人體運動數據實時捕捉系統的設計與實現
2017-04-14 19:07:19丁廣鵬
現代電子技術 2017年7期
丁廣鵬
摘 要： 采用電子測量方法進行人體運動數據實時捕捉，構建人體運動數據實時捕捉系統，系統包括硬件設計和軟件設計兩部分，采用HP E1433A高速數據捕獲總線模塊記錄人體運動數據并存儲到數據硬盤中。進行運動數據捕捉的發射機、接收機、控制器等硬件構件設計，軟件設計通過PXI實時系統觸發各通道實現數據同步采集和回放，進行數據可視化模塊設計和數據觸發設置。最后進行系統調試，結果表明，采用該數據捕捉系統能實時進行人體數據的記錄和輸出，系統的穩定性較好。
關鍵詞： 人體運動數據； 實時捕捉； 系統設計； 總線
中圖分類號： TN915?34； TP273 文獻標識碼： 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
人體運動數據實時捕捉系統可實現多模自動化的人體運動數據采集，對運動數據采集的種類主要包括運動過程中的速度、加速度、高度、位移等物理數據，以及脈搏、肺功能、心肌功能、呼吸功能方面的生理數據，對人體運動數據的實時捕捉是一項系統性工程，由于數據分布面較廣，數據特征之間的關聯性較弱，傳統的運動數據實時捕捉系統難以有效實現數據采集和分析，需要進行人體運動數據實時捕捉系統的優化設計，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 系統總體設計架構
1.1 人體運動數據總線數據流傳輸流程
為了實現對人體運動數據實時捕捉，采用VXI總線數據采集技術進行系統總體架構設計，人體運動數據實時捕捉系統建立在對運動數據信息的特征采樣和總線控制的基礎上，運動數據實時系統的觸發器PXI?6713采用標準的VPP儀器驅動程序，利用PXI總線的高速PCI帶寬進行多通道的同步觸發。系統采用PXI總線內部系統10 MHz時鐘，觸發方式分為內觸發和外觸發兩種，數據采集包括發射天線、接收天線、發射機、接收機、控制器等[1?2]。用VXI總線數據捕獲的運動數據存儲到板上RAM，文件管理系統采用內核控制寄存到HP E1562D/E SCSI數據硬盤。數據實時捕捉系統的VXI總線數據觸發總線采用PXI實時記錄數據的中斷脈沖，通過實時系統集成總線RTSI0～7路由配置PXI?6713的回放通道向量[3]，通過計數器模塊分配到各PXI?6713模塊中。人體運動數據的總線數據流傳輸流程如圖1所示。
程序首先將人體運動數據實時捕捉系統的VXI總線數據首址賦給地址指針，然后進入循環體，通過DSP指令集發送到FIFO RAM緩沖區，根據控制指令驅動程序進行系統總線開發。
1.2 系統的功能模塊技術指標描述
人體運動數據實時捕捉系統包括硬件設計和軟件設計兩部分，數據采集系統是整個系統的基礎，通過PCI橋接芯片與PC機進行數據通信，DSP接收PCI總線傳遞的應用程序，通過設定運動數據的采樣率、采樣通道數，輸出多路回波信號到接收機，讀取的采樣值進行運動數據的頻譜分析，通過CPLD產生DSP中斷[4?5]。
硬件設計主要包括如下幾個部分：運動數據信息的DSP信號處理器、模擬信號預處理機、PCI總線及橋接電路、功率放大器、人體運動數據的邏輯控制設備、外部I/O設備進行系統的嵌入式接口設計、外部存儲器執行數據存儲以及系統復位電路實現對運動數據捕獲系統的時鐘中斷。
根據上述功能模塊分析，進行運動數據捕捉的發射機、接收機、控制器等硬件構件設計，采用收發轉換電路構建發射回波控制單元，人體運動數據實時捕捉系統選用繼電器實現模擬信號預處理，根據信號的大小自動調整數據實時捕捉系統的放大倍數，在操作界面設置數據捕捉的最大放大倍數和最小放大倍數。人體運動數據實時捕捉系統的結構框圖如圖2所示。
人體運動數據實時捕捉系統控制模擬信號預處理機的動態增益碼，通過模擬信號預處理機放大、濾波后，運動數據實時捕捉系統通過DSP信號處理器實現系統的數據采集、處理、與上位機通信，DSP與PCI通信[6]，通過硬件控制輸出動態增益、任務，設計系統的功能技術指標描述主要有：
（1） 控制D/A轉換器進行數/模轉換，利用應用程序加載程序模塊進行數據采樣和程序寫入，通過功率放大器將存儲在FLASH中的應用程序寄存在內部RAM中，系統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進行系統的封裝，設計內核開關電源如圖3所示，實現動態電源管理。
內核開關電源的開關頻率也可以在0～1 MHz間調節，采用電容進行交流耦合，使boot loader在處理器內部RAM中運行。
（2） 通過PXI總線橋接PXI?6713模塊與PC機進行通信，人體運動數據實時捕捉系統采用可編程功能接口與PFI0～9進行數據傳輸和控制，實現總線RTSI0～7路由接入，取得人機對話。
（3） 自動增益控制，根據外部存儲器以及復位電路的采樣值幅度調整人體運動數據實時捕捉系統的模擬信號，采用外部I/O設備進行預處理機的動態增益放大，通過CPLD產生DSP中斷使得模擬信號預處理機輸出端滿足系統的放大指標，在預處理機動態控制輸出端進行數/模轉換，功率放大范圍>20 dB。
（4） 設置合理的采樣頻率，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，基陣阻抗能實現對人體運動數據的正常采樣。
（5） 輸出信號幅度為±20 V，通過模擬信號預處理機進行放大，讀取A/D采樣值進行處理，接收信號范圍包括信號頻譜特征和運動數據的頻率分量，通過計算模擬信號實現對運動數據的波束模擬。
（6） 系統外部輸入電壓為±12 V，能與外部SRAM通信，根據各放大器芯片的放大特性，實現系統低功耗控制和數據存儲，信號放大控制D/A轉換器工作。
2 數據捕捉系統的硬件設計
人體運動數據實時捕捉系統的硬件設計主要包括發射機、接收機、控制器等硬件構件，由于系統采樣率至少為200 kHz，發射機采用10位ADC進行運動數據的局部放大，進行寬帶阻抗匹配處理，第一級選用AD8021進行數據放大識別，采用減法電路、計數電路進行ADC設計[7]，達到程序控制第一級放大的目的，在進行運動數據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可變的DSP芯片進行走動增益控制，設計555多頻振蕩器進行人體運動數據的信號調理，采用STM32F101xx芯片設計寬帶電壓控制放大器，將STM32F101xx的電壓放大分貝數控制在：
[Vgain=10-2（Vc+1）] （1）
式中：[Vc]是人體運動數據實時捕捉的控制電壓，范圍是[-2 V≤Vc≤0；][Vgain]是開關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階開關電容對端口進行分配，根據式（2）進行程控放大：
[fstop=fCLKIN100] （2）
使放大器滿幅輸出，由于功率放大器系統的動態功耗與[ITC，][CT]和[fp]相關，設置了隔直通交的RC濾波電路，將TRF7960的I/O_0～I/O_7作為人體運動數據實時捕捉系統的并口輸入輸出端，得到人體運動數據實時捕捉系統的發射機模塊設計電路如圖4所示。
圖4中為了有效地消除直流偏置，運動數據捕捉系統的阻抗能等效成并聯回路，各級芯片的級聯負載僅為[G，]直流偏置輸出能耗[PL=V20?G]。后級的數據采集負載功率[PL]隨著采集的人體運動數據線性變化，在電容器輸出端設計LC濾波電路，使得有用功率輸出達到最大，由于捕捉系統的供電電源相互獨立，高頻端選用優質電感[8?9]，通過SCSI?68反饋動態增益控制組件模擬預處理機，預處理機布局框圖如圖5所示。
人體運動數據實時捕捉系統的DSP模塊進行數據信號采集，各芯片之間邏輯時序控制模塊通過窄帶匹配濾波進行上位機通信，PCI模塊利用PCI橋接芯片與DSP進行數據傳輸，數據實時捕捉系統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。
當系統工作頻率[f
[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）]為控制系統的輸入干擾量。在系統的[φX<φ0]時，采樣頻率為10 kHz，[VCE]隨輸出電流的增大而增大，得到人體運動數據實時捕捉系統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的輸出階躍響應，數據實時捕捉系統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。
根據實測的阻抗值[G，B，]調節功放管的有用功率輸出，當原固有諧振點功率沒有明顯提升時，輸出增益達到最大，如圖7所示。
通過窄帶匹配和功率放大，在各頻率點進行反復計算和修正，根據阻抗匹配，對相位角最大發射電壓響應級SVL進行調制，實現人體運動數據實時捕捉系統的集成設計。
3 系統的軟件設計
人體運動數據實時捕捉系統的軟件設計是整個系統的核心，完成人體運動數據的實時采集與信息處理，軟件系統設計主要由DSP模塊、PCI模塊和邏輯控制模塊組成，軟件開發建立在CCS 2.20開發平臺下，采用DSP數字信息處理平臺進行集成編譯，系統的DSP信號處理程序都是用ASM語言編寫，借助于 LabWindows/CVI，C/C++開發所需的軟件系統，數據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）???>
//用戶采集參數設置
（/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
//輸入觸發方式=HP E1433A
通過PXI實時系統觸發各通道實現數據同步采集和回放，根據編寫的PCI卡驅動程序指定的采集時間，進行數據可視化模塊設計和數據觸發設置， 運用WIN32 API函數CreateFile（）函數打開PCI設備，循環讀取HP E1562E的SCSI，一旦查到就表示可以讀取數據。最后設置耦合方式、觸發方式、采樣率，創建傳輸單元和儀器會話，進行數據實時捕捉和回放，參數設置代碼為：
class Bus sampling rate ： public vpApp
{
public ： e input channel range （） {}； //儀器會話設置
～myApp（） {}； //系統配置
：initialize instrument session （″channel groupPXI″）
//HP E1562E傳輸序列設置10 MHz時鐘
void Sampling frequency setting （Custom acquisition parameter setting：：Key key， int mod）
//創建采集通道組，myApp類數據采集
private： //寫數據文件頭信息，自定義變量
}
4 系統測試實驗分析
在系統測試中，進行硬件集成調試和軟件程序加載測試，首先對各儀器初始化自檢，在操作面板中設置輸入通道、采樣率、耦合方式、觸發方式等參數，打開SCSI數據硬盤執行數據存儲和信息加載，指定對人體運動數據的實時采集時間，讀取HP E1562E實際完成的數據記錄量，進行數據的批處理，得到人體運動數據的批量轉化過程如圖8所示。
循環讀取HP E1562E的SCSI硬盤數據，進行人體運動數據實時捕捉采集，采集時間完成時停止采集，在數據回放模塊進行運動數據回放，得到數據輸出如圖9所示。
根據上述系統調試和實驗分析可得，采用本文設計的系統進行人體運動數據的實時捕捉，系統的穩健性較好，能準確有效地實現對運動數據的記錄和輸出。
5 結 語
本文進行了人體運動數據實時捕捉系統的優化設計，對硬件部分和軟件部分進行模塊化設計，硬件模塊主要包括發射機、接收機、控制器、模擬預處理機等部分。軟件開發建立在CCS 2.20開發平臺下，采用DSP數字信息處理平臺進行集成編譯，通過PXI實時系統觸發各通道實現數據同步采集和回放，進行數據可視化模塊設計和數據觸發設置。系統測試結果表明，采用該數據捕捉系統能實時進行人體運動數據的記錄和輸出，系統可靠穩定。
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