劉佳

摘 要： 為了提高運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練狀態(tài)脈搏測試方法，基于Android嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行便攜式脈搏測試儀的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，用傳感器處理以S3C6410為系統(tǒng)的核心處理器，采用振動(dòng)傳感器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)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(jìn)行訓(xùn)練狀態(tài)脈搏特征分析，在硬件模塊設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)對(duì)脈搏測試信號(hào)的放大和濾波，實(shí)時(shí)輸出運(yùn)動(dòng)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(shí)可以實(shí)現(xiàn)脈搏異常報(bào)警，較好地維護(hù)了運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練過程中的身體機(jī)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(hào)： TN4?34； TP302 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(yùn)動(dòng)員在進(jìn)行體育運(yùn)動(dòng)過程中，脈搏的變化能有效反應(yīng)運(yùn)動(dòng)員的身體機(jī)能和健康水平，通過對(duì)運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練狀態(tài)時(shí)的脈搏測試，能科學(xué)掌握運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練狀態(tài)，分析運(yùn)動(dòng)員的個(gè)體化身體機(jī)能特征，對(duì)指導(dǎo)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，保護(hù)運(yùn)動(dòng)員的身體健康具有重要意義[1]。運(yùn)動(dòng)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(dòng)傳感器，實(shí)時(shí)反饋運(yùn)動(dòng)員的脈搏信息，結(jié)合數(shù)字信息處理系統(tǒng)進(jìn)行脈搏信息的特征分析，實(shí)現(xiàn)脈搏測試和自動(dòng)報(bào)警，并將運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)員的脈搏或者心臟發(fā)生異常，將產(chǎn)生異常的脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)及早判斷和發(fā)現(xiàn)[2?3]。

1 運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練狀態(tài)脈搏測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練狀態(tài)脈搏測試系統(tǒng)分為便攜式移動(dòng)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(yùn)動(dòng)員便攜式移動(dòng)終端系統(tǒng)采用傳感器技術(shù)，通過便攜式的振動(dòng)傳感器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練狀態(tài)下的脈搏信息采集，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集運(yùn)動(dòng)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(duì)運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練狀態(tài)的脈搏數(shù)據(jù)進(jìn)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(yùn)動(dòng)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(jì)算機(jī)，采集到的數(shù)據(jù)會(huì)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綄＜蚁到y(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，結(jié)合大數(shù)據(jù)信息處理技術(shù)[4]，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練狀態(tài)的特征分析和身體機(jī)能調(diào)控，根據(jù)運(yùn)動(dòng)員的身體個(gè)性化差異特征制定合理的訓(xùn)練方案[5]。運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練狀態(tài)脈搏測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理框圖如圖1所示。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用三層架構(gòu)的設(shè)計(jì)原理，分為硬件層、中間層和軟件層。運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練狀態(tài)脈搏測試系統(tǒng)的硬件層是指支持整個(gè)系統(tǒng)硬件運(yùn)行和電路工作，包括傳感器信號(hào)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(diǎn)DSP可以通過HP E1562D/E數(shù)據(jù)硬盤存儲(chǔ)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(hào)輸出結(jié)果到核心控制器中，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練狀態(tài)特征分析；軟件層是實(shí)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(dú)立設(shè)置，如輸入范圍、單端輸入，進(jìn)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(diǎn)DSP完成脈搏測試系統(tǒng)的中間層設(shè)計(jì)[7?8]。根據(jù)DSP層提供的可編程12 dB高通濾波器進(jìn)行數(shù)據(jù)信息濾波和信號(hào)調(diào)理，完成對(duì)脈搏測試信號(hào)的實(shí)時(shí)數(shù)字濾波。根據(jù)上述設(shè)計(jì)原理，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練狀態(tài)的脈搏測試系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。

2 脈搏測試儀的硬件設(shè)計(jì)

2.1 外圍器件選擇

運(yùn)動(dòng)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(dòng)傳感器、存儲(chǔ)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(jí)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(diǎn)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(gè)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(jì)

采用傳感器技術(shù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練狀態(tài)脈搏測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練狀態(tài)脈搏傳感器負(fù)責(zé)采集運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練狀態(tài)的脈搏數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)員脈搏傳感器采用北京菲斯達(dá)科技有限公司生產(chǎn)的ZN17?KG200型脈沖振動(dòng)傳感器作為脈搏采樣傳感器。運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練狀態(tài)脈搏傳感器負(fù)責(zé)采集運(yùn)動(dòng)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(dòng)態(tài)脈沖，通過振動(dòng)傳感信息處理芯片進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，把脈搏傳感器的SA節(jié)點(diǎn)采用的人體脈搏信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，產(chǎn)生的電流從右心房的SA節(jié)點(diǎn)流向下面的兩個(gè)心室，通過I/O接口（D/A、A/D、I/O口等）輸出運(yùn)動(dòng)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(hào)檢測放大倍數(shù)為500。

2.3 硬件電路模塊化設(shè)計(jì)

根據(jù)上述硬件電路的外圍器件選擇和傳感器設(shè)計(jì)，進(jìn)行整個(gè)運(yùn)動(dòng)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(jì)，主要對(duì)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(jì)描述如下：

（1） 放大電路設(shè)計(jì)。放大電路主要實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練狀態(tài)脈搏測試信號(hào)的放大，將0～5 mV的輸出脈搏采樣脈沖信號(hào)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(shí)現(xiàn)后級(jí)A/D輸入，通過放大電路設(shè)計(jì)使得輸出電壓滿足系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，使用有源晶振作為系統(tǒng)的內(nèi)部時(shí)鐘進(jìn)行脈搏的異常特征采樣，通過對(duì)電壓范圍濾波匹配，滿足放大倍數(shù)為1 000倍，通過和進(jìn)行分壓，分兩級(jí)完成信號(hào)，前級(jí)實(shí)現(xiàn)20倍放大，后級(jí)實(shí)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(jì)的脈搏測試儀器的放大電路設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)電源濾波，SPI串行引導(dǎo)+2.5 V為單電源進(jìn)行偏置放大。

（2） 濾波電路設(shè)計(jì)。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(jìn)行干擾處理，通過一個(gè)0電阻后作為I/O電源，對(duì)噪聲進(jìn)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(jìn)行濾波器設(shè)計(jì)，在濾波電路設(shè)計(jì)中，DAM控制器讀取/寫入DRR，設(shè)計(jì)一個(gè)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(hào)作為DSP接收PC機(jī)信息時(shí)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(jì)，在濾波器設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)采用50 MHz的參考時(shí)鐘輸入，通過DSP中斷控制進(jìn)行各芯片的讀寫和片選信號(hào)鎖定，得到濾波電路設(shè)計(jì)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(hào)，F(xiàn)IR濾波器的截止頻率為符合運(yùn)動(dòng)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(gè)系統(tǒng)的核心，采用PCI總線技術(shù)進(jìn)行脈搏測試數(shù)據(jù)的特征采樣和信號(hào)分析，采樣寬度為16位，運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練狀態(tài)脈搏測試儀的工作頻率為8 MHz，單獨(dú)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(jìn)行系統(tǒng)供電，使用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信，得到脈搏測試控制電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

在脈搏測試儀的主控芯片設(shè)計(jì)中，核心處理器采用Samsung S3C6410A，運(yùn)動(dòng)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(jì)的帶通濾波器來補(bǔ)償模擬信號(hào)預(yù)處理機(jī)的失真漂移，根據(jù)自動(dòng)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(hào)，繼電器的控制信號(hào)輸出電源經(jīng)預(yù)處理后，進(jìn)行脈搏信號(hào)的特征分析和過載監(jiān)護(hù)，通過SCSI?68反饋動(dòng)態(tài)增益控制，運(yùn)動(dòng)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(jìn)行脈搏測試儀的輸出增益控制，設(shè)計(jì)ATmega128L的ADC2采樣電路進(jìn)行脈搏特征序列采樣，綜上分析，得到整個(gè)硬件電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

基于Android嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行便攜式脈搏測試儀系統(tǒng)的軟件開發(fā)和設(shè)計(jì)，在CCS 2.20開發(fā)平臺(tái)下進(jìn)行操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)，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(jìn)行程序加載和脈搏測試，在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)員的脈搏監(jiān)測中，在Linux操作平臺(tái)下，采用C5409A XDS510 Emulator仿真器對(duì)兩個(gè)操作系統(tǒng)的內(nèi)核進(jìn)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(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)測試分析

為驗(yàn)證本系統(tǒng)的性能，以某高校的體育特長生為實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行產(chǎn)品的試用，分析本文設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練狀態(tài)脈搏測試系統(tǒng)的性能，實(shí)驗(yàn)中，運(yùn)動(dòng)員攜帶設(shè)計(jì)的便攜式運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練狀態(tài)脈搏測試進(jìn)行跑步、游泳和籃球等項(xiàng)目的訓(xùn)練，實(shí)時(shí)顯示每位運(yùn)動(dòng)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(jì)的系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測運(yùn)動(dòng)員在訓(xùn)練狀態(tài)下的脈搏信息，監(jiān)測的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性較好，而且可以實(shí)現(xiàn)脈搏異常報(bào)警，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種基于傳感器技術(shù)的運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練狀態(tài)脈搏測試方法，基于Android嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行便攜式脈搏測試儀的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，傳感器處理以S3C6410為系統(tǒng)的核心處理器，首先采用振動(dòng)傳感器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)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(jìn)行訓(xùn)練狀態(tài)脈搏特征分析，硬件模塊設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)對(duì)脈搏測試信號(hào)的放大和濾波，實(shí)時(shí)輸出運(yùn)動(dòng)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(jià)值較高。

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