CN109100968B - 基于FreeRTOS嵌入式实时操作系统的智能健身骑行台系统 - Google Patents

Abstract

基于FreeRTOS嵌入式实时操作系统的智能健身骑行台系统，包括电源控制模块、ARM处理器主控模块、蓝牙通信模块、ANT+通信模块、速度采集模块、动感LED灯模块、磁阻控制模块、报警模块。系统采用FreeRTOS嵌入式实时操作系统进行任务优先级管理，实现多任务间的协同合作，提高系统的实时性和稳定性。系统ARM处理器主控模块对骑行台骑行速度进行实时捕获、计算、拟合，并将数据发送至无线通信模块进行无线通信；同时接收无线通信模块的控制信息，对其进行解码和数据提取进而发送至磁阻控制模块，进行真实骑行路况模拟。由系统计算出的实时速度进行动感LED灯模块周期控制，ANT+通信可以使系统兼容第三方骑行软件，系统无线信号的稳定性由报警模块进行判断、预警和报警。

Description

基于FreeRTOS嵌入式实时操作系统的智能健身骑行台系统

技术领域

本发明涉及一种基于FreeRTOS嵌入式实时操作系统的智能健身骑行台系统，进行真实骑行环境的模拟，并使用FreeRTOS嵌入式实时操作系统提高系统的实时性和稳定性。

背景技术

随着社会的发展和城市化进程的加速，国人的体质每况日下，现状令人担忧，而在现代化的进程中，越来越多的人也开始渐渐注意到健康的重要性，逐渐开始了健身运动。但是，现在自然环境的日益恶化，人们的生活环境情况每况愈下，比如频繁出现雾霾；而且现在经常发生交通的拥堵，驾驶员的文明意识也尚不够成熟，人们在户外活动的安全性也难以得到保证；夏天过于酷暑冬天过于严寒也不适宜人类进行日常的户外运动；下雨天和台风天等更是直接阻碍了室外运动。因而室内运动成了一种很好的选择，并且削弱了天气、时间、空间等因素的限制。

现有的室内运动训练设备普遍价格较高，结构实施复杂，外观笨重，比如跑步机等其他健身器材，而自行车作为最简单的代步工具，对于作为自行车生产和使用大国的中国来说，基本上是家庭必备，普适性高，成本低廉；在城市化进程中，土地资源变得越来越宝贵，一个在室内即可健身的自行车平台，可以几乎不受任何场地、天气等影响就能完成日常的训练。

而目前市面上的自行车训练器虽然可以进行无线连接，磁阻控制但是采用的是前后台程序进行实现，造成系统的实时性和稳定性不够好，并且系统无线传输数据时不能通过智能骑行台自身对信号稳定性进行判断、预警、报警进而将连接信息通过骑行台自身反馈给用户；目前的智能骑行台不能够在一次骑行过程中同时连接不同的骑行app进而让用户选择更适合自己的骑行软件，并且目前的骑行台在进行ANT+通信的同时不能够同时进行蓝牙连接，使PC/手机客户端同时反馈用户的骑行数据；此外，目前的智能骑行台在骑行的过程通过骑行软件增加骑行的乐趣的同时，却不能通过骑行台自身更进一步增加骑行的视觉体验感和乐趣感。

目前，针对智能骑行台系统的设计主要集中在自行车支架机械结构、驱动方式等方面，针对基于FreeRTOS嵌入式实时操作系统的智能健身骑行台系统的更进一步提高系统的实时性、稳定性研究，进一步增加智能骑行台骑行过程中的视觉体验感，骑行过程中信号不稳定或者信号中断，以及骑行台同时连接ANT+通信协议和蓝牙通信协议的研究较少。谢宇提出了一种自行车健身器系统(谢宇.一种自行车健身器系统：中国，204502268[P].2015-07-29)，给出了健身自行车的一种机械结构设计，并详细介绍了该种机械结构设计的原理，但其需要人工进行阻力调整，极不方便；朱翊、曹一聪提出的多功能体感同步自行车健身娱乐系统(朱翊，曹一聪.多功能体感同步自行车健身娱乐系统:中国，204073263[P].2015-01-07),实现了健身与娱乐为一体，但是其仅介绍了自行车与计算机相连接实现娱乐效果，还是需要人工去控制计算机，极不方便；

冯远静、禹鑫燚提出了一种基于Android/IOS移动端APP无级控制的自行车健身骑行台控制系统(冯远静,禹鑫燚.Android/IOS移动端APP无级控制的自行车健身骑行台控制系统：中国，106730765A[P].2017-05-31)，实现了对骑行台的蓝牙通信以及磁阻的无级控制，但是其连接方式单一只支持蓝牙连接，不能兼容主流的ANT+(fe-c)通信协议的国内外骑行软件，不能通过嵌入式实时操作系统进一步提高健身骑行台控制系统的实时性和稳定性，以及进一步增加骑行的体验感和乐趣。

所以对于智能健身骑行台实现基于FreeRTOS嵌入式实时系统的控制方式，实现骑行台骑行过程中与多个骑行软件进行同时通信，实现骑行过程中对无线连接信号不稳定进行判断、预警和报警，增加周期可自动实现实时调节的动感LED灯增加骑行体验，并且实现与国内外骑行软件的兼容，成为了智能健身骑行台发展的新趋势。

发明内容

本发明要克服现有技术的上述问题，提供一种基于FreeRTOS嵌入式实时操作系统的智能健身骑行台系统。

首先，本发明的核心是利用了FreeRTOS嵌入式实时操作系统使ARM处理器主控模块对系统中的蓝牙接收任务、蓝牙发送任务、ANT+接收任务、ANT+发送任务、动感LED灯任务、速度采集任务、速度计算任务、功率拟合任务、磁阻控制任务以及报警任务通过FreeRTOS嵌入式实时操作系统的消息队列、二值信号量、互斥信号量、事件标志组和内存池机制进行任务优先级分配使多任务正常运行的同时减少ARM处理器中控模块CPU的使用，极大的提高了系统的实时性。系统中通过蓝牙通讯模块和ANT+通讯模块接收的数据均已经过ARM处理器主控模块进行解码和传输；系统中通过蓝牙通讯模块和ANT+通讯模块发送出去的信息均已经过ARM处理器主控模块进行加密。系统采用蓝牙通讯模块和ANT+通讯模块两个模块进行无线通信，使系统在通过ANT+协议与PC端骑行软件进行主通信的同时也可以通过蓝牙通信协议与手机端、平板电脑端的骑行软件进行同步通信，使用户一次骑行训练可以体验不同的骑行软件的骑行效果，从而选择出适合用户使用的骑行软件。系统中的ARM处理器通过速度采集模块的脉冲进行骑行速度的计算，并将计算出的速度进行功率拟合使系统输出速度信号的同时也可以输出相对精准的功率值，使系统不需要通过功率传感器进行功率采集从而降低智能骑行台的成本。当系统骑行过程中出现无线信号不稳定时可以通过报警模块的RGB灯和蜂鸣器进行预警和报警，使系统运行过程中消除由于无线通讯距离造成的信号延时现象从而让系统与骑行软件之间的无线通信更加顺畅。

本发明为解决现有技术问题所采用的技术方案是：

一种基于FreeRTOS嵌入式实时操作系统的智能健身骑行台系统，通过ARM处理器、FreeRTOS嵌入式实时操作系统、蓝牙通讯技术、ANT+通讯技术以及涡流效应，实现智能健身骑行台的无线控制和路感模拟；所述的基于FreeRTOS嵌入式实时操作系统的智能健身骑行台系统包括：

电源控制模块：电源控制模块与ARM处理器主控模块、蓝牙通信模块、ANT+通信模块、速度采集模块、动感LED灯模块、磁阻控制模块以及报警模块相连接；电源控制模块的输入电压为系统中的磁阻控制模块提供电磁感应效应的电压；电源控制模块通过降压后为系统中的ARM处理器主控模块、蓝牙通信模块、ANT+通信模块、速度采集模块、动感LED灯模块、报警模块提供驱动电压，并为磁阻控制模块提供PWM控制电压。

ARM处理器主控模块：ARM处理器主控模块与电源控制模块、蓝牙通信模块、ANT+通信模块、速度采集模块、动感LED模块、磁阻控制模块以及报警模块相连接；ARM处理器主控模块接收来自蓝牙通信模块和ANT+通信模块的系统控制信息，接收速度采集模块的速度信号并进行速度值计算和功率拟合，ARM处理器主控模块向蓝牙通信模块和ANT+通信模块发送信息，同时ARM处理器主控模块向动感LED灯模块、磁阻控制模块和报警模块发送控制信息。

蓝牙通信模块：蓝牙通信模块连接ARM处理器主控模块，同时蓝牙通信模块通过蓝牙的无线连接功能与外界蓝牙设备进行无线连接；蓝牙通信模块通过连接指令实现与外部蓝牙设备的无线连接，并接收来自外部蓝牙设备的控制信息，将接收到的外部蓝牙的控制信息发送至ARM处理器主控模块；蓝牙通信模块接收经过ARM处理器主控模块处理后的数据，并将经过ARM处理器处理后的数据通过蓝牙无线透传将数据传输给外部蓝牙设备。

ANT+通信模块：ANT+通信模块连接ARM处理器主控模块，同时ANT+通信模块通过ANT+无线连接协议实现与外部ANT+设备的无线通信；ANT+通信模块接收来自外部ANT+设备的控制信息，将接收到的外部ANT+的控制信息发送至ARM处理器主控模块；ANT+通信模块接收经过ARM处理器主控模块处理后的数据，并将经过ARM处理器处理后的数据通过ANT+协议传输给外部ANT+设备。

速度采集模块：速度采集模块连接ARM处理器主控模块，速度采集模块中的速度传感器，将采集到的速度脉冲发送至ARM处理器主控模块。

动感LED灯模块：动感LED灯模块连接ARM处理器主控模块，动感LED灯模块接受来自ARM处理器主控模块的控制信息，通过ARM处理器采集到的速度值大小来调节动感LED灯模块的周期值，动感LED灯模块根据ARM处理器主控模块发送来的控制周期，进行动感LED灯交替闪烁周期的调节。

磁阻控制模块：磁阻控制模块与电源控制模块、ARM处理器主控模块以及外界线圈相连接；磁阻控制模块的电磁感应效应电压为经过电源控制模块中的电源选择开关选择的系统输入电压，磁阻控制模块的控制电压为经过电源控制模块的降压电路降压后的电压；磁阻控制模块接收来自ARM处理器主控模块的控制信息，实现磁阻大小的调节。

报警模块：报警模块连接ARM处理器主控模块和电源控制模块中的降压电路，接收系统运行过程中来自ARM处理器主控模块判断出的系统连接状态信息，运行中出现信号连接问题时，报警模块将会通过报警RGB灯和蜂鸣器进行报警。

所述的智能健身骑行台通过使用FreeRTOS嵌入式实时操作系统实现系统中多任务的协同合作，使系统ARM处理器主控模块对系统中的蓝牙接收任务、蓝牙发送任务、ANT+接收任务、ANT+发送任务、动感LED灯任务、速度采集任务、速度计算任务、功率拟合任务、磁阻控制任务以及报警任务通过FreeRTOS嵌入式实时操作系统的消息队列、二值信号量、互斥信号量、事件标志组和内存池机制进行任务优先级分配使多任务正常运行。

所述的ARM处理器主控模块对接收到的蓝牙通信模块和ANT+通信模块的控制信息进行数据的解码与校验，校验合格后将控制信息发送至磁阻控制模块实现磁阻大小的控制。

所述的蓝牙通讯模块和ANT+通信模块为两个不同的通信协议模块，实现系统通过ANT+连接电脑端骑行软件的同时，也能够通过手机或平板电脑通过蓝牙进行双重连接，便于骑行过程同时向不同骑行软件发送同一次骑行数据，便于不同的骑行软件对骑行过程进行分析，从而做出对比，使用户短时间内选择出更适合自己的一款骑行软件进行骑行训练。

所述的报警模块，当系统在骑行过程中信号稳定时报警模块RGB灯为绿色常亮，蜂鸣器无报警信号；当信号不稳定、信号断断续续的现象时，报警模块RGB灯通过黄灯周期闪烁进行预警，此时蜂蜜器无报警信号；当信号中断时，报警模块RGB灯通过红灯周期闪烁以及蜂鸣器鸣笛进行系统信号连接中断报警。

所述的ARM处理器主控模块对来自速度采集模块的脉冲进行处理，将其通过计算转化成速度值，同时将计算出的速度值进行拟合得到系统功率值，ARM处理器主控模块再将速度和功率值进行加密，将加密后的数据传输至蓝牙通信模块和ANT+通信模块，具体方式如下：

1)ARM处理器主控模块计算的速度值为S，圆周率π，骑行台磁阻控制模块的半径r，ARM处理器主控模块每次捕获来自速度采集模块相邻的两次脉冲所需要的时间值t(该时间t是由MCU微控单元内部定时器中断给出)，功率拟合值为P，功率拟合公式的拟合参数为a、b、c、d、e，其中a、b、c、d、e为通过速度传感器和功率传感器测试多组速度值和功率值之后，再使用matlab软件对速度值和功率值进行线性拟合，得到的拟合方程中的各项系数；

2)ARM处理器主控模块捕获到相邻两次速度脉冲后，通过以下公式计算出骑行台实时骑行的速度：

3)ARM处理器主控模块通过速度计算公式(1-1)计算出骑行台实时骑行速度值S，并通过速度传感器和功率传感器测试多组速度值和功率值之后，再使用matlab软件对速度值和功率值进行线性拟合，得到的拟合方程如下所示，其中的各项系数a、b、c、d、e为matlab软件经过对速度和功率值进行线性拟合后获得，从而得到骑行的功率拟合值P，其功率拟合后的计算公式如下：

P＝a*S⁴+b*S³+c*S²+d*S+e (1-2)

通过速度计算公式(1-1)计算出的实时速度，通过系统蓝牙通讯模块进行无线传输；结合功率拟合公式(1-2)计算出功率拟合值P并传输至蓝牙通信模块和ANT+通信模块。

本发明的优点和积极效果是：

本发明基于FreeRTOS嵌入式实时操作系统，结合ARM处理器主控模块对系统各个任务进行管理和任务优先级分配，提高系统运行时的实时性，并且可以通过程序进行优化降低系统CPU的使用率，降低系统的功耗。此外本发明基于FreeRTOS的嵌入式实时操作系统的智能健身骑行台系统通过ARM处理器主控模块对骑行台骑行速度进行捕获，捕获的速度经过拟合后转化成实时功率值，并将速度值和功率值发送值系统蓝牙通信模块和ANT+通信模块进行无线通信；同时ARM处理器主控模块实时接收来自蓝牙通信模块和ANT+通信模块的控制信号，并将控制信号解码后读取磁阻大小控制数据，根据读取的磁阻大小控制数据实现智能骑行台坡度模拟。本发明中报警模块采用一个RGB灯和一个蜂鸣器实现对系统运行过程中信号不稳定时进行预警，并且当运行过程中信号发生断开后进行报警。本发明中的动感LED灯模块的周期根据采样的速度值不同进行自动调节，增加骑行过程中的视觉冲击效果；并且本系统中的功率采用速度与功率进行拟合的方式进行实现，从而极大地降低了骑行台的成本。本发明中采用蓝牙通信模块和ANT+通信模块这两个模块实现数据的无线通信，其中ANT+通信模块采用fe-c骑行台通信协议发送标准数据格式，使本系统可以兼容任何支持ANT+通信的fe-c协议格式的骑行APP，并且当系统通过ANT+连接进行主通信的时候，用户也可以同时进行蓝牙连接，此时蓝牙通信将会关闭对骑行台的控制功能，但是可以传输骑行过程中产生的骑行数据，用户一次骑行可以体验不同骑行APP的骑行效果，让用户选择出更适合自己的骑行软件。

附图说明

图1为本发明的应用环境的示意图。

图2为本发明的系统原理框图。

具体实施方式

以下为结合附图对本发明的实施做进一步详述。

一种基于FreeRTOS嵌入式实时操作系统的智能健身骑行台系统，如附图1(本发明的应用环境图)所示：基于FreeRTOS嵌入式实时操作系统的智能健身骑行台系统应用平台的组成包括：健身骑行台支架1、基于FreeRTOS嵌入式实时操作系统的智能健身骑行台系统2、PC客户端3、手机客户端4、自行车5、健身骑行软件(a.onelape骑行软件、b.BKOOL BSim骑行软件、c.zwift骑行软件、d.UH fitness骑行软件)。其中骑行台支架1用来固定自行车5；基于FreeRTOS嵌入式实时操作系统的智能健身骑行台系统2通过蓝牙和ANT+无线通信技术与PC客户端3和手机客户端4进行无线通信，并且可以兼容国内外任何一款支持ANT+(fe-c)通信协议的智能骑行台软件。当FreeRTOS嵌入式实时操作系统的智能健身骑行台系统2与PC客户端3和手机客户端4进行无线通信的过程中出现信号不稳或者信号中断时，系统将发出预警和报警信号；FreeRTOS嵌入式实时操作系统的智能健身骑行台系统2接收来自PC客户端3和手机客户端4的控制信息，进而通过系统内部的磁阻控制模块进行骑行台磁阻的自动调节从而模拟真实骑行过程中的上下坡的模拟。

一种基于FreeRTOS嵌入式实时操作系统的智能健身骑行台系统，采用FreeRTOS嵌入式实时操作系统进行任务优先级分配和管理；通过ARM处理器主控模块实现信号解码、加密以及接收和发送；蓝牙通信模块和ANT+通信模块实现信号的无线传输，并兼容国内外任一款支持ANT+(fe-c)通信协议的骑行台客户端软件；磁阻控制模块进行坡度模拟；系统无线连接信号出现信号不稳定或者信号中断时将通过报警模块进行预警和报警。

结合图2，本发明的系统原理框图

对于本发明所描述的基于FreeRTOS嵌入式实时操作系统的智能健身骑行台系统它包括：

电源控制模块：

电源控制模块与ARM处理器主控模块、蓝牙通信模块、ANT+通信模块、速度采集模块、动感LED灯模块、磁阻控制模块以及报警模块相连接；

电源控制模块的输入电压为系统中的磁阻控制模块提供电磁感应效应的电压；电源控制模块通过降压电路对输入电压进行降压处理后为系统中的ARM处理器主控模块、蓝牙通信模块、ANT+通信模块、速度采集模块、动感LED灯模块、报警模块提供驱动电压，同时为磁阻控制模块提供PWM控制电压；

ARM处理器主控模块：

ARM处理器主控模块与电源控制模块、蓝牙通信模块、ANT+通信模块、速度采集模块、动感LED模块、磁阻控制模块以及报警模块相连接；

ARM处理器主控模块接收来自蓝牙通信模块和ANT+通信模块的系统控制信息，接收速度采集模块的速度信号并进行速度值计算和功率拟合，ARM处理器主控模块向蓝牙通信模块和ANT+通信模块发送信息，同时ARM处理器主控模块向动感LED灯模块、磁阻控制模块和报警模块发送控制信息；

ARM处理器主控模块采用FreeRTOS嵌入式实时操作系统对系统中的各个任务进行管理和优先级分配，在本系统中将系统可管理的最高中断优先级设置为5，系统的定时器中断用于捕获采集到的速度脉冲，系统的串口中断用于接收和发送数据，此时定时器中断优先级和串口中断优先级都必须高于系统可管理的最高优先级，同时在本系统中定时器中断的优先级需要高于串口中断的优先级，这样系统可以实时捕获来自速度采集模块的脉冲信息，并对速度和功率实时进行计算和拟合，再将经过计算和拟合后的速度值和功率值通过蓝牙通信模块和ANT+通信模块进行发送，并且使用二值信号量队列消息、互斥信号量和事件标志组对各个任务进行时间片轮转。

其中ANT+通信模块采用标准的ANT+(fe-c)标准协议格式进行发送，从而达到与其他健身骑行软件进行匹配和兼容，发送的速度和功率数据分别为：

速度数据(8个字节)：

0x10

0x19

0x4d

0x00

0x1c

0x00

0xff

0x20

其中速度数据的第一位0x10，对应ANT+协议的数据页page16表示为速度信号，第5位和第6位分别为实时传输的速度值得低位和高位。

功率数据(8个字节)：

0x19

0x41

0x5a

0x01

0xd7

0x00

0x10

0x20

其中功率数据的第一位0x19，对应ANT+协议的数据页page25表示为功率信号，本系统的功率值使用的是瞬时功率，其第4位和第5位分别为实时传输的功率值得低位和高位。

系统通过ANT+协议与国内外任一款支持ANT+(fe-c)协议的骑行软件进行连接时，通过ANT+通信模块接收来自骑行软件的坡度阻力信号，ARM处理器主控模块对接收到的坡度阻力信号进行解码后进行数据提取，再将提取到的数据进行坡度值匹配，进而将匹配的坡度值作为磁阻控制模块的PWM控制信号，从而达到系统自动调节智能健身骑行台的磁阻大小，模拟真实骑行道路的上下坡，接收的坡度信号数据如下：

坡度信号数据(8个字节)：

0x33

0xff

0xff

0xff

0xff

0x20

0x4e

0xff

其中坡度信号数据的第一位0x33，对应ANT+协议的数据页page51表示为坡度信号，ARM处理器主控模块接收到的以上格式的数据后，先对数据进行解码，如果8字节的数据第一位为0x33，则对数据进行解码取出数据的第6位和第7位，作为坡度信号，其中第6位为坡度低位，第7位为坡度高位，将这两位数据(0x20,0x4e)进行计算后得到实际的坡度值(20000)，再将坡度值进行匹配，最后将匹配后的坡度值作为磁阻控制模块的PWM控制信号，进而通过磁阻控制模块对系统磁阻大小进行自动调节。

ARM处理器主控模块对接收到的速度采集模块的脉冲进行捕获，将捕获到的脉冲结合所用的时间进行实时速度的计算，并将计算后的到的速度值并结合所对应的坡度通过功率转化算法进转化成相应的功率值。

MCU微控单元捕获速度采集模块的脉冲信息，MCU微控单元通过内部定时器中断获取捕获到的相邻两个速度脉冲信号的时间，比如t＝0.05秒，使用的骑行台磁阻控制模块半径为r＝0.23米，π取3.14，则此时利用速度计算公式计算出的速度值为：

经过实验后测得的磁阻为平路时的功率拟合参数为：a＝1.29916706173180*0.00001，b＝-0.00322492103025074，c＝0.29628686996，d＝1.3025560405，e＝-0.6450141296，则经过功率拟合算法计算出的拟合功率为：

P₀＝a*S⁴+b*S³+c*S²+d*S+e＝215.5423(瓦)

则通过速度计算公式、功率拟合计算公式计算出的速度值28.888(米/秒)、补偿后的功率值215.5423(瓦)即为系统通过蓝牙通信模块和ANT+通信模块无线发送出去的最终的速度值和功率值。ARM处理器中控模块将计算出的速度值进行速度值区间的划分，当速度值在某个预设值区间内的时候，将对应一个特定的动感LED灯模块的运行周期值，从而达到不同的速度，动感LED灯模块有不同的运行周期，给用户不一样的视觉冲击，增加骑行的乐趣。

ARM处理器主控模块当无线通讯时出现信息断断续续不稳定的时候将通过报警模块RGB灯通过黄灯周期闪烁进行预警，此时蜂蜜器无报警信号；当信号中断时，报警模块RGB灯通过红灯周期闪烁以及蜂鸣器鸣笛进行系统信号连接中断报警。

蓝牙通信模块：

蓝牙通信模块连接ARM处理器主控模块，同时蓝牙通信模块通过蓝牙的无线连接功能与外界蓝牙设备进行无线连接；蓝牙通信模块通过连接指令实现与外部蓝牙设备的无线连接，并接收来自外部蓝牙设备的控制信息，将接收到的外部蓝牙的控制信息发送至ARM处理器主控模块；蓝牙通信模块接收经过ARM处理器主控模块处理后的数据，并将经过ARM处理器处理后的数据通过蓝牙无线透传将数据传输给外部蓝牙设备；

ANT+通信模块：

ANT+通信模块连接ARM处理器主控模块，同时ANT+通信模块通过ANT+无线连接协议实现与外部ANT+设备的无线通信；ANT+通信模块接收来自外部ANT+设备的控制信息，将接收到的外部ANT+的控制信息发送至ARM处理器主控模块；ANT+通信模块接收经过ARM处理器主控模块处理后的数据，并将经过ARM处理器处理后的数据通过ANT+协议传输给外部ANT+设备；

速度采集模块：

速度采集模块连接ARM处理器主控模块，速度采集模块将采集到的速度脉冲发送至ARM处理器主控模块；速度采集模块发送至ARM处理器主控模块的脉冲信号可以根据电路的不同设计而使用相应的上升/下降沿脉冲，再由ARM处理器主控模块进行捕获。

动感LED灯模块：

动感LED灯模块连接ARM处理器主控模块，动感LED灯模块接受来自ARM处理器主控模块的控制信息，通过ARM处理器采集到的速度值大小来调节动感LED灯模块的周期值，动感LED灯模块根据ARM处理器主控模块发送来的控制周期，进行动感LED灯交替闪烁周期的调节；

磁阻控制模块：

磁阻控制模块与电源控制模块、ARM处理器主控模块以及外界线圈相连接；磁阻控制模块的电磁感应效应电压为经过电源控制模块中的电源选择开关选择的系统输入电压，磁阻控制模块的控制电压为经过电源控制模块的降压电路降压后的电压；磁阻控制模块接收来自ARM处理器主控模块的控制信息，实现磁阻大小的调节；

报警模块：

报警模块连接ARM处理器主控模块和电源控制模块中的降压电路，接收系统运行过程中来自ARM处理器主控模块判断出的系统连接状态信息，运行中出现信号连接问题时，报警模块将会通过报警RGB灯和蜂鸣器进行报警；并且报警模块使用一颗RGB灯即可实现多种颜色的控制，从而使电路设计进一步进行简化。

以上是整个系统的控制情况，由于基于FreeRTOS嵌入式实时操作系统的智能健身骑行台系统采用了FreeRTOS嵌入式实时操作系统从而提高了系统的实时性和稳定性。并且系统内部的电源控制模块、ARM处理器主控模块、蓝牙通信模块、ANT+通信模块、速度采集模块、动感LED灯模块、磁阻控制模块、报警模块的存在使系统支持多种无线通信方式、并且其中的ANT+(fe-c)通信协议可以使系统很好的兼容国内外智能骑行软件；系统的动感LED灯模块的周期可以更具采集的速度大小不同进行自动调节，给用户提供不一样的视觉效果；系统中的磁阻控制模块可以是系统实现真实骑行过程中道路坡度的模拟，增加骑行体验的真实感；系统的报警模块可以实时体现出系统无线信号连接的稳定性，便于用户及时调整骑行台和PC/手机客户端的距离，进一步降低无线数据传输的延时问题，增加骑行的体验感和乐趣性。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。。

Claims (5)

1.一种基于FreeRTOS嵌入式实时操作系统的智能健身骑行台系统，其特征在于：通过ARM处理器、FreeRTOS嵌入式实时操作系统、蓝牙通讯技术、ANT+通讯技术以及电磁感应效应，实现智能健身骑行台的无线控制和路感模拟；具体包括：

电源控制模块：电源控制模块与ARM处理器主控模块、蓝牙通信模块、ANT+通信模块、速度采集模块、动感LED灯模块、磁阻控制模块以及报警模块相连接；电源控制模块的输入电压为系统中的磁阻控制模块提供电磁感应效应的电压；电源控制模块通过降压后为系统中的ARM处理器主控模块、蓝牙通信模块、ANT+通信模块、速度采集模块、动感LED灯模块、报警模块提供驱动电压，并为磁阻控制模块提供PWM控制电压；

ARM处理器主控模块：ARM处理器主控模块与电源控制模块、蓝牙通信模块、ANT+通信模块、速度采集模块、动感LED模块、磁阻控制模块以及报警模块相连接；ARM处理器主控模块接收来自蓝牙通信模块和ANT+通信模块的系统控制信息，接收速度采集模块的速度信号并进行速度值计算和功率拟合，ARM处理器主控模块向蓝牙通信模块和ANT+通信模块发送信息，同时ARM处理器主控模块向动感LED灯模块、磁阻控制模块和报警模块发送控制信息；

所述的ARM处理器主控模块对来自速度采集模块的脉冲进行处理，将其通过计算转化成速度值，同时将计算出的速度值进行拟合得到系统功率值，ARM处理器主控模块再将速度和功率值进行加密，将加密后的数据传输至蓝牙通信模块和ANT+通信模块，具体方式如下：

6.1)ARM处理器主控模块计算的速度值为S，圆周率π，骑行台磁阻控制模块的半径r，ARM处理器主控模块每次捕获来自速度采集模块相邻的两次脉冲所需要的时间值t，该时间值t是由MCU微控单元内部定时器中断给出，功率拟合值为P，功率拟合公式的拟合参数为a、b、c、d、e，其中a、b、c、d、e为通过速度传感器和功率传感器测试多组速度值和功率值之后，再使用matlab软件对速度值和功率值进行线性拟合，得到的拟合方程中的各项系数；

6.2)ARM处理器主控模块捕获到相邻两次速度脉冲后，通过以下公式计算出骑行台实时骑行的速度：

6.3)ARM处理器主控模块通过速度计算公式(1-1)计算出骑行台实时骑行速度值S，并通过速度传感器和功率传感器测试多组速度值和功率值之后，再使用matlab软件对速度值和功率值进行线性拟合，得到的拟合方程如下所示，其中的各项系数a、b、c、d、e为matlab软件经过对速度和功率值进行线性拟合后获得，从而得到骑行的功率拟合值P，其功率拟合后的计算公式如下：

P＝a*S⁴+b*S³+c*S²+d*S+e (1-2)

通过速度计算公式(1-1)计算出的实时速度，通过系统蓝牙通信模块进行无线传输；结合功率拟合公式(1-2)计算出功率拟合值P并传输至蓝牙通信模块和ANT+通信模块；

蓝牙通信模块：蓝牙通信模块连接ARM处理器主控模块，同时蓝牙通信模块通过蓝牙的无线连接功能与外界蓝牙设备进行无线连接；蓝牙通信模块通过连接指令实现与外部蓝牙设备的无线连接，并接收来自外部蓝牙设备的控制信息，将接收到的外部蓝牙的控制信息发送至ARM处理器主控模块；蓝牙通信模块接收经过ARM处理器主控模块处理后的数据，并将经过ARM处理器处理后的数据通过蓝牙无线透传将数据传输给外部蓝牙设备；

ANT+通信模块：ANT+通信模块连接ARM处理器主控模块，同时ANT+通信模块通过ANT+无线连接协议实现与外部ANT+设备的无线通信；ANT+通信模块接收来自外部ANT+设备的控制信息，将接收到的外部ANT+的控制信息发送至ARM处理器主控模块；ANT+通信模块接收经过ARM处理器主控模块处理后的数据，并将经过ARM处理器处理后的数据通过ANT+协议传输给外部ANT+设备；

速度采集模块：速度采集模块连接ARM处理器主控模块，速度采集模块中的速度传感器，将采集到的速度脉冲发送至ARM处理器主控模块；

动感LED灯模块：动感LED灯模块连接ARM处理器主控模块，动感LED灯模块接受来自ARM处理器主控模块的控制信息，通过ARM处理器采集到的速度值大小来调节动感LED灯模块的周期值，动感LED灯模块根据ARM处理器主控模块发送来的控制周期，进行动感LED灯交替闪烁周期的调节；

磁阻控制模块：磁阻控制模块与电源控制模块、ARM处理器主控模块以及外界线圈相连接；磁阻控制模块的电磁感应效应电压为经过电源控制模块中的电源选择开关选择的系统输入电压，磁阻控制模块的控制电压为经过电源控制模块的降压电路降压后的电压；磁阻控制模块接收来自ARM处理器主控模块的控制信息，实现磁阻大小的调节；

报警模块：报警模块连接ARM处理器主控模块和电源控制模块中的降压电路，接收系统运行过程中来自ARM处理器主控模块判断出的系统连接状态信息，运行中出现信号连接问题时，报警模块将会通过报警RGB灯和蜂鸣器进行报警。

2.根据权利要求1所述的基于FreeRTOS嵌入式实时操作系统的智能健身骑行台系统，其特征在于：所述的智能健身骑行台通过使用FreeRTOS嵌入式实时操作系统实现系统中多任务的协同合作，使系统ARM处理器主控模块对系统中的蓝牙接收任务、蓝牙发送任务、ANT+接收任务、ANT+发送任务、动感LED灯任务、速度采集任务、速度计算任务、功率拟合任务、磁阻控制任务以及报警任务通过FreeRTOS嵌入式实时操作系统的消息队列、二值信号量、互斥信号量、事件标志组和内存池机制进行任务优先级分配使多任务正常运行。

3.根据权利要求1所述的基于FreeRTOS嵌入式实时操作系统的智能健身骑行台系统，其特征在于：所述的ARM处理器主控模块对接收到的蓝牙通信模块和ANT+通信模块的控制信息进行数据的解码与校验，校验合格后将控制信息发送至磁阻控制模块实现磁阻大小的控制。

4.根据权利要求1所述的基于FreeRTOS嵌入式实时操作系统的智能健身骑行台系统，其特征在于：所述的蓝牙通信模块和ANT+通信模块为两个不同的通信协议模块，实现系统通过ANT+连接电脑端骑行软件的同时，也能够通过手机或平板电脑通过蓝牙进行双重连接，便于骑行过程同时向不同骑行软件发送同一次骑行数据，便于不同的骑行软件对骑行过程进行分析，从而做出对比，使用户短时间内选择出更适合自己的一款骑行软件进行骑行训练。

5.根据权利要求1所述的基于FreeRTOS嵌入式实时操作系统的智能健身骑行台系统，其特征在于：所述的报警模块，当系统在骑行过程中信号稳定时报警模块RGB灯为绿色常亮，蜂鸣器无报警信号；当信号不稳定、信号断断续续的现象时，报警模块RGB灯通过黄灯周期闪烁进行预警，此时蜂蜜器无报警信号；当信号中断时，报警模块RGB灯通过红灯周期闪烁以及蜂鸣器鸣笛进行系统信号连接中断报警。

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