人体运动数据实时捕捉系统的设计与实现

丁广鹏

摘 要： 采用电子测量方法进行人体运动数据实时捕捉，构建人体运动数据实时捕捉系统，系统包括硬件设计和软件设计两部分，采用HP E1433A高速数据捕获总线模块记录人体运动数据并存储到数据硬盘中。进行运动数据捕捉的发射机、接收机、控制器等硬件构件设计，软件设计通过PXI实时系统触发各通道实现数据同步采集和回放，进行数据可视化模块设计和数据触发设置。最后进行系统调试，结果表明，采用该数据捕捉系统能实时进行人体数据的记录和输出，系统的稳定性较好。

关键词： 人体运动数据； 实时捕捉； 系统设计； 总线

中图分类号： TN915?34； TP273 文献标识码： A 文章编号： 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

人体运动数据实时捕捉系统可实现多模自动化的人体运动数据采集，对运动数据采集的种类主要包括运动过程中的速度、加速度、高度、位移等物理数据，以及脉搏、肺功能、心肌功能、呼吸功能方面的生理数据，对人体运动数据的实时捕捉是一项系统性工程，由于数据分布面较广，数据特征之间的关联性较弱，传统的运动数据实时捕捉系统难以有效实现数据采集和分析，需要进行人体运动数据实时捕捉系统的优化设计，提高对人体运动过程中的身体运动特征的实时分析和信息捕捉能力。

1 系统总体设计架构

1.1 人体运动数据总线数据流传输流程

为了实现对人体运动数据实时捕捉，采用VXI总线数据采集技术进行系统总体架构设计，人体运动数据实时捕捉系统建立在对运动数据信息的特征采样和总线控制的基础上，运动数据实时系统的触发器PXI?6713采用标准的VPP仪器驱动程序，利用PXI总线的高速PCI带宽进行多通道的同步触发。系统采用PXI总线内部系统10 MHz时钟，触发方式分为内触发和外触发两种，数据采集包括发射天线、接收天线、发射机、接收机、控制器等[1?2]。用VXI总线数据捕获的运动数据存储到板上RAM，文件管理系统采用内核控制寄存到HP E1562D/E SCSI数据硬盘。数据实时捕捉系统的VXI总线数据触发总线采用PXI实时记录数据的中断脉冲，通过实时系统集成总线RTSI0～7路由配置PXI?6713的回放通道向量[3]，通过计数器模块分配到各PXI?6713模块中。人体运动数据的总线数据流传输流程如图1所示。

程序首先将人体运动数据实时捕捉系统的VXI总线数据首址赋给地址指针，然后进入循环体，通过DSP指令集发送到FIFO RAM缓冲区，根据控制指令驱动程序进行系统总线开发。

1.2 系统的功能模块技术指标描述

人体运动数据实时捕捉系统包括硬件设计和软件设计两部分，数据采集系统是整个系统的基础，通过PCI桥接芯片与PC机进行数据通信，DSP接收PCI总线传递的应用程序，通过设定运动数据的采样率、采样通道数，输出多路回波信号到接收机，读取的采样值进行运动数据的频谱分析，通过CPLD产生DSP中断[4?5]。

硬件設计主要包括如下几个部分：运动数据信息的DSP信号处理器、模拟信号预处理机、PCI总线及桥接电路、功率放大器、人体运动数据的逻辑控制设备、外部I/O设备进行系统的嵌入式接口设计、外部存储器执行数据存储以及系统复位电路实现对运动数据捕获系统的时钟中断。

根据上述功能模块分析，进行运动数据捕捉的发射机、接收机、控制器等硬件构件设计，采用收发转换电路构建发射回波控制单元，人体运动数据实时捕捉系统选用继电器实现模拟信号预处理，根据信号的大小自动调整数据实时捕捉系统的放大倍数，在操作界面设置数据捕捉的最大放大倍数和最小放大倍数。人体运动数据实时捕捉系统的结构框图如图2所示。

人体运动数据实时捕捉系统控制模拟信号预处理机的动态增益码，通过模拟信号预处理机放大、滤波后，运动数据实时捕捉系统通过DSP信号处理器实现系统的数据采集、处理、与上位机通信，DSP与PCI通信[6]，通过硬件控制输出动态增益、任务，设计系统的功能技术指标描述主要有：

（1） 控制D/A转换器进行数/模转换，利用应用程序加载程序模块进行数据采样和程序写入，通过功率放大器将存储在FLASH中的應用程序寄存在内部RAM中，系统的输入电源中有一路为I/O电源管脚，采用bootloader防止电压突变，采用0805进行系统的封装，设计内核开关电源如图3所示，实现动态电源管理。

内核开关电源的开关频率也可以在0～1 MHz间调节，采用电容进行交流耦合，使boot loader在处理器内部RAM中运行。

（2） 通过PXI总线桥接PXI?6713模块与PC机进行通信，人体运动数据实时捕捉系统采用可编程功能接口与PFI0～9进行数据传输和控制，实现总线RTSI0～7路由接入，取得人机对话。

（3） 自动增益控制，根据外部存储器以及复位电路的采样值幅度调整人体运动数据实时捕捉系统的模拟信号，采用外部I/O设备进行预处理机的动态增益放大，通过CPLD产生DSP中断使得模拟信号预处理机输出端满足系统的放大指标，在预处理机动态控制输出端进行数/模转换，功率放大范围>20 dB。

（4） 设置合理的采样频率，通过自动增益控制的放大量为40 dB，A/D，D/A分辨率均>200 kHz，基阵阻抗能实现对人体运动数据的正常采样。

（5） 输出信号幅度为±20 V，通过模拟信号预处理机进行放大，读取A/D采样值进行处理，接收信号范围包括信号频谱特征和运动数据的频率分量，通过计算模拟信号实现对运动数据的波束模拟。

（6） 系统外部输入电压为±12 V，能与外部SRAM通信，根据各放大器芯片的放大特性，实现系统低功耗控制和数据存储，信号放大控制D/A转换器工作。

2 数据捕捉系统的硬件设计

人体运动数据实时捕捉系统的硬件设计主要包括发射机、接收机、控制器等硬件构件，由于系统采样率至少为200 kHz，发射机采用10位ADC进行运动数据的局部放大，进行宽带阻抗匹配处理，第一级选用AD8021进行数据放大识别，采用减法电路、计数电路进行ADC设计[7]，达到程序控制第一级放大的目的，在进行运动数据实时捕捉的多频振荡控制中，采用TI公司推出的一款增益连续可变的DSP芯片进行走动增益控制，设计555多频振荡器进行人体运动数据的信号调理，采用STM32F101xx芯片设计宽带电压控制放大器，将STM32F101xx的电压放大分贝数控制在：

[Vgain=10-2（Vc+1）] （1）

式中：[Vc]是人体运动数据实时捕捉的控制电压，范围是[-2 V≤Vc≤0；][Vgain]是开关电容低通滤波器放大增益。

DSP控制VCA810的控制电压，选择MAXIM公司的5阶开关电容对端口进行分配，根据式（2）进行程控放大：

[fstop=fCLKIN100] （2）

使放大器满幅输出，由于功率放大器系统的动态功耗与[ITC，][CT]和[fp]相关，设置了隔直通交的RC滤波电路，将TRF7960的I/O_0～I/O_7作为人体运动数据实时捕捉系统的并口输入输出端，得到人体运动数据实时捕捉系统的发射机模块设计电路如图4所示。

图4中为了有效地消除直流偏置，运动数据捕捉系统的阻抗能等效成并联回路，各级芯片的级联负载仅为[G，]直流偏置输出能耗[PL=V20?G]。后级的数据采集负载功率[PL]随着采集的人体运动数据线性变化，在电容器输出端设计LC滤波电路，使得有用功率输出达到最大，由于捕捉系统的供电电源相互独立，高频端选用优质电感[8?9]，通过SCSI?68反馈动态增益控制组件模拟预处理机，预处理机布局框图如图5所示。

人体运动数据实时捕捉系统的DSP模块进行数据信号采集，各芯片之间逻辑时序控制模块通过窄带匹配滤波进行上位机通信，PCI模块利用PCI桥接芯片与DSP进行数据传输，数据实时捕捉系统的窄带匹配变压器串行通信电压输出为：

[u（t）=Kpe（t）+Kie（t）dt+Kdde（t）dt] （3）

式中：[e（t）]为回路阻抗的控制阈值；[Kp]为输出增益；[Ki]为积分增益；[Kd]为微分增益。

当系统工作频率[ff0]时，回路电抗呈感性。在阵元工作中心频率[f0]处可产生30X的脉冲，改变功率因素[cosφ，]负载功率[PL]通过脉宽调变，设调制频率[n1=1+tan2φ01+tan2φX，]通过串联调谐匹配，得到负载功率、输出阻抗和数据捕捉系统的调制电压分别为：

[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]为电容阻抗；[B]为电容阻抗值；[R]为输入量；[G]为给定对象；[ZL]为电感；[E（s）]为控制系统的输入干扰量。在系统的[φX<φ0]时，采样频率为10 kHz，[VCE]随输出电流的增大而增大，得到人体运动数据实时捕捉系统的功率放大器输出电压信号在0～4.565 V，借助于多频振荡控制系统的输出阶跃响应，数据实时捕捉系统窄带阻抗匹配的输出（[Kp]）增益、积分（[Ki]）增益和微分（[Kd]）增益用图6所示的电路表示。

根据实测的阻抗值[G，B，]调节功放管的有用功率输出，当原固有谐振点功率没有明显提升时，输出增益达到最大，如图7所示。

通过窄带匹配和功率放大，在各频率点进行反复计算和修正，根据阻抗匹配，对相位角最大发射电压响应级SVL进行调制，实现人体运动数据实时捕捉系统的集成设计。

3 系统的软件设计

人体运动数据实时捕捉系统的软件设计是整个系统的核心，完成人体运动数据的实时采集与信息处理，软件系统设计主要由DSP模块、PCI模块和逻辑控制模块组成，软件开发建立在CCS 2.20开发平台下，采用DSP数字信息处理平台进行集成编译，系统的DSP信号处理程序都是用ASM语言编写，借助于 LabWindows/CVI，C/C++开发所需的软件系统，数据实时捕捉的编译代码为：

Busybox User application layer software???>

transfer data from array signal processing session

//采集通道设置

>[*]Data HP E1433A SCSI disk /usr

//使用HP E1562E的软件编程

VME address space （modules： signal acquisition and recording port）???>

//用户采集参数设置

（/home/ Start VISA resource manager/nfs） start position address //从某个地址空间起始位置的偏移量

tar acquisition parameter setting20t?eabi.tgz

//输入触发方式=HP E1433A

通过PXI实时系统触发各通道实现数据同步采集和回放，根据编写的PCI卡驱动程序指定的采集时间，进行数据可视化模块设计和数据触发设置， 运用WIN32 API函数CreateFile（）函数打开PCI设备，循环读取HP E1562E的SCSI，一旦查到就表示可以读取数据。最后设置耦合方式、触发方式、采样率，创建传输单元和仪器会话，进行数据实时捕捉和回放，参数设置代码为：

class Bus sampling rate ： public vpApp

{

public ： e input channel range （） {}； //仪器会话设置

～myApp（） {}； //系统配置

：initialize instrument session （″channel groupPXI″）

//HP E1562E传输序列设置10 MHz时钟

void Sampling frequency setting （Custom acquisition parameter setting：：Key key， int mod）

//創建采集通道组，myApp类数据采集

private： //写数据文件头信息，自定义变量

}

4 系统测试实验分析

在系统测试中，进行硬件集成调试和软件程序加载测试，首先对各仪器初始化自检，在操作面板中设置输入通道、采样率、耦合方式、触发方式等参数，打开SCSI数据硬盘执行数据存储和信息加载，指定对人体运动数据的实时采集时间，读取HP E1562E实际完成的数据记录量，进行数据的批处理，得到人体运动数据的批量转化过程如图8所示。

循环读取HP E1562E的SCSI硬盘数据，进行人体运动数据实时捕捉采集，采集时间完成时停止采集，在数据回放模块进行运动数据回放，得到数据输出如图9所示。

根据上述系统调试和实验分析可得，采用本文设计的系统进行人体运动数据的实时捕捉，系统的稳健性较好，能准确有效地实现对运动数据的记录和输出。

5 结 语

本文进行了人体运动数据实时捕捉系统的优化设计，对硬件部分和软件部分进行模块化设计，硬件模块主要包括发射机、接收机、控制器、模拟预处理机等部分。软件开发建立在CCS 2.20开发平台下，采用DSP数字信息处理平台进行集成编译，通过PXI实时系统触发各通道实现数据同步采集和回放，进行数据可视化模块设计和数据触发设置。系统测试结果表明，采用该数据捕捉系统能实时进行人体运动数据的记录和输出，系统可靠稳定。

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