采用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結構及部分軟件編寫(xiě)流程，著(zhù)重分析了測試儀的測力方法以及使用光電編碼器進(jìn)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(shí)時(shí)監控、數據保存和復現、測試數據離線(xiàn)分析等功能。實(shí)驗證明，該測試儀具有測量準確、穩定性高及操控界面友好等優(yōu)點(diǎn)。

1 引言

　　隨著(zhù)體育訓練科學(xué)化水平的不斷提高，人體專(zhuān)項力量訓練的必要性日益受到重視。通過(guò)對大量實(shí)際運動(dòng)測試數據的總體分析發(fā)現，所有從事跑、跳運動(dòng)項目和以跑、跳為基礎運動(dòng)項目的運動(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、跳運動(dòng)產(chǎn)生動(dòng)力所必需的專(zhuān)項力量。因此，設計開(kāi)發(fā)一套實(shí)用準確的髖作用力測試儀，對于教練精確量化運動(dòng)員的訓練效果，以及合理制定有針對性的訓練方案，進(jìn)而最終提高運動(dòng)員比賽成績(jì)，有著(zhù)極其重要的參考價(jià)值。

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

　　該髖作用力測試儀主要實(shí)現以下功能：

　　(1)測量運動(dòng)員腿部下蹬作用力實(shí)時(shí)力量值；

　　(2)測量運動(dòng)員腿部與下蹬作用力同步的實(shí)時(shí)速度值；

　　(3)通過(guò)上位機實(shí)時(shí)顯示上述作用力、速度以及功率的具體數值和曲線(xiàn)；

　　(4)具備數據復現功能?？梢员４娌⒈葘y試數據。

2 系統總體結構

　　髖作用力測試儀結構框圖如圖l所示。系統由數據采集處理電路、控制中心和上位機實(shí)時(shí)數據、曲線(xiàn)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(guò)單片機自身集成的10位高速A/D轉換器，將力量值轉化為控制系統可用的數字量。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字脈沖量經(jīng)單片機運算處理后，得出作用力的實(shí)時(shí)線(xiàn)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(yáng)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，片內集成7通道 10位電壓模數轉換器(ADC)和單通道聲音模數轉換器，并具有豐富的中斷資源，特別適用于實(shí)時(shí)性要求嚴格的控制系統。串口電平轉換電路完成RS232電平標準和單片機電平標準的轉換，以實(shí)現測試儀和上位機的實(shí)時(shí)全雙工數據通信。用戶(hù)可通過(guò)上位機控制程序實(shí)時(shí)觀(guān)測和保存訓練數據，并能夠設定測試儀的相關(guān)參數。

3 數據的采集和處理

　　髖作用力測試儀需要測量和顯示的數據主要包括髖作用力、與作用力相應的瞬時(shí)速度值和功率值。其中，髖作用力數據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(xiàn)性化處理后，送至SPCE061A內部集成的ADC完成數模轉換。

　　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(shí)，將產(chǎn)生位移和應變，同時(shí)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(guò)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換為電橋輸出電壓的變化。由圖可知，電橋的輸出電壓為