便攜式足球運動員機能狀態監控器的嵌入式設計

張旭

摘 要： 設計足球運動員機能狀態便攜式監控器，提出一種基于嵌入式ARM技術的機能狀態監控器設計解決方案。監控器包括主機模塊、無線模塊、Android模塊、Web模塊和報警模塊等。首先進行監控器的總體設計方案分析，然后對模塊進行分別設計，采用嵌入式ARM技術進行主機模塊的串口配置和多線程程序開發設計，實現對足球運動員身體機能數據處理和分析，并根據身體機能情況發出報警信息，便于運動員實時調整身體狀態。測試表明，該監控器具有較快的運行響應速度，對身體機能監控的準確性較好，具有極大的實用價值。

關鍵詞： 便攜式監控器； 足球運動員機能； 總體設計； 嵌入式ARM技術

中圖分類號： TN948.64?34； TP274 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）10?0082?04

Abstract： A portable monitor for functional status of soccer players is designed. A design solution of functional state monitor based on embedded ARM technology is proposed. The monitor is composed of host module， wireless module， Android module， Web module and alarm module. The overall design scheme of the monitor is analyzed. All the modules are designed respectively. The embedded ARM technology is adopted to implement development design of serial port configuration and multi?threaded program of the host module， achieve the data processing and analysis of football player physical function， and give out alarm information according to the somatic function of the player， so that the physical state of the soccer player is adjusted in real time. The test result shows that the monitor has fast response speed and great practical value， and can accurately monitor the somatic function of the players.

Keywords： portable monitor； soccer player function； overall design； embedded ARM technology

0 引 言

足球運動員長期進行高強度的劇烈運動和訓練，需要進行實時有效的健康監護，保障身體機能狀態穩定。運動員的身體機能的指標參數能有效反應運動員的身體狀態特征，采用便攜式的身體機能監控器進行運動員身體機能，如心肌功能、肺功能以及心血管功能等的監控。并通過Web模塊和Android便攜儀終端發送數據供監控中心的醫生進行狀態分析，對心電圖或動態心電圖進行實時跟蹤，保障運動員具有最佳的身體狀態，因此研究運動員機能狀態監控器具有很強的現實意義[1]。本文研究的便攜式足球運動員機能狀態監控器建立在嵌入式的ARM平臺上進行開發，基于CC2530設備進行系統模塊設計和SAE平臺開發，對監控器進行嵌入式設計。

1 系統的總體設計方案

本文提出一種基于嵌入式ARM的足球運動員機能狀態監控器，利用嵌入式ARM嵌入式系統的小型化模塊化設計，得到便攜式的足球運動員身體機能監控終端系統。以嵌入式處理器S3C6410處理器為核心構建無線模塊和系統的Android終端模塊。實現運動員的身體機能數據的實時采集、處理和異常狀態分析，并設計核心處理器和相應的外圍匹配電路，將采集的足球運動員的身體機能數據通過無線網絡傳輸到病理分析中心供足球運動隊醫進行數據分析和遠程監護，實現運動員自身狀態調整和醫生的雙保險監控，保障運動員的身體狀態良好。根據上述原理分析，本文設計的便攜式足球運動員機能狀態監控器主要分為四大模塊：無線模塊、主機模塊、Android系統終端模塊、Web模塊[2]。其中，無線模塊與主機模塊之間需要設計串口通信，進行PC端的串口編程，實現A/D數據傳輸和信息通信。主機模塊和Android模塊之間采用Socket套接字創建資源分配的線程，完成機能信息受到和數據分析等操作。Android模塊和Web模塊之間通過HTTP網絡進行遠程網絡通信傳輸，把便攜式移動終端系統采集的數據發送到遠程監護中心，進行病理分析和機能狀態監控。

根據圖1所示的機能狀態監控器的總體設計框架圖，進行系統的模塊的功能分析和設計技術原理介紹。其中，監控器的無線模塊是由便攜式傳感器組成，通過穿戴方式配置在運動員的身體上，進行運動員的心臟、脈搏和呼吸等身體機能狀態數據的原始采集，并將采集的數據實時輸入到主機模塊中進行信息加工和數據處理。通過數據分析，采用嵌入式技術進行身體機能信息檢測。主機模塊以S3C2440A芯片為主控芯片，這是一塊ARM9芯片內核為ARM920T，主機模塊是實現身體機能狀態特征分析的關鍵模塊，包括了JTAG調試接口，硬件復位電路系統等關鍵子系統。在主機模塊中通過串口傳輸身體機能數據給上位機進行分析處理，并通過Web模塊將主機模塊傳送來的數據進行封裝匯總[3]，通過串口輸出到監控中心，在監控中心進行足球運動員的健康管理。根據上述功能分析，得到本文設計的運動員機能狀態監控器的工作流程如圖2所示。

2 系統模塊化硬件設計

2.1 系統硬件平臺

本便攜式機能狀態監控器設計采用3層架構的設計原理，分為硬件層、中間層和軟件層。采用 ZigBee 標準設計進行監控器無線模塊、主控系統模塊、Android模塊設計。其中無線模塊采用DS18B20作為外圍器件，采用單總線接口方式對足球運動員的身體機能數據進行判斷處理，無線模塊進行機能狀態的傳輸速率在 20～150 Kb/s，采用相應的 Z?Stack 協議棧進行數據無線收發控制，其他的外圍原件和外圍電路采用GT8340的32位嵌入式控制芯片。主控芯片采用TMS320VC5509A DSP芯片，該芯片為低功耗16位定點DSP，較好實現便攜式機能狀態監控和信息處理[4]。

中央控制器有3種工作模式，分別為C，M和J模式，身體機能監控器的驅動器使用具有低耗性能的T9871芯片通過DMA方式送到DSP內部緩沖區驅動App Engine 平臺進行程序燒制。在主機模塊使用 XML 和 HTTP POST多線程程序控制模式進行數據采集，設計總線及橋接電路，采用多線程程序驅動模式進行及逆行TCP連接，自動調整系統的放大倍數使得監控系統的輸出增益處于某個范圍。對串口接收的運動員身體機能數據通過信號采集模塊、PC端串口模塊和多線程驅動模塊進行數據處理，并與上位機通信，實現D/A轉換和應用程序加載。

根據上述描述，得到本文設計的監控器的數據處理多線程驅動程序圖如圖3所示。

根據上述硬件平臺設計，通 過 HTTP GET 和 HTTP POST把足球運動員的身體機能狀態信息轉化為UART數據幀格式，在ARM?Linux 平臺上進行系統開發和硬件設計，運行網關/服務器應用程序，采用 BWP08 芯片作為主機控制芯片，采用雙網絡結構設計方法進行監控器模塊化硬件設計。

2.2 機能狀態監控器的嵌入式模塊化硬件設計

對便攜式足球運動員機能狀態監控器的四大模塊：無線模塊、主機模塊、Android系統終端模塊、Web模塊詳細設計描述如下：

（1） 無線模塊。無線模塊采用微處理器 STC12C5A60S2 收集足球運動員的機能狀態原始數據[5]，STC12C5A60S2 采用片內硬件SPI接口。首先初始化 SPI 接口工作方式，設計振蕩電路和復位電路把存儲在FLASH中的應用程序通過A/D轉換進行信息采樣，通過ARM片上的幀同步信號進行完整的RGB數據信號控制[6]。用高電平表示一幀的開始同步信號VFRAME，來配置LCD控制器進行時序邏輯控制，LCD控制器產生STN屏特有的控制信號，輸出運動員的機能狀態信息，由此完成無線模塊的硬件設計。圖4為無線模塊電路。

（2） 主機模塊。主機模塊通過控制寄存器/顯存、LCDDMA、LPC3600進行狀態監控器的中央控制，采用嵌入式技術進行主機模塊設計。運動員身體機能監控器的主機模塊使用具有低耗性能的T9871芯接收LCDDMA傳輸的顯示數據，結合串口標識位進行12位數據線狀態監控[7]，主機控制的命令結構字描述見表1。

采用片內ROM的0F800H～0FBFFH 空間尋址，使用FLASH并行引導外部程序存儲器加載，對微處理器 STC12C5A60S2的4位數據總線控制進行塊/位讀寫，GND外的引腳通過卡座內部觸點接地。由此完成主機模塊設計，設計電路如圖5所示。

（3） Android系統終端模塊。Android系統終端模塊是實現足球運動員機能狀態監控器的終端佩戴和便攜式設計的模塊，采用片內硬件SPI接口設計方法，將主機模塊處理的身體機能數據信息通過 Socket 發到Android模塊設備中。在Eclipse平臺中開發Android代碼，主機模塊與無線模塊通過Android系統終端模塊進行串口配置，便攜儀監控器采用ZigBee 設備自帶的USB口串口實現同步通信方式和異步通信，編寫串口的程序進行Socket 端口的監測和運動員身體機能狀態調節。通過打開串口方式進行從片內ROM讀取執行程序，在PC 端配置串口，讀寫串口的信號數據，檢查外部引腳[MP/MC]的狀態，從外部程序存儲器中進行監控器的Android系統外部執行程序引入，在片內RAM中讀loader首地址，然后關閉串口，得到串口接收流程如圖6所示。

在此基礎上，采用嵌入式ARM技術完成對Web模塊和報警模塊的集成設計，進行主機模塊的串口配置和多線程程序開發設計，實現對足球運動員身體機能數據處理和分析，并根據身體機能情況發出報警信息，實現了便攜式足球運動員機能狀態監控器的嵌入式設計。

3 實驗測試分析

為了分析本文設計出的機能監控器的應用性能，需要進行一次系統調試實驗進行實際分析。實驗測試中首先打開Android端的足球運動員機能狀態監控應用程序客戶端，將便攜儀器穿戴到運動員身上，進行身體機能數據采集；在通用設備接口和I/O接口中進行串口配置，采用C5409A XDS510 Emulator仿真器分析機能監控的時間響應和準確性等方面的性能，得到采用本文方法和傳統方法的響應性能曲線對比如圖8所示。分析得知，采用本文設計的系統具有較短的時間響應，提高了監控器對足球運動員身體機能的敏感識別和監控能力。

4 結 語

本文研究了足球運動員身體機能監控器設計方法，提出一種基于嵌入式ARM技術的機能狀態監控器設計解決方案。監控器包括了主機模塊、無線模塊、Android模塊、Web模塊和報警模塊等。首先進行監控器的總體設計方案分析，然后對模塊進行分別設計。采用嵌入式ARM技術進行主機模塊的串口配置和多線程程序開發設計，實現對足球運動員身體機能數據處理和分析，并根據身體機能情況發出報警信息，便于運動員實時調整身體狀態。測試表明，該監控器具有較快的運行響應速度，對足球運動員的身體機能監控的準確性較好，實用價值較高。

參考文獻

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