摘要：本文闡述了基于大數(shù)據(jù)處理器的運(yùn)動(dòng)員折返跑電子測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念和實(shí)現(xiàn)方法。該系統(tǒng)以滿(mǎn)足測(cè)試主要功能要求為出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)軟硬件的綜合設(shè)計(jì)，不僅能精確測(cè)量并醒目顯示運(yùn)動(dòng)員的折返跑成績(jī)，有效避免人工操作帶來(lái)的誤差，而且能將成績(jī)數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式傳輸至PC上位機(jī)，為后續(xù)的統(tǒng)計(jì)和分析提供便利。此系統(tǒng)的運(yùn)用，旨在提升運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練和測(cè)試的準(zhǔn)確性和效率。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù) 運(yùn)動(dòng)員 測(cè)試系統(tǒng) 自動(dòng)測(cè)試 WIFI 傳感器

中圖分類(lèi)號(hào)：G804 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8902-（2024）-19-104-3-TBB

隨著體育競(jìng)技水平的不斷提高，對(duì)運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練和測(cè)試也提出了更高的要求。折返跑測(cè)試作為一種常見(jiàn)的體能訓(xùn)練測(cè)試方法，對(duì)于評(píng)估運(yùn)動(dòng)員的速度、靈敏度和耐力等重要指標(biāo)具有重要意義。然而，傳統(tǒng)的折返跑測(cè)試方法通常依賴(lài)人工計(jì)時(shí)和記錄，不僅效率低下，而且容易受到人為因素的干擾，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果的不準(zhǔn)確。因此，開(kāi)發(fā)一種基于大數(shù)據(jù)的運(yùn)動(dòng)員折返跑測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、準(zhǔn)確的測(cè)試和數(shù)據(jù)記錄，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1、系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

基于大數(shù)據(jù)微處理器的運(yùn)動(dòng)員折返跑測(cè)試系統(tǒng)，旨在通過(guò)先進(jìn)的總體方案設(shè)計(jì)，為運(yùn)動(dòng)員和教練提供一個(gè)精確、高效的測(cè)試解決方案。該系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)折返跑成績(jī)的準(zhǔn)確測(cè)量，還能實(shí)時(shí)顯示測(cè)試數(shù)據(jù)，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸將數(shù)據(jù)發(fā)送至PC上位機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步分析。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

如圖1所示該系統(tǒng)的核心組件包括跑步記錄器、兩個(gè)跑步傳感器測(cè)量柱、傳感器充電器、WIFI模塊以及PC上位機(jī)。這些組件協(xié)同工作，確保測(cè)試的準(zhǔn)確性和可靠性。在系統(tǒng)的核心控制部分，選用了大數(shù)據(jù)F103RCT6微控制器。這款微控制器基于ARM Cortex-M3架構(gòu)，具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和豐富的外設(shè)接口。其高性能和低功耗特性使其成為該系統(tǒng)的理想選擇。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)折返次數(shù)的精確檢測(cè)，系統(tǒng)采用了兩個(gè)跑步傳感器測(cè)量柱，內(nèi)置上下兩個(gè)光電傳感器。這種非接觸式檢測(cè)方式不僅提高了測(cè)試的準(zhǔn)確性，還避免了傳統(tǒng)接觸式測(cè)試方法可能帶來(lái)的誤差。跑步記錄器負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)顯示測(cè)試數(shù)據(jù)，包括折返次數(shù)、秒計(jì)時(shí)和0.01s計(jì)時(shí)等信息。該記錄器采用了ZLG7289數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)器，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)8位共陰式數(shù)碼管，確保數(shù)據(jù)的清晰可讀。在數(shù)據(jù)傳輸方面，系統(tǒng)通過(guò)USR-WIFI232-A工業(yè)級(jí)WIFI模塊實(shí)現(xiàn)了跑步記錄器與PC上位機(jī)的無(wú)線(xiàn)連接。該WIFI模塊支持串口轉(zhuǎn)WIFI功能，使得數(shù)據(jù)傳輸更加便捷高效。PC上位機(jī)在接收到數(shù)據(jù)后，可進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理和分析。此外，系統(tǒng)選用了上海閏安工業(yè)傳感器有限公司的GC16-M2000-DN1光電開(kāi)關(guān)作為傳感器，其高達(dá)2m的檢測(cè)距離確保了測(cè)試的廣泛適用性和準(zhǔn)確性。傳感器的穩(wěn)定性和高性能也為系統(tǒng)提供了可靠的測(cè)試支持。

2、硬件設(shè)計(jì)

2.1、大數(shù)據(jù)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

首先，電源與穩(wěn)壓模塊。大數(shù)據(jù)的穩(wěn)定工作離不開(kāi)穩(wěn)定的電源供應(yīng)。由于大數(shù)據(jù)的供電電壓需求為3.3V，而系統(tǒng)采用的是7.2V鋰電池供電，因此必須設(shè)計(jì)一個(gè)有效的降壓穩(wěn)壓模塊。這一模塊的作用是將7.2V的電壓穩(wěn)定降至3.3V，以供單片機(jī)正常工作。這種設(shè)計(jì)不僅保證了單片機(jī)的工作電壓穩(wěn)定，還能有效防止因電壓過(guò)高而導(dǎo)致的單片機(jī)損壞，從而延長(zhǎng)了單片機(jī)的使用壽命；

其次，晶振與時(shí)鐘準(zhǔn)確性。晶振是維持單片機(jī)時(shí)鐘準(zhǔn)確性的關(guān)鍵組件。在本系統(tǒng)中，選用了8MHz的晶振，以確保時(shí)鐘信號(hào)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。晶振電路的設(shè)計(jì)對(duì)于單片機(jī)的性能至關(guān)重要，因?yàn)樗苯佑绊懙絾纹瑱C(jī)的運(yùn)行速度和時(shí)序控制。一個(gè)穩(wěn)定的晶振可以提供準(zhǔn)確的時(shí)鐘信號(hào)，從而保證單片機(jī)在各種復(fù)雜環(huán)境下的可靠運(yùn)行；

最后，復(fù)位電路與下載器接口。復(fù)位電路是單片機(jī)系統(tǒng)中的重要部分，它負(fù)責(zé)在系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)重置單片機(jī)，使其恢復(fù)到初始狀態(tài)?？紤]到大數(shù)據(jù)采用低電平復(fù)位，復(fù)位電路設(shè)計(jì)時(shí)需確保在復(fù)位時(shí)RESET引腳接地（GND），正常工作狀態(tài)下則接高電平（3.3V）。此外，復(fù)位電路中增加的電容（C37）起到了消除干擾和雜波的作用，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。下載器接口則關(guān)系到程序的下載與調(diào)試。本系統(tǒng)采用了標(biāo)準(zhǔn)的JTAG連接方式，這種方式不僅穩(wěn)定可靠，還支持SWD模式調(diào)試。這種靈活的程序開(kāi)發(fā)與調(diào)試選項(xiàng)為開(kāi)發(fā)者提供了極大的便利，使得開(kāi)發(fā)過(guò)程更加高效和順暢。

2.2、傳感器數(shù)據(jù)采集模塊

傳感器數(shù)據(jù)采集模塊是折返跑測(cè)試系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，負(fù)責(zé)捕捉運(yùn)動(dòng)員在跑步過(guò)程中的動(dòng)作。本模塊選用了上海閏安工業(yè)傳感器有限公司的GC16-M2000-DN1光電開(kāi)關(guān)，這款傳感器具備優(yōu)異的技術(shù)參數(shù)，適用于本系統(tǒng)的需求。GC16-M2000-DN1光電開(kāi)關(guān)的工作電壓范圍為10-30VDC，工作電流為200mA，最大測(cè)量量程為2m。它屬于直流三線(xiàn)PNP常開(kāi)型，即在信號(hào)觸發(fā)時(shí)，信號(hào)輸出線(xiàn)與電源線(xiàn)連接，輸出高電平；而在無(wú)信號(hào)觸發(fā)時(shí)，輸出線(xiàn)懸空，即與電源線(xiàn)斷開(kāi)。本系統(tǒng)采用反射板反射型檢測(cè)方式，即在傳感器正面設(shè)置反光板。當(dāng)運(yùn)動(dòng)員跑過(guò)傳感器時(shí)，會(huì)遮擋反光板返回的信號(hào)，從而觸發(fā)傳感器動(dòng)作。這種檢測(cè)方式具有高靈敏度和準(zhǔn)確性，能夠確保系統(tǒng)精確捕捉運(yùn)動(dòng)員的折返動(dòng)作。為了更全面地檢測(cè)運(yùn)動(dòng)員的折返動(dòng)作，系統(tǒng)設(shè)置了兩個(gè)相隔15m的跑步傳感器測(cè)量柱。每個(gè)測(cè)量柱內(nèi)部配置了兩個(gè)上下布置且并聯(lián)的光電開(kāi)關(guān)。這種設(shè)計(jì)考慮到了運(yùn)動(dòng)員跑步時(shí)動(dòng)作習(xí)慣的差異，無(wú)論是腳尖還是小腿部分先觸碰折返位置，都能被系統(tǒng)準(zhǔn)確捕捉。當(dāng)運(yùn)動(dòng)員身體的任意部分遮擋到任一光電開(kāi)關(guān)時(shí)，該開(kāi)關(guān)會(huì)動(dòng)作，通過(guò)光耦將信號(hào)傳遞給微控制器進(jìn)行計(jì)數(shù)。兩個(gè)光電開(kāi)關(guān)并聯(lián)連接，確保任一開(kāi)關(guān)的動(dòng)作都能被系統(tǒng)捕捉到。如圖2所示。

2.3、數(shù)碼管顯示模塊

該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)且準(zhǔn)確地顯示運(yùn)動(dòng)員的折返跑成績(jī)，具體涵蓋折返次數(shù)、秒計(jì)時(shí)以及0.01s精確計(jì)時(shí)。鑒于測(cè)試數(shù)據(jù)僅限于數(shù)字，無(wú)需文字展示，因此選用數(shù)碼管作為顯示設(shè)備，足以滿(mǎn)足所有數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)需求。為實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)和時(shí)間的清晰顯示，系統(tǒng)采用了共陰式八段數(shù)碼管。這種數(shù)碼管以發(fā)光二極管為基本單元，通過(guò)向不同管腳輸入相應(yīng)的電流來(lái)控制其點(diǎn)亮狀態(tài)，從而準(zhǔn)確展示數(shù)字參數(shù)。在數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)方式上，系統(tǒng)選擇了動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)。該方法通過(guò)分時(shí)輪流控制所有數(shù)碼管的COM端，實(shí)現(xiàn)各個(gè)數(shù)碼管的順序顯示。相較于直流驅(qū)動(dòng)，動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)方式在I/O端口資源有限的情況下更具優(yōu)勢(shì)，能夠控制更多的數(shù)碼管，既節(jié)省了I/O端口，又簡(jiǎn)化了外設(shè)電路的設(shè)計(jì)。為驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，系統(tǒng)選用了ZLG7289A芯片。該芯片配備串行接口，具備同時(shí)驅(qū)動(dòng)8位共陰式數(shù)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(gè)12MHz的晶振電路以確保其正常工作。由于測(cè)試過(guò)程中需同時(shí)顯示3種數(shù)據(jù)，共需用到9位數(shù)碼管，因此系統(tǒng)配置了兩片驅(qū)動(dòng)芯片：其中一片負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)6個(gè)數(shù)碼管，另一片則驅(qū)動(dòng)剩余的3個(gè)數(shù)碼管。如圖3所示。

2.4、WIFI無(wú)線(xiàn)通訊模塊

為滿(mǎn)足系統(tǒng)需求，即在運(yùn)動(dòng)員測(cè)試完成后能將測(cè)試成績(jī)無(wú)線(xiàn)發(fā)送給PC上位機(jī)進(jìn)行保存、統(tǒng)計(jì)和分析，特別選用了WIFI無(wú)線(xiàn)通訊模塊。WIFI技術(shù)因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)而被選中。首先，WIFI無(wú)線(xiàn)電波的覆蓋范圍廣泛，遠(yuǎn)超藍(lán)牙等其他無(wú)線(xiàn)技術(shù)，這確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和覆蓋能力；其次，WIFI的傳輸速度非?？欤瑵M(mǎn)足了實(shí)時(shí)傳輸大量數(shù)據(jù)的需求，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎蛯?shí)時(shí)性；此外，WIFI模塊的集成度高，易于與現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行集成，降低了開(kāi)發(fā)和維護(hù)的復(fù)雜性。同時(shí)，WIFI技術(shù)的普及程度高，兼容性好，能夠與各種設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無(wú)縫連接。WIFI模塊的連接電路圖如圖4所示。

3、軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件部分采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，以Keil uvision4為開(kāi)發(fā)環(huán)境。軟件設(shè)計(jì)主要包含系統(tǒng)初始化、顯示控制、計(jì)時(shí)程序、傳感器信號(hào)接收及與PC上位機(jī)通訊等多個(gè)模塊。系統(tǒng)初始化模塊負(fù)責(zé)配置微控制器的啟動(dòng)模式、設(shè)置定時(shí)器參數(shù)以及確定通訊協(xié)議等。完成這些基本設(shè)置后，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行硬件自檢，特別是針對(duì)傳感器等重要組件的檢查，確保它們能夠正常工作。在準(zhǔn)備工作完成后，系統(tǒng)會(huì)等待運(yùn)動(dòng)員首次觸發(fā)1號(hào)測(cè)量柱的傳感器。一旦觸發(fā)，計(jì)時(shí)模塊將立即開(kāi)始工作，并且顯示模塊會(huì)實(shí)時(shí)展示所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。隨后，1號(hào)和2號(hào)測(cè)量柱會(huì)輪流檢測(cè)信號(hào)。每當(dāng)檢測(cè)到信號(hào)時(shí)，折返次數(shù)的計(jì)數(shù)就會(huì)增加1，同時(shí)兩個(gè)測(cè)量柱都設(shè)計(jì)為不能連續(xù)檢測(cè)信號(hào)，以確保計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確性。當(dāng)折返次數(shù)達(dá)到17次時(shí)，計(jì)時(shí)模塊會(huì)自動(dòng)停止計(jì)時(shí)。此時(shí)，與PC通訊模塊將被激活，負(fù)責(zé)將運(yùn)動(dòng)員的成績(jī)數(shù)據(jù)發(fā)送給PC上位機(jī)進(jìn)行保存，以便后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和評(píng)估。整個(gè)軟件設(shè)計(jì)流程清晰，各模塊功能明確，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。軟件流程圖如圖5所示。

4、結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)通過(guò)集成數(shù)碼管顯示、WIFI無(wú)線(xiàn)通訊以及精確的計(jì)時(shí)和傳感器技術(shù)，為運(yùn)動(dòng)員折返跑測(cè)試提供了一個(gè)全面、高效的解決方案。軟件設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言和Keil uvision4開(kāi)發(fā)環(huán)境，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和易用性。通過(guò)精心設(shè)計(jì)的軟件流程，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確記錄并實(shí)時(shí)顯示運(yùn)動(dòng)員的折返次數(shù)和所用時(shí)間，同時(shí)通過(guò)WIFI模塊將測(cè)試成績(jī)無(wú)線(xiàn)發(fā)送給PC上位機(jī)，便于后續(xù)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析。本系統(tǒng)的成功實(shí)施不僅提升了運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練效果評(píng)估的效率和準(zhǔn)確性，也為教練員提供了有力的數(shù)據(jù)支持，有助于制訂更科學(xué)的訓(xùn)練計(jì)劃，從而推動(dòng)運(yùn)動(dòng)員競(jìng)技水平的提升。

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