基于SPCE061A單片機的髖作用力測試儀設計

摘要：介紹了基于SPCE061A單片機的髖作用力測試儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及部分軟件編寫流程，著重分析了測試儀的測力方法以及使用光電編碼器進行測速和鑒相的原理。測試儀以SPCE061A單片機為控制核心，配有串行通信口，具備上位機實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)保存和復現(xiàn)、測試數(shù)據(jù)離線分析等功能。實驗證明，該測試儀具有測量準確、穩(wěn)定性高及操控界面友好等優(yōu)點。

1 引言

　　隨著體育訓練科學化水平的不斷提高，人體專項力量訓練的必要性日益受到重視。通過對大量實際運動測試數(shù)據(jù)的總體分析發(fā)現(xiàn)，所有從事跑、跳運動項目和以跑、跳為基礎(chǔ)運動項目的運動員，其向后蹬伸力量均明顯小于向下或向前蹬伸力量。而向后蹬伸力量恰恰是跑、跳運動產(chǎn)生動力所必需的專項力量。因此，設計開發(fā)一套實用準確的髖作用力測試儀，對于教練精確量化運動員的訓練效果，以及合理制定有針對性的訓練方案，進而最終提高運動員比賽成績，有著極其重要的參考價值。

　　本文所介紹的髖作用力測試儀以凌陽公司推出的16位單片機SPCE061A為核心部件，綜合借鑒現(xiàn)有技術(shù)，通過對測試儀軟硬件設計的合理規(guī)劃，充分發(fā)揮單片機自身集成眾多系統(tǒng)級功能單元的優(yōu)勢，有效降低了硬件成本，具有很高的可靠性和穩(wěn)定性。

　　該髖作用力測試儀主要實現(xiàn)以下功能：

　　(1)測量運動員腿部下蹬作用力實時力量值；

　　(2)測量運動員腿部與下蹬作用力同步的實時速度值；

　　(3)通過上位機實時顯示上述作用力、速度以及功率的具體數(shù)值和曲線；

　　(4)具備數(shù)據(jù)復現(xiàn)功能?？梢员４娌⒈葘y試數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　髖作用力測試儀結(jié)構(gòu)框圖如圖l所示。系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集處理電路、控制中心和上位機實時數(shù)據(jù)、曲線顯示3部分組成。

　　作用力采集電路將髖作用力以模擬量的形式傳遞至單片機I/O口。通過單片機自身集成的10位高速A/D轉(zhuǎn)換器，將力量值轉(zhuǎn)化為控制系統(tǒng)可用的數(shù)字量。速度采集電路由光電編碼器和鑒相電路組成。光電編碼器輸出的數(shù)字脈沖量經(jīng)單片機運算處理后，得出作用力的實時線速率，鑒相電路則向單片機提供了該作用力的方向。微控制器采用凌陽16位單片機SPCE061A，其最高工作頻率為49.15MHz，32位可編程多功能I/O端口方便連接各種外設，片內(nèi)集成7通道 10位電壓模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和單通道聲音模數(shù)轉(zhuǎn)換器，并具有豐富的中斷資源，特別適用于實時性要求嚴格的控制系統(tǒng)。串口電平轉(zhuǎn)換電路完成RS232電平標準和單片機電平標準的轉(zhuǎn)換，以實現(xiàn)測試儀和上位機的實時全雙工數(shù)據(jù)通信。用戶可通過上位機控制程序?qū)崟r觀測和保存訓練數(shù)據(jù)，并能夠設定測試儀的相關(guān)參數(shù)。

3 數(shù)據(jù)的采集和處理

　　髖作用力測試儀需要測量和顯示的數(shù)據(jù)主要包括髖作用力、與作用力相應的瞬時速度值和功率值。其中，髖作用力數(shù)據(jù)的采集由力傳感器和配套變送器完成，瞬時速度的采集由光電編碼器和鑒相電路完成。功率則可由作用力和速度的乘積求得。

　　3.1 髖作用力測量

　　髖作用力由力傳感器采集，其模擬電壓信號經(jīng)變送器放大和線性化處理后，送至SPCE061A內(nèi)部集成的ADC完成數(shù)模轉(zhuǎn)換。

　　3.1.1 力傳感器工作原理

　　本測試儀采用電阻應變式力傳感器完成髖作用力采集。電阻應變式力傳感器由彈性敏感元件和電阻應變片組成。當彈性敏感元件受到被測力作用時，將產(chǎn)生位移和應變，同時使粘貼在彈性敏感元件上的電阻應變片的阻值發(fā)生變化。因此，通過測量電阻應變片的阻值變化，就可以確定被測作用力的大小。力采集電路內(nèi)部等效原理圖如圖2所示。

　　其中，Rl是粘貼在彈性敏感元件上的電阻應變片。R1~R4組成單臂式直流電橋，將橋電路中電阻的變化轉(zhuǎn)換為電橋輸出電壓的變化。由圖可知，電橋的輸出電壓為