保了測試的廣泛適用性和準確性。傳感器的穩定性和高性能也為系統提供了可靠的測試支持。

2、硬件設計

2.1、大數據最小系統設計

首先，電源與穩壓模塊。大數據的穩定工作離不開穩定的電源供應。由于大數據的供電電壓需求為3.3V，而系統采用的是7.2V鋰電池供電，因此必須設計一個有效的降壓穩壓模塊。這一模塊的作用是將7.2V的電壓穩定降至3.3V，以供單片機正常工作。這種設計不僅保證了單片機的工作電壓穩定，還能有效防止因電壓過高而導致的單片機損壞，從而延長了單片機的使用壽命；

其次，晶振與時鐘準確性。晶振是維持單片機時鐘準確性的關鍵組件。在本系統中，選用了8MHz的晶振，以確保時鐘信號的穩定性和準確性。晶振電路的設計對于單片機的性能至關重要，因為它直接影響到單片機的運行速度和時序控制。一個穩定的晶振可以提供準確的時鐘信號，從而保證單片機在各種復雜環境下的可靠運行；

最后，復位電路與下載器接口。復位電路是單片機系統中的重要部分，它負責在系統出現異常時重置單片機，使其恢復到初始狀態?？紤]到大數據采用低電平復位，復位電路設計時需確保在復位時RESET引腳接地（GND），正常工作狀態下則接高電平（3.3V）。此外，復位電路中增加的電容（C37）起到了消除干擾和雜波的作用，進一步提升了系統的穩定性。下載器接口則關系到程序的下載與調試。本系統采用了標準的JTAG連接方式，這種方式不僅穩定可靠，還支持SWD模式調試。這種靈活的程序開發與調試選項為開發者提供了極大的便利，使得開發過程更加高效和順暢。

2.2、傳感器數據采集模塊

傳感器數據采集模塊是折返跑測試系統的關鍵部分，負責捕捉運動員在跑步過程中的動作。本模塊選用了上海閏安工業傳感器有限公司的GC16-M2000-DN1光電開關，這款傳感器具備優異的技術參數，適用于本系統的需求。GC16-M2000-DN1光電開關的工作電壓范圍為10-30VDC，工作電流為200mA，最大測量量程為2m。它屬于直流三線PNP常開型，即在信號觸發時，信號輸出線與電源線連接，輸出高電平；而在無信號觸發時，輸出線懸空，即與電源線斷開。本系統采用反射板反射型檢測方式，即在傳感器正面設置反光板。當運動員跑過傳感器時，會遮擋反光板返回的信號，從而觸發傳感器動作。這種檢測方式具有高靈敏度和準確性，能夠確保系統精確捕捉運動員的折返動作。為了更全面地檢測運動員的折返動作，系統設置了兩個相隔15m的跑步傳感器測量柱。每個測量柱內部配置了兩個上下布置且并聯的光電開關。這種設計考慮到了運動員跑步時動作習慣的差異，無論是腳尖還是小腿部分先觸碰折返位置，都能被系統準確捕捉。當運動員身體的任意部分遮擋到任一光電開關時，該開關會動作，通過光耦將信號傳遞給微控制器進行計數。兩個光電開關并聯連接，確保任一開關的動作都能被系統捕捉到。如圖2所示。

2.3、數碼管顯示模塊

該系統能夠實時且準確地顯示運動員的折返跑成績，具體涵蓋折返次數、秒計時以及0.01s精確計時。鑒于測試數據僅限于數字，無需文字展示，因此選用數碼管作為顯示設備，足以滿足所有數據的呈現需求。為實現測量數據和時間的清晰顯示，系統采用了共陰式八段數碼管。這種數碼管以發光二極管為基本單元，通過向不同管腳輸入相應的電流來控制其點亮狀態，從而準確展示數字參數。在數碼管的驅動方式上，系統選擇了動態顯示驅動。該方法通過分時輪流控制所有數碼管的COM端，實現各個數碼管的順序顯示。相較于直流驅動，動態顯示驅動方式在I/O端口資源有限的情況下更具優勢，能夠控制更多的數碼管，既節省了I/O端口，又簡化了外設電路的設計。為驅動數碼管，系統選用了ZLG7289A芯片。該芯片配備串行接口，具備同時驅動8位共陰式數碼管的能力，并支持包括消隱、閃爍、左移、右移及段尋址等多種控制指令。ZLG7289A需外接一個12MHz的晶振電路以確保其正常工作。由于測試過程中需同時顯示3種數據，共需用到9位數碼管，因此系統配置了兩片驅動芯片：其中一片負責驅動6個數碼管，另一片則驅動剩余的3個數碼管。如圖3所示。

2.4、WIFI無線通訊模塊

為滿足系統需求，即在運動員測試完成后能將測試成績無線發送給PC上位機進行保存、統計和分析，特別選用了WIFI無線通訊模塊。WIFI技術因其獨特的優勢而被選中。首先，WIFI無線電波的覆蓋范圍廣泛，遠超藍牙等其他無線技術，這確保了數據傳輸的穩定性和覆蓋能力；其次，WIFI的傳輸速度非常快，滿足了實時傳輸大量數據的需求，保證了數據傳輸的效率和實時性；此外，WIFI模塊的集成度高，易于與現有系統進行集成，降低了開發和維護的復雜性。同時，WIFI技術的普及程度高，兼容性好，能夠與各種設備和網絡進行無縫連接。WIFI模塊的連接電路圖如圖4所示。

3、軟件設計

該系統軟件部分采用C語言編寫，以Keil uvision4為開發環境。軟件設計主要包含系統初始化、顯示控制、計時程序、傳感器信號接收及與PC上位機通訊等多個模塊。系統初始化模塊負責配置微控制器的啟動模式、設置定時器參數以及確定通訊協議等。完成這些基本設置后，系統會進行硬件自檢，特別是針對傳感器等重要組件的檢查，確保它們能夠正常工作。在準備工作完成后，系統會等待運動員首次觸發1號測量柱的傳感器。一旦觸發，計時模塊將立即開始工作，并且顯示模塊會實時展示所經過的時間。隨后，1號和2號測量柱會輪流檢測信號。每當檢測到信號時，折返次數的計數就會增加1，同時兩個測量柱都設計為不能連續檢測信號，以確保計數的準確性。當折返次數達到17次時，計時模塊會自動停止計時。此時，與PC通訊模塊將被激活，負責將運動員的成績數據發送給PC上位機進行保存，以便后續的數據分析和評估。整個軟件設計流程清晰，各模塊功能明確，確保了系統的穩定性和數據的準確性。軟件流程圖如圖5所示。

4、結語

本系統通過集成數碼管顯示、WIFI無線通訊以及精確的計時和傳感器技術，為運動員折返跑測試提供了一個全面、高效的解決方案。軟件設計采用C語言和Keil uvision4開發環境，確保了系統的穩定性和易用性。通過精心設計的軟件流程，系統能夠準確記錄并實時顯示運動員的折返次數和所用時間，同時通過WIFI模塊將測試成績無線發送給PC上位機，便于后續的數據統計和分析。本系統的成功實施不僅提升了運動員訓練效果評估的效率和準確性，也為教練員提供了有力的數據支持，有助于制訂更科學的訓練計劃，從而推動運動員競技水平的提升。

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作者簡介：林樂群（2001-），男，漢族，黑龍江大慶人，本科，研究方向：電子信息工程。