CN102973283A

CN102973283A - 多功能体质测试仪

Info

Publication number: CN102973283A
Application number: CN2012104885448A
Authority: CN
Inventors: 周曦国; 张少强; 刘岩凯
Original assignee: Tianjin Normal University
Current assignee: Tianjin Normal University
Priority date: 2012-11-27
Filing date: 2012-11-27
Publication date: 2013-03-20

Abstract

本发明公开了一种多功能体质测试仪，包括控制器模块、与控制器模块连接的RFID读写IC卡模块、GPRS无线传输模块、串口数据下载模块、flash数据存储模块、传感器模块、液晶显示模块、键盘模块、语音提示模块和为电路提供电能的电源模块。本发明以ARMCortex-M3内核的32位微处理器为控制核心，Cortex-M3内核基于哈佛架构，对多个操作并行执行，加快了应用程序的执行速度。GPRS无线传输模块具有充分利用现有的网络、资源利用率高、始终在线、传输速率高、资费合理等特点。与以前的测试仪相比，该仪器具有明显的优势，低成本、高性能、低功耗，并且测量精度高，传输距离远，操作简单方便等。

Description

多功能体质测试仪

　资助项目: 天津市应用基础计划项目面上项目，真菌生物全基因组范围转录因子结合位点的计算预测研究，项目编号：11CYBJC26600。

技术领域

本发明涉及一种青少年体质测试仪器，尤其涉及一种多功能体质测试仪。

背景技术

我国青少年体质健康水平多年来持续下滑早已是不争的事实。学生的体质健康水平越来越受到国家、教育部以及家长的重视，而目前的体质测试仪器都比较简单，大多数测试仪器是机械式的或者采用的是传统51单片机，比如测量不准确，操作不方便等。并且数据的传输和保存，大多采用RS485总线有线传输，或者短距离无线传输，在实际使用中不仅麻烦而且受环境影响很大。

发明内容

本发明为了解决上述现有技术中的问题，利用目前先进的电子技术和通信技术，提供了一款集握力、肺活量、身高和体重等于一身的多功能体质测试仪器。

本发明为解决这一问题所采取的技术方案是：

本发明的多功能体质测试仪，包括控制器模块、与控制器模块连接的RFID读写IC卡模块、GPRS无线传输模块、串口数据下载模块、flash数据存储模块、传感器模块、液晶显示模块、键盘模块、语音提示模块和为电路提供电能的电源模块。

所述的控制器模块以ARM Cortex-M3内核的32位微处理器为核心控制器；设计了2种时钟源，8MHz晶振Y101作为微控器的时钟源，32.768KHz晶振Y100作为RTC的时钟源。

所述的电源模块采用两种供电方式，一种是通过外部5V直流电源供电，另一种是4.2V锂电池供电。

所述的传感器模块采用的是HX711。

所述的液晶模块采用T6963C驱动的240*128液晶显示屏。

所述的GPRS无线传输模块采用SIM900A模块。

本发明具有的优点和积极效果是：

本发明以ARM Cortex-M3内核的32位微处理器为控制核心，Cortex-M3内核基于哈佛架构，指令和数据各使用一条总线，由于指令和数据可以从存储器中同时读取，所以 Cortex-M3 处理器对多个操作并行执行，加快了应用程序的执行速度。GPRS无线传输模块具有充分利用现有的网络、资源利用率高、始终在线、传输速率高、资费合理等特点。与以前的测试仪相比，该仪器具有明显的优势，低成本、高性能、低功耗，并且测量精度高，传输距离远，操作简单方便等。

附图说明

图1是本发明的多功能体质测试仪的结构框图；

图2是本发明的控制器模块的电路原理图；

图3是本发明的电源模块的供电状态与充电电路图；

图4是本发明的5V电源的电路图；

图5是本发明的3.3V电源的电路图；

图6是本发明的语音提示模块的电路原理图；

图7是本发明的RFID读写IC卡模块的电路原理图；

图8是本发明的GPRS无线传输模块SIM900A的电路图；

图9是本发明的GPRS无线传输模块SIM卡的电路图；

图10是本发明的串口数据下载模块MAX3232电平转换电路图；

图11是本发明的flash数据存储模块的电路原理图；

图12是本发明的传感器模块HX711的电路原理图；

图13是本发明的液晶显示模块的电路原理图。

具体实施方式

以下参照附图及实施例对本发明进行详细的说明。

图1是本发明的多功能体质测试仪的结构框图。如图1所示，本发明的多功能体质测试仪，包括控制器模块、与控制器模块连接的RFID读写IC卡模块、GPRS无线传输模块、串口数据下载模块、flash数据存储模块、传感器模块、液晶显示模块、键盘模块、语音提示模块和为电路提供电能的电源模块。该仪器以ARM Cortex-M3内核的32位微处理器为控制核心，Cortex-M3内核基于哈佛架构，指令和数据各使用一条总线，由于指令和数据可以从存储器中同时读取，所以 Cortex-M3 处理器对多个操作并行执行，加快了应用程序的执行速度。外围电路包括240*128液晶显示模块、键盘模块、语音提示模块、RFID非接触式IC卡读写模块、数据存储模块、数据下载模块、传感器模块、电源模块以及GPRS无线通信模块，GPRS具有充分利用现有的网络、资源利用率高、始终在线、传输速率高、资费合理等特点。

控制器模块采用高性能的ARM 32位Cortex-M3微控器STM32F103VD, 72M的工作频率，内置512K字节flash闪存和64K字节的SRAM，丰富的I/O端口以及联接到两条APB总线的外设。包含5个USART 、2个I2C、3个SPI、2个I2S、1个USB、1个SDIO和1个CAN标准和先进的通信接口，还包含3个12位ADC、4个通用16位定时器、2个基本定时器和2个PWM定时器。主控模块如图2所示。图中的网络标识表明该引脚在本系统的定义。控制器电源和地之间要并联滤波电容，越靠近控制器引脚，效果越好。控制器的启动方式为用户闪存存储器启动，即BOOT0和BOOT1通过100k电阻接地。设计了2种时钟源，8MHz晶振Y101作为微控器的时钟源，32.768KHz晶振Y100作为RTC的时钟源。

电源模块设计了两种供电方式，一种是通过外部5V直流电源供电，另一种是4.2V锂电池供电。供电状态与充电电路如图3所示。LTC4054是凌特公司专为单节锂电池充电需要设计的单片集成芯片。电路设计非常简洁，充电电压设定在4.2V ,充电电流可由单个外接电阻控制，当达到最后浮充电压4.2V后，充电电流降至设定值的1/10时，LTC4054自动中止充电周期；当输人电源中断时LTC4054自动进人超低电流状态，电池消耗电流小于2uA, LTC4054进人关闭状态后电源电流降至25uA。LTC441l是凌特公司推出的低损耗Power Path 控制器，为电源切换或负载共享提供近于理想二极管的功能。LTC441l的工作电压在2.6 V到 5.5 V之间。

该仪器中有的模块需要3.3V电源供电，比如控制器、GPRS模块等，有的模块需要5V电源供电，比如液晶背光灯、RFID天线等，这两种电源的设计如图4、图5所示。

图4为5V电源电路，由于该仪器可以是4.2V锂电池供电，因此对需要5V电源的模块要，就必须对4.2V进行升压，本设计采用SP7648低参考电压的高效率升压型稳压器，SP7648是一个超低静态电流、高效率的逐步升高的DC-DC转换器，非常适合单个锂电池或双节碱性电池的应用。设计中R215取0欧姆，利用的是5V固定输出功能。3.3V电源电路，采用的是AME8805电源芯片，电路设计如图5所示。

本仪器具有语音提示功能，以方便用户的使用，语音芯片采用的是ISD17240，该芯片是Winbond推出的单片优质语音录放电路，该芯片提供双运作模式（独立&嵌入式），以及可定制的信息操作指示音效。芯片内部包含有自动增益控制、麦克风前置扩大器、扬声器驱动线路、振荡器与内存等的全方位整合系统功能。设计电路如图6所示。采用独立运作模式，该模式具有录、放功能，还有快进、擦除、音量控制、直通放音和复位等功能。电源为3.3V，通过麦克风将音频信息录于芯片，SPK+与SPK-接喇叭以播放音频提示，该芯片可以存240秒语音信息。如果音量不够大，还可以通过AUD/AUX引脚接电流放大器，再接喇叭，进行输出，以获得更大的音量效果。

该仪器可以通过非接触式IC卡读写器，来获得测试者的信息，并可以将测试信息写入IC卡。RFID读写器设计电路如图7所示。读卡器芯片采用上海复旦微电子股份有限公司设计的，基于ISO14443标准的非接触卡读卡芯片FM1702，该芯片可支持13.56MHz频率下的typeA、typeB、15693三种非接触通信协议，支持MIFARE和上海标准的加密算法。芯片内部高度集成了模拟调制解调电路，只需要最少量的外围电路就可工作。最低工作电压可达2.9V，支持6种微处理器接口，本设计采用的是SPI接口，芯片的工作电压3.3V，天线电压最高位5V，读写卡距离最大5厘米。

该仪器具有无线传输功能，可以将测试数据通过GPRS网络，发送到中心服务器，以便监控和管理，实现了数据的远程传输。本设计采用SIM900A模块，它属于双频GSM/GPRS模块，完全采用SMT封装形式，SIM900A仅适用于中国市场，其性能稳定，外观精巧，性价比高。其设计电路如图8所示，SIM卡电路如图9所示。

本仪器设计了一个串口数据下载模块，他可以将保存在仪器里的测试数据，通过串口下载到PC机里，以防止各种数据丢失情况的发生。设计采用MAX3232进行电平转换，如图10所示。

该仪器外扩了2M flash，用来存储汉字字库以及测试信息，以方便查询，设计电路如图11所示。采用的是Winbond公司的W25X16芯片，SPI接口。

传感器模块采用的是HX711，是一款专为高精度电子秤而设计的24位A/D转换器芯片。与同类型其它芯片相比，该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其它同类型芯片所需要的外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点。降低了整机成本，提高了整机的性能和可靠性。该芯片与后端MCU 芯片的接口和编程非常简单，所有控制信号由管脚驱动，无需对芯片内部的寄存器编程。输入选择开关可任意选取通道A 或通道B，与其内部的低噪声可编程放大器相连。通道A 的可编程增益为128 或64，对应的满额度差分输入信号幅值分别为±20mV或±40mV。通道B 则为固定的64 增益，用于系统参数检测。芯片内提供的稳压电源可以直接向外部传感器和芯片内的A/D 转换器提供电源，系统板上无需另外的模拟电源。芯片内的时钟振荡器不需要任何外接器件。上电自动复位功能简化了开机的初始化过程。其设计电路如图12所示。JP502接各种传感器信号，比如握力、重量、肺活量等，引脚11、12、15接处理器，R502、R503取不同的值来选择传感器的电压。

液晶模块采用T6963C驱动的240*128液晶，用以显示测试菜单、测试者信息、功能设置、测试信息查询等。设计电路如图13所示。液晶电源和背景灯电源通过控制器控制，以便在长时间开机而不是用的情况下，关闭电源，节省电量。

键盘设计为4*4共16个按键，0-9共10个数字键，以及6个功能键，上、下、取消、确认、删除和设置，以方便用户输入数字信息和其他操作。

该仪器使用非常方便，不仅有语音提示，而且还有液晶显示提示，以方便人机交互。具体工作过程如下：

上电开机后，电源指示灯点亮，如果采用锂电池供电，则不需要外接电源，如果锂电池和外接电源同时接在仪器上，仪器自动采用外接电源供电，并对锂电池充电。充电指示灯变红色，充电满后，指示灯变绿色。

开机后，首先液晶屏显示启动画面，2秒后进主菜单，并有语音提示菜单功能选择，菜单有5个功能可选择，刷IC卡测试、输入信息测试、自由练习、测试信息查询和功能设置。

刷IC卡测试：启动RFID读卡功能，刷测试者IC卡，读入测试者信息，然后测试，测试过程中有语音提示，并在液晶屏显示测试数据、测试时间。测试完成后，数据首先保存在仪器的flash中，再启动RFID写卡功能，并判断卡号是否与测试者一致，一致数据保存测试者IC卡，否则报警。最后启动GPRS无线传输模块，将测试数据发送中心服务器，进行统一管理。上述工作完成后，按键盘确认键，进行下一个测试者，进行测试；按键盘取消键，返回主菜单。

输入信息测试：通过键盘输入测试者信息，然后测试，测试过程中有语音提示，并在液晶屏显示测试数据、测试时间。测试完成后，数据首先保存在仪器的flash中，再启动GPRS无线传输模块，将测试数据发送中心服务器，进行统一管理。上述工作完成后，按键盘确认键，进行下一个测试者，进行测试；按键盘取消键，返回主菜单。

自由练习：测试者自由测试，数据不保存，只在液晶屏显示。

测试信息查询：该功能是将保存在flash里的数据，在液晶屏上显示，以便查询。分精确查询和全部分页显示查询。

功能设置：主要是通过键盘输入一些初始数据，比如仪器的设备编号，实时时钟日期时间的设置等。

当仪器使用一段时间或者对特定的测试用户群，测试完成后，可以通过USART串口，将仪器保存在flash里的数据，下载到PC里，防止数据丢失。

Claims

1. 一种多功能体质测试仪，其特征在于：该测试仪包括控制器模块、与控制器模块连接的RFID读写IC卡模块、GPRS无线传输模块、串口数据下载模块、flash数据存储模块、传感器模块、液晶显示模块、键盘模块、语音提示模块和为电路提供电能的电源模块。

2.根据权利要求1所述的多功能体质测试仪，其特征在于：控制器模块以ARM Cortex-M3内核的32位微处理器为核心控制器；设计了2种时钟源，8MHz晶振Y101作为微控器的时钟源，32.768KHz晶振Y100作为RTC的时钟源。

3.根据权利要求1所述的多功能体质测试仪，其特征在于：电源模块采用两种供电方式，一种是通过外部5V直流电源供电，另一种是4.2V锂电池供电。

4.根据权利要求1所述的多功能体质测试仪，其特征在于：传感器模块采用的是HX711。

5.根据权利要求1所述的多功能体质测试仪，其特征在于：液晶模块采用T6963C驱动的240*128液晶显示屏。

6.根据权利要求1所述的多功能体质测试仪，其特征在于：GPRS无线传输模块采用SIM900A模块。