Integrated Motion And Force Acquisition System For Tracking (imfast) - Thesis Report - Danushka Marasinghe

INTEGRATED MOTION AND FORCE ACQUISITION SYSTEM FOR TRACKING (IMFAST) M.M.DANUSHKA RANJANA MARASINGHE

Supervisor: Dr. S.M.N. Arosha Senanayake

A Thesis submitted in partial fulfillment of the requirements for the Degree in Bachelor of Engineering (Mechatronics) Faculty of Engineering Monash University October 2008

Integrated Motion and Force Acquisition System for Tracking (IMFAST) 

 

    I.

Abstract 

During  sprinting  several  factors  decide  the  winning  or  losing  of  the  race.  Among  them,  speed  of  the  athlete  is  fundamental.  On  the  other  hand  proficiency  of  starting  has  a  significant  influence  on  the  performance. The report presents the procedure of implementing an integrated system to analyze both  speed  and  stat  parameters  in  sprinting.  The  final  program  is  known  as  the  “IMFAST”  –  “Integrated  Motion and Force Acquisition System for tracking”.  The integrated system uses a SignalTEC™ timing lights system to acquire timing data and a MLP500 load  cell to acquire force data. LabVIEW™ has been used to develop the software to acquire relevant data in  real‐time and analyze in a user friendly GUI.  The system consists of a maximum of six timing lights and a  load  cell  attached  to  a  foot  block.  IMFAST  system  can  also  generate  a  sound  of  a  ‘Gun  shot’  as  the  starting signal to the sprinter.   The  integrated  system  initiates  by  clicking  a  single  button.  Having  the  real‐time  data  acquisition,  the  system  displays  the  acquired  force  values,  Maximum  force,  Time,  Distance,  Average  velocity  and  Average  acceleration  in  a  user  friendly  GUI.  All  the  acquired  data  are  saved  in  a  file  under  a  folder  created  by  the  athlete  name.  The  software  also  provides  the  user  to  compare  and  analyze  two  previously saved sessions.   The timing lights and the load cell equipped with two different softwares that operated individually. The  values obtained from both time and force systems were compared with the existing software to validate  the  real  readings.    The  average  error  occurred  in  the  time  acquisition  system  when  compared  to  the  existing software is 4.30% and the average time difference is 0.06s. This system is capable of acquiring  data with a precision of 0.001s. Load cell is calibrated in order to convert the voltage values into force  values. The system is then compared with the applied load values and the displayed values. It shows a  linear  relationship  with  a  non‐linearity  error  of  1.4%.    The  report  also  discusses  about  several  recommendations that can be used to enhance the functionality and user friendliness of the system.                 Mechatronics Final Year Project | M.M.Danushka R Marasinghe 19778252   

P a g e  | i 

Integrated Motion and Force Acquisition System for Tracking (IMFAST) 

 

   

II.

Acknowledgements  

Although  final  year  project  is  known  as an  individual  work,  it  is  not  possible  to  complete  such  project  without  the  help,  cooperation,  advice  and  support  of  other  persons.  There  are  several  parties  that  I  would like to mention and express my sincere gratitude.  First  of  all  I  would  like  to  pay  me  deepest  gratitude  to  my  supervisor  Dr.  S.M.N.A.Senanayake  for  providing me the opportunity to successfully complete this thesis. The advices and the support given by  Dr.Arosha have made a huge positive impact on the thesis.   I would also like to pay me sincere gratitude to Mr. Khoo Boon How. He is simply the mastermind on all  the knowledge I have gained from the thesis. I admire his willingness to help to any reason at any time.  He would not mind to leave his work aside for a moment to help us.  Without him the completion of the  thesis would not have been possible.   I would also like to thank Mr. Edin Swarganda (from ISN) for supervising me throughout the duration of  the  project.    His  support,  feedback  and  advices  have  helped  me  immensely  to  improve  the  user  friendliness of my project.    I  also  like  to  remind  the  lab  technicians  in  Monash  university  engineering  faculty  specially  Mr.  Paneerselvam Arjuna for the helping hand given to me whenever I need one.  Also I would take this opportunity to thank my research lab mates; Indra, Monhun, Jolene and Mervin  for supporting me all the time by clearing my doubts and keeping me entertained. They have created a  stress free environment inside the lab that enabled me to concentrate well on the project.     Finally I would like to convey my sincere appreciation to Ramesha and all my colleagues, lecturers and  friends who some way or another helped me to complete this project successfully.   Thank you very much!           

 

 

Mechatronics Final Year Project | M.M.Danushka R Marasinghe 19778252   

P a g e  | ii 

Integrated Motion and Force Acquisition System for Tracking (IMFAST) 

 

Table of Contents  1. 

Introduction .......................................................................................................................................... 1  1.1 

Literature Review .......................................................................................................................... 2 

2. 

Objectives.............................................................................................................................................. 5 

3. 

Concepts and Overview of the System. ................................................................................................ 6  3.1 

3.1.1 

Timing Lights ......................................................................................................................... 6 

3.1.2 

Bluetooth™ ............................................................................................................................ 6 

3.1.3 

SMARTiming Software .......................................................................................................... 7 

3.2 

Force Acquisition system .............................................................................................................. 8 

3.2.1 

Load cell ................................................................................................................................ 8 

3.2.2 

Signal Conditioning ............................................................................................................... 8 

3.2.3 

Data Acquisition .................................................................................................................... 9 

3.2.4 

WinDAQ Waveform browser ................................................................................................ 9 

3.3 

4. 

Time acquisition system ................................................................................................................ 6 

Difficulties encountered and solutions ....................................................................................... 10 

3.3.1 

Time Acquisition system ..................................................................................................... 10 

3.3.2 

Force Acquisition System .................................................................................................... 11 

IMFAST – The integrated system ........................................................................................................ 12  Features .............................................................................................................................................. 12  4.1 

5. 

User Level Functionality of the Integrated System ..................................................................... 14 

Hardware Used ................................................................................................................................... 15  5.1 

Time Acquisition system ............................................................................................................. 15 

SignalTEC™ Timing lights ..................................................................................................................... 15  5.2 

6. 

Force Acquisition System ............................................................................................................ 18 

5.2.1 

MLP500 Load Cell ................................................................................................................ 18 

5.2.2 

TMO1 Signal Conditioner .................................................................................................... 20 

5.2.3 

DI‐148 Data acquisition device ........................................................................................... 20 

5.2.4 

Starting Block ...................................................................................................................... 21 

Software used ..................................................................................................................................... 22  6.1 

LabVIEW™ 8.5 ............................................................................................................................. 22 

6.2 

Bluesoleil ™ ................................................................................................................................. 22 

Mechatronics Final Year Project | M.M.Danushka R Marasinghe 19778252   

P a g e  | iii 

Integrated Motion and Force Acquisition System for Tracking (IMFAST)  6.3  7. 

Time Acquisition System ............................................................................................................. 23 

7.1.1 

Serial Ports .......................................................................................................................... 23 

7.1.2 

Serial Port open ................................................................................................................... 24 

7.1.3 

Serial port Read and Write .................................................................................................. 24 

7.1.4 

Serial Port Close .................................................................................................................. 25 

7.1.5 

Time Calculation .................................................................................................................. 26 

7.1.6 

Controls ............................................................................................................................... 26 

7.1.7 

Stopping Criteria ................................................................................................................. 27 

7.1.8 

Acceleration & Velocity Calculations .................................................................................. 27 

7.2 

Force Acquisition System ............................................................................................................ 28 

7.2.1 

Configuration ...................................................................................................................... 28 

7.2.2 

Data Acquisition .................................................................................................................. 28 

7.2.3 

Gunshot Sound .................................................................................................................... 30 

7.3 

File Creation ................................................................................................................................ 30 

7.4 

File Read & Comparison .............................................................................................................. 31 

7.5 

Variables ...................................................................................................................................... 32 

Results ................................................................................................................................................. 33  8.1 

9. 

WINDAQ DI148 driver ................................................................................................................. 22 

Block Diagram Explanation ................................................................................................................. 23  7.1 

8. 

 

Explanation of the front panel .................................................................................................... 33 

8.1.1 

Main tab .............................................................................................................................. 33 

8.1.2 

Settings Tab ......................................................................................................................... 34 

8.1.3 

Real‐Time Tab ..................................................................................................................... 35 

8.1.4 

Offline Tab ........................................................................................................................... 36 

8.1.5 

Comparison Tab .................................................................................................................. 38 

8.1.6 

Other Pop‐Up Menus .......................................................................................................... 41 

Comparison and Justification .............................................................................................................. 43  9.1 

Comparison with the Existing Software. ..................................................................................... 43 

9.1.1 

IMFAST and SMARTiming ................................................................................................. 43 

9.1.2 

IMFAST and WinDAQ .......................................................................................................... 43 

9.2 

Time justification ......................................................................................................................... 44 

9.3 

Force Justification ....................................................................................................................... 45 

Mechatronics Final Year Project | M.M.Danushka R Marasinghe 19778252   

P a g e  | iv 

Integrated Motion and Force Acquisition System for Tracking (IMFAST) 

 

10. 

Future Work & Recommendations ................................................................................................. 46 

11. 

Conclusion ....................................................................................................................................... 47 

12. 

References ...................................................................................................................................... 48 

   

List of Appendices  1. Datasheets  1.1. SignalTEC™ Timing Light data sheet  1.2. MLP500 Load Cell Data sheet  1.3. TM0‐1 Signal Conditioner Data Sheet  1.4. DI148 Data Acquisition Data sheet  2. Block Diagram   3. Generated Excel File  4. Other Appendices  4.1. DI148 COM port identification procedure  4.2. Data Acquisition in LabVIEW using ActiveX controls  4.3. IAAF Standards        

 

Mechatronics Final Year Project | M.M.Danushka R Marasinghe 19778252   

P a g e  | v 

Integrated Motion and Force Acquisition System for Tracking (IMFAST) 

 

List of Figures   Figure 1 ‐ Overview of the Time Acquisition System .................................................................................... 6  Figure 2 ‐ SMARTiming Main Window .......................................................................................................... 7  Figure 3 ‐ Overview of the Force Acquisition System ................................................................................... 8  Figure 4 ‐ Signal Conditioning ....................................................................................................................... 8  Figure 5 ‐ WinDAQ Waveform Browser ........................................................................................................ 9  Figure 6 ‐ Serial Port monitor ...................................................................................................................... 10  Figure 7 ‐ Integrated System Overview ....................................................................................................... 12  Figure 8 ‐ Sensor unit ‐ SignalTEC timing system ........................................................................................ 15  Figure 9 ‐ LED & the sensor – Timing Lights ................................................................................................ 16  Figure 10 ‐ Reflectors ‐ SignalTEC timing system ........................................................................................ 16  Figure 11 ‐ Tripod for SignalTEC timing lights ............................................................................................. 17  Figure 12 ‐ Bluetooth Dongle ...................................................................................................................... 17  Figure 13 ‐ Power Adapter for the timing lights ......................................................................................... 17  Figure 14 ‐ MLP500 Load Cell & attachment to the starting block ............................................................. 18  Figure 15 ‐ Load Cell calibration .................................................................................................................. 19  Figure 16 ‐ TMO‐1 Signal Conditioner external view .................................................................................. 20  Figure 17 ‐ TMO‐1 Signal Conditioner internal View .................................................................................. 20  Figure 18 ‐ DI148 DAQ Device ..................................................................................................................... 21  Figure 19 ‐ Starting Block ............................................................................................................................ 21  Figure 20 ‐ BlueSoleil Main Window ........................................................................................................... 22  Figure 21 ‐ Serial Port OPEN ........................................................................................................................ 24  Figure 22 ‐ Serial port read and Write ........................................................................................................ 25  Figure 23 ‐ Check Scenario .......................................................................................................................... 25  Figure 24 ‐ Serial Port Close ........................................................................................................................ 25  Figure 25 ‐ store the time ........................................................................................................................... 26  Figure 26 ‐ Gate Control & Check ............................................................................................................... 26  Figure 27 ‐ Stopping Criteria ....................................................................................................................... 27  Figure 28 ‐ Acceleration & Velocity Calculations ........................................................................................ 27  Figure 29 ‐ ActiveX Control for DI‐148 ........................................................................................................ 28  Figure 30 ‐ DI148 Configuration .................................................................................................................. 28  Figure 31 ‐ Force Acquisition System .......................................................................................................... 29  Figure 32 ‐ Iteration to time conversion & Delay ....................................................................................... 29  Figure 33 ‐ Gun shot sound ......................................................................................................................... 30  Figure 34 ‐ Folder creation .......................................................................................................................... 30  Figure 35 ‐ File Read .................................................................................................................................... 31  Figure 36 – Comparison of Attributes ......................................................................................................... 31  Figure 37 ‐ Variables to as Controls and Displays ....................................................................................... 32  Figure 38 ‐ Tab Control ............................................................................................................................... 32  Figure 39 ‐ Main tab .................................................................................................................................... 33  Figure 40‐ Settings Tab................................................................................................................................ 34  Mechatronics Final Year Project | M.M.Danushka R Marasinghe 19778252   

P a g e  | vi 

Integrated Motion and Force Acquisition System for Tracking (IMFAST) 

 

Figure 41 ‐ Real‐time Data Acquisition tab ................................................................................................. 35  Figure 42 ‐ Offline View Tab ‐ Force data ................................................................................................... 36  Figure 43 ‐ Offline View Tab ‐ Velocity and Acceleration ........................................................................... 37  Figure 44 ‐ Graphical Representation of the graphs ................................................................................... 37  Figure 45 ‐ Comparison Tab ‐ Force Data .................................................................................................... 38  Figure 46 ‐ Comparison tab ‐ Velocity Data ................................................................................................ 39  Figure 47 ‐ Graphical Representation of the Graphs .................................................................................. 39  Figure 48 ‐ Comparison Tab ‐ Acceleration Data ........................................................................................ 40  Figure 49 ‐ User Prompt .............................................................................................................................. 41  Figure 50 ‐ Invalid Distance Error ................................................................................................................ 41  Figure 51 ‐ COM port errors ........................................................................................................................ 41  Figure 52 ‐ File Save prompt ....................................................................................................................... 42  Figure 53 ‐ Load cell comparison graph ...................................................................................................... 45   

List of Tables  Table 1‐ Serial port Readings ...................................................................................................................... 11  Table 2 ‐ User Level Functionality of the Integrated System ...................................................................... 14  Table 3 ‐ Load cell calibration (Voltage Vs Force) ....................................................................................... 19  Table 4 ‐ Time Comparison ......................................................................................................................... 44  Table 5 ‐ Load Cell Comparison Data .......................................................................................................... 45   

Mechatronics Final Year Project | M.M.Danushka R Marasinghe 19778252   

P a g e  | vii 

Integrated Motion and Force Acquisition System for Tracking (IMFAST) 

 

1. Introduction  “On you Marks.... Get Set”....  is  the  standard  pre  starting  sequence  of  sprinting.  The  start  of  a  sprint  race  is  that  part  of  the  race  from  the  firing  of  the  gun  in  order  to  depart  athlete  from  the  starting  blocks[1].  During  sprinting  several  factors  decide  the  winning  or  losing  of  the  race.  During  sprinting  several  factors  decide  the  winning  or  losing  of  the  race.  Among  them,  speed  of  the  athlete  is  fundamental. On the other hand proficiency of starting has a significant influence on the performance  [2] . Based on prior research work carried out in sprinting, it is observed that the faster starts apply more  force than the slower stat by pushing off the starting blocks[1]. The athlete should apply the maximum  force at the optimal time in order to increase the efficiency of a start [1].   The  force  asserted  at  the  start  point  has  a  significant  impact  on  the  performance  of  the  sprinter.  It  is  known  that  high  leg  stiffness  is  needed  for  the  faster  running  speeds[3].  The  acceleration  in  the  start  takes place over the first 30m of the distance, during which the athlete reaches around 90 – 95% of the  maximum speed[2]  The  best  athlete  can  be  defined  as  the  one  who  has  an  uniform  performance  during  the  entire  competition  maintaining  his  high  level[4].  Therefore  it  is  important  for  the  athletes  and  coaches  to  perform evaluations on both sprint starting forces and acquired initial speeds.   The impact of technology on sports has produced several products that help the coaches and athletes to  analyze each technique.  For example, RFID(Radio Frequency Identification)  Sports Timing System[5] is a  system  capable  of  collecting  timing  data  using  Ti‐RFID™  technology,  eTIMER40  Professional  Sports  Timing  System[6]  uses  wireless  timing  gates  to  provide  precise  timing  data.  FinishLynx[[7]  is  a  system  that  uses  RFID  system  to  measure  the  reaction  time  and  with  an  add‐on  it  can  be  modified  to  record  time. Starting blocks with a force transducer is the system mostly used to analyze starting force. These  systems  provide  individual  data  and  do  not  offer  the  relationship  between  starting  forces  and  speed.  Another  shortcoming  is  the  high  investment  on  the  equipments.  The  co‐partner  of  this  project,  the  Sports Biomechanics centre at National Sports Institute (NSI) in Malaysia also uses separate systems to  analyze these parameters.   The prospective solution is to develop a low cost integrated system. This initiative influenced to the birth  of ‘IMFAST’ – ‘Integrated Motion and Force Acquisition System for Tracking’ the presented as the end  product in this thesis.   The  Integrated  system  uses  an  Instrumented  Starting  block  with  a  Load  cell  to  analyze  the  starting  forces.  Since  the  use  of  optical  timing  gates  may  provide  a  convenient  and  quick  accessible  source  of  information on running speed[8], the SignalTEC™ timing light system is used to measure the time taken  to travel a specified distance. This time measurement is later converted to velocity and acceleration by  taking the derivatives.    LabVIEW™ is the main software used to program and to operate the system. The integration, creation  of the GUI with maximum user friendliness, displaying useful data, setting performance parameters are  some of the features that controlled using the LabVIEW software.  Mechatronics Final Year Project | M.M.Danushka R Marasinghe 19778252   

P a g e  | 1 

Integrated Motion and Force Acquisition System for Tracking (IMFAST) 

 

1.1 Literature Review  Various  researchers  in  the  world  have  studied  and  developed  various  methods  to  track  sprinting  movements.  Following literature review briefly outlines the methods used by key publications related  to this work.  Sprint Start Instrumentation[9]  R.E.Gander,  Senior  Member  IEEE,  J.D.McClements,  L.K.Sanderson,  B.A.Rostad,  K.E.Josephson,  and  A.J.Pratt  The  research  paper  discusses  about  a  prototype  instrument  that  has  been  developed  to  measure  the  forces  generated  on  the  starting  blocks  and  the  speed  of  a  sprinter.  The  integrated  system  uses  a  specially designed strain gauge, force transducer to measure the force. The measured force data is then  resolved into horizontal and vertical components for analysis purposes.   The speed was measured using a Doppler microwave technique (Commonly known as the Radar Gun).   As indicated in the research paper, four different strategies were adopted since the performance of the  Doppler  microwave  system  was  more  difficult  to  verify  with  the  complicated  nature  of  the  signal  received from a sprinting athlete.    The advantage of the system is that the both speed and force profiles can be displayed immediately on  the screen of a computer for feedback to the coach and athlete.   SpeedMed: Device for measuring velocity in Track Sports[4]  Natalia Sanchez Aldana, JulianaVelasquez Gomez, Juliana Villa Bedoya, Juan Manuel Marin Correa  The  publication  is  about  a  development  of  an  inexpensive  and  portable  device  capable  of  measuring  times and speeds in track sports that provide useful information to study performance.   The  timing  system  was  implemented  using  photocells.  A  PIC  microcontroller  was  programmed  to  measure  the  time  between  the  interruptions  of  two  laser  beams  which  lighten  the  surfaces  of  photocells.  The  microcontroller  was  programmed  to  compute  the  velocities  for  given  distances.  The  values were then displayed on a LCD (Liquid Crystal Display).              

Mechatronics Final Year Project | M.M.Danushka R Marasinghe 19778252   

P a g e  | 2 

Integrated Motion and Force Acquisition System for Tracking (IMFAST) 

 

Jump  Kinetic  Determinants  of  Sprint  Acceleration  Performance  from  Starting  Blocks  in  Male  Sprinters[10]  Peter S Maulder, Elizabeth J Bradshaw and Justin Keogh  The publication tries to identify the jump kinetic determinants of sprint acceleration performance from a  block start. Ten national level sprinters were used to the experiment.  For the sprint session each athlete  completed  their  own  individual  warm‐up  and  performed  10m  sprints  from  a  block  start.  For  jumping  session five types of jump assessments were performed. They are Squat Jump (SJ), Countermovement  Jump (CMJ), Continuous Straight legged Jump (SLJ), single leg hop for distance and single leg triple hop  for distance.   Swift timing lights (Swift Performance, University of Southern Cross, Australia) were used to record the  time an athlete takes from start to the 10m line. A microphone attached to a wooden start clapper was  connected  to  the  timing  light  handset,  which  triggered  when  the  required  sound  threshold  broken.  Finishing time was taken when the double beam of lights were broken.  A portable Kistler Quattro force  plate (Kristler, Switzerland) operating at 500Hz was used to assess the force.  Both data were collected  individually and used for calculations.   Lap Counter System for Multiple Runners[11]  Patent no US2006/0217232 A1, Inventers: Kondrat, James Walter; Miars, Chad Lewis  The above patent publication consists of a system that uses RIFD tags to count the lap times of multiple  runners. This system automatically counts and times one or more runners during a session. The system  contains a passive or active RFID transponder tag that is worn by the runner. An antenna incorporated  to a receiver located adjacent to the track picks up the signals emitted from the tag. Tags are encoded  with information unique to the runners for easy identification.  The system can be used both indoor and outdoor and the investment is less compared to other similar  methods. The RFID tag will provide minimal hassle to the runner as the device is very small and it does  not need power.   Comparison of Laser Video Techniques for determining Displacement and Velocity during running. [8]  Andrew J Harrison, Randall L Jensen   The  purpose  of  the  research  was  to  compare  the  reliability  of  a  laser  system  with  the  reliability  of  a  video based kinematic analysis in measuring displacement and velocity during running. Ten participants  completed the test.   A laser measurement device (LAVeg, Jenoptik) was used to obtain all the static and running trials. The  laser  provides  a  linear  distance  measurement  at  a  sampling  frequency  of  100Hz.  Two  fixed  video  cameras  (Panasonic  DPH800  at  50Hz,  Panasonic  DVGRL9000  at  100Hz)  were  used  to  obtain  the  data.  LabVIEW program was used to analyze the video data.   Mechatronics Final Year Project | M.M.Danushka R Marasinghe 19778252   

P a g e  | 3 

Integrated Motion and Force Acquisition System for Tracking (IMFAST) 

 

In  conclusion  the  research  indicates  that  the  laser  distant  measurement  device  produces  valid  and  reliable  estimates  of  distance.  The  laser  system  is  subject  to  high  frequency  noise  but  will  be  able  to  obtain better results by using optimal data filtering or smoothing techniques.   Leg strength and stiffness as ability in 100m sprint running [12]  C. Bret, A.Rahmani, A.B.Dufour, I. Messonnier, J.R.Lacour  The purpose of the study was to determine the importance of leg strength and stiffness relative to 100m  sprint  performance,  mean  speed  on  the  three  phases  of  the  100m  race  (30‐60‐100m)  and  the  speed  difference between these phases. 19 national level sprinters were used as test subjects.   The  performance  on  100m  was  measured  with  an  electronic  timer  (accuracy  ±0.001sec)  and  corresponding mean velocity was determined. All races were video recorded with two cameras (25Hz)  and positioned exactly at 30m and 60m. The cameras recorded the smoke from the starter’s shot and  then adjusted perpendicularly to the 30m and 60m lines. Marks placed on the floor and on the opposite  side of the track allowed locating the moment when the sprinter crossed the lines.   The force was calculated from the double time derivation of the load displacement signal recorded by  an optical encoder. The displacement signal was measured every 0.75mm and sampled at 200Hz. It was  stored  on  a  PC  (486DX2,  66MHz)  via  an  electronic  interface  card  equipped  with  a  12  bit  counter  (HP  HCTL‐2000, Palo Alto, California, USA) and digitally filtered with a 12Hz low‐pass Butterworth filter with  0 phase lag. This allowed determining the heaviest load lifted by the subject.   The paper suggests that more cameras would be needed for further investigations in order to determine  accurately the distance within which the maximal velocity would be reached.  The Biomechanics of Running [13]  Tom F. Novacheck  The paper discussed an overall analysis about the running gait and compared with walking and sprinting.   It states that the introduction of faster cameras and marker systems eliminated the need to manually  digitize frame after frame of video. The gait cycle is the basic unit of measurement in gait analysis, and it  defines as one foot comes in contact with the ground and ends when the same foot contacts the ground  again. Generally as speed increases further, initial contact changes from being on the hind foot to the  forefoot. This typically marks the distinction between running and sprinting.  The  paper  points  out  that  advancement  of  facilities  with  the  combination  of  adequate  testing  space,  three dimensional computerized data gathering and reduction, data acquisition speeds in the range of  150–240 Hz testing speeds, and the breadth of technical, engineering, and clinical knowledge to utilize  the equipment will contribute for the advancement of the biomechanics field. Further it indicates that  once  new  biomechanical  knowledge  such  as  electronic  communication  will  augment  the  use  of  animation,  video,  and  live  action  to  display  data  is  gained,  it  is  the  responsibility  of  the  research    community to present it to clinicians in an understandable manner.  Mechatronics Final Year Project | M.M.Danushka R Marasinghe 19778252   

P a g e  | 4 

Integrated Motion and Force Acquisition System for Tracking (IMFAST) 

 

2. Objectives    This  Mechatronics  Final  Year  Project  is  proposed  in  collaboration  with  Monash  University  and  the  National Sports Institute of Malaysia (NSI).  Therefore it is required to meet the common objectives of  both partners. The objectives are as follows.           

  Integrate both instrumented starting block and wireless timing lights to a single system.  Develop the user friendly GUI using LabVIEW™ to acquire data in real time.  To  provide  a  single  system  able  to  determine  the  sprinters  forces  on  the  starting  blocks  and  subsequent displacement down the sprint lane.  To provide such a system with a computer interface which allows a user to set up performance  parameters for individual training or for use of new training programs.   To provide inputs to training of sprinters by setting up performance parameters of a sprinter, in  order to guide the sprinter through the training session.   Provide the ability to compare two different sessions. 

 

Mechatronics Final Year Project | M.M.Danushka R Marasinghe 19778252   

P a g e  | 5 

Integrated Motion and Force Acquisition System for Tracking (IMFAST) 

 

3. Concepts and Overview of the System.  The IMFAST system consists of wireless timing lights and an instrumented starting block with a load cell.  The functionality and the theories behind each system are discussed in this section. 

3.1 Time acquisition system 

• Photoelectric  Sensor • Reflector

Bluetooth

• LabVIEW

• Virtual Serial  Port

Timing Lights

PC

  Figure 1 ‐ Overview of the Time Acquisition System 

3.1.1 Timing Lights  The  retro‐reflective  photoelectric  sensor  inside  the  timing  lights  activate  when  the  sprinter  passes  between the gate and the reflector unit.   3.1.1.1 Retro­reflective photoelectric sensor  Photoelectric  sensor  is  a  type  of  sensor  consists  of  a  transmitter  and  a  receiver  and  it  uses  infrared  signals to detect the presence of an object. Retro‐reflective means that the receiver and the transmitter  are in a single sensor and a reflector will bounce the infrared signal from the transmitter to the receiver.  The presence of an object is detected when the signal is failed to reflect back to the receiver. This type  has a considerably high level of range compared to other types of photoelectric sensors.  3.1.2 Bluetooth™  Bluetooth is used as the communication medium between the PC and the timing lights.  Bluetooth™ is a  wireless  communication  medium  that  creates  a  short  range  PAN  (Personal  Area  Network)  with  more  than two devices. The power consumption is low compared to other wireless methods.  Bluetooth™ has  two standards. The first one which is called Bluetooth 1.0, has a maximum transfer rate of 1Mbps while  the second version,  Bluetooth 2.0 has up to 3Mbps.  

Mechatronics Final Year Project | M.M.Danushka R Marasinghe 19778252   

P a g e  | 6 

Integrated Motion and Force Acquisition System for Tracking (IMFAST) 

 

Bluetooth  can  connect  up  to  8  devices  simultaneously.  In  order  to  avoid  conflicts  it  uses  a  method  known  as  Spread  Spectrum  Frequency  Hopping.  In  this  technique,  the  Bluetooth  enabled  device  will  transmit the signal in 79 individual, randomly chosen frequencies within a designated range that change  from one to another in a fraction of a second.  The project uses virtual serial port service available in Bluetooth™. The service uses RFCOMM protocol  and  it  is  based  on  ETSI1  TS  07.10  specification[14].  The  service  imitates  a  common  RS232  serial  communication  profile.  When  connected  the  Bluetooth  application  provides  a  COM  port  for  serial  communication.    3.1.3 SMARTiming Software  SMARTiming  is the software recommended by the  manufacturer for the timing lights.  This software is  capable  of  measuring  precise  timing  information  and  the  accuracy  is  certified  by  the  manufacturer.  It  can connect up to six timing gates for each run and has the ability to save obtained data.  

  Figure 2 ‐ SMARTiming Main Window 

Figure  2  shows  the  main  window  of  the  software.  This  software  has  been  used  to  compare  with  the  values obtained from the developed system. The comparison procedure is explained in section 9.1.1.   

                                                            

1

 European Telecommunications Standards Institute 

Mechatronics Final Year Project | M.M.Danushka R Marasinghe 19778252   

P a g e  | 7 

Integrated Motion and Force Acquisition System for Tracking (IMFAST) 

 

3.2 Force Acquisition system 

• Vary to the  force  magnitude

Signal  Conditioner

• Amplify the  Signal

Load Cell

PC

• Acquire  Data to PC

• LabVIEWTM

DAQ

  Figure 3 ‐ Overview of the Force Acquisition System 

3.2.1 Load cell  Load cell is a transducer that coverts force into a measurable voltage values and being used to acquire  force data from the foot of the sprinter.  The load cells normally sense the change in force using four  strain  gauges  in  a  Wheatstone  bridge  configuration.  They    can  be  used  to  measure  both  compression  and tension.   3.2.2 Signal Conditioning  Signal  conditioning  can  be  defined  as  “To process the form or mode of a signal so as to make it intelligible to, or compatible with, a given device, including such manipulation as pulse shaping, pulse clipping, compensating, digitizing, and linearizing”[15].

Amplified Signal

  Figure 4 ‐ Signal Conditioning 

Mechatronics Final Year Project | M.M.Danushka R Marasinghe 19778252   

P a g e  | 8 

Integrated Motion and Force Acquisition System for Tracking (IMFAST) 

 

The output from the load cell is typically in milivolts. As shown in Figure 4, signal conditioning is used to  amplify this signal to a readable voltage value.   3.2.3 Data Acquisition  Data  acquisition  can  be  defined  as  “the  sampling  of  the  real  world  to  generate  data  that  can  be  manipulated by a computer”[16].  Data acquisition, commonly known as DAQ is essential to convert the  data to computer readable format. A computer is used to display, analyze and store the converted data.   DAQ is usually a hardware component that can be connected to the computer via a communication port  such  as  USB,  serial,  Ethernet  or  wireless.  The  output  from  the  sensor  or  the  signal  conditioner  is  connected  to  the  input  of  the  DAQ  device.  The  DAQ  devices  provide  flexibility  to  the  users  as  they  consist of multiplexers, timers, DACs, TTL and the parameters of these attributes can be controlled using  the computer.   3.2.4 WinDAQ Waveform browser  WinDAQ  waveform  browser  is  the  manufacturer  recommended  software  for  the  Data  Acquisition  device.  

  Figure 5 ‐ WinDAQ Waveform Browser 

As  shown  in  Figure  5,  the  values  are  displayed  in  volts.  A  calibration  has  been  used  to  convert  these  voltage values to corresponding force values. This procedure is explained in section 0.    

 

Mechatronics Final Year Project | M.M.Danushka R Marasinghe 19778252   

P a g e  | 9 

Integrated Motion and Force Acquisition System for Tracking (IMFAST) 

 

3.3 Difficulties encountered and solutions  This section is focused on the difficulties encountered   during the integration of two sub systems.   3.3.1 Time Acquisition system   There have been several drawbacks incurred during the integration of the time acquisition system. They  are as follows,  1. LabVIEW™  software  communicates  only  with  the  Microsoft™  Bluetooth  driver  and      does  not read the Bluetooth driver of the timing lights.   2. A method is not available to read the data received from the timing lights.   3. There are no technical details available for the timing lights.  Solutions  1. Possibilities have been investigated since the Microsoft™ Bluetooth driver is not compatible  with the timing lights. The solution is to use the BlueSoleil™ software to create the bridge  between hardware and LabVIEW™. The functionality of the software is explained in section  6.2 below.   2. The  “Advanced  Serial  Port  Monitor”  software  is  used  to  investigate  the  type  of  data  transferred through the Bluetooth serial ports.  

Sent Signal 

Received Signal 

  Figure 6 ‐ Serial Port monitor 

After  several  investigations  two  scenarios  have  been  identified  that  later  used  to  communicate with the timing lights. The Table 1 explains the information sent, information  received and the purpose of the two methods.     Mechatronics Final Year Project | M.M.Danushka R Marasinghe 19778252   

P a g e  | 10 

Integrated Motion and Force Acquisition System for Tracking (IMFAST)  Sent  Received  Character “Z” is sent through  Character  ‘Z”  is  received  if  the serial port  the  gate  is  connected  properly.  Character “S” is sent through  Random  Characters  are  the serial port  received when the  gates are  activated by an object.  

 

Purpose  This scenario is used to check  the  connectivity  of  the  timing lights  The  time  of  reading  the  received character is used to  calculate the elapsed time.  

Table 1‐ Serial port Readings 

  3.3.2 Force Acquisition System  The force acquisition system also had several drawbacks when trying to integrate with LabVIEW.  1. The Load Cell does not have proper Calibration data.  2. The Data Acquisition device does not directly programmable in LabVIEW.  Solutions  1. A manual calibration procedure has been used to obtain the relationship between the voltage  values and the corresponding force data. Further explained in section 0.  2. The  WinDAQ™  driver  and  ActiveX  controls  for  LabVIEW™  are  used  to  build  a  platform  on  LabVIEW™ to communicate with the Data Acquisition device.  Further explanation has done in  section 7.2.    

 

Mechatronics Final Year Project | M.M.Danushka R Marasinghe 19778252   

P a g e  | 11 

Integrated Motion and Force Acquisition System for Tracking (IMFAST) 

 

4. IMFAST – The integrated system   The integrated system is known as the  “Integrated  Motion and  Force Acquisition System for Tracking”  (IMFAST).     Features  Features available in the IMFAST are as follows,         

The system is capable of acquiring data in real‐time from the force acquisition system and the  time acquisition system.  The  operator  has  the  freedom  to  select  the  number  of  timing  lights  the  can  be  used  for  each  session.  Both systems can begin data collection by pressing a single START button.  The operator has the ability to generate a Gun‐Shot sound by press of a button.  The parameters are displayed in graphs and on a graphical representation on the GUI for user  friendly analysis.    The collected data can be saved in an “.xls 2”  file. The file is stored inside a Folder created under  the Athlete name.    The comparison feature enables to analyze all the attributes of two different saved sessions.  

  Figure 7 ‐ Integrated System Overview 

As  illustrated  in  Figure  7,  Force  and  time  are  measured  from  the  sprinter.    These  two  parameters  are  then  processed  in  two  parallel  routes.  In  the  Force  measuring  process  initially  force  applied  on  the  starting block is measured using the Load Cell, and then the signal is amplified using a signal conditioner  followed  by  the  conversation  of  the  amplified  signal  to  computer  readable  data  to  feed  into  the  computer using the Data acquisition device. In the other process, time taken by the sprinter to pass a  specified  distance  is  measured  using  the  timing  lights  and  the  collected  data  is  sent  to  the  computer  through Bluetooth. The distance of the timing lights depend on the placement and the number of timing  lights used for the session.                                                              

2

 .xls ‐  Most commonly used spreadsheet file format invented by Microsoft Excel™ 

Mechatronics Final Year Project | M.M.Danushka R Marasinghe 19778252   

P a g e  | 12 

Integrated Motion and Force Acquisition System for Tracking (IMFAST) 

 

The information from the above explained two routes are acquired using the developed GUI in LabVIEW.  All  the  collected  attributes  of  can  be  analyzed  and  saved  to  a  ;xls  file.  These  saved  sessions  can  be  reloaded to compare all the parameters.   The integrated system works as a soft real‐time system. A soft real‐time system are typically used where  there is some issue of concurrent access and the  need  to keep a number of connected systems up  to  date with changing situations.     

Mechatronics Final Year Project | M.M.Danushka R Marasinghe 19778252   

P a g e  | 13 

Integrated Motion and Force Acquisition System for Tracking (IMFAST) 

 

4.1 User Level Functionality of the Integrated System 

 

 

Table 2 ‐ User Level Functionality of the Integrated System 

Mechatronics Final Year Project | M.M.Danushka R Marasinghe 19778252   

P a g e  | 14 

Integrated Motion and Force Acquisition System for Tracking (IMFAST) 

 

5. Hardware Used  The section below explains about the finalized hardware components of the project. The hardware can  be divided into two main categories.    

Time acquisition system.  Force acquisition system.   

5.1 Time Acquisition system  SignalTEC™ Timing lights   Main  component  used  in  this  category  is  the  SignalTEC™  Wireless  timing  system  with  the  model  number  OGTS‐WLS.  Datasheet  is  attached  in  appendix  1.1.      The  system  works  wirelessly  using  Bluetooth™ as the communication medium. The default system consists of six timing light sets.  Each set  contains a Sensor unit and a reflector.   Sensor unit  The sensor unit is the main component in the timing light system. It is responsible to send the data via  Bluetooth™ when the sensors are activated 

Antenna  Optical Sensors 

  Figure 8 ‐ Sensor unit ‐ SignalTEC timing system 

As shown in the Figure 8, the unit has two optical photoelectric retro reflective sensors and an antenna  to maintain the connectivity via Bluetooth™.  Sensors activate when the reflected wave is obstructed by  an object. The unit is programmed in such a way that both the sensors must be activated at the same  time in order to process a signal. Processing of unnecessary signals can be avoided by this feature. An  LED turns on when a sensor is activated. Figure 9 illustrates this scenario. 

Mechatronics Final Year Project | M.M.Danushka R Marasinghe 19778252   

P a g e  | 15 

Integrated Motion and Force Acquisition System for Tracking (IMFAST) 

 

LED Switched on  Sensor  

  Figure 9 ‐ LED & the sensor – Timing Lights 

  The antenna ensures a clear and a strong signal at long ranges .The unit is powered by a rechargeable  battery. The battery can be charged by plugging in the power adaptor to the socket at the back of the  unit.  According to the manufacture specifications the unit has a maximum range of 200m at an accuracy of  0.001sec.   Reflector  The  reflectors  are  placed  in  line  with  the  sensor  unit  to  ensure  that  the  signal  from  the  transmitter  sensor if reelected to reach the receiver sensor.   Reflector 

    Figure 10 ‐ Reflectors ‐ SignalTEC timing system 

The material of the reflectors allows the sensor unit to successfully operate at a range of 2m which is  more than the IAAF3 approved width of a track of 0.90m. (Official dimensions are attached in appendix  4.3).                                                                 

3

 IAAF – International Association of Athletics Federation 

Mechatronics Final Year Project | M.M.Danushka R Marasinghe 19778252   

P a g e  | 16 

Integrated Motion and Force Acquisition System for Tracking (IMFAST) 

 

Tripod  Tripods are used to stabilize the sensor unit and the reflector in position.  

  Figure 11 ‐ Tripod for SignalTEC timing lights 

These are equipped with horizontal and vertical alignment adjustments.   Bluetooth Dongle  The  Bluetooth  dongle  is  used  to  communicate  with  the  sensor  unit.  The  dongle  has  a  long  range  capability and connect to the computer via USB 2.0 port. 

  Figure 12 ‐ Bluetooth Dongle 

Power Adapter  The power adapter is used to recharge the batteries of the sensor unit.  

  Figure 13 ‐ Power Adapter for the timing lights 

The unit is a regulated power supply with an output of 12V and 1000mA.    

Mechatronics Final Year Project | M.M.Danushka R Marasinghe 19778252   

P a g e  | 17 

Integrated Motion and Force Acquisition System for Tracking (IMFAST) 

 

5.2 Force Acquisition System  The  force  acquisition  system  consists  of  several  hardware  components  that  are  used  to  acquire  and  display the force data.   5.2.1 MLP500 Load Cell  MLP500 Load cell is used to obtain the values related to the force exerted by the foot of the athlete. It is  manufactured  by  Transducer  Techniques  and  designed  to  withstand  high  amount  of  tension  and  compression.  Capacity  of  the  unit  is  500lbs  (~2500N),  that  is  more  than  the  maximum  force  expected  from the foot of the sprinter. The data sheet is attached in appendix 1.2 for further reference.    Special  Bracket

Starting  Block  MLP500  Load Cell

 

 

 

 

Figure 14 ‐ MLP500 Load Cell & attachment to the starting block 

As  shown  in  Figure  14,  a  special  bracket  has  been  mounted  to  the  load  cell  in  order  to  attach  to  the  starting  block.  The  output  of  the  load  cell  is  in  voltage  values,  and  a  calibration  procedure  has  been  implemented to convert them to relevant force values.   Load Cell Calibration  The load cell converts the force values applied on it to applicable voltage values. It is essential to convert  these voltage values back to corresponding force values to obtain useful data to coaches and athletes.   The manufacturer of the MLP500 Load cell usually provides a calibration sheet specially configured for  the  each  load  cell.  Unfortunately  the  documentation  is  not  available.  Therefore,  it  is  necessary  to  manually perform a calibration procedure.   The calibration process is focused on the compression forces applying on the load cell. A study on the  forces revealed that the largest forces are applied on the rear block, reaching up to 100kg in a maximal  effort,  compared  with  up  to  70kg  maximum  forces  applied  to  the  front  block[2].  Therefore,  a  simple  calibration process has been used to obtain the relationship between voltage and force.   

Mechatronics Final Year Project | M.M.Danushka R Marasinghe 19778252   

P a g e  | 18 

Integrated Motion and Force Acquisition System for Tracking (IMFAST) 

 

The load cell is dismantled from the foot block and reoriented at 90⁰ as shown in Figure 15. This setting  is used to make certain that the total force applied is acting on the load cell. In other words it is used to  increase the accuracy. The corresponding voltage values have been noted for increasing and decreasing  instances of loads from 0N – 170N in 20N increments.  

Loads 

Load Cell 

  Figure 15 ‐ Load Cell calibration 

The data is recorded in both WinDAQ™ and LabVIEW for better accuracy. The Voltage vs. Force graph  has been plotted from the average values. 

Voltage vs Force 0 0

50

100

150

200

Voltage(V)

‐0.5 Voltage

‐1

Linear (Voltage) ‐1.5 ‐2

Force (N)

  Table 3 ‐ Load cell calibration (Voltage Vs Force) 

As shown in Table 3 the relationship between Voltage and Force is,  26.188

631.19 

Rearranging the Equation  .

.

 

This relationship is implemented in LabVIEW™ to  convert the values in real  time. Procedure is further  explained in Section 7.2.2.  Mechatronics Final Year Project | M.M.Danushka R Marasinghe 19778252   

P a g e  | 19 

Integrated Motion and Force Acquisition System for Tracking (IMFAST) 

 

5.2.2 TMO1 Signal Conditioner  The primary use of the signal conditioner is to convert a signal that may be difficult to read conventional  instrumentation  into  a  more  easily  readable  format4.  In  other  words  the  purpose  of  using  the  signal  conditioner is to amplify the voltage signal from the load cell to more readable values.   TM0‐1 load cell signal conditioner is manufactured by the Transducer Techniques (same manufacturer of  the load cell) and designed to provide dedicated conditioning for load sensor. Data sheet is attached in  appendix 1.3.  Connection  from  the  Load  Coaxial  Cable  to  Cell the DAQ  Power  Input 12V 

Figure 16 ‐ TMO‐1 Signal Conditioner external view 

 

 

Figure 17 ‐ TMO‐1 Signal Conditioner internal  View 

The signal conditioner has to be powered with a 12V power supply. The coaxial Cable is used to connect  the signal conditioner to the Data acquisition device.    5.2.3 DI­148 Data acquisition device  The  purpose  of  the  Data  acquisition  device  is  to  convert  and  process  the  analog  voltage  data  to  computer  readable  digital  data.  The  apparatus  used  is  DI‐148  Data  acquisition  device  from  the  DataQ  instruments  with  the  features  such  as  10bit  resolution  and  a  sampling  rate  up  to  14,400  Hz.  The  datasheet is attached in appendix 1.4 

                                                            

4

 http://www.omega.com/SignalConditioners.html 

Mechatronics Final Year Project | M.M.Danushka R Marasinghe 19778252   

P a g e  | 20 

Integrated Motion and Force Acquisition System for Tracking (IMFAST) 

 

DI148 DAQ 

Channel  Selectors 

USB  to  the  PC  Coaxial  Cable  from the Signal  Conditioning    Figure 18 ‐ DI148 DAQ Device 

The DAQ device is packed in an external casing. It has two channel inputs with Coaxial cable input and  the slot to connect the USB cable. The power for the DAQ is provided with the USB cable. Channel 1 has  been configured as the communication channel for the program.   There are several post procedures that needed to be done in order to use the device in LabVIEW™. The  detailed explanation is in section 7.2.    5.2.4 Starting Block  An  instrumented  starting  block  is  used  to  provide  the  starting  action  of  the  athlete.  The  load  cell  is  attached to one block of the unit.   Foot Block 

Load Cell 

  Figure 19 ‐ Starting Block 

   

 

Mechatronics Final Year Project | M.M.Danushka R Marasinghe 19778252   

P a g e  | 21 

Integrated Motion and Force Acquisition System for Tracking (IMFAST) 

 

6. Software used  6.1 LabVIEW™ 8.5  LabVIEW  8.5  is  the  main  software  that  is  used  to  integrate  both  force  acquisition  system  and  time  acquisition system to build the motion tracking system with the GUI5.   LabVIEW  stands  for  Laboratory  Virtual  Instrumentation  Engineering  Workbench.  It  is  a  platform  and  a  development  environment  for  a  visual  programming  language  from  National  Instruments.    It  is  a  graphical programming environment that allows users to obtain information from the outside world and  manipulate data, and display results through a user friendly interface. The easy programming capability  and the flexibility in virtual instrumentation is the main reason to choose this software for the project.  The programming code section is known as the VI.  

6.2 Bluesoleil ™6  Bluesoleil  is  software  developed  by  IVT  cooperation  that  has  the  capability  to  use  the  Bluetooth™  connectivity  of  a  Personal  Computer/Laptop  to  wirelessly  communicate  with  certain  services  of  the  Bluetooth enabled devices.  The user friendly GUI provides the user to easily select and connect to the  desired services.  

  Figure 20 ‐ BlueSoleil Main Window 

As  shown  in  Figure  20,  the  window  displays  the  connected  hardware.  The  COM  port  numbers  can  be  obtained by viewing the properties of the desired device.     

6.3 WINDAQ DI148 driver  WindaQ DI148 driver is used to create the working platform for LabVIEW to communicate with the DAQ  device. This is installed with the WinDAQ data acquisition software provided with the device.   The driver will provide a COM port number depending on the USB port DAQ is connected. The step by  step description of the procedure to identify to correct COM port number is attached in appendix 4.1                                                              5 6

 GUI – Graphical User Interface   http://www.bluesoleil.com/products/  

Mechatronics Final Year Project | M.M.Danushka R Marasinghe 19778252   

P a g e  | 22 

Integrated Motion and Force Acquisition System for Tracking (IMFAST) 

 

7. Block Diagram Explanation    The  block  diagram  is  the  heart  of  the  system  that  contains  the  programming  codes  created  using  NI  LabVIEW  8.5.  Following  section  explains  the  key  settings  and  methods  followed  in  programming  to  enable the system works flawlessly. Complete prints of these block diagrams are attached in appendix 2.  The program is divided into five main processes. These processes run concurrently in order to minimize  the processing time and resources.   1. 2. 3. 4. 5.

Time Acquisition System.  Force Acquisition System.  File creation.  File Read & Comparison.  Variables. 

There  are  two  pre‐requisite  softwares  that  need  to  be  installed  on  the  computer  in  order  to  run  the  program smoothly.   1. BlueSoleil™ ‐ used to obtain the serial port numbers to run the Time Acquisition system.  2. WinDAQ™ ‐ provides the drivers for the DI148 DAQ device to run in LabVIEW™.   

7.1 Time Acquisition System  Time acquisition system deals with the wireless timing gates. Created program is in such a way that the  user has the freedom to select minimum of 2 timing gates up to a maximum of 6 gates.     7.1.1 Serial Ports  Timings lights connect to LabVIEW using virtual serial ports.  LabVIEW uses VISA7 architecture to connect  and  communicate  with  the  gates.  The  serial  ports  are  created  using  the  BlueSoleil™  software  and  a  separate Serial Port (Known as COM port) is assigned to each timing gate. In other words, there are six  different port numbers for six gates.                                                                         

7

 VISA is a standard I/O API for instrumentation programming 

Mechatronics Final Year Project | M.M.Danushka R Marasinghe 19778252   

P a g e  | 23 

Integrated Motion and Force Acquisition System for Tracking (IMFAST) 

 

7.1.2 Serial Port open  The first step of communicating with serial port is to configure and open the port. 

2

3 4 5

1

8

6 7

  Figure 21 ‐ Serial Port OPEN 

Figure 21 illustrates the serial port open VI and the explanation of each component is as below.  1. VISA Configure Serial port. This initializes the serial port specified by VISA resource name  to the specified settings.  2. Timeout is set to 50 seconds in order to provide maximum connected time.  3. VISA  resource  name  is  the  port  number  where  the  Virtual  serial  port  is  connected  to.  The number begins with COM**.   4. Baud Rate – The timing gates connect only at the baud rate of 4800 bps.   5. Parity is set to None.  6. Stop bits is set to 1.0  7. Flow control is set to None.   8. VISA set I/O buffer size – A  receive and transmit buffer size of 48 bytes is set in order to  avoid the  VISA flush error[17].  7.1.3 Serial port Read and Write  The  second  step  of  communicating  with  serial  port  is  the  Write  and  Read  VI.  It  also  follows  the  VISA  architecture. A delay of 5ms has been included in between write and read commands in order to avoid  data loss.  

Mechatronics Final Year Project | M.M.Danushka R Marasinghe 19778252   

P a g e  | 24 

Integrated Motion and Force Acquisition System for Tracking (IMFAST) 

 

Tick Count

  Figure 22 ‐ Serial port read and Write 

Read  and  write  are  used  in  two  scenarios.  The  First  scenario  is  to  calculate  time.  The  program  is  illustrated in the Figure 22.  In this case, character “S” is sent using the Write to port VI. Timing gates  send a response whenever the reflected signal from the sensors in the timing gates is blocked. The Read  from Port VI reads 3 bytes.   

  Figure 23 ‐ Check Scenario 

The second scenario is used to check the connectivity of the gates. As shown in Figure 23, the program  sends Character “Z” through the serial port.  If the receiving signal includes character “Z” it means that  the gate is connected. This situation is used to turn on a LED to indicate the user that the gate is active.   7.1.4 Serial Port Close  The last step of serial communication is the Serial port close.  

  Figure 24 ‐ Serial Port Close 

The  serial  port  close  is  a  must  for  every  port  open  to  avoid  data  conflicts  that  can  result  in  incorrect  timing information. 

Mechatronics Final Year Project | M.M.Danushka R Marasinghe 19778252   

P a g e  | 25 

Integrated Motion and Force Acquisition System for Tracking (IMFAST) 

 

7.1.5 Time Calculation    Tick Count VI is used to compute the time calculation. This VI returns the run time in milliseconds.  It is  activated when the serial port reads a value more than 2 bytes. Same method is used to calculate the  time value in the next gate. Finally the difference of the two timer value is used to calculate the elapsed  time between adjacent gates. 

  Figure 25 ‐ store the time 

As shown in Figure 25 the calculated time values are fed through a shift register to avoid loss of data.  The output value from the shift register is then converted to seconds before storing to the variable.   7.1.6  

Controls 

  Figure 26 ‐ Gate Control & Check 

Figure  26  illustrates  two  user  controls  namely  ‘No  of  Gates’  and  ‘Check’  that  control  the  execution  of  time acquisition section.   ‘No of Gates’ Controller is connected to a case structure. A case structure is activated depending on the  user’s  selection  of  the  number  of  gates,  so  that  only  the  required  serial  ports  are  open.  For  example,  there are 3 serial port connections if the value of the controller is three. This method is implemented to  avoid unnecessary use of program resources.   ‘Check’ is a slide switch situated in the front panel that is used to verify the connectivity of the lights.  The ‘check Scenario’ of Figure 23 is activated with the switch.  

Mechatronics Final Year Project | M.M.Danushka R Marasinghe 19778252   

P a g e  | 26 

Integrated Motion and Force Acquisition System for Tracking (IMFAST) 

 

7.1.7 Stopping Criteria  A stopping criteria is created in order to stop the acquisition after all the timing data is captured.   For loop stop  control

True  Constant 

  Figure 27 ‐ Stopping Criteria 

LED   

  As  shown  in  Figure  27,  a  true  constant  is  activated  when  the  last  gate  reads  data.  Last  gate  is  the  maximum gate number selected by the user. For example if the user selected 4 gates to be used the last  gate is fourth. This true constant is wired to the for loop stop control. A LED is used to indicate the user  that the data is acquired.     7.1.8 Acceleration & Velocity Calculations  Acceleration and Velocity calculations are processed outside the acquisition program to make sure that  the time acquisition runs smoothly. Time and the Distance are the only values obtained from the main  time acquisition section.  

  Figure 28 ‐ Acceleration & Velocity Calculations 

As shown in Figure 28. The Acceleration & Velocity calculations have been done based on the time and  distance  parameters  obtained  from  each  gate  pair.  These  calculations  are  then  displayed  in  separate  graphs for further analysis.  The Graphs are displayed in the front panel as shown in Figure 43. 

Mechatronics Final Year Project | M.M.Danushka R Marasinghe 19778252   

P a g e  | 27 

Integrated Motion and Force Acquisition System for Tracking (IMFAST) 

 

7.2 Force Acquisition System  The  force  acquisition  system  deals  with  the  Load  cell.  DI‐148  is  used  as  the  data  acquisition  device.  Further details are explained in section 5.2.3 in this report.  

. 

  Figure 29 ‐ ActiveX Control for DI‐148 

The DI‐148 does not provide a driver for LabVIEW™. The alternative to communicate with LabVIEW™ is  to  use  ActiveX  controls.  This  procedure  uses  the  WindaQ  control  which  allows  data  acquired  by  WINDAQ®  Acquisition  software  to  be  simultaneously  made  available  to  LabVIEW[18].  The  step‐by‐ step procedure provided by DataQ Instrument is attached in the appendix 4.2.  7.2.1

Configuration 

  Figure 30 ‐ DI148 Configuration 

‘Property nodes’ have been used to select and assign property values to the ActiveX control. The main  configuration  is  to  select  the  ‘DeviceID’.  It  should  be  written  in  a  specified  format.  For  example,  the  correct device ID for a DI‐148U connected to COM port 4 with a baud rate of 9600 is “COM4 148 9600”.   The’ EventPoint’ Property is set to acquire data points at when 20 data points have been gathered.   7.2.2 Data Acquisition   ‘GetData’  Property  value  has  been  used  to  acquire  data  from  the  ActiveX  control.  The  values  are  in  Variant data type. Variant data do not conform to a specific data type and can contain attributes[19]      Mechatronics Final Year Project | M.M.Danushka R Marasinghe 19778252   

P a g e  | 28 

Integrated Motion and Force Acquisition System for Tracking (IMFAST)     

Convert  to  LabVIEW data 

 

Calibration  adjustment 

Obtain  Variant Data

  Figure 31 ‐ Force Acquisition System 

As illustrated in Figure 31, The Variant data are converted to LabVIEW™ Data type. There is a possible  error that can occur if the COM port has not properly configured. The system is programmed to notify  the user the above miss‐configuration by means of an error message.   Obtained data are the voltage values acquired from the load cell. These data is then converted to useful  force data using the values obtained from the load cell calibration. The load Cell calibration procedure  will  be  explained  in  section  5.2.1  of  the  report.  Two  graphs  have  been  plotted  each  for  real‐time  acquisition and offline mode as further explained in section 8.1  The acquisition program runs inside a for loop that will terminate after 100 iterations.  

  Figure 32 ‐ Iteration to time conversion & Delay 

The  iteration  scale  is  multiplied  by  a  scalar  value  (as  shown  in  Figure  32)  in  order  to  convert  the  iterations  to  corresponding  time  values.  After  the  conversion  the  force  acquisition  system  runs  for  13  seconds. This duration is sufficient for a single sprint start procedure.   A delay of 120ms has been introduced for each iteration. This is required to synchronize the Variant data  acquisition and Variant to LabVIEW™ data conversion.    

Mechatronics Final Year Project | M.M.Danushka R Marasinghe 19778252   

P a g e  | 29 

Integrated Motion and Force Acquisition System for Tracking (IMFAST) 

 

7.2.3 Gunshot Sound  A sound of the ‘Gunshot’ has been introduced to the system in order to allow the coaches or the users  to initiate the sound to sprinters to start running. By this means the operator can analyze the time of the  sound and the instance of the maximum force.  

  Figure 33 ‐ Gun shot sound 

  As  shown  in  Figure  33,  the  section  is  activated  with  the  press  of  the  button  on  the  front  panel.  The  sound file is in .wav format. The file path for the sound file is auto generated as long as the file is in the  same folder as the main VI. 

7.3 File Creation  Acceleration, Distance, Force, Time, Velocity and Athletic Details are saved to a Microsoft Excel file in .xls  format. The saved files are very useful for post analysis of the athlete training as it contains all the useful  information acquired from each session.   First  of  all  the  data  that  needed  to  be  written  is  converted  to  strings  and  stored  in  an  Array.  It  is  arranged in such a way that all the data is in a proper order. A sample file is attached in the appendix 3.  

  Figure 34 ‐ Folder creation 

Figure 34 shows the block diagram of creating a folder under player’s name. The program is created to  check for duplicate names before creating a folder. Further explanation of File save is in section 0 below.  

Mechatronics Final Year Project | M.M.Danushka R Marasinghe 19778252   

P a g e  | 30 

Integrated Motion and Force Acquisition System for Tracking (IMFAST) 

 

7.4 File Read & Comparison  Another  feature  in  the  software  is  that  two  sets  of  saved  files  can  be  read  and  then  compare  each  attributes.  

  Figure 35 ‐ File Read 

Figure 35 shows the VI that has used to read and display the contents in the excel file. All the values are  converted  from  strings  to  relevant  formats.  For  example  acceleration  data  is  converted  to  array  to  display in a graph.     

Curser  movement Fix 

Figure 36 – Comparison of Attributes 

Attributes  set  on  the graphical view 

Mechatronics Final Year Project | M.M.Danushka R Marasinghe 19778252   

 

P a g e  | 31 

Integrated Motion and Force Acquisition System for Tracking (IMFAST) 

 

The Figure 36 corresponds to the parameters  used  to compare two saved sessions. Left side property  nodes at the left explain the code used to fix the cursors of the comparison graphs to move at the same  time.  Rights  side  code  explains  the  attributes  that  displayed  on  the  graphical  representation  (Refer  to  Figure 47 in Section 8.1.5 for front panel view). These values change with the movement of the cursor.  

7.5 Variables  

  Figure 37 ‐ Variables to as Controls and Displays 

Figure 37 illustrates the variables used as controls and indicators of the various acquired and processed  data. Property nodes and local variables of the above variables have been used to change the properties  and also to pass the values all over the program. 

  Figure 38 ‐ Tab Control 

A Tab Control is generated when Tabs are used on the front panel. The process of the each Tab can be  individually programmed by wiring a case structure to the tab control.  

Mechatronics Final Year Project | M.M.Danushka R Marasinghe 19778252   

P a g e  | 32 

Integrated Motion and Force Acquisition System for Tracking (IMFAST) 

 

8. Results  8.1 Explanation of the front panel   8.1.1

Main tab 

  Figure 39 ‐ Main tab 

   

Mechatronics Final Year Project | M.M.Danushka R Marasinghe 19778252   

P a g e  | 33 

Integrated Motion and Force Acquisition System for Tracking (IMFAST)  8.1.2

 

Settings Tab 

Selector  of  COM  port  number  for  force system Gate  selection  knob 

Gate  status  indicators 

Selectors  of  COM  port  number  for  Timing Gates  Distance  selection  between gates   Figure 40‐ Settings Tab 

The Settings Tab has several settings that required to be selected before starting the data acquisition.    





The user can select the number of timing gates to be used for the session by turning the knob.  The  next  step  is  to  select  the  COM  port  numbers  for  the  timing  gates.  This  number  can  be  obtained  from  the  Bluesoleil™  software  window.  The  tabs  are  highlighted  depending  on  the  number of gates selected.  The COM port number for the force acquisition system has to be entered. This number can be  obtained from the device manager in windows. Step by Step procedure to identify the COM port  number for DAQ device is attached in appendix 4.1.  The user should enter the distance between each gate into the controls. The measurement is in  meters. The minimum entry value is 0.2m. 

  

The window on the right is to check whether the selected gates are triggered and connected. A  green LED will turn on if the gates are successfully configured.          

Mechatronics Final Year Project | M.M.Danushka R Marasinghe 19778252   

P a g e  | 34 

Integrated Motion and Force Acquisition System for Tracking (IMFAST)  8.1.3  

 

Real­Time Tab 

 

Button  to  provide  Gun‐ Shot Sound 

Force  Data  in N

Velocity Data  Time  between  each gate 

  Figure 41 ‐ Real‐time Data Acquisition tab 

Acceleration  Data

  When  switching  from  the  Settings  Tab  to  the  Real‐time  Tab  the  user  will  be  prompted  to  enter  the  Player details. The popup menu  is shown in Figure 49.  The Real‐time Tab is used to acquire data. Once the start button is pressed, the Force Acquisition system  initiates  obtaining  data  followed  by  the  time  acquisition  system.  The  force,  velocity  and  acceleration  data are displayed graphically in real‐time.   This panel also has the capability of providing a Gun‐Shot sound by pressing the gunshot‐sound button.  The Green LED turns on when the system completes capturing both force and timing data.       

Mechatronics Final Year Project | M.M.Danushka R Marasinghe 19778252   

P a g e  | 35 

Integrated Motion and Force Acquisition System for Tracking (IMFAST) 

 

8.1.4 Offline Tab  The Offline tab is used to display and analyze data acquired during the previous process.   The player details and the file path are displayed on the top of the Tab.  This Tab is divided into two sub parts namely, Force and Motion for the viewing convenience.  Force  File path

Max  force  & the time 

Player Details

Force  value  Cursor position  Cursor    Figure 42 ‐ Offline View Tab ‐ Force data 

Force tab displays the acquired force data in Newton. The values on the graphs can be analyzed  using a  cursor.    Maximum force incurred, corresponding time and force value of the cursor position are the information  displayed on the right side of the window   

Mechatronics Final Year Project | M.M.Danushka R Marasinghe 19778252   

P a g e  | 36 

Integrated Motion and Force Acquisition System for Tracking (IMFAST) 

 

Motion 

  Figure 43 ‐ Offline View Tab ‐ Velocity and Acceleration 

The Motion tab indicates the average velocity and the acceleration of the sprinter.  

Gate Number 

  Figure 44 ‐ Graphical Representation of the graphs 

Data in the Figure 44 changes with the cursor movement of the graph.  

Mechatronics Final Year Project | M.M.Danushka R Marasinghe 19778252   

P a g e  | 37 

Integrated Motion and Force Acquisition System for Tracking (IMFAST) 

 

8.1.5 Comparison Tab  In this section, the user can load two different files in order to analyze and compare each attribute of  the player. This tab is also divided into three sub categories for viewing convenience.  Force 

Player  info  session 1

Player  info  session 2

  Figure 45 ‐ Comparison Tab ‐ Force Data 

Tab in Figure 45 displays the force data of the two saved sessions. In addition, it is possible to analyze  each graph independently using the cursors.                  

Mechatronics Final Year Project | M.M.Danushka R Marasinghe 19778252   

P a g e  | 38 

Integrated Motion and Force Acquisition System for Tracking (IMFAST) 

 

Velocity  

  Figure 46 ‐ Comparison tab ‐ Velocity Data 

The velocity  Tab displays  the velocity  data of the two sessions that are loaded. The  cursor of the first  graph can be moved and the cursor on the second graph moves accordingly so that the displayed values  are of the same gate position. 

  Figure 47 ‐ Graphical Representation of the Graphs 

All the values displayed in the figure correspond to the position of the cursor. The higher velocity value  is indicated in “Green” color while the lower in “Red”. 

Mechatronics Final Year Project | M.M.Danushka R Marasinghe 19778252   

P a g e  | 39 

Integrated Motion and Force Acquisition System for Tracking (IMFAST) 

 

Acceleration    

  Figure 48 ‐ Comparison Tab ‐ Acceleration Data 

The acceleration tab provides a similar functionality to the velocity tab. It displays the acceleration data  of the two loaded sessions to be compared.     

Mechatronics Final Year Project | M.M.Danushka R Marasinghe 19778252   

P a g e  | 40 

Integrated Motion and Force Acquisition System for Tracking (IMFAST)  8.1.6

 

Other Pop­Up Menus 

Athelete Details Menu 

 

Figure 49 ‐ User Prompt 

If  there  are  no  errors,  above  menu  pops  up  when  the  user  click  the  real‐time  tab.  The  information  entered are saved into the excel file.  Error Codes 

Figure 50 ‐ Invalid Distance Error 

 

This error id displayed if the user  has not entered the distances between timing gates.   

Figure 51 ‐ COM port errors 

 

These errors pop up  if the user enterers the wrong COM port values   

Mechatronics Final Year Project | M.M.Danushka R Marasinghe 19778252   

P a g e  | 41 

Integrated Motion and Force Acquisition System for Tracking (IMFAST) 

 

File save 

  Figure 52 ‐ File Save prompt 

The user is prompted to choose whether to save the data to an .xls file. If selected Yes, the data is saved  and the file path is displayed.  The file name consists of the date and the session number and it is saved  in a folder created with the name of the athlete.    

C:\IMFAST\Data\Danushka\Session_13Sep08.xls 

   

Folder  name  under  athlete name 

Session  ID  and  the  Date 

  The default file path is set to ‘C:\IMFAST\Data\Athelete_Name\’. This purpose is to reduce any conflicts  in file saving since all the computers contain the C drive.    

 

Mechatronics Final Year Project | M.M.Danushka R Marasinghe 19778252   

P a g e  | 42 

Integrated Motion and Force Acquisition System for Tracking (IMFAST) 

 

9. Comparison and Justification  9.1 Comparison with the Existing Software.   Both Time acquisition system and Force acquisition system initially included with manufacturer provided  software. These are compared with the integrated software for the pros and cons.   9.1.1 IMFAST and SMARTiming  The SMARTiming software is the default software for the timing gates. It is capable of acquiring data for  Sectional  Test  Setup,  Multiple  Lane  Setup  and  Shuttle  Run  Setup.  A  graphical  illustration  of  the  above  setups is attached in appendix 1.1. As for the cons, the software does not have the feature to enter and  save athlete information. Also it provides only time information, thus the user has to calculate velocity  and  acceleration  separately.    The  distance  setting  of  the  timing  lights  is  limited  to  multiples  of  5.  The  collected data is saved in files with an extension of .ST1 format. This format has to be manually opened  by Microsoft Excel™.  The existing software does not provide any feature to analyze and compare saved  data. Another drawback is that the software is unstable and tends to close by itself in any case of error.  All  the  limitations  of  SMARTiming  software  are  considered  in  IMFAST  system  to  increase  the  user  friendliness.  The  system  automatically  prompts  the  user  to  enter  the  Athlete  information.  The  useful  information  such  as  the  time,  average  velocity  and  the  average  acceleration  are  displayed  in  a  single  window.    The  distance  setting  is  enhanced  for  a  range  of  0.2m  to  200m.  The  data  is  saved  in  “.xls”  format file under a folder in the name of the player. In addition, IMFAST software includes a separate  tab to analyze and compare previously obtained data sets. The system is optimized to use in Shuttle run  setup.   9.1.2 IMFAST and WinDAQ  WinDAQ is the software used in the force acquisition device. The main incompatibility is that it is only  capable  of  displaying  voltage  variance.  Due  to  this  the  user  has  to  manually  calibrate  to  convert  the  values to useful force data.    The calibration for the IMFAST system has been completed as explained in Section 5.2.1 and hard coded  into  the  program.  As  a  result  the  user  can  view  the  corresponding  force  values  directly  on  the  graph.  Maximum  force  is  determined  and  displayed  on  the  GUI  and  the  scroll  feature  is  enabled  to  further  analyze each segment of the force acquisition.  Sound of a Gunshot is added as an extra feature so that  the user can generate the start sound from the program itself.             

Mechatronics Final Year Project | M.M.Danushka R Marasinghe 19778252   

P a g e  | 43 

Integrated Motion and Force Acquisition System for Tracking (IMFAST) 

 

9.2 Time justification  The time values acquired from the IMFAST program has to be validated with the real values. The existing  SMARTiming software is used to for this purpose under the assumption that the commercially available  software provides accurate readings.      

The timing lights are placed with 2m distance between each other.   The same test subject is used for the entire session.  The  running  is  conducted  and  values  were  obtained  using  both  IMFAST  software  and  the  SMARTiming software.  Five sets of data are collected for each software and the average value is calculated for better  accuracy.  

The  setup  has  few  limitations.  Since  the  data  collection  is  conducted  in  two  different  sessions  it  is  assumed that test subject performs equally in all 10 running activities.     Session  No  1  2  3  4  5  Average 

Distance  3  3  3  3  3  3 

SMARTiming  1.03  1.10  1.01  1.26  1.11  1.10 

Gate 1&2  Gate 2 &3  IMFAST  Difference  Error %  SMARTiming  IMFAST  Difference  Error %  1.02  ‐0.01 0.87 0.78 0.95  0.17 21.58 1.05  ‐0.06 5.34 0.83 0.89  0.06 7.26 1.14  0.13 13.29 0.83 0.82  ‐0.01 1.69 1.17  ‐0.09 7.14 0.95 0.90  ‐0.04 4.44 1.04  ‐0.07 6.32 0.87 0.83  ‐0.05 5.28 1.05  ‐0.06 6.59 0.85 0.88  0.03 3.49 Table 4 ‐ Time Comparison 

  As  shown  in  Table  4,  the  Average  error  between  Gate  1  and  2  is  6.59%  and  between  Gate  2  and  3  is  3.40%.  The time difference between the values obtained from each software is less than 0.06 seconds.   The  comparison  above  has  sufficient  evidence  to  conclude  that  the  time  values  obtained  from  the  IMFAST system correspond to the real world values.           

Mechatronics Final Year Project | M.M.Danushka R Marasinghe 19778252   

P a g e  | 44 

Integrated Motion and Force Acquisition System for Tracking (IMFAST) 

 

9.3 Force Justification     The  forces  applied  to  the  load  cell  are  assessed  in  order  to  confirm  whether  the  values  represent  the  real force values. The load cell is set up similar to the calibration setup explained in section 5.2.1. The  loads are applied with 20N increments over the range of 0N to 170N.     

Table 5 ‐ Load Cell Comparison Data 

Load Cell Reading vs Actual Load Actual Load (N)

Actual  Load Cell  Force (N)  Reading (N)  0  0.000  20  21.052  40  41.960  60  61.803  80  81.539  100  101.631  120  119.631  150  152.117  170  169.611 

180.000 160.000 140.000 120.000 100.000 80.000 60.000 40.000 20.000 0.000 0

20

40

60

80

100

120

150

170

Load Cell Reading (N)     Figure 53 ‐ Load cell comparison graph          Data in   Table 5 and Figure 53 clearly shows the linear relationship between load cell and actual load.    The non linearity error for this data is 1.4%  

Mechatronics Final Year Project | M.M.Danushka R Marasinghe 19778252   

P a g e  | 45 

Integrated Motion and Force Acquisition System for Tracking (IMFAST) 

 

10. Future Work & Recommendations    The  Integrated  Motion  tracking  system  developed  satisfies  the  objectives  imposed  by  this  final  year  project. However, there are several improvements that can be implemented to the system that would  increase the user friendliness as well as the accuracy of the data.  1. The program can be enhanced to show the time of the gun shot sound on the force acquisition  graph. This can be useful to evaluate the reaction time of the player.   2. Presently the system is bound to a maximum of 6 timing lights. The program can be improved to  increase the number of lights. Which is in turn will increase the resolution of the data resulting  more accurate information of the activity.   3. The  performance  of  the  timing  light  system  can  be  analyzed  more  deeply  using  different  methods  to  validate  the  result  with  real  values.  Methods  such  as  constant  velocity,  constant  acceleration, comparison with other systems[9] etc.   4. It  is  also  possible  to  investigate  the  possibility  of  using  other  wireless  mediums  that  has  more  connectivity range to communicate with the timing lights instead of Bluetooth™.   5. Presently the force transducer and the data acquisition system have a wired connection to the  PC.    It  can  be  programmed  to  acquire  data  wirelessly  through  the  Wi‐Fi  data  acquisition  in  LabVIEW 8.6[20].   6. It is possible to design a foot block that could be adjusted for position and angle. Presently the  angle adjustment of the foot block is restricted with the attachment of the force transducer. The  angle adjustment will provide more convenient starting position for the sprinters.   7. The current force system is calibrated to measure the horizontal forces acting on the foot block.  It  is  also  possible  to  investigate  about  the  vertical  forces  acting  on  the  transducer.  This  measurement can be used to obtain more precise force profile with the resultant angle of the  acting force[9] etc.   8. Another Load cell can be attached to the remaining foot block so force exerted by both feet can  be analyzed.   

 

Mechatronics Final Year Project | M.M.Danushka R Marasinghe 19778252   

P a g e  | 46 

Integrated Motion and Force Acquisition System for Tracking (IMFAST) 

 

11. Conclusion    The integrated system uses a SignalTEC™ timing lights system to acquire time data and a MLP500 load  cell to acquire force data. LabVIEW™ has been used to develop the software to acquire corresponding  data in real‐time and analyze in a user friendly GUI.  The system can operate with maximum of six timing  lights and one load cell attached to a foot block. IMFAST system can generate a sound of a ‘Gun shot’ to  indicate the starting signal to the sprinter.   The integrated system is initiated by a click of a single button. After the real‐time data acquisition, the  system  displays  the  acquired  force  values,  Max  force,  Time,  Distance,  Average  velocity  and  Average  acceleration in the GUI. All acquired data are saved in a file under a folder created by the athlete name.  Another  feature  in  the  software  is  the  user  can  compare  and  analyze  data  from  two  previously  saved  sessions.   The  values  obtained  from  both  time  and  force  systems  were  compared  with  the  existing  software  to  validate with the real readings.  The average error in the time acquisition system when compared to the  existing software is 4.30% and the average time difference is 0.06s. This system is capable of acquiring  data  with  a  precision  of  0.001s.  Load  cell  has  been  calibrated  to  convert  the  voltage  values  to  force  values.  It  is  then  compared  with  the  applied  load  values  and  the  displayed  values.  the  data  shows  a  linear  relationship  with  a  non‐linearity  error  of  1.4%.    The  report  also  discusses  several  recommendations that could enhance the functionality and user friendliness of the system.   In  conclusion,  it  is  feasible  to  conclude  that  the  Integrated  Motion  and  Force  Acquisition  System  for  Tracking (IMFAST) has been successfully developed to satisfy the objectives of the project.    

 

Mechatronics Final Year Project | M.M.Danushka R Marasinghe 19778252   

P a g e  | 47 

Integrated Motion and Force Acquisition System for Tracking (IMFAST) 

 

12. References  [1]  [2]  [3]  [4]  [5]  [6]  [7]  [8] 

[9] 

[10] 

[11]  [12]  [13]  [14] 

[15]  [16]  [17] 

[18]  [19]  [20] 

M.  Lynch  (2003),  "Sprint  Starting  "  [Online].  Available:  http://www.lollylegs.com/training/Starting.aspx Last accessed:   E. Ozolin, "The Technique of the Sprint Start."  S.  Chelly  and  C.  Denis,  "Leg  Power  and  Hoping  stiffness:  relationships  with  Sprint  running  Performance," Med Sci Sports Exerc, vol. 33, pp. 326‐333, 2001.  N.  S.  Aldana,  J.  Gomez,  J.  V.  Bedoya,  and  J.  M.  M.  Correa,  "SpeedMed:  Device  for  measuring  velocity in Track Sports," Revista Engenieria Biomedica, vol. Mayo 2007, pp. 33‐37.  (2008),  "Electro‐Com  RFID  solutions  of  SPORTS  TIMING,"  [Online].  Available:  http://www.electrocom.com.au/rfid_sportstiming1.htm. Last accessed: 9th April 2008  ATHNETIX  (2001),  "eTIMER40  ‐  Professional  Sports  Timing  System,"  [Online].  Available:  http://www.athnetix.com/Forms/etimer40.htm. Last accessed:   L.  S.  Developers  "FinishLynx,"  [Online].  Available:  http://www.finishlynx.com/.  Last  accessed:  25th May  A.  Harrison,  Jensen,  Randall,  "A  Comparison  of  Laser  and  Video  Techniques  for  Determining  Displacement  and  Velocity  During  Running  "  Measurement  in  Physical  Education  and  Exercise  Science, vol. 9, p. 12, 2005.  R.E.Gander,  J.D.McClements,  L.K.Sanderson,  B.A.Rostad,  K.E.Josephson,  and  A.J.Pratt,  "Sprint  Start  Instrumentation,"  IEEE  Transactions  on  Instrumentation  and  Measurement,  vol.  43,  Aug  1994 1994.  E. J. B. a. J. K. Peter S Maulder, "Jump Kinetic Determinants of Sprint Acceleration Performance  from Starting Blocks in Male Sprinters," Journal of Sports Science and Medicine, vol. 5, 01 June  2006 2006.  C.  L.  M.  James  Walter  Kondrat,  "Lap  Counter  System  for  Multiple  Runners."  vol.  US  2006/0217232 A1, P. A. Publication, Ed. United Stated, 2006.  A. R. C. Bret, A.B.Dufour, I. Messonnier, J.R.Lacour, "Leg strength and stiffness as ability in 100m  sprint running," Journal of Sports Medicine and Physical Fitness, vol. 42, 2002.  T. F. Novacheck, "The biomechanics of running," Gait and Posture vol. 7, p. 19, 1998.  Wikipedia  "Bluetooth  Serial  Port  Profile,"  [Online].  Available:  http://en.wikipedia.org/wiki/Bluetooth_profile#Serial_Port_Profile_.28SPP.29. Last accessed: 19  Sep 2008  "Weed  Instrument  Co.  Inc  Glossary  of  Terms  ‐  Signal  conditioning,"  [Online].  Available:  http://weedinstrument.com/info_central/glossary/s.html. Last accessed: 18 Sep 2008  "Nation  Master  Encyclopedia  ‐  Data  acquisition,"  [Online].  Available:  http://www.nationmaster.com/encyclopedia/Data‐acquisition. Last accessed: 18 Sep 2008  N.  Instruments  "Error  BFFF003E  Occurs  after  a  VISA  Read/Write,"  [Online].  Available:  http://digital.ni.com/public.nsf/allkb/60DDFED7EFEFE7188625705700750821?OpenDocument.  Last accessed: 14th September  I.  S.  Popescu,  "Data  Acquisition  Using  LabVIEW  and  DATAQ  Instruments’  ActiveX  Controls,"  DataQ instruments.  "LabVIEW™ Help," National Instruments, 2007.  N.  Instruments  "NI  LabVIEW  8.6,"  [Online].  Available:  http://www.ni.com/labview86/.  Last  accessed: 25th Sep 2008 

     

Mechatronics Final Year Project | M.M.Danushka R Marasinghe 19778252   

P a g e  | 48 

               

Appendix 1.1  SignalTEC™ Timing Light data sheet                     

SignalTEC™

Wireless Optical Gate Timing System

Optical Gate Timing System uses the optical-electronic and computer technologies to easily capture timings automatically. It is widely applies in physical fitness tests, sport researches and trainings, such as short distance dashes, hurdle races, broad jumps and triple jumps which compute precise timing of the athletes. Furthermore, it can be setup and use indoor as well as outdoor environment. With the wireless technology system, setup time for acquisition is greatly reduced.

sectional test setup

Features Computerized data acquisition Random placement of gates Single-lane mode up to 7 segment timings Simultaneously capture up to 7 test lanes Shuttle run mode : up to 3 lanes Wireless interface Real time display of capture data External trigger Selectable test lane Portable

multiple lane setup

Shuttle run setup

General Specifications Model

OGTS-WLS

Accuracy Max acquisition range Max number of gates Max number of lane acquire simultaneous Interface Wireless technology Acquisition device Weight Dimensions

0.001 sec 200 m 7 7 Wireless Bluetooth Laptop/Desktop 1.5kg 428x64x32mm

Laptop requirement Windows XP Home RAM > 128MB SVGA resolution 1280x768 USB2.0

      Appendix 1.2  MLP500 Load Cell Data sheet                     

      Appendix 1.3  TM0‐1 Signal Conditioner Data Sheet                     

TM0-1 AMPLIFIER / CONDITIONER MODULE OPERATORS MANUAL

Transducer Techniques 42480 RIO NEDO, TEMECULA, CA 92590 (909) 719-3965 FAX (909) 719-3900 URL: http://www.ttloadcells.com E-mail: [email protected]

R

DESCRIPTION The TM0-1 Module provides low cost dedicated conditioning for one bridge type load or pressure sensor. The unit can be placed near the sensor for high level signal transmission. Several units can be powered from a common supply. Balance and span potentiometers are low tempco metal film for long term stability and good resolution.

SET UP PROCEDURE METHOD 1 Shunt calibration with TTI transducers 1. Connect transducer to the 5 pin terminal block as shown in Fig. 2. 2. Connect a digital voltmeter to the 4 pin terminal block as shown in Fig. 2. 3. Connect 12 VDC power supply to the 4 pin terminal block on pins 1 and 2 as shown in Fig.2. 4. Allow 15 minutes warm up. 5. With zero load applied to the transducer, rotate balance potent iometer towards + or in order to obtain 0.000 on the digital voltmeter. 6. Refer to the sample calib ration certificate Fig.1 , Example 1 (typical to the calibration certificate supplied with TTI transducers. Multiply the percent of load value (PCT LOAD) for a 87.325 Kohms resistor by the desire d full scale voltage output. Note that +/- 8 VDC is the maximum output voltage range. Example: 8 VDC x 50.2% = 4.016 VDC. 7. Depress calibration button (calibration button to remain depressed throug h out step 7). Adjust the gain potentiometer to display the engine ering units calculated in step 6, Example 1 (4.016 VDC). Release calibration button. 8. Repeat step 5 and 7 if necessary.

METHOD 2 Using a known load (Dead weight calibration) 1. Follow method 1, steps 1 thru 4. 2. Apply a known load (dead weight) to the transducer. 3. Adjust the gain potentiometer to display enginee ring unit equivalent to known load (dead weight). 4. Remove known load (dead weight) and readjust balance potentiometer, if necessary.

1

Fig. 1

<<< SERIAL NUMBER: SENSOR MODEL: JOB NUMBER: TECHNICIAN:

CERTIFICATE OF CALIBRATION

SAMPLE CERTIFICATE HSW-20K 0 AE TENSION LOAD LBS.

<<

Example 1

MV/V DEC.

0 1.0026 2.0051

NON-LINEARITY NON-REPEATABILITY HYSTERESIS

PCT LOAD 50.2 100.3

DATE OF CALIBRATION: 11/11/1993 DATE OF RECALIBRATION: 11/11/1994

MV/V INC.

0 10000 20000

.03 .02 .03

0 1.0031

PCT FS PCT FS PCT FS

SHUNT CALIBRATION

LOAD LBS 10034.4 20068.8

>>>

SIGNAL MV/V 1.0060 2.0120

>> SHUNT K OHMS 87.325 43.575

SHUNT PINS (-E,-S) (-E,-S)

<< DIGITAL PANEL METER MODEL DPM-2 SCALE FACTOR >> DPM-2 SCALE FACTOR .0000

* CALIBRATION COMPUTED FROM THREE (3) RUNS INCREASING AND DECREASING. * TRACEABLE TO NIST TEST

#

57914

* CALIBRATION PERFORMED AT 10 VDC * MAXIMUM BRIDGE EXCITATION 12 VDC

WIRING COLOR CODE =================== RED +EXCITATION BLK -EXCITATION GRN +SIGNAL WHT -SIGN

2

Fig. 2

Power Supply / Analog Output 4 Pin Terminal Block 1: 2: 3: 4:

+ 12 VDC Power Ground Analog Ground Analog Output

Bench Top V.O.M. Millivolt Meter X-Y Plotter Chart Recorder A/D - Computer

Analog Output 0- +/- 8 VDC

12 VDC Power In Gain Pot 5 1 2 3 4 Full Wheatstone Bridge Transducer

Push Button Shunt Cal

Load Cell Force Sensor Torque Sensor Pressure Transducer

Balance Pot

Transducer Input 5 Pin Terminal Block TM0-1

Transducer

1 2 3 4 5

+ Excitation (Red) - Signal (White) + Signal (Green) - Excitation (Black) + Shield

3

III. TROUBLESHOOTING SYMPTOM / PROBLEM

ACTION

Negative analog output voltage

Switch wire position 2 and 3 OR 1 and 4 on 5 pin terminal.

Analog output is saturated

One (or more) of the transducer wires is (are) disconnected. Check wire continuity. Check 5 pins terminal connections. Refer to Fig. 2

4

IV. SPECIFICATIONS Amplifier Section Gain: Input Sensitivity: Output Voltage: Output Current: Nonlinearity: Compliance: Stability: Tempco: Noise and Ripple:

75 to 1000 1mV/V minimum for 8V output 0 to +/-8VDC (linear to 9.5VDC) 0 to 10mA 0.01% maximum 0.1% plus vs. minus full scale +/-1% for 24 hours 0.01% full scale/C Less than 5mV P-P at gain = 1000 Filter Type: 2 Poles Butterworth Frequency Response: DC to 220 Hz (2.2, 22, 2200 Hz available in lots of 10, no charge)

Bridge Section Excitation Voltage: 8VDC +/-0.25V Sensor Resistance: 120 Ohms minimum 1000 Ohms maximum Balance Range: +/-30% of output (350 Ohms bridge)

General Weight: Size: Mounting: Input / Output: Operating Temp: Power Required:

Approx. 2 ounces 2.25 x 2.50 x .80 inches Corner standoffs, 4-40 thread Via screw terminals 0 to 70 C 12 VDC +/-0.5 VDC at 65mA

5

WARRANTY / REPAIR POLICY Limited Warranty on Products Any of our products which, under normal operating conditions, proves defective in material or in workmanship within one (1) year from the date of shipment by Transducer Techniques, will be repaired or replaced free of charge provided that you obtain a return material authorization from Transducer Techniques and send the defective product, transportation charges prepaid with notice of the defect, and establish that the product has been properly installed, maintained, and operated within the limits of rated and normal usage. Replacement product will be shipped F.O.B. our plant. The terms of this warranty do not extend to any product or part thereof which, under normal usage, has an inherently shorter useful life than one year. The replacement warranty detailed here is the Buyer's exclusive remedy, and will satisfy all obligations of Transducer Techniques, whether based on contract, negligence, or otherwise. Transducer Techniques is not responsible for any incidental or consequential loss or damage which might result from a failure of any Transducer Techniques product. This express warranty is made in lieu of any and all other warranties, express or implied, including implied warranty of merchantability or fitness for particular purpose. Any unauthorized disassembly or attempt to repair voids this warranty.

Obtaining Service Under Warranty Advance authorization is required prior to the return to Transducer Techniques. Before returning the items either write to the Repair Department c/o Transducer Techniques, 42480 Rio Nedo, Temecula, CA 92590, or call (909) 719-3965 with: 1) a part number; 2) a serial number for the defective product; 3) a technical description of the defect; 4) a no-charge purchase order number (so products can be returned to you correctly); and, 5) ship to and bill to addresses. Shipment to Transducer Techniques shall be at Buyer's expense and repaired, or replacement items will be shipped F.O.B. our plant in Temecula, CA. Nonverified problems or defects may be subject to a $75 evaluation charge. Please return the original calibration data with the unit.

Obtaining Non-Warranty Service Advance authorization is required prior to the return to Transducer Techniques. Before returning the items, either write to the Repair Department c/o Transducer Techniques, 42480 Rio Nedo, Temecula, CA 92590, or call (909) 719-3965 with: 1) a model number; 2) a serial number for the defective product; 3) a technical description of the malfunction; 4) a purchase order number to cover Transducer Techniques' repair cost; and, 5) ship to and bill to addresses. After the product is evaluated by Transducer Techniques, we will contact you to provide the estimated repair costs before proceeding. The minimum evaluation charge is $75. Shipment to Transducer Techniques shall be at Buyer's expense and repaired items will be shipped to you F.O.B. our plant in Temecula, CA. Please return the original calibration data with the unit.

Repair Warranty All repairs of Transducer Techniques' products are warranted for a period of 90 days from the date of shipment. This warranty applies only to those items which were found defective and repaired; it does not apply to products in which no defect was found and returned as is, or merely recalibrated. Out of warranty products may not be capable of being returned to the exact original specifications or dimensions.

FOR TECHNICAL SUPPORT, CALL (909)719-3965 / FAX (909)719-3900 6

Load Cells Force/Torque Sensors TM

(800) 344-3965 (909) 719-3965 FAX (909) 719-3900

MADE IN U.S.A.

SEP/01

       

  Appendix 1.4  DI148 Data Acquisition Data sheet                     

DI-148U-SP Low Cost, Compact Data Acquisition Starter Kit Designed Specifically for use with String Pots Convenient USB Interface 2 String Pot Inputs plus 2 ±10V Analog inputs Six Bi-directional TTL Ports for General Purpose Control 10 Bit Resolution Up to 14,400 Hz Sample Rate

Features Easy to Connect and Use

Connects to any local laptop or desktop PC. Built-in excitation for up to two string pots. Two, built-in, 8 position screw terminal connectors allow easy and secure access to all signal I/O Model DI-148U-SP is similar to the connections without the need for extra general purpose model DI-148U, but is options. designed to connect directly to as many as two string pots for displacement Wide Sample Throughput measurements. Two general purpose Range inputs are also supported. When used Throughput ranges from sub-Hertz to with string pots, model DI-148U-SP over 14,400 Hertz allow the DI-148 to provides a complete solution, with a connect to a wide range of both static built-in, stable excitation supply that is and dynamic signals. exposed for each string pot channel.

Built-In, Bidirectional Port

A built-in bidirectional port allows programmable discrete inputs and outputs for control.

Free Data Acquisition Software

Our WINDAQ/Lite data acquisition software offers real time display and disk streaming for the Windows environment. Their real time display can operate in a smooth scroll or triggered sweep mode of operation, and can be scaled into any unit of measure. Event markers with comments allow you to annotate your data acquisition session with descriptive information as you’re Compact recording to disk. Like the DI-148U, the DI-148U-SP Small size—66L × 66W × 28H mm Raise your productivity to new heights supports a channel scan list, high (2.6L × 2.6W × 1.1H inches)—allows with WINDAQ’s unique multitasksample rate throughput, and a USB the DI-148 to fit comfortably in crowd- ing feature. Record waveform data to interface. These features combine to ed instrumentation cabinets, desktops, disk in the background while running produce a robust instrument that can be and other tight locations. any combination of programs in the applied to nearly any data acquisition foreground — even WINDAQ Playback Self Powered Advantage situation where pre amplified signals software to review and analyze the All DI-148 instruments derive their need to be acquired to a PC, and where waveform data as it’s being stored! power directly from the host PC displacement measurements using WINDAQ/Lite recording and playstring pots need to be made. Rounding eliminating the need for an external power adaptor and connections— back software is provided free with out the products are six bidirectional perfect for use in automotive and other every DI-148 purchase. WINDAQ/Lite TTL ports that may be used for general purpose control Sample rates may portable environments where power is recording software is limited to 240 unavailable. Hz sample rate when recording to disk. range from sub Hertz, to 14,400 Hz. The extra cost WINDAQ/Pro High Speed option allows you to record at rates up to the speed of the instrument. DATAQ Instruments, Inc. • 241 Springside Drive • Akron, Ohio 44333 • Tel: 330-668-1444 • Email: [email protected] • www.dataq.com

Specifications Analog Inputs

Number of Channels: 2 String Pot; 2 General Purpose Channel Configuration: Single-Ended Measurement range: String Pot Channels: 2.4VFS General Purpose Channels: ±10V Accuracy: 0.25% of FSR Resolution: String Pot Channels: ±7.4mV General Purpose Channels: ±19.5mV Input Impedance: 200KΩ Input bias current: 50µA for a 10V input, single channel Max. normal mode voltage: 40 Volts peak to peak Channel-to-channel crosstalk rejection: -60db Gain temperature coefficient: 100ppm/°C Offset temperature coefficient: .5µV/°C Digital filtering: Over-sampling, average Output Voltage (SP): 2.43 typical

A/D Characteristics

Type: Resolution: Monotonicity: Conversion Time:

Calibration

Calibration cycle: Calibration method:

Scanning Characteristics Max. throughput sample rate: Min. throughput sample rate: Max. scan list size: Sample buffer size:

14,400 0.0137334 Hz 6 entries 2kb

Digital I/O

Channels: Output voltage levels: Output current: Input voltage levels:

6 bi-directional ports Min. “1” 3V @ 2.5mA sourcing Max. “0” 0.4V @ 2.5mA sinking Max. source, -2.5 mA Max. sink, 2.5mA Min. required “1” 2V Max allowed “0” 0.8V

Calibration

Calibration cycle: Calibration method:

One year Digital calibration with scale and offset constant.

General

Successive approximation 10-bit ±2LSB 70µs

Input connectors: Operating Environment: Enclosure: Dimensions:

One year Digital calibration with scale and offset constant.

Weight: Power Requirements:

Two eight position terminal blocks 0°C to 70°C Molded ABS plastic. 2.6L × 2.6W × 1.1D inches 66L × 66W × 28D mm. 3 oz. (85 gr.) 80mA max. @ 5 VDC. No external power required. Power derived from communications cable.

DI-148U-SP Analog Input Diagram Screw Terminal

Field Side

2.4 Vref

SP1

SP2

2.4 Vref

To ADC

46.4K

General Purpose Analog In

CH3

200K

CH4

330pf

60.4K

2.4 Vref 46.4K

String Pot (SP) Resistance ≥ 5KΩ Excitation = 2.43 Nom. General Purpose Analog In = 10VFS

241 Springside Drive Akron, Ohio 44333 Phone: 330-668-1444 Fax: 330-666-5434 www.dataq.com

200K

60.4K

330pf

Ordering Guide Description DI-148U-SP Starter Kit Modified DI-148U designed to accept two string pot inputs and two general purpose inputs.

Order Number DI-148U-SP

Data Acquisition Product Links (click on text to jump to page)

Data Acquisition | Data Logger | Chart Recorder | Thermocouple | Oscilloscope DATAQ, the DATAQ logo, and WinDaq are registered trademarks of DATAQ Instruments, Inc. All rights reserved. Copyright © 2005 DATAQ Instruments, Inc. The information on this data sheet is subject to change without notice.

    Appendix 2.0  Block Diagram                       

IMFAST LabVIEW™ Block Diagram 

Mechatronics Final Year Project 2008 

1 Overview of the Vi 

 

IMFAST LabVIEW™ Block Diagram 

Mechatronics Final Year Project 2008 

2 Variables and Initial Settings   

         

IMFAST LabVIEW™ Block Diagram 

Mechatronics Final Year Project 2008 

3 Time Acquisition System  Same procedure is implemented for different timing light configurations  

3.1 Six Timing Gates to calculate the time 

 

IMFAST LabVIEW™ Block Diagram 

Mechatronics Final Year Project 2008 

3.2 Six Timing Gates to calculate the time (Continued) 

   

IMFAST LabVIEW™ Block Diagram 

Mechatronics Final Year Project 2008 

3.3 Six Timing Gates to Check the Connectivity of the gates 

 

IMFAST LabVIEW™ Block Diagram 

Mechatronics Final Year Project 2008 

3.4 Six Timing Gates to Check the Connectivity of the gates (Continued) 

 

IMFAST LabVIEW™ Block Diagram 

Mechatronics Final Year Project 2008 

4 Force Acquisition System  4.1 Hold the program in until the start key is pressed 

         

IMFAST LabVIEW™ Block Diagram 

Mechatronics Final Year Project 2008 

4.2 Initialization 

           

IMFAST LabVIEW™ Block Diagram 

Mechatronics Final Year Project 2008 

4.3 Acquisition Start 

           

IMFAST LabVIEW™ Block Diagram 

Mechatronics Final Year Project 2008 

4.4 Data Acquisition, Sound Generation and Plot   

       

IMFAST LabVIEW™ Block Diagram 

Mechatronics Final Year Project 2008 

4.5 Acquisition Stop 

           

IMFAST LabVIEW™ Block Diagram 

Mechatronics Final Year Project 2008 

4.6 Port Close   

         

IMFAST LabVIEW™ Block Diagram 

Mechatronics Final Year Project 2008 

5 Parameter Calculation   

           

IMFAST LabVIEW™ Block Diagram 

Mechatronics Final Year Project 2008 

6 User Prompt  User prompt to enter user information 

     

IMFAST LabVIEW™ Block Diagram 

Mechatronics Final Year Project 2008 

6.1 System Time 

       

IMFAST LabVIEW™ Block Diagram 

Mechatronics Final Year Project 2008 

6.2 Save the user details to a String 

       

IMFAST LabVIEW™ Block Diagram 

Mechatronics Final Year Project 2008 

6.3 Error notification menus 

  Error Notifications menus if the user didn’t enter the COM port values and the distances between timing lights. 

IMFAST LabVIEW™ Block Diagram 

Mechatronics Final Year Project 2008 

7 File Save  7.1 Build a string of the data to be saved   

         

IMFAST LabVIEW™ Block Diagram 

Mechatronics Final Year Project 2008 

7.2 Open the folder under Player Name 

           

IMFAST LabVIEW™ Block Diagram 

Mechatronics Final Year Project 2008 

7.3 Save the array of data to the file   File is Name is created under the session name and the data with “.xls” format   

         

IMFAST LabVIEW™ Block Diagram 

Mechatronics Final Year Project 2008 

8 File Read 

  The same Vi is used to read two separate files 

IMFAST LabVIEW™ Block Diagram 

Mechatronics Final Year Project 2008 

9 Tab Controls  9.1 Settings Tab 

 

IMFAST LabVIEW™ Block Diagram 

Mechatronics Final Year Project 2008 

9.2 Real­Time Tab 

       

IMFAST LabVIEW™ Block Diagram 

Mechatronics Final Year Project 2008 

9.3 Offline Tab

 

IMFAST LabVIEW™ Block Diagram 

Mechatronics Final Year Project 2008 

9.4 Comparison Tab  Set the color &  Values with the  cursor movement  of the Vel/Acc  graphs 

 

    Appendix 3.0  Generated Excel File                     

 

User Details Name:Mervin Height:180.000000 Weight:65.000000 Session:Reun 1 Notes:Run 1

Force Values in N

Date:9/25/2008 5:28:47 PM

51

51

51

47

49

0.28

0.43

0

0

0

 Distance between each gate

2

2

0

0

0

Acceleration

0

25.5102 10.81666 NaN

NaN

NaN

Velocity

0 7.142857 4.651163 NaN

NaN

NaN

Time between each gate

10

13

10

11

133

136

142

201

201

196

4

6

6

6

197

208

    Appendix 4.1  DI148 COM port identification procedure                       

IMFAST Report

Appendix 4.1 DI148 COM port identification procedure

DI148 COM port identification procedure Step 1 Right click on the My Computer Icon to access the System Properties.

IMFAST Report

Appendix 4.1 DI148 COM port identification procedure

Step 2 Select Device Manager in the Hardware sub tab

IMFAST Report

Appendix 4.1 DI148 COM port identification procedure

Step 3 Select the Ports (COM & LPT) menu to identify the COM port number in DATAQ DI148-U

    Appendix 4.2  Data Acquisition in LabVIEW using  ActiveX controls                     

Data Acquisition Using LabVIEW and DATAQ Instruments’ ActiveX Controls By Ioan S. Popescu DATAQ Instruments

LabVIEW is a popular programming environment for many data acquisition applications. DATAQ Instruments hardware products may be programmed under LabVIEW by applying our ActiveX software tools. This application note describes a step-by-step procedure you can use to access any DATAQ Instruments ActiveX control from LabVIEW. This procedure uses the WinDaq control which allows data acquired by WINDAQ® Acquisition software to be simultaneously made available to LabVIEW. 1. Open a new LabVIEW project (this is usually the default when LabVIEW starts up). 2. Select the Sequence Structure:

The sequence structure forces the diagrams to execute in a particular order and separate the diagram into logical execution blocks. In this example, the sequence structure will be used to “start” the WinDaq control before it is used.

Product Links: Data Acquisition | Data Logger | Chart Recorder | Thermocouple | Oscilloscope

1

Data Acquisition Using LabVIEW and ActiveX Controls

3. Insert the selected sequence structure into the Diagram window:

The Diagram window is the source code of the project. The diagram drawn in this window will determine what gets executed, in what order, etc. This is the “behind-the-scenes” work that runs the Front Panel.

2

Product Links: Data Acquisition | Data Logger | Chart Recorder | Thermocouple | Oscilloscope

Data Acquisition Using LabVIEW and ActiveX Controls

4. Insert an ActiveX Container into the Front Panel:

The Front Panel is what will become the User Interface. The ActiveX container is necessary to insert an ActiveX control into LabVIEW. ActiveX controls work on the basis of server-client relationships. Refer to the “Introduction to ActiveX” secondary topic in the LabVIEW online help documentation for a description of how LabVIEW works with ActiveX controls. This section can be found by searching for “ActiveX, introduction” in the index. 5. Right-click the container and select Insert ActiveX Object….

Product Links: Data Acquisition | Data Logger | Chart Recorder | Thermocouple | Oscilloscope

3

Data Acquisition Using LabVIEW and ActiveX Controls

6. Scroll to find WinDaq Control select it, and click OK.

This will give you a list of all currently available ActiveX controls on the system. 7. In the Diagram window, right-click the newly created control, select Show then Label to display what it is.

This will make it easier to identify what the object/picture represents.

4

Product Links: Data Acquisition | Data Logger | Chart Recorder | Thermocouple | Oscilloscope

Data Acquisition Using LabVIEW and ActiveX Controls

8. Click the Wiring tool in the Tools toolbox.

The wiring tool can be used to create “paths” that are to be followed during the execution of the program. These paths tell LabVIEW to take information from one object and send it to another object. 9. Connect the WinDaq Control to the Sequence.

This will make the WinDaq control available to all frames within the sequence. 10. In the Front Panel, insert a Horizontal Slide from the Controls toolbox.

The horizontal slide will be used to select the channel to “watch” (i.e., the channel from which data will be read and displayed onscreen).

Product Links: Data Acquisition | Data Logger | Chart Recorder | Thermocouple | Oscilloscope

5

Data Acquisition Using LabVIEW and ActiveX Controls

11. In the Tools toolbox, click on the Operate Value tool.

This tool allows you to change some of the object’s properties. This tool is used at runtime to operate the controls in the Front Panel. 12. Now change the slider’s values from 1 to 2. Then, right-click and change the Representation to I16 (Word).

To change the values, click on them and type in new values. The representation is changed to I16(Word) because that is the underlying integer type that most closely matches the WinDaq control’s property that will be used to determine the channel. The data types used by a specific property or method can be found in the ActiveX Controls Help file provided on the DATAQ website.

6

Product Links: Data Acquisition | Data Logger | Chart Recorder | Thermocouple | Oscilloscope

Data Acquisition Using LabVIEW and ActiveX Controls

13. Insert a Digital Indicator.

This indicator will only display information to the user, not allow them to change it. This indicator will display the total number of channels. 14. Insert another Digital Indicator. This indicator will display the actual data coming from the WinDaq control. 15. Right-click on each control and label them as follows:

After clicking Label, start typing to set the label.

Product Links: Data Acquisition | Data Logger | Chart Recorder | Thermocouple | Oscilloscope

7

Data Acquisition Using LabVIEW and ActiveX Controls

16. In the Diagram window on the Functions toolbox, click Communication then ActiveX then Invoke Node.

An Invoke Node is an object that calls a method from an ActiveX control. It allows you to give it any data it may need to pass to the method as well as return the results of the method call. 17. Insert the object inside the sequence and connect a wire from the WinDaq Control (connected to the sequence using the black square on the sequence) to the Reference point of the Invoke Node.

This will allow the Invoke Node to “know” what methods are available, what data needs to be sent, and what data will be returned.

8

Product Links: Data Acquisition | Data Logger | Chart Recorder | Thermocouple | Oscilloscope

Data Acquisition Using LabVIEW and ActiveX Controls

18. Right-click the Invoke Node and select the Start method.

The Start method tells the WinDaq control to start acquiring data. 19. Right-click the Sequence, then click Add Frame After.

Product Links: Data Acquisition | Data Logger | Chart Recorder | Thermocouple | Oscilloscope

9

Data Acquisition Using LabVIEW and ActiveX Controls

This will add a separate “block” to draw diagrams which will execute after the previous frame. 20. Insert a Property Node inside the Sequence and connect it to the WinDaq Control with a wire.

21. Use the Arrow tool to move the Channel Count object inside the Sequence frame.

10

Product Links: Data Acquisition | Data Logger | Chart Recorder | Thermocouple | Oscilloscope

Data Acquisition Using LabVIEW and ActiveX Controls

22. Right-click the Property Node and select the ChannelCount property.

The ChannelCount property returns the total number of channels available to read data from. 23. Right-click the Channel Count object and change its Representation to I16.

Product Links: Data Acquisition | Data Logger | Chart Recorder | Thermocouple | Oscilloscope

11

Data Acquisition Using LabVIEW and ActiveX Controls

24. Right-click the Channel Selected object and create an Attribute Node.

An Attribute Node is “connected” to its parent object and allows you to change the parent’s properties when the program is running. 25. Move this node inside the sequence. Right-click it and change its property to Maximum.

12

Product Links: Data Acquisition | Data Logger | Chart Recorder | Thermocouple | Oscilloscope

Data Acquisition Using LabVIEW and ActiveX Controls

26. Using the Wiring tool, create wires to connect the objects inside the sequence as follows:

The Attribute Node sets the maximum value of the Channel Selected object. This in turn will prevent the user from trying to read data from a channel that is out-of-bounds. The Channel Count indicator will also display the total number of channels. 27. Add another frame after this one to the sequence. 28. Insert a While Loop inside the sequence.

Since events are not supported in the version of LabVIEW this example was created with, a while loop will be used to continuously ask for data from the WinDaq ActiveX control.

Product Links: Data Acquisition | Data Logger | Chart Recorder | Thermocouple | Oscilloscope

13

Data Acquisition Using LabVIEW and ActiveX Controls

29. Insert an Invoke Node object into the while loop. Move the Channel Selected object and Data object into the while loop.

By moving the objects inside the while loop, they will be executed (along with any other steps inside) with every “round” of the while loop. 30. Create a wire to connect the Invoke Node to the WinDaq Control. Then, right-click it and select the GetScaledData method.

14

Product Links: Data Acquisition | Data Logger | Chart Recorder | Thermocouple | Oscilloscope

Data Acquisition Using LabVIEW and ActiveX Controls

The GetScaledData method will be used to get the data from WinDaq in calibrated engineering units as specified in the software. Refer to the ActiveX Controls Help file for further information on properties and methods of the ActiveX controls. 31. Insert a Decrement object to decrement the signal from the Channel Selected object to the Data object and connect it as follows:

The Channel Selected object will allow the user to select a channel (1 through Maximum). The object will return the user’s selection, but the actual channel is one less because the WinDaq control enumerates the channels zero-based (starting with zero rather than 1).

Product Links: Data Acquisition | Data Logger | Chart Recorder | Thermocouple | Oscilloscope

15

Data Acquisition Using LabVIEW and ActiveX Controls

32. Connect the Channel Selected object and the Data object as follows:

This will allow the Channel Selected to select which channel to get data from and the data returned by GetScaledData will be displayed in the Data indicator. 33. Insert a Boolean Constant, set it to true using the Operate Value tool by clicking on the object after it is inserted, and connect it to the Conditional Terminal of the while loop.

This will cause the while loop to run forever or until the program is forcefully stopped by clicking the Stop button. Normally, a Boolean control is used here so that the program may finish properly. 34. Add another frame, after this one, to the Sequence.

16

Product Links: Data Acquisition | Data Logger | Chart Recorder | Thermocouple | Oscilloscope

Data Acquisition Using LabVIEW and ActiveX Controls

35. Insert an Invoke Node object in the sequence and connect it to the WinDaq Control. Change its method to Stop.

This method tells the WinDaq control to stop acquiring data. This will not be executed as it should because the while loop will never terminate to get to this step. When the program is forcefully stopped, it doesn’t go on to this frame. 36. Start WinDaq as usual, then go back to LabVIEW, in the Front Panel, and run the project.

You should see the Data indicator displaying the same data as the WinDaq acquisition software. Changing the channel using the Channel Selected object will show the data for that channel.

Product Links: Data Acquisition | Data Logger | Chart Recorder | Thermocouple | Oscilloscope

17

    Appendix 4.3  IAAF Standards                           

SCALE - 1:250

200m STANDARD INDOOR TRACK KEY ST ZE ZM ZS

CONSTRUCTION MEASUREMENTS*

Start End of take-over zone (10m after ZM) Middle of take-over zone Start of take-over zone (10m before ZM)

m

TRACK MARKINGS

Construction radius of curve (including the raised kerb on inside of track)

17.200

Width of all marks: 0.05m

Radius of measurement line (line of running) in lane 1 (0.30m outside raised kerb)

17.496

Inclination angle of banking

10.000°

Distance between centres of constant banked bends

44.990

OVAL TRACK

Length of each straight section

35.688

White

Full track width

Finish

All events

A

Length of each ascending / descending section on construction line (kerb line)

19.750

Full lane width

ST

200m

A

Length of each ascending / descending section along line of running

20.012

Curve (full track width)

ST

Length of each quarter of constant banked bend on construction line (kerb line)

11.939

Length of each quarter of constant banked bend along line of running

12.144

1000m, 3000m, 5000m 1 mile 1500m

A A C

Length of track on construction line (kerb line)

198.132

White with green inset

Full lane width, 0.30 in the middle

ST

800m, 4x800m=ZM 4x200m 2nd athletes

A

Length of track along line of running

200.000

White with blue* inset

Full lane width, 0.30 in the middle

ST

400m, 4x400m

A

Width of lanes - oval (including 0.05m on outside)

0.900

A

Width of lanes - infield straight (including 0.05m on the right side)

1.220

Colour

Symbol

Marking of start, relay and hurdle positions: With measuring tape on straights and, ascending & descending parts of the track only; with theodolite on the constant inclination bends according to the centre angles of the nominal arc segments.

Stage

Marking Plan Area

Event

White with yellow inset

Full lane width, 0.30 in the middle

ST

4x200m

Blue*

0.60 in the middle

ZE

For Relay races or parts of races not run in lanes

10m after finish line, parallel to finish line in lanes 2 to 5

With the exception of lane 1, all lanes are measured 0.20m out from the outer edge of the inner line. All race distances are measured in a clockwise direction from the edge of the finish line nearer to the start to the edge of the appropriate line farther from the finish.

Size m, Position

e.g. 4x400m 2nd, 3rd, 4th athletes

10m before finish line in lanes 2 to 6

ZS

Yellow**

0.80 from inner line, hook in 45°, outside 0.15

ZE

4x200m 2nd athletes

Yellow**

0.80 from inner line, hook in 45°, outside 0.15

ZS

4x200m 2nd athletes

Green

Curve, lanes 2 to 6

Breakline

A A

400m, 4x400m 800m, 4x200m, 4x800m

B D

STRAIGHT TRACK

Marking with measuring tape on bends only as a backup method: E.g. checking, correcting and supplementing. In each lane, always measure from the start (A,C) or end (B,D) of the arc.

White

Full track width

Finish

1.17 (full lane width)

* See full details in 8.2 and 8.3

ST

All events 50m 60m

* For blue coloured tracks, red should be used ** Blue in lane 1

Lane staggers in m, measurement line distance 0.20m from lane line (Width of lanes 0.90) Distance on Line of Running

Marking Plan Area

Bends Run in Lanes

Lane 2

Lane 3

Lane 4

Lane 5

HURDLE POSITIONS

Lane 6 Colour

Symbol

Size m, Position

Event

Number of Hurdles

Distance from Start Line to First Hurdles m

Distance between Hurdles m

Distance from Last Hurdles to Finish Line m 13.00

200

A

2

4,983

10,589

16,198

21,809

27,423

400, 4x400

A

1

4,992

10.630

16,293

21,981

27,695

Yellow

0.05x0.10 both sides

60m H Women

5

13.00

8.50

800

A

1

2.500

5,335

8,194

11,077

13,984

Blue*

0.05x0.10 both sides

60m H Men

5

13.72

9.14

9.72

4x200

A

3

7.483

15.924

24.392

32.885

41.406

Orange

0.05x0.10 both sides

50m H Women

4

13.00

8.50

11.50

Green

0.05x0.10 both sides

50m H Men

4

13.72

9.14

8.86

Figure 8.3.6c - Marking plan for the IAAF 200m Standard Indoor Track

* For blue coloured tracks, red should be used

© IAAF 2008