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基于FPGA的运动鞋专用数据发送芯片及竞走电子裁判的设计与实现

作者:angelazhang时间:2015-08-24

1 设计摘要

FPGA芯片具有高速并行计算的特点。随着摩尔定律的发展,计算科学已经步入并行化的时代,具有并行处理能力的CPU/GPU随即面世。而FPGA芯片凭借其并行计算的能力,已经可以轻松将科学计算、逻辑运算、ASIC设计等应用并行化。我们以电子竞技裁判为切入点,将该特性普及化、应用于生活运动领域。本设计在每个竞走运动员的鞋子上都安装加速度传感器,在竞走过程中,将采集到的加速度数据通过射频发送给基于FPGA芯片设计的电子裁判,把复杂的算法、数据处理交给FPGA芯片完成,让电子裁判进行判断。这样,在数十名运动员进行竞走训练的时候,并不需要另外安排裁判员而准确测出犯规问题。大大地减轻人力资源以及从根本上提高了竞走训练的效率和灵活性,是FPGA并行化应用的一次全新尝试。

 

2 系统原理与技术特点

根据竞走比赛规则:

  1. 一个竞走运动员必须始终保持有一直脚落在地面上。
  2. 从前进脚落地的一刻起直到腿部达到垂直的姿势,腿部必须保持直线,膝盖不能弯曲。

 

我们把集成了加速传感器、射频收发器等专用芯片的运动鞋节点安装在每只专用训练鞋上,并将它固定在脚跟位置。那样,在竞走时,如果两只脚同时离地,两只脚的加速传感器都会捕获到一个同时向前的加速度。另外,由于是腾空,在竖直方向上的加速度,会和保持脚落在地面是不同的。因此,通过分析x、y、z三个方向的加速度数学模型,我们可以从中判别是否出现违规现象。

 

而我们的电子裁判系统是以基于FPGA芯片为基础,通过CC2500射频收发器无线接收每个运动员训练过程中传递过来的加速度。FPGA芯片收到所有运动员的采样数据后,调用相应的片内模块算法进行判断计算,依靠其并行化的特点,可以将每个运动员的数据处理并行化。如果有违规现象,可以通过亮灯或者喇叭鸣叫作出警示。最后甚至可以再将计算结果通过PCI Express总线或有线网络返回给PC机。以方便数据存储或进一步的数据分析,以监控每个运动的训练状况。

 

系统的技术特点有以下几点:

(1)完全的电子监控裁判系统,可以排除人为因素的疏忽错判漏判。并且在训练过程中不需要另外再安排人手,以更加灵活高效有弹性的安排训练时间和进程;

 

(2)利用FPGA的高速并行特性,可实现多种同类型计算的并行化,因此满足多运动员训练的同时监控,并快速作出判断;

 

3 系统软件流程

 

 

图 1 多节点数据判断的软件流程

 

上图所示为多节点回传采样数据并调用并行计算的过程,运动鞋节点与FPGA芯片的通信通过无线网络来完成。FPGA芯片根据接收到的采样数据、调用判断算法来判断违规现象并进行警示。

 

4 系统框架

图 2 系统框架

 

上图所示为系统的组成结构。运动鞋节点主要有加速传感器的驱动程序,射频收发器的驱动程序;FPGA端主要有无线网络接口、犯规判断算法的Verilog HDL模块。



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