敏捷反应测试系统设计

敏捷反应测试系统设计

敏捷反应测试系统由一个PAD中心控制器和多个红外感应灯座组成。一种使用方式是，将灯座按一定规律摆放在运动员周围，通过PAD控制器随机点亮一个感应灯座，运动员需要迅速做出反应动作使感应灯座熄灭。随后控制中心再次随机点亮一个感应灯座，重复此过程，控制器记录整个过程中运动员的反应时间数据。使用者可以通过PAD观看经过处理后的实时数据。

敏捷反应测试系统可以训练运动员的手/眼/身体/大脑协调性、视觉认知能力、外围意识、手/眼/大脑处理速度和精度、视觉/听觉/手的协调性、反应速度、视觉锐度、视觉记忆。

1 总体设计

该系统主要由LED红外感应灯座和PAD中心控制器两部分组成。PAD中心控制器可以与任意多个LED感应灯座进行性无线连接，并控制其相关动作。灯座的结构框图如图1所示。

LED红外感应灯座主要由ZigBee模块、调制及功率放大模块、红外感应模块、led灯组和电源模块组成。如图2所示。

ZigBee模块采用CC2530为其核心，其结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051CPU，系统内可编程闪存，8-KB RAM和许多其它强大的功能。它可以通过极低的材料成本建立强大的网络节点。该模块通过ZigBee协议实现各个灯座与PAD中心控制器的无线连接。功率放大模块用来调节红外模块的输出功率从而调节感应距离。红外感应模块用来实现对人体及运动器械的感应。

整个系统通过感应人体的相关动作来控制led红外感应灯组的亮灭，并且记录动员从反应到动作结束的时间。

2 硬件设计

2.1 电源模块

为了满足不同模块的供电需求，并能使感应灯座自由摆放不受电源束缚，系统采用6V锂电池为其供电源。通过电压转换芯片TLE4274和LM1117-3.3为系统提供稳点的5V和3.3V电压输出。

为了使红外模块达到更高的感应距离，采用5V电压为其供电。功率放大模块也采用5V供电使其获得更大的功率调节范围。而ZigBee模块的芯片CC2530需要3.3V供电，因此系统特为此设计了5V和3.3V两个电源转换以满足需求。

2.2 调制及功率放大模块

一般的红外发射管的工作电子流为40-100mA，而CC2530的I/O管脚最大输出电流只有40mA。经过试验验证，当采用直流为红外管供电时，即使电流达到100mA，接收管能够感应到的反射距离也只能在20cm以内。为了增大感应距离，系统采用调制频率为300KHz的脉冲信号为红外发射管供电，这样在高电平时刻的瞬时电流可以达到200-300mA，而在低电平时刻电流为零，而在一个周期内的平均电流仍然保持在100mA以下。这样既提高了发射模块的感应距离，同时又保证了红外发射管工作在额定电流下不至于烧坏管子。

为了能够提供足够大的供电电流，将CC2530的输出端与三极管基极相连，通过三极管将电流放大后作为红外发射管的供电电流，以满足其大电流的工作需求。

设计考虑到方便以后进行功率调节，在CC2530与三极管间加入一个数字可调电阻X9511，从而可以通过CC2530控制红外管的供电电流来实现对感应距离的调节。其中需要对R3、R13等电阻进行微调从而使两个红外管的发射功率尽量相同。其原理图如图3所示。

2.3 红外感应模块

红外感应模块是通过红外发射管向外发射940nm的红外光束，当运动员通过手、脚、头或者其他运动器械进行遮挡时，光束就会被反射，此时安装在同一侧的红外接收头会接收到反射的红外光束。为了避免周围的环境灯光、阳光中的红外光线干扰，系统采用一个调制管将发射的光调制为300KHz的调制光，而系统采用的接收头内置了解调模块，可以直接对接收光进行解调，当收到的光线为940nm的300KHz调制光时，接收头会输出低电平，否则输出高电平。

为了提高系统的红外感应准确率以及系统的鲁棒性，采用两个红外发射管与两个红外接收头分立工作的设计，两个发射管互不影响。两个红外接收头通过74LVC2G14后经过与门与CC2530相连，任意一个接收头接收到任意一个红外发射管发出的信号都可以置位CC2530相应引脚。图4所示为红外接收电路原理图。

由于红外发射管发射的光束为散射光，大大降低了反射距离，因此为每个发射管和接收头都安装了透镜。经过实验验证，感应达到的最大反射距离可以达到1m以上。

3 软件设计

红外感应灯座上的CC2530程序主要实现与PAD中心控制器通过ZigBee协议进行无线通信。当接收到点亮led命令时，控制8个高亮led点亮，同时使能红外感应模块，使其发射红外信号。当感应到运动员的相应动作时，熄灭led，同时发送消息报告PAD控制中心。其程序流程如图5所示。

PAD控制中心程序主要实现当启动程序时随机或按规则选择要点亮的感应灯座，并开始计时，待接收到感应灯座收到感应的消息后停止计时将此时间记录并显示，然后再次选择要点亮的感应灯座如此往复数次后，根据每次记录的感应时间数据来实现对运动员反应能力的测试目的。

4 结语

本文设计的敏捷反应测试系统能够帮助教练获取运动员的体能训练状况视觉反应、敏捷反应运动技巧、运动效率认知能力、记忆能力、垂直升降能力、方向改变能力、加速能力、速度与敏捷性、耐力损伤恢复、运动员运动能力和动作的流畅性的相关数据，数据能监测运动员一段时间内的进展情况或提供训练中的性能反馈。教练可使用这些客观数据以便为提高运动员的成绩而做出更好的决定。