CN114859771A

CN114859771A - 一种运动数据采集与控制电路

Info

Publication number: CN114859771A
Application number: CN202210343888.3A
Authority: CN
Inventors: 谢星志; 孟祥涛; 向政; 葛宏升; 于向怀; 赵合; 黄磊
Original assignee: Beijing Aerospace Times Optical Electronic Technology Co Ltd
Current assignee: Beijing Aerospace Times Optical Electronic Technology Co Ltd
Priority date: 2022-03-31
Filing date: 2022-03-31
Publication date: 2022-08-05
Anticipated expiration: 2042-03-31
Also published as: CN114859771B

Abstract

一种运动数据采集与控制电路，包括微控制器、姿态测量传感器、天线、存储器、模拟开关、短路保护装置、电池、按键；存储器用于存储测量的数据；电池用于对整个运动数据采集与控制电路供电；姿态测量传感器用于测量空间三维欧拉角、加速度、角速度以及磁强度；微控制器用于获取姿态测量传感器的测量数据；按键通过模拟开关向微控制器发送唤醒指令、停止测量指令；天线与外部服务器之间进行数据通信，外部服务器经天线向微控制器发送测量后存储指令、存储数据上传指令、实时测量上传指令；短路保护装置用于防止电池短路。本发明可以采集运动员运动时的加速度与角速度，测量所在环境位置的磁场强度，存处于存储器当中或直接上传至服务器。

Description

一种运动数据采集与控制电路

技术领域

本发明涉及一种运动数据采集与控制电路，涉及运动测量领域。

背景技术

随着运动竞技项目的发展，高水平运动员之间的成绩已十分接近，甚至是毫厘之差。为了进一步提高训练水平，提升训练成绩，运动员在进行训练的过程中，需要采集并测量相关运动数据，以更为全面的了解运动状态，为提高自身运动水平提供数据基础。现有技术中，运动数据采集与测量还重点集中在时间方面，即仅是时间计量，且运动数据采集与测量主要通过穿戴设备实现，侧重于日常使用的便利性和美观性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，解决了现有技术中运动数据采集设备的环境适应性，以及设备对运动员的影响问题。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种运动数据采集与控制电路，包括微控制器、姿态测量传感器、天线、存储器、模拟开关、短路保护装置、电池、按键；

存储器用于存储测量的数据；

电池用于对整个电路供电；

姿态测量传感器用于测量空间三维欧拉角、加速度、角速度以及磁强度；

微控制器用于获取姿态测量传感器的测量数据；微控制器根据唤醒指令从睡眠模式转入工作模式，根据停止测量指令停止接收测量数据，根据测量后存储指令将测量数据发送给存储器，根据存储数据上传指令将存储测量的数据发送给天线，根据实时测量上传指令将测量数据发送给天线；

按键通过模拟开关向微控制器发送唤醒指令、停止测量指令；

天线与外部服务器之间进行数据通信，外部服务器经天线向微控制器发送测量后存储指令、存储数据上传指令、实时测量上传指令；

短路保护装置用于防止电池短路。

优选的，所述短路保护装置为短路保护二极管；当与电池连接的接插件触水短路时，二极管处于反向截止状态保护电池。

优选的，所述天线为贴片天线，贴片天线采用四分之一波长的开路印制线。

优选的，还包括线性变压器，电池输出能量通过线性变压器后对整个运动数据采集与控制电路供电。

优选的，还包括状态指示灯，用于显示电路的工作状态。

优选的，还包括阻抗匹配网络，用于天线端口的阻抗匹配，所述抗匹配网络采用π型匹配网络。

优选的，该电路采用WIFI的UDP协议与外部服务器进行通信。

优选的，当该电路与外部服务器之间通信异常时，微控制器将测量数据发送给存储器。

优选的，当该电路与外部服务器之间通信后，自动与外部服务器进行时间校准。

优选的，在微控制器处于睡眠模式时，控制按键的信号连接到微控制器的唤醒接口，在微控制器处于工作模式时，控制按键的信号连接到微控制器的按键接口。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

(1)本发明运动数据采集与控制电路可以采集运动员运动时的加速度与角速度，并测量所在环境位置的磁场强度，并存处于存储器当中或直接上传至服务器；

(2)本发明运动数据采集与控制电路可以在网络良好的环境下进行实时上传，也可以在无线网络无法架设或无法通信的情况下存储至存储器，待进入无线网络覆盖区上传；

(3)本发明运动数据采集与控制电路较现有姿态测量系统拥有更高的传输速度、通信带宽以及更低的误码率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的电气连接示意图。

图2为本发明实施例提供的天线封装图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

实施例1：

一种运动数据采集与控制电路，电路包括微控制器、姿态测量传感器、阻抗匹配网络、天线、线性变压器、存储器、模拟开关、短路保护二极管、锂电池、控制按键、状态指示灯；

电路微控制器可以实现姿态测量传感器采集、无线数据收发、存储器读写、模拟开关选通控制、控制按键接收与状态指示灯控制。该电路可以测量空间三维的线速度、角速度以及磁强度，为教练员、运动员提高成绩提供参考方向以及数据支撑。

所述运动数据采集与控制电路，选用微控制器的优点是集成度高、封装面积小，可以实现姿态测量传感器采集、无线数据收发、存储器读写、模拟开关选通控制、控制按键接收与状态指示灯控制。

姿态测量传感器可以测量安装目标空间3维欧拉角、加速度、角速度以及磁强度，有体积小、重量轻等特点。同时提供多种数据通信接口接口，适用于多种微控制器。

可通过控制模拟开关选择控制按键与低功耗模式唤醒接口或功能切换按键接口连接。即在微控制器处于睡眠模式时，控制按键的信号连接到微控制器的唤醒接口，在微控制器处于工作模式时，控制按键的信号连接到微控制器的按键接口。

线性变压器选用压差线性变压器，可以在输入电压为3.6V到6V之间时输出3.3V，为其他模块供电。

锂电池与外部接插件间使用二极管连接，当接插件触水短路时，二极管处于反向截止状态保护电路。即短路保护二极管当外部接插件触水短路时，二极管正极接地，负极接锂电池正极，起到反向截止作用，保证使用时的安全。

在印制板上绘制四分之一波长的开路印制线，等效为电感与电容的串联，在2.45GHz谐振产生天线效应，在空气中发射与接收无线信号。

电路输入电压范围3.6V到6V，只需外接锂电池就可以完成测量功能。

阻抗匹配网络为史密斯圆图计算的电容与电感组合搭建的π型匹配网络，将微控制器输出阻抗调至50欧姆与天线匹配，减小信号在天线连接处的信号反射，获得最大输出功率。

所述运动数据采集与控制电路与服务器通过无线网络连接，可以接收服务器控制指令与上传运动姿态数据。无线网络使用WIFI的UDP协议进行传输；较现有通过蓝牙方式传输的系统拥有更高的传输速度、通信带宽以及更低的误码率；同时不局限于蓝牙只能连接7个设备的限制，实现了14个节点同时监测。

所述运动数据采集与控制电路在通常处于休眠模式，休眠模式下关闭姿态测量传感器，微控制器进入低功耗模式，状态指示灯关闭，大幅提高待机时长。可通过控制按键唤醒启动无线网络接收服务器指令，进入测量存储模式、数据上传模式或实时测量模式。所述运动数据采集与控制电路在网络良好的环境下进行实时上传，也可以在无线网络无法架设或无法通信的情况下存储至存储器，待进入无线网络覆盖区上传。

所述运动数据采集与控制电路在测量存储模式、数据上传模式或实时测量模式时，状态指示灯将以三种不同状态以分辨所处工作模式。

多个电路可以通过WIFI与服务器进行时间同步，保持电路与服务器拥有统一时间基准，解决了现有姿态测量设备只能在设备之间时间同步，无法通过服务器结合其他定位系统进行后处理的问题。本发明可保证电路与服务器拥有统一时间基准，便于数据上传后，服务器结合其他定位系统进行组合导航。

在实时测试过程中，如果发生网络拥堵或信号干扰，姿态测量传感器数据将缓存于存储器的FLASH，待网络恢复正常后发送至服务器，杜绝了现有系统受到干扰数据丢失问题。

本发明电路的模块集成度高、体积小、重量轻，整体作为穿戴设备便于携带，并拥有防水保护功能，可以在水下为运动员使用。较现有姿态测量系统拥有更高的传输速度、通信带宽以及更低的误码率。同时打破了现有系统只能连接7个设备的限制，实现了14个节点同时监测。实现了零误码率数据上传，杜绝了现有系统受到干扰数据丢失问题。

实施例2：

如图1所示本发明的一种运动数据采集与控制电路，包括微控制器、姿态测量传感器、阻抗匹配网络、天线、线性变压器、存储器、模拟开关、短路保护二极管、锂电池、控制按键、状态指示灯。

短路保护二极管在接插件短路时，二极管反向截止，对电路进行保护。锂电池正负极连接至线性变压器，线性变压器通过PCB过孔连接到PCB电源层，其他芯片可以连接PCB电源层获取3.3V供电。

姿态测量传感器、阻抗匹配网络、天线、存储器、模拟开关、状态指示灯通过PCB印制线连接至微控制器，由微控制器控制其功能实现。

控制按键通过PCB印制线连接至模拟开关模拟输入，根据微控制器选通信号连接至唤醒接口或按键接口。

电路使用WIFI的UDP协议与服务器数据传输，当电路接入网络后，将自动与服务器进行时间校准。

电路根据服务器发送指令进入休眠模式、测量存储模式、数据上传模式或实时测量模式。并控制状态指示灯处于不同状态以表示电路工作模式。

电路与服务器间的无线通讯如遇到其他无线信号干扰，电路会将数据存储至FLASH，待与服务器通讯恢复正常后发送至服务器。

如图2所示本发明的一种运动数据采集与控制电路天线为PCB绘制的四分之一波长开路印制线，两个馈电点分别于天线信号以及地连接，通过调节印制线长度与形状，使其在2.45GHz等效为电感与电容的串联产生天线效应。

本发明的一种运动数据采集与控制电路阻抗匹配网络为电容与电感组成的π型网络，通过史密斯圆图计算电容与电感大小，使39+6j欧姆印制线阻抗变换为50欧姆，与天线阻抗近似共轭匹配，减小天线馈电点信号反射，使信号功率可以最大程度的传递到射频处理器接收端。

本发明一种运动数据采集与控制电路集成度高、体积小、重量轻、便于与携带，并拥有防水保护功能，可以在水下为运动员使用。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims

1.一种运动数据采集与控制电路，其特征在于，包括微控制器、姿态测量传感器、天线、存储器、模拟开关、短路保护装置、电池、按键；

存储器用于存储测量的数据；

电池用于对整个电路供电；

短路保护装置用于防止电池短路。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述短路保护装置为短路保护二极管；当与电池连接的接插件触水短路时，二极管处于反向截止状态保护电池。

3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述天线为贴片天线，贴片天线采用四分之一波长的开路印制线。

4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，还包括线性变压器，电池输出能量通过线性变压器后对整个运动数据采集与控制电路供电。

5.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，还包括状态指示灯，用于显示电路的工作状态。

6.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，还包括阻抗匹配网络，用于天线端口的阻抗匹配，所述抗匹配网络采用π型匹配网络。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的电路，其特征在于，该电路采用WIFI的UDP协议与外部服务器进行通信。

8.根据权利要求7所述的电路，其特征在于，当该电路与外部服务器之间通信异常时，微控制器将测量数据发送给存储器。

9.根据权利要求7所述的电路，其特征在于，当该电路与外部服务器之间通信后，自动与外部服务器进行时间校准。

10.根据权利要求1至6中任一项所述的电路，其特征在于，在微控制器处于睡眠模式时，控制按键的信号连接到微控制器的唤醒接口，在微控制器处于工作模式时，控制按键的信号连接到微控制器的按键接口。