基于SPCE061A單片機(jī)的髖作用力測(cè)試儀設(shè)計(jì)

摘要：介紹了基于SPCE061A單片機(jī)的髖作用力測(cè)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(cè)試儀的測(cè)力方法以及使用光電編碼器進(jìn)行測(cè)速和鑒相的原理。測(cè)試儀以SPCE061A單片機(jī)為控制核心，配有串行通信口，具備上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)保存和復(fù)現(xiàn)、測(cè)試數(shù)據(jù)離線分析等功能。實(shí)驗(yàn)證明，該測(cè)試儀具有測(cè)量準(zhǔn)確、穩(wěn)定性高及操控界面友好等優(yōu)點(diǎn)。

1 引言

　　隨著體育訓(xùn)練科學(xué)化水平的不斷提高，人體專項(xiàng)力量訓(xùn)練的必要性日益受到重視。通過對(duì)大量實(shí)際運(yùn)動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)的總體分析發(fā)現(xiàn)，所有從事跑、跳運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目和以跑、跳為基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)產(chǎn)生動(dòng)力所必需的專項(xiàng)力量。因此，設(shè)計(jì)開發(fā)一套實(shí)用準(zhǔn)確的髖作用力測(cè)試儀，對(duì)于教練精確量化運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練效果，以及合理制定有針對(duì)性的訓(xùn)練方案，進(jìn)而最終提高運(yùn)動(dòng)員比賽成績(jī)，有著極其重要的參考價(jià)值。

　　本文所介紹的髖作用力測(cè)試儀以凌陽公司推出的16位單片機(jī)SPCE061A為核心部件，綜合借鑒現(xiàn)有技術(shù)，通過對(duì)測(cè)試儀軟硬件設(shè)計(jì)的合理規(guī)劃，充分發(fā)揮單片機(jī)自身集成眾多系統(tǒng)級(jí)功能單元的優(yōu)勢(shì)，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(cè)試儀主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

　　(1)測(cè)量運(yùn)動(dòng)員腿部下蹬作用力實(shí)時(shí)力量值；

　　(2)測(cè)量運(yùn)動(dòng)員腿部與下蹬作用力同步的實(shí)時(shí)速度值；

　　(3)通過上位機(jī)實(shí)時(shí)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(fù)現(xiàn)功能。可以保存并比對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　髖作用力測(cè)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(jī)實(shí)時(shí)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(jī)I/O口。通過單片機(jī)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(jī)運(yùn)算處理后，得出作用力的實(shí)時(shí)線速率，鑒相電路則向單片機(jī)提供了該作用力的方向。微控制器采用凌陽16位單片機(jī)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(shè)，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(shí)時(shí)性要求嚴(yán)格的控制系統(tǒng)。串口電平轉(zhuǎn)換電路完成RS232電平標(biāo)準(zhǔn)和單片機(jī)電平標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn)測(cè)試儀和上位機(jī)的實(shí)時(shí)全雙工數(shù)據(jù)通信。用戶可通過上位機(jī)控制程序?qū)崟r(shí)觀測(cè)和保存訓(xùn)練數(shù)據(jù)，并能夠設(shè)定測(cè)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(cè)試儀需要測(cè)量和顯示的數(shù)據(jù)主要包括髖作用力、與作用力相應(yīng)的瞬時(shí)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(shí)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(cè)量

　　髖作用力由力傳感器采集，其模擬電壓信號(hào)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(cè)試儀采用電阻應(yīng)變式力傳感器完成髖作用力采集。電阻應(yīng)變式力傳感器由彈性敏感元件和電阻應(yīng)變片組成。當(dāng)彈性敏感元件受到被測(cè)力作用時(shí)，將產(chǎn)生位移和應(yīng)變，同時(shí)使粘貼在彈性敏感元件上的電阻應(yīng)變片的阻值發(fā)生變化。因此，通過測(cè)量電阻應(yīng)變片的阻值變化，就可以確定被測(cè)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(yīng)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