基于SPCE061A單片機(jī)的髖作用力測試儀設(shè)計(jì)

　　即電橋輸出電壓Uo與電阻應(yīng)變片阻值變化△Rl成線性關(guān)系。結(jié)合前述可知，電橋輸出電壓Uo的變化反映了作用力大小的變化。從而通過測量電橋輸出電壓Uo，就能實(shí)現(xiàn)對作用力大小的檢測。

　　力傳感器輸出的電壓信號Uo通過變送器的放大和線性化處理，由雙端輸入信號Uo轉(zhuǎn)變?yōu)閱味溯敵鲂盘朥sample。模擬電壓Usample與被測作用力線性相關(guān)，送至后續(xù)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(ADC)完成模數(shù)變換。變送器中的精密變送放大電路一般采用三運(yùn)放差動放大電路，具有較高的輸入阻抗和共模抑制比，并通過內(nèi)部的阻容耦合電路有效減小了溫度漂移，保證了測量的精確度。

3.1.2 髖作用力測量方法

　　力采集電路輸出 Usample是電壓模擬量，需要經(jīng)過ADC，變換為系統(tǒng)控制核心—單片機(jī)可以使用的數(shù)字量。SPCE061A內(nèi)部集成有8通道10位高速A/D轉(zhuǎn)換器，本系統(tǒng)選用單通道I/O A0作為A/D轉(zhuǎn)換的模擬電壓輸入。A/D轉(zhuǎn)換的參考電壓Vref可以采用單片機(jī)系統(tǒng)自帶的Vdd，也可以通過軟件設(shè)置使用外部參考電壓。考慮到該測試儀的測力量程為0kg~300kg，力采集電路對應(yīng)的模擬電壓輸出O V~3V，模擬電壓信號符合SPCE061A自帶A/D轉(zhuǎn)換器的輸入要求。因此，A/D轉(zhuǎn)換參考電壓采用系統(tǒng)默認(rèn)的Vdd。將Usample連接至 SPCE061A的I/O A0端，即可進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的A/D轉(zhuǎn)換頻率設(shè)置為l kHz，髖作用力F可表示為：

　　式中：Mmax是測試儀所測作用力的最大量程，g是重力加速度值，Umax是力采集電路輸出的模擬電壓最大值，AD_Data是力采集電路輸出 Usample經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后得到的10位數(shù)字量，AD_Max是10位A/D轉(zhuǎn)換器參考電壓Uref所對應(yīng)的數(shù)字量，此處為0x03FF。實(shí)際編程中，為了降低采樣過程瞬態(tài)誤差的干擾，運(yùn)用了算術(shù)均值濾波的方法，即最終顯示的作用力F通過對10次采樣的作用力求算術(shù)平均值取得。

　　3.2 速度測量

　　本測試儀中，與髖作用力同步的速度值和作用力方向由光電編碼器、鑒相電路和相應(yīng)軟件計(jì)數(shù)器求得。

　　3.2.1 光電編碼器測速原理

　　光電編碼器是一種數(shù)字式角度傳感器，它能將角位移轉(zhuǎn)化成相應(yīng)數(shù)量的電壓脈沖信號，主要用于機(jī)械轉(zhuǎn)角位置和旋轉(zhuǎn)速度的檢測和控制。本測試儀選用的ZKX-6- 50BM7型增量式光電縮碼器是一款高精度角位移傳感器，轉(zhuǎn)動軸每旋轉(zhuǎn)一周分兩路輸出500個(gè)電壓脈沖信號Out_A和Out_B。其中，Out_A和 Out_B兩路信號相位差為90°。

　　將光電編碼器輸出接至單片機(jī)的外部中斷IRQ3，則轉(zhuǎn)動引起的每一個(gè)電壓脈沖都會觸發(fā)單片機(jī)外部中斷。通過編制單片機(jī)外部中斷子函數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)對光電編碼器輸出脈沖個(gè)數(shù)的準(zhǔn)確計(jì)算，經(jīng)換算后即得轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)過的精確角位移。

　　因此，計(jì)算固定時(shí)間段內(nèi)光電編碼器的角位移，就可求得轉(zhuǎn)動軸的角速率，結(jié)合光電編碼器同軸轉(zhuǎn)盤的半徑，就可算得與髖作用力同步的線速度值。實(shí)際編程中，選用單片機(jī)內(nèi)部512 Hz的時(shí)基中斷產(chǎn)生固定時(shí)間段，即計(jì)算每個(gè)時(shí)間間隔t=l/512 s內(nèi)光電編碼器的輸出脈沖個(gè)數(shù)，從而求得速度。設(shè)v為t時(shí)間內(nèi)的平均速度，由于固定時(shí)間段足夠小，所以將瞬時(shí)速度近似為平均速度v，則

　　式中：s為t時(shí)間內(nèi)被測對象產(chǎn)生的位移；n為固定時(shí)間間隔內(nèi)(1/512 s)光電編碼器輸出的脈沖數(shù)；ι為光電編碼器同軸轉(zhuǎn)盤的周長，N為光電編碼器旋轉(zhuǎn)一周輸出的脈沖數(shù)，此處N=500。

　　3.2.2 速度鑒相的方法

　　髖作用力檢測過程中，光電編碼器的轉(zhuǎn)向說明訓(xùn)練者髖部是主動發(fā)力或是被動受力。因此，光電編碼器轉(zhuǎn)向的判別是本測試儀必須具備的基本功能。通過對光電編碼器所輸出的相位差90°的兩路電壓脈沖信號0ut_A和Out_B進(jìn)行鑒相，就能夠判別轉(zhuǎn)盤正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。具體鑒相電路原理如圖3所示。

　　光電編碼器輸出的Out_A和Out_B分別接至D觸發(fā)器時(shí)鐘端Clk和控制端D。根據(jù)D觸發(fā)器的功能定義，在輸入時(shí)鐘信號Out_A的每個(gè)脈沖上跳沿，觸發(fā)器的輸出W2被控制端D的輸入信號Out_B置位。圖4示意了光電編碼器正轉(zhuǎn)時(shí)，Out_A、Out_B的信號波形和鑒相電路的輸出。

　　正轉(zhuǎn)時(shí)，Out_A信號的相位超前Out_B信號90°，w1輸出始終為高電平。反轉(zhuǎn)時(shí)，Out_A信號的相位延后Out_B信號90°,W1輸出始終為低電平。因此,通過讀取W1的電壓高低，就可以判別光電編碼器的轉(zhuǎn)向。