專利名稱：一種嵌入式數字鏈球及其測量方法
所屬領域 本發明涉及傳感器應用技術領域，特別是涉及體育科研方面的一種嵌入式數字鏈球及其測量方法。
背景技術：
近年來，世界各國更為注重將提高成績的科技含量作為新世紀競技體育發展中新的增長點，依靠科學方法和手段對運動員進行訓練，提高運動員的技術水平，這已經成為世界競技體育運動訓練的一種趨勢。
鏈球是投擲項目中的重器械項目，在鏈球運動的日常訓練中，需要對運動員的投擲技術進行定量的分析，作為專項技術動作改進和制定科學訓練計劃的依據。在鏈球運動的訓練中，可以使用高速運動分析儀來對鏈球運動進行分析，這類分析儀有CR2000、KODA1012等型號；也可以采用便攜式數字閃頻儀來對鏈球的運動軌跡進行跟蹤，這類產品有美國MOVARCH儀器公司便攜式數字閃頻儀MOVA-STROBE PB、MOVA-STROBE 230等。2003年中國科學院合肥智能機械研究所申請的實用新型專利CN2593845Y“數字鉛球”，該數字鉛球的結構是在全鋼上下殼內，安裝E形膜片彈性體、上重力補償塊、電路板、下重力補償塊和電池夾，組成一個具有與標準鉛球一樣外形尺寸和重量的三維測力傳感器。該數字鉛球可以保證運動員在接近真實訓練比賽環境下進行測試，動力學數據采集方便可靠。該實用新型的不足之處在于該數字鉛球只能采集鉛球的動力學數據，即訓練中鉛球的受力情況，而不能獲得訓練過程中鉛球在各個方向的加速度信息，這樣也就不能分析鉛球的運動學方面的參數。
發明內容
根據現有技術的不足，本發明的目的是提供一種嵌入式數字鏈球及其測量方法，該嵌入式鏈球能準確測得鏈球球體在每一點的三維加速度信息，用來定量分析運動員訓練中鏈球球體的運動學、動力學參數，科學評價運動員的投擲技術。
本發明的技術方案是一種嵌入式數字鏈球，包括由球鏈連接的球體和把手，其特征在于該鏈球還包括一個單片機信息處理單元和接口，所述單片機信息處理單元鑲嵌在鏈球球體的內部，單片機信息處理單元內置有相互電連接的單片機、存儲器、RS-232串行接口及接口電路、狀態指示燈、電池及電源管理電路和三維加速度傳感器，三維加速度傳感器實時采集、存儲運動員訓練中鏈球球體的三維加速度信息，通過接口將信號輸入計算機。
所說的鏈球球體是一個空心的金屬殼體。
所說的單片機信息處理單元體積為8cm3～11cm3。
所說的單片機信號處理單元中的單片機為MSP430F149。
所說的單片機信息處理單元設計成一層方形板或兩層方形板，或圓形板。
所說的單片機信息處理單元或用到鉛球、鐵餅中去，做成嵌入式數字鉛球、嵌入式數字鐵餅。
一種嵌入式數字鏈球的測量方法，包括接收三維加速度傳感器的模擬量信息和輸出數字量信息，其特征在于
設定所述的單片機信息處理單元的初始狀態，所述的三維加速度傳感器開始工作；設定從鏈球開始旋轉直到鏈球落地，單片機信息處理單元一直處于工作狀態，所述的三維加速度傳感器采集信息的頻率為200次/s；所述的三維加速度傳感器輸出的信息為模擬量，所述的單片機對信息進行處理，并把模擬量轉換成數字量；所述的單片機把處理好的數字信息記錄到存儲器中；鏈球落地后，單片機信息處理單元結束工作；將所述的RS-232串行接口與微機接口相連，把鏈球球體的三維加速度信息輸入計算機，能夠分析鏈球球體的運動學、動力學參數。
所說的嵌入式數字鏈球或與高速運動分析儀、數字閃頻儀、高速攝像機配合使用，在獲得鏈球球體三維加速度的同時，獲得鏈球球體在旋轉時和拋擲后的運動軌跡。
所說的一種嵌入式數字鏈球的測量方法或用到嵌入式數字鉛球、嵌入式數字鐵餅的測量中去。
作為一種能使鏈球訓練實現數字化、智能化的嵌入式數字鏈球，所說的單片機信息處理單元內置有相互電連接的單片機、存儲器、RS-232串行接口及接口電路、狀態指示燈、電池及電源管理電路和三維加速度傳感器，單片機采用MSP430系列的MSP430F149，三維加速度傳感器由一個二維加速度傳感器(ADXL250)和一個一維加速度傳感器(ADXL78)疊加而成，存儲器采用AT45DB161，接口轉換器采用MAX3221。
相對于現有技術的有益效果是
其一，現有技術的數字鉛球是由上殼與下殼和E形膜片彈性體通過螺紋和緊固螺釘連接成一體，上殼與下殼之間留出1mm的空隙，并嵌入一個O形密封圈來防塵和避免測量過程中上殼與下殼的接觸。由于鉛球是投擲項目，對數字鉛球結構的抗震性要求很高，而現有技術的這種結構很難保證在運動員的訓練過程中，起連接作用的螺釘不出現松動，這樣也就不能保證該數字鉛球的穩定性和實用性。本發明相對于現有技術而言，鏈球球體是一個整體的空心金屬殼體，結構穩定，抗震性好，能夠保證所采集信息的準確性，這就保證了本發明的實用性。
其二，現有技術的數字鉛球包含三維力傳感器，可以用來分析鉛球的動力學參數，本發明相對于現有技術而言，包含三維加速度傳感器，能夠獲得鏈球球體的三維加速度信息，這樣不僅能夠分析鏈球球體的動力學參數，更重要的是還能夠分析鏈球球體的運動學參數。
其三，相對于現有技術而言，本發明的單片機信息處理單元內置有相互電連接的單片機、存儲器、RS-232串行接口及接口電路、狀態指示燈、電池及電源管理電路和三維加速度傳感器，狀態指示燈能夠實時指示單片機信息處理單元的工作狀況。單片機信息處理單元還能夠用到鉛球或鐵餅中去，做成嵌入式數字鉛球或嵌入式數字鐵餅，嵌入式數字鉛球或嵌入式數字鐵餅同樣能實時采集鉛球或鐵餅的三維加速度信息，實現鉛球或鐵餅的數字化、智能化訓練。
其四，相對于現有技術而言，一種嵌入式數字鏈球的測量方法，包括接收傳感器的模擬量信息和輸出數字量信息，三維加速度傳感器采集鏈球球體的三維加速度信息，其輸出為模擬量，單片機對信息進行處理，并把模擬量轉換成數字量。因此本發明的鏈球能同時采集鏈球球體在三個方向的加速度信息，進而可以計算出鏈球在旋轉時的離心力以及鏈球的投擲初速度等參數，從而有助于教練員準確獲得運動員的各項技術指標，完善訓練計劃，提高運動員的技術水平。
其五，相對于現有技術而言，首次提出了一種嵌入式數字鏈球及其測量方法，采用嵌入式的設計思想，集中了傳感器技術、嵌入式計算技術和接口技術，實現了鏈球訓練的數字化、智能化。另外，嵌入式數字鏈球還能夠與高速運動分析儀、數字閃頻儀、高速攝像機配合使用，使得在獲得鏈球球體三維加速度的同時，獲得鏈球球體在旋轉時和拋擲后的運動軌跡。
其六，相對于現有技術而言，一種嵌入式數字鏈球的測量方法還能夠用到嵌入式數字鉛球或嵌入式數字鐵餅的測量中去，同樣能夠接收三維加速度傳感器的模擬量信息和輸出數字量信息，獲得鉛球或鐵餅的三維加速度信息。
下面結合附圖對本發明作進一步的說明。
圖1是嵌入式數字鏈球的結構圖；圖2是單片機信息處理單元的電路原理方框圖；圖3是單片機信息處理單元的工作流程圖。
具體實施例方式
參見圖1、圖2、圖3。圖1中，1球體；2單片機信息處理單元；3接口；4球鏈；5把手。
圖1中，一種嵌入式數字鏈球包括球體1、單片機信息處理單元2、接口3、球鏈4以及把手5，其中，球體1、球鏈4和把手5是普通競技用鏈球的組成部分，單片機信息處理單元2鑲嵌在鏈球球體1的內部，單片機信息處理單元2內置有相互電連接的MSP430F149單片機、存儲器和三維加速度傳感器等，三維加速度傳感器實時采集、存儲運動員訓練中鏈球球體1的三維加速度信息，通過接口3將信息輸入計算機。
本發明采用了嵌入式的設計思想，將單片機信息處理單元2嵌入鏈球球體1，然后再將鏈球球體封裝起來，RS-232串行接口3和電池及電源管理電路上的電源開關裸露在鏈球球體的表面，在訓練時用蓋帽封住。
本發明的裝置從外表看來與普通鏈球無異，但由于用了單片機信息處理單元2，在運動員的日常訓練中，可用本發明來實時采集鏈球球體1的三維加速度信息，通過RS-232串行接口3可將采集的信息輸入計算機，利用分析軟件就可分析運動員的旋轉技術指標、鏈球的離心力等，使用方便、可靠。
本發明的鏈球也可與高速運動分析儀等儀器配合使用，在獲得鏈球球體1三維加速度的同時，獲得鏈球球體在旋轉時和拋擲后的運動軌跡，這樣不僅可以分析鏈球的加速度、離心力等參數，還可分析鏈球的加速途徑、重心變化及鏈球運行斜面變化等，實現鏈球運動的數字化、智能化訓練。另外，本發明的測量方法還能夠用到嵌入式數字鉛球或嵌入式數字鐵餅的測量中去，同樣能夠接收三維加速度傳感器的模擬量信息和輸出數字量信息，獲得鉛球或鐵餅的三維加速度信息。
圖2是單片機信息處理單元2電路原理方框圖，包括相互電連接的用于完成自動控制程序和進行數據處理的MSP430F149單片機，單片機有用于數字量和模擬量轉換的AD轉換器；用于存儲鏈球三維加速度信息的存儲器；用于與微機接口通信，把鏈球三維加速度信息載入計算機的RS-232串行接口及接口電路；用于標示單片機信息處理單元2工作狀態的狀態指示燈；用于給單片機信息處理單元2各個模塊供電的電池及電源管理電路；用于實時采集鏈球三維加速度信息的三維加速度傳感器。
圖3是單片機信息處理單元2的工作流程圖，其工作流程如下打開電池及電源管理電路的電源開關后，狀態指示燈亮，MSP430F149單片機給其自有的功能部件和內存中駐有的各個子程序預置初始值，即設定其初始工作狀態(步驟110)。接著在步驟120中，MSP430F149單片機判斷三維加速度傳感器是否感應到有加速度？一旦三維加速度傳感器感應到有加速度，這表示運動員已經開始旋轉鏈球，三維加速度傳感器就會立即開始工作，實時采集鏈球球體1的三維加速度信息(步驟130)，通過軟件設定三維加速度傳感器采集信息的頻率為200次/s。接著，在步驟140中，MSP430F149單片機對從三維加速度傳感器輸出的模擬信息進行處理，并把模擬量轉換為數字量。之后，在步驟150中，存儲器存儲MSP430F149單片機處理好的信息。當鏈球落地后，單片機信息處理單元2結束工作(步驟160)。
在單片機信息處理單元2工作期間，狀態指示燈一直處于閃爍的狀態。單片機信息處理單元2結束工作后，可以將RS-232串行接口及接口電路上的RS-232串行接口3與計算機接口相連，存儲器就將記錄的信息輸入MSP430F149單片機，MSP430F149單片機再將信息經RS-232串行接口3載入計算機，同時亦可將計算機中的信息經RS-232串行接口3輸入MSP430F149單片機。
顯然，本領域的技術人員可以對本發明的嵌入式數字鏈球及其測量方法進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和范圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬于本發明權利要求及其等同技術的范圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。
權利要求
1.一種嵌入式數字鏈球，包括由球鏈(4)連接的球體(1)和把手(5)，其特征在于該鏈球還包括一個單片機信息處理單元(2)和接口(3)，所述單片機信息處理單元(2)鑲嵌在鏈球球體(1)的內部，單片機信息處理單元(2)內置有相互電連接的單片機、存儲器、RS-232串行接口及接口電路、狀態指示燈、電池及電源管理電路和三維加速度傳感器，三維加速度傳感器實時采集、存儲運動員訓練中鏈球球體(1)的三維加速度信息，通過接口(3)將信息輸入計算機。
2.根據權利要求1所述的一種嵌入式數字鏈球，其特征是所說的鏈球球體(1)是一個空心的金屬殼體。
3.根據權利要求1所述的一種嵌入式數字鏈球，其特征是所說的單片機信息處理單元(2)體積為8cm3～11cm3。
4.根據權利要求1所述的一種嵌入式數字鏈球，其特征是所說的單片機信號處理單元(2)中的單片機為MSP430F149。
5.根據權利要求1所述的一種嵌入式數字鏈球，其特征是所說的單片機信息處理單元(2)設計成一層方形板或兩層方形板，或圓形板。
6.根據權利要求1所述的一種嵌入式數字鏈球，其特征是所說的單片機信息處理單元(2)或用到鉛球、鐵餅中去，做成嵌入式數字鉛球、嵌入式數字鐵餅。
7.一種使用權利要求1所述的一種嵌入式數字鏈球的測量方法，包括接收三維加速度傳感器的模擬量信息和輸出數字量信息，其特征在于設定所述的單片機信息處理單元(2)的初始狀態，所述的三維加速度傳感器開始工作；設定從鏈球開始旋轉直到鏈球落地，單片機信息處理單元(2)一直處于工作狀態，所述的三維加速度傳感器采集信息的頻率為200次/s；所述的三維加速度傳感器輸出的信息為模擬量，所述的單片機對信息進行處理，并把模擬量轉換成數字量；所述的單片機把處理好的數字信息記錄到存儲器中；鏈球球體(1)落地后，單片機信息處理單元(2)結束工作；將所述的RS-232串行接口(3)與微機接口相連，把鏈球球體(1)的三維加速度信息輸入計算機，能夠分析鏈球球體(1)的運動學、動力學參數。
8.根據權利要求7所述的一種嵌入式數字鏈球的測量方法，其特征是所說的嵌入式數字鏈球或與高速運動分析儀、數字閃頻儀、高速攝像機配合使用，在獲得鏈球球體(1)三維加速度的同時，獲得鏈球球體(1)在旋轉時和拋擲后的運動軌跡。
9.根據權利要求7所述的一種嵌入式數字鏈球的測量方法，其特征是所說的一種嵌入式數字鏈球的測量方法或用到嵌入式數字鉛球、嵌入式數字鐵餅的測量中。
全文摘要
本發明涉及一種嵌入式數字鏈球及其測量方法，鏈球包括一個單片機信息處理單元和接口，單片機信息處理單元鑲嵌在鏈球球體的內部，單片機信息處理單元內置有相互電連接的單片機、存儲器、RS－232串行接口及接口電路、狀態指示燈、電池及電源管理電路和三維加速度傳感器，三維加速度傳感器實時采集、存儲運動員訓練中鏈球球體的三維加速度信息；其測量方法包括接收三維加速度傳感器的模擬量信息和輸出數字量信息，還能夠與高速運動分析儀、數字閃頻儀、高速攝像機等配合使用；本發明能實時采集鏈球球體的三維加速度信息，快速、準確的對運動員的投擲技術進行定量分析，實現鏈球運動的數字化、智能化訓練。
文檔編號A63B67/00GK101058022SQ20061003992
公開日2007年10月24日 申請日期2006年4月21日 優先權日2006年4月21日
發明者馬祖長, 何云珍, 孫怡寧, 周旭, 楊新剛, 楊先軍 申請人:中國科學院合肥物質科學研究院