神经-运动反应的无线测量系统的研究和实现

摘要：介绍了一种基于加速度传感器ADXL105和无线数传模块的运动员起跑反应时测量系统的设计和实现。该系统通过以89C2051为核心的前端反应时测量装置实时采集运动员的反应时，然后通过无线数传模块将运动员反应时传送到PC机进行显示，并对该反应时进行记录处理，绘制成运动员反应时曲线图。 关键词：单片机 加速度传感器 反应时 测量系统 无线数据传输 反应时是指刺激施于有机体之上到有机体明显的反应开始所需要的时间，即刺激与反应之间的时间间隔。目前我国对运动员反应能力的测定，大多是通过简单的声光反应时测定仪，或者是通过计算机模块测定仪对运动员进行反应能力的测试。但是这些测试方法受外界环境和人的主观心理因素的影响较大，误差大，不能准确客观地反映运动员在运动中的神经反应能力。 本文实现了一个研究并测量运动员（听觉）神经-运动反应时的系统，以提高运动员听发令枪后的起跑速度。本测量系统所采用的方法在国内处于领先水平，与之前的起跑反应时模拟测定仪相比，不但可以在运动场上直接、精确地测定运动员的起跑反应时，而且还可以对反应时进行分析和综合，促进对运动员反应时的研究以及提高运动员的训练水平，为运动员的选材和训练提供科学的参考依据。 1 系统结构及其原理 1．1 系统结构 本系统主要实现（听觉）神经-运动反应时的测定。方法是通过声音传感器检测发令枪的声音，用加速度传感器检测运动员起跑的时刻，并将运动员听到发令枪到起跑所需要的时间，通过无线数据传输模块传送到基站进行记录和处理。本系统由反应时测定模块、通信模块、数据记录处理模块三部分组成。系统的结构如图1所示。 反应时测定模块是用单片机作为核心部件，再加上声音传感器和加速度传感器检测电路组成的。通过单片机的内部计数器记录运动员的起跑反应时并将记录的数据按照一定的格式编码，通过串行口发送到无线发送模块与PC机，实现无线通信。 通信模块主要完成无线数据的传输，用PTR2000无线数传模块实现。 数据记录处理模块通过串行通信的方式接收无线数传模块传输的数据接收，并送到PC机构成的基站进行处理、显示和记录。 1．2 系统设计基本原理 （1）测试准备和系统自检 反应时测量模块上设置一个按钮，在每次测量前，按此按钮后系统则开始自检，通过单片机检查与之相连的各个部件的状态（如存储器、加速度传感器、声音传感器等的状态）以及无线通信系统能否正常工作。通过无线传送模块，将检测到的各个部件的状态发送到接收端，若接收收端接收到正常的信号，则通知可以开始测量；若接收不到正常信号，则必须检查、测试系统，或者更换测量系统，直到接收端接收到正常的信号方可开始测量。 （2）数据采集 在系统自检完成之后，若各个部件工作正常，就可以开始反应时的测量了。在声音传感器检测到发令枪的声音信号后计数器开始计数，并查询加速度传感器的信号，在检测到加速度传感器的信号后停止计数。将计数值保存在发送缓冲区，数据采集过程结束。 （3）数据的无线发送和接收 在单片机数据采集完成之后，即开始数据的无线发送。将数据按照从高位到低位的顺序发送。在发送之前，对采集的数据按照无线数据传输模块的要求进行编码。然后将数据通过无线数据传输模块进行发送。在无线接收端，把接收到的数据通过电平转换和RS-232串行接口送PC机进行处理和显示。 （4）数据的处理和显示 由PC机构成的基站从RS-232串行接口接收到数据后，通过运动员起跑反应时处理软件进行数据处理、存储、显示和分析。 2 系统硬件设计 从硬件角度看，系统可以分成单片机模块、声音检测模块、运动检测模块和无线数传模块等几部分，下面分别给予介绍。 2．1 单片机模块的设计 在本系统中，考虑到反应时测量装置是安装在运动员小腿上，对输入输出口数量的需求不多，因此选择体积小、功耗小的单片机作为本系统的前端数据测量的核心部件 。本系统采用的是Atmel公司生产的8位单片机AT89C2051。 2．2 声音检测模块的设计 （1）声音传感器的选择 声音检测是本系统设计中的一个关键部分。声音检测作为测量的开始，要求既具有较好的灵敏度又具有较好的抗干扰能力。 驻极体传声器是一种微型声电换能器，这种传声器具有灵敏度较高、频率响应范围宽和何种小等优点。本系统中选用驻极体话筒作为声音传感器，用其将声音信号变换成电信号。 （2）声音检测模块的设计 声音检测模块设计的重点和难点是滤除噪音信号。当检测到发令枪枪声时产生一个脉冲信号，单片机识别后计数器开始计数。在此模块的设计过程中，经过多次的实验，最终确定了本模块的电路和相关参数。 本系统声音检测功能的实现采取的是幅度比较法。因为发令枪的声音信号一般幅度较大，可以直接进行放大，可以直接进行放大，然后再通过比较器与阈值电压进行比较，当声音信号大于一定幅度时产生翻转信号。主要考虑的问题是对驻极体话筒检测到的微弱信号进行放大处理。这里采用三极管9013构成的单级放大电路对信号进行放大。经过多次实验发现，输出电压大于4V时的声音信号振动幅度较大。放大电路再加上比较电路即构成本系统的声音检测电路，如图2所示。在此声音检测电路中，用R7和R8分压电路 电路一个阈值电压， 在实际设计中阈值电压调协为4V。LM339的OUT2产生声音信号自检电压，若声音检测无故障应输出高电平，接单片机P1.3口，OUT1与单片机P1.2口相连接，输出声音检测信号，当发令枪响起时应输出一脉冲。 2．3 运动检测模块的设计 （1）运动检测模块的选择 运动检测模块选用美国ADI公司生产的单片加速度传感器ADXL105作为运动检测传感器，其内含加速度传感器和信号调理器。这是一种差容式力平衡加速度传感器，利用变间隙的方法，把被测的加速度转换为电容器的电容量的变化。内部的电容分压电路提供与加速度大小成正比的模拟输出电压，其相位则决取于加速度的方向，无需外加任何有源器件即可接到模/数转换器（ADC）的输入端，既可以用来测量静态加速度（如重力加速度或倾角等），又可用来测量动态加速度（如振动等）。 （2）运动检测模块的电路设计 运动检测模块采用加速度传感器ADXL105作为运动传感器。因ADXL105可直接输出模块信号，因此只需要通过比较器将ADXL105输出的电压与比较器的阈值比较，当加速度大于某一阈值时输出高电平。其电路原理如图3所示。LM339的OUT3脚输出运动的检测信号，接单片机的P1.4口；OUT4脚输出为运动自检信号，接单片机的P1.5口。 2.4 无线数传模块的设计 本系统中采用基于RF芯片nRF401的无线数传模块PTR2000。nRF401是NORDIC公司最新推出的单元无线收发一体芯片，包括高频发射、高频接收、PLL合成、FSK调制、FSK解调、多频道切换等部件，是目前集成度最高的一种无线数传芯片。PTR2000既可与80C51、89C2051、68HC08、PIC等各种单片机配合，直接接单片机的串行口或I/O口；也可通过串口与PC机实现通信，此时只要接一个电平转换芯片MAX232即可。 3 系统软件设计 根据本系统的设计要求，将系统软件分为发射端软件和接收端软件两部分。 3．1 发射端软件的设计 单片机部分软件主要可以分为以下几个模块：自检模块、发射模块和计时模块。基于以上各个程序模块的设计，本软件实现了对数据的实时采集与发射/接收以及稳定显示，使得整个系统具有很高的实用价值。单片机主程序流程图如图4所示。 3．2 接收端软件的设计 本系统中接收端为PC机，采用VB语言进行编程。在标准RS-232串口通信方面，VB提供了具有强大功能的通信控件Mscomm。该控件可设置串行通信的数据发送和接收，对串口状态及串口通信的信息格式和协议进行设置。这是一个标准的10位串口通信，包括8位数据、1位起始位和1位停止位。在发送或接收数据过程中触发0nComm事件，通过编程访问ConnEvent属性，了解通信事件的类型，分别进行各自的处理。每个通信控件对应一个串口，可以设计多个通信控制控件来访问多个通信口。控件提供了功能完善的串口数据发送和接收功能，Mscomm控件具有两种处理方式：①事件驱动方式，由Mscomm控件的OnComm事件捕获并处理通信错误及事件；②查询方式，通过检查ConnEvent属性的值来判断事件类型和错误。本系统应用的是事件驱动方式。 通过VB编程工具强大的图形编程的方法，可以实现运动员反应时曲线图的绘制。在本系统中主要是将运动员的反应时数据从文件中读出，然后再绘制出运动员的反应时曲线图，并可以实现图形的放大、缩小以及移动功能，可以方便地看出运动员反应时的变化趋势。图5是PC机接收端显示处理程序的界面。 从目前的使用效果看，系统的设计是成功的。通过测试，得到了系统的主要性能参数。最小分辨率：2μs；测量范围：0～18.2s；传输距离：≥10s；数据传输速度：≥1200bps；数据处理和显示；采用微机接收数据并进行处理，绘制个人反应速度曲线图；工作温度：-25℃～40℃；工作电压；直流5V%26;#177;10%，测量模块用于电池或可充电电池供电。本系统主要用于运动员起跑反应时和起跑教学中反应时的测定，测得的数据对于提高运动员的训练效果、创造优异成功和体育选材及改进体育训练方法、提高体育训练的质量等都具有很高的价值。