CN102715908A - 运动状态体能监测仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种运动状态体能监测仪。监测仪由一个弹性环状连接器，一个中央采集装置和n个发光与传感装置三部分组成。中央采集装置和发光与传感装置安装在弹性环状连接器上，弹性环状连接器用有弹性的材料作基材，基材上设有中央采集装置和发光与传感装置的固定和安装底座、连接接口以及连接线。各个发光与传感装置通过3根公共连接线和7根单独连接线将弹性环状连接器、中央采集装置和n个发光与传感装置构成完整的系统。本监测仪可在运动员运动训练甚至比赛时实时、实地监测体能而不影响运动。可以监控脉搏和血氧饱和度，易于佩戴。不仅适合运动员，也适合各类需要体能状态检测、运动状态监测，人体健康监测的人群。
Description
一、技术领域
本发明属监测仪器技术范畴，具体是运动状态体能监测仪。
二、背景技术
运动训练、比赛中的运动员需要了解运动强度和疲劳程度，以确定运动训练方案和比赛中的战略战术。运动强度和疲劳程度的监测指标最主要的是脉搏和血氧饱和度。现有的脉搏和血氧饱和度监测装置大都是放置在室内、固定在检测人员容易操作的地方，监测时需要被监测者处于静止状态，被监测者有微小的运动如手指的活动就会影响监测结果。中国专利201010136449.2《运动状态下的血氧饱和度监测装置》、中国专利201120242132.7《一种新型无线脉搏测量仪》分别对现有的血糖测试和脉搏测试做了改进。但是，这些监测装置仍然需要被监测者停下运动在室内进行，同时监测的项目单一。这样的检测仪器显然对运动员是不够和不利的。首先。停止运动状态会影响运动训练，其次静止状态与运动状态的监测值是有误差的，在监测要求不断提高的背景下，显然不能满足实时、实地准确监测，从而最大限度的科学制定训练计划的目的。
三、发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种在运动员运动训练甚至比赛时实时、实地监测体能而不影响运动的体能监测仪。这种监测仪可以监控脉搏和血氧饱和度，易于佩戴，不影响运动，具有无线传输能力和语音提醒功能，是一种实时检测精度较高的运动体能状态监测仪。本监测仪不仅适合运动员，也适合各类需要的体能状态检测、运动状态监测、人体健康监测。
本发明的目的是这样达到的：
一种运动状态体能监测仪，其特征在于：监测仪由一个弹性环状连接器，一个中央采集装置和n个发光与传感装置三部分组成，中央采集装置和发光与传感装置安装在弹性环状连接器上，弹性环状连接器用有弹性的材料作基材，基材上设有中央采集装置的固定和安装底座、中央采集装置的连接接口，发光与传感装置的固定和安装底座、发光与传感装置的连接接口以及连接线。
在中央采集装置的固定和安装底座上安装中央采集装置，在发光与传感装置的固定和安装底座上安装发光与传感装置；中央采集装置通过中央采集装置的连接接口与连接线连接，并通过连接线连接发光与传感装置；各个发光与传感装置通过各自的连接接口与连接线连接，并通过连接线连接中央采集装置。
各个发光与传感装置的连接接口都是多芯接口，多芯接口连接所有发光与传感装置与中央采集装置的公共连接线和各个发光与传感装置与中央采集装置的单独连接线。
各个发光与传感装置的连接接口都是多芯接口，其多芯接口有3根与中央采集装置的公共连接线和7根与中央采集装置的单独连接线，3根公共连接线分别为电源线、电源地线、电路地线，7根单独连接线分别为3根红外灯控制线，3根红色灯控制线，1根光传感输出线。
发光与传感装置由发光与传感模块支架，发光与传感模块电路板和透明材料隔板组成。发光与传感模块支架，发光与传感模块电路板和透明材料隔板上都有安装螺丝孔，通过安装螺丝孔将发光与传感装置与弹性环状连接器上的发光与传感装置的固定和安装底座紧密连接。
在发光与传感模块电路板上有连接电路和连接接口，通过连接电路焊接一个光传感器、3个红色灯，3个红外灯，通过连接接口安装发光与传感装置的接口插件；发光与传感模块支架上设有与电路板相配合的安装孔，包括：3个红色灯安装孔，3个红外灯安装孔，一个光传感器感光孔，这些安装孔贯穿整个发光与传感模块支架上的底面和顶面。
发光与传感模块支架上设有与电路板相配合的安装孔，其3个红色灯安装孔和3个红外灯安装孔分别与传感模块支架的水平面呈45度，90度，135度角。
弹性环状连接器上的中央采集装置固定和安装底座、发光与传感装置的固定和安装底座都有螺孔，中央采集装置和发光与传感装置通过各自的固定和安装底座用螺钉固定在弹性环状连接器上。
监测仪有n个发光与传感装置是指有4-16个发光与传感装置。
中央采集装置包括控制与计算模块，无线传输模块，有线通信模块，语音播报模块和显示模块。
本发明的积极效果是：对于训练中的运动员，教练员可以实时监测和记录运动员的脉搏和血氧，通过实时监测运动员的脉搏和血氧调整训练计划，同时通过所记录的脉搏、血氧的历史数据，进行体育科学的相关研究。运动员也可以实时知道自己的训练状态，自我控制，调整训练强度。对于比赛中的运动员，教练员可以实时监测运动员的体能状况，根据运动员的体能状况实时调整比赛策略。对于个人锻炼和有一定强度的工作和劳动者，可以实时监控身体状况，及时调整锻炼强度和劳动强度，控制休息时间和休息间隔。对于其它需要监控心跳和血氧的应用场合提供实时的、远距离的、高精度的监控与测量。
四、附图说明
图1是本发明的结构框图。
图2是弹性环状连接器的剖面示意图。
图3是弹性环状连接器的外形侧面示意图。
图4是发光与传感装置结构示意图。
图5是发光与传感模块支架顶面示意图。
图6是红色灯安装孔位置示意图。
图7是红外灯安装孔位置示意图。
图8是红色灯安装后在发光与传感模块电路板与发光与传感模块支架位置剖面示意图。
图9是红外灯安装后在发光与传感模块电路板与发光与传感模块支架位置剖面示意图。
图10中央采集装置结构方框图。
图11是使用上位机与本检测仪连接示意图。
图12是发光与传感模块电路板的电路图。
图13是弹性环状连接器连接线电路中与发光与传感装置连接接口的接插件图。
图14是弹性环状连接器连接线电路中与中央采集装置连接接口的接插件图。
图15是弹性环状连接器连接线电路中与中央采集装置的控制系统的接插件图。
图16是中央采集装置中控制与计算模块电路中FPGA主芯片电路图。
图17是中央采集装置中控制与计算模块电路中FPGA配置芯片电路图。
图18是中央采集装置中控制与计算模块电路中FPGA加载电路图。
图19是中央采集装置中控制与计算模块电路中DSP主电路图。
图20 是中央采集装置中控制与计算模块电路中DSP复位电路图。
图21是中央采集装置中控制与计算模块电路中DSP调试与仿真接口图。
图22是中央采集装置中控制与计算模块电路中DSP存储器图。
图23是中央采集装置中控制与计算模块电路中有线通信模块电路图。
图24是中央采集装置中控制与计算模块电路中无线通信模块电路图。
图25是中央采集装置中控制与计算模块电路中语音模块电路图。
图26是中央采集装置中控制与计算模块电路中显示模块电路图。
图27是中央采集装置中控制与计算模块电路中键盘模块电路图。
图中，1是弹性环状连接器，2是中央采集装置，3是发光与传感装置，其中3-1、3-1~3-n表示有n个，4是中央采集装置的固定和安装底座，5是中央采集装置的连接接口，6是发光与传感装置的固定和安装底座，其中6-1~6-8表示有8个相同底座，7是发光与传感装置的连接接口，其中7-1~7-8表示有8个相同的连接接口，8是连接线，9是发光与传感模块电路板，10是发光与传感模块支架 ，11-1、11-2 是安装螺钉孔， 12 是透明材料隔板，13-1、13-2、13-3是红色灯安装孔，14是光传感器透光孔，15-1、15-2、15-3是红外灯安装孔，16-1、16-2、16-3是红色灯，17-1、17-2、17-3红外灯。
五、具体实施方式
附图给出了本发明的具体实施例。
参见附图1、2、3。
监测仪由一个弹性环状连接器1，一个中央采集装置2和n个发光与传感装置3三部分组成，本例中共采用了8个发光与传感装置。中央采集装置和发光与传感装置安装在弹性环状连接器上，弹性环状连接器用有弹性的材料作基材，基材上设有中央采集装置的固定和安装底座4、中央采集装置连接接口5，8个发光与传感装置的固定和安装底座6-1~6-8、8个发光与传感装置的连接接口7-1~7-8以及连接线8。
每个发光与传感装置中的发光与传感模块电路板分别用10芯连接线连接到发光与传感装置的连接接口。10根连接线中，有3根为所有发光与传感装置与中央采集装置连接的公共连接线，7根为各个发光与传感装置与中央采集装置单独的连接线。发光与传感装置的连接接口通过连接线与中央采集装置的连接接口连接，中央采集装置与每个发光与传感装置用3根公共连接线以及7根单独连接线连接。如果有n个发光与传感模块，则中央采集系统的连接导线总共有3+7×n根，其连接接口有3+7×n芯。 10芯连接线和10芯连接接口中，3根公共连接线分别为电源、电源地线、电路地线。7根单独的连接线分别为3根红外灯控制线，3根红色灯控制线，1根光传感输出线。
参见附图4、5。
发光与传感装置由发光与传感模块支架10和发光与传感模块电路板9以及透明材料隔板12组成。发光与传感装置上有安装螺丝孔11-1、11-2，通过安装螺丝孔将发光与传感装置与弹性环状连接器上的发光与传感装置的固定和安装底座紧密连接。
发光与传感模块支架上设有与电路板相配合的安装孔，3个红色灯安装孔13-1、13-2、13-3，3个红外灯安装孔15-1、15-2、15-3，一个光传感器感光孔14。这些安装孔贯穿整个发光与传感模块支架上的底面和顶面。在发光与传感模块电路板上通过安装孔安装有一个光传感器，3个红色灯16-1、16-2、16-3，3个红外灯17-1、17-2、17-3红外灯。
参见附图6、7、8、9。
3个红色灯安装孔13-1、13-2、13-3，和3个红外灯安装孔15-1、15-2、15-3分别与传感模块支架的水平面呈45度，90度，135度角。3个红色灯16-1、16-2、16-3和3个红外灯17-1、17-2、17-3安装后依然与传感模块支架的水平面呈45度，90度，135度角。
参见附图10。
中央采集装置包括控制与计算模块，无线传输模块，有线通信模块，语音播报模块和显示模块。
中央采集装置连接接口用于中央采集装置和发光与传感装置的电路连接。控制与计算模块用于各控制与发光传感模块的红色灯和红外灯的放光顺序，接收发光与传感模块的光传感信号，计算脉搏与血氧值，通过无线传输模块或有线通信模块发送脉搏与血氧值，通过语音播报模块发出相关的语音信号，通过键盘输入确定计算模式设置，通过显示模块显示计算值、工作状态和控制状态。无线传输模块可以将中央采集装置的计算数据，工作状态，控制状态通过无线传输的方式传输给上位机，也可以将上位机的控制命令传输给控制与计算模块。语音播报模块可以语音播报中央采集装置的计算数据，工作状态，控制状态，或其他所设置需要语音播报的信息。键盘输入模块用于给中央采集装置输入控制命令。显示模块用于显示中央采集装置的计算数据、工作状态、控制状态。有线通信模块可以将中央采集装置的计算数据，工作状态，控制状态通过有线传输的方式传输给上位机，也可以接收上位机的控制命令。电源模块为整个系统提供电源。
参见附图11。
使用时，本监测仪可以单独使用，也可以使用上位机。监测仪与上位机的通信与控制可以使用无线传输模块或有线通信模块来实现。使用上位机时的连接如图11。上位机可以是计算机或平板电脑，通信模块可以是无线通信模块或有线通信模块。通过键盘或在上位机的控制下，通过无线传输模块或有线通信模块为中央采集装置设置控制命令，设置中央采集装置的计算模式、语音播报信息。中央采集装置根据所设置的计算模式，依次设置各发光与传感装置的红色灯与红外灯的发光顺序，同时采集各发光与传感模块的光传感模块的输出信号，根据各发光与传感模块的红色灯与红外灯的发光顺序与采集到的光传感模块的输出信号，计算血氧值和脉搏值。并存储所计算的血氧值和脉搏值，通过无线模块发送所计算的血氧值和脉搏值。根据语音播报信息的设置，播报相关的计算信息。根据显示内容设置，显示相关的内容。
参见附图12-27。
本例具体采用的发光与传感装置的电路设计如图12。发光与传感模块电路板上有连接电路和连接接口，通过连接电路焊接一个光传感器、3个红色灯，3个红外灯，通过连接接口安装发光与传感装置的接口插件。图中：U1:光传感器，型号：OPT101;Texas Instruments 公司生产。D1、D2、D3：红色发光二极管，D4、D5、D6:红外发光二极管，J1: 发光与传感模块的连接接口接插件 ，Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6:三极管。
弹性环状连接器连接线电路采用了8个与图13 中JL1相同的接插件与图14中的发光与传感模块的接插件J1连接。
中央采集装置包括控制与计算模块，无线传输模块，有线通信模块，语音播报模块和显示模块。
在中央采集装置的控制与计算模块的现场可编程门阵列模块FPGA电路如图16、17、18所示，其中，FPGA主芯片电路的主芯片UF8型号为：EP1C3T144，生产厂家：美国ALTERA公司。FPGA配置芯片电路芯片UF6，生产厂家：美国ALTERA公司。
在中央采集装置的控制与计算模块的数字信号处理器DSP电路如图19、20、21、22所示。DSP主芯片电路UC1为数字信号处理芯片，型号：TMS320F2812，美国TI公司生产。DSP的存储器型号：CY1021,生产厂家：美国Sharma Electro Components公司。
在中央采集装置的控制与计算模块的有线通信如图23所示。有线通信芯片UC2: AX3232CSE， 用于RS232通信接口，由美国TI公司生产。无线通信如图24所示。图中UW1:CC2520 无线传输芯片，美国TEXAS INSTRUMENTS公司生产。 UW2:CC2561，无线传输前端芯片，美国TEXAS INSTRUMENTS公司生产。
在中央采集装置的控制与计算模块的语音模块电路如图25所示。其UC8:语音芯片，型号为ISD2560，台湾winbond电子公司生产。控制与计算模块的显示电路和键盘电路如图26、27所示。
Claims (7)
1.一种运动状态体能监测仪，其特征在于：监测仪由一个弹性环状连接器，一个中央采集装置和n个发光与传感装置三部分组成，中央采集装置和发光与传感装置安装在弹性环状连接器上，弹性环状连接器用有弹性的材料作基材，基材上设有中央采集装置的固定和安装底座、中央采集装置的连接接口，发光与传感装置的固定和安装底座、发光与传感装置的连接接口以及连接线；
在中央采集装置的固定和安装底座上安装中央采集装置，在发光与传感装置的固定和安装底座上安装发光与传感装置；中央采集装置通过中央采集装置的连接接口与连接线连接，并通过连接线连接发光与传感装置；各个发光与传感装置通过各自的连接接口与连接线连接，并通过连接线连接中央采集装置；
各个发光与传感装置的连接接口都是多芯接口，多芯接口连接所有发光与传感装置与中央采集装置的公共连接线和各个发光与传感装置与中央采集装置的单独连接线。
2.如权利要求1所述的体能监测仪，其特征在于：所述各个发光与传感装置的连接接口都是多芯接口，其多芯接口有3根与中央采集装置的公共连接线和7根与中央采集装置的单独连接线，3根公共连接线分别为电源线、电源地线、电路地线，7根单独连接线分别为3根红外灯控制线，3根红色灯控制线，1根光传感输出线。
3.如权利要求1所述的体能监测仪，其特征在于：所述发光与传感装置由发光与传感模块支架，发光与传感模块电路板和透明材料隔板组成；
发光与传感模块支架，发光与传感模块电路板和透明材料隔板上都有安装螺丝孔（11-1）、（11-2），通过安装螺丝孔将发光与传感装置与弹性环状连接器发光与传感装置的固定和安装底座紧密连接；
在发光与传感模块电路板上有连接电路和连接接口，通过连接电路焊接一个光传感器、3个红色灯，3个红外灯，通过连接接口安装发光与传感装置的接口插件；发光与传感模块支架上设有与电路板相配合的安装孔，包括：3个红色灯安装孔（13-1）、（13-2）、（13-3），3个红外灯安装孔（15-1）、（15-2）、（15-3），一个光传感器感光孔（14），这些安装孔贯穿整个发光与传感模块支架上的底面和顶面。
4.如权利要求3所述的体能监测仪，其特征在于：所述发光与传感模块支架上设有与电路板相配合的安装孔，其3个红色灯安装孔和3个红外灯安装孔分别与传感模块支架的水平面呈45度，90度，135度角。
5.如权利要求1所述的体能监测仪，其特征在于：所述弹性环状连接器上的中央采集装置固定和安装底座、发光与传感装置的固定和安装底座都有螺孔，中央采集装置和发光与传感装置通过各自的固定和安装底座用螺钉固定在弹性环状连接器上。
6.如权利要求1所述的体能监测仪，其特征在于：所述监测仪有n个发光与传感装置是指有4-16个发光与传感装置。
7.如权利要求1所述的体能监测仪，其特征在于：所述中央采集装置包括控制与计算模块，无线传输模块，有线通信模块，语音播报模块和显示模块。
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