采用SPCE061A单片机的髋作用力测试仪设计

1 引言

　　随着体育训练科学化水平的不断提高，人体专项力量训练的必要性日益受到重视。通过对大量实际运动测试数据的总体分析发现，所有从事跑、跳运动项目和以跑、跳为基础运动项目的运动员，其向后蹬伸力量均明显小于向下或向前蹬伸力量。而向后蹬伸力量恰恰是跑、跳运动产生动力所必需的专项力量。因此，设计开发一套实用准确的髋作用力测试仪，对于教练精确量化运动员的训练效果，以及合理制定有针对性的训练方案，进而最终提高运动员比赛成绩，有着极其重要的参考价值。

　　本文所介绍的髋作用力测试仪以凌阳公司推出的16位单片机SPCE061A为核心部件，综合借鉴现有技术，通过对测试仪软硬件设计的合理规划，充分发挥单片机自身集成众多系统级功能单元的优势，有效降低了硬件成本，具有很高的可靠性和稳定性。

　　该髋作用力测试仪主要实现以下功能：

　　(1)测量运动员腿部下蹬作用力实时力量值；

　　(2)测量运动员腿部与下蹬作用力同步的实时速度值；

　　(3)通过上位机实时显示上述作用力、速度以及功率的具体数值和曲线；

　　(4)具备数据复现功能。可以保存并比对测试数据。

2 系统总体结构

　　髋作用力测试仪结构框图如图l所示。系统由数据采集处理电路、控制中心和上位机实时数据、曲线显示3部分组成

　　作用力采集电路将髋作用力以模拟量的形式传递至单片机I/O口。通过单片机自身集成的10位高速A/D转换器，将力量值转化为控制系统可用的数字量。速度采集电路由光电编码器和鉴相电路组成。光电编码器输出的数字脉冲量经单片机运算处理后，得出作用力的实时线速率，鉴相电路则向单片机提供了该作用力的方向。微控制器采用凌阳16位单片机SPCE061A，其最高工作频率为49.15MHz，32位可编程多功能I/O端口方便连接各种外设，片内集成7通道 10位电压模数转换器(ADC)和单通道声音模数转换器，并具有丰富的中断资源，特别适用于实时性要求严格的控制系统。串口电平转换电路完成RS232电平标准和单片机电平标准的转换，以实现测试仪和上位机的实时全双工数据通信。用户可通过上位机控制程序实时观测和保存训练数据，并能够设定测试仪的相关参数。

3 数据的采集和处理

　　髋作用力测试仪需要测量和显示的数据主要包括髋作用力、与作用力相应的瞬时速度值和功率值。其中，髋作用力数据的采集由力传感器和配套变送器完成，瞬时速度的采集由光电编码器和鉴相电路完成。功率则可由作用力和速度的乘积求得。

　　3.1 髋作用力测量

　　髋作用力由力传感器采集，其模拟电压信号经变送器放大和线性化处理后，送至SPCE061A内部集成的ADC完成数模转换。

　　3.1.1 力传感器工作原理

　　本测试仪采用电阻应变式力传感器完成髋作用力采集。电阻应变式力传感器由弹性敏感元件和电阻应变片组成。当弹性敏感元件受到被测力作用时，将产生位移和应变，同时使粘贴在弹性敏感元件上的电阻应变片的阻值发生变化。因此，通过测量电阻应变片的阻值变化，就可以确定被测作用力的大小。力采集电路内部等效原理图如图2所示。

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　　即电桥输出电压Uo与电阻应变片阻值变化△Rl成线性关系。结合前述可知，电桥输出电压Uo的变化反映了作用力大小的变化。从而通过测量电桥输出电压Uo，就能实现对作用力大小的检测。

　　力传感器输出的电压信号Uo通过变送器的放大和线性化处理，由双端输入信号Uo转变为单端输出信号Usample。模拟电压Usample与被测作用力线性相关，送至后续模数转换电路(ADC)完成模数变换。变送器中的精密变送放大电路一般采用三运放差动放大电路，具有较高的输入阻抗和共模抑制比，并通过内部的阻容耦合电路有效减小了温度漂移，保证了测量的精确度。

3.1.2 髋作用力测量方法

　　力采集电路输出 Usample是电压模拟量，需要经过ADC，变换为系统控制核心—单片机可以使用的数字量。SPCE061A内部集成有8通道10位高速A/D转换器，本系统选用单通道I/O A0作为A/D转换的模拟电压输入。A/D转换的参考电压Vref可以采用单片机系统自带的Vdd，也可以通过软件设置使用外部参考电压。考虑到该测试仪的测力量程为0kg~300kg，力采集电路对应的模拟电压输出O V~3V，模拟电压信号符合SPCE061A自带A/D转换器的输入要求。因此，A/D转换参考电压采用系统默认的Vdd。将Usample连接至 SPCE061A的I/O A0端，即可进行A/D转换。本系统设计的A/D转换频率设置为l kHz，髋作用力F可表示为：

　　式中：Mmax是测试仪所测作用力的最大量程，g是重力加速度值，Umax是力采集电路输出的模拟电压最大值，AD_Data是力采集电路输出 Usample经A/D转换后得到的10位数字量，AD_Max是10位A/D转换器参考电压Uref所对应的数字量，此处为0x03FF。实际编程中，为了降低采样过程瞬态误差的干扰，运用了算术均值滤波的方法，即最终显示的作用力F通过对10次采样的作用力求算术平均值取得。

　　3.2 速度测量

　　本测试仪中，与髋作用力同步的速度值和作用力方向由光电编码器、鉴相电路和相应软件计数器求得。

　　3.2.1 光电编码器测速原理

　　光电编码器是一种数字式角度传感器，它能将角位移转化成相应数量的电压脉冲信号，主要用于机械转角位置和旋转速度的检测和控制。本测试仪选用的ZKX-6- 50BM7型增量式光电缩码器是一款高精度角位移传感器，转动轴每旋转一周分两路输出500个电压脉冲信号Out_A和Out_B。其中，Out_A和 Out_B两路信号相位差为90°。

　　将光电编码器输出接至单片机的外部中断IRQ3，则转动引起的每一个电压脉冲都会触发单片机外部中断。通过编制单片机外部中断子函数，就可以实现对光电编码器输出脉冲个数的准确计算，经换算后即得转动轴转过的精确角位移。

　　因此，计算固定时间段内光电编码器的角位移，就可求得转动轴的角速率，结合光电编码器同轴转盘的半径，就可算得与髋作用力同步的线速度值。实际编程中，选用单片机内部512 Hz的时基中断产生固定时间段，即计算每个时间间隔t=l/512 s内光电编码器的输出脉冲个数，从而求得速度。设v为t时间内的平均速度，由于固定时间段足够小，所以将瞬时速度近似为平均速度v，则

　　式中：s为t时间内被测对象产生的位移；n为固定时间间隔内(1/512 s)光电编码器输出的脉冲数；ι为光电编码器同轴转盘的周长，N为光电编码器旋转一周输出的脉冲数，此处N=500。

　　3.2.2 速度鉴相的方法

　　髋作用力检测过程中，光电编码器的转向说明训练者髋部是主动发力或是被动受力。因此，光电编码器转向的判别是本测试仪必须具备的基本功能。通过对光电编码器所输出的相位差90°的两路电压脉冲信号0ut_A和Out_B进行鉴相，就能够判别转盘正转或反转。具体鉴相电路原理如图3所示。

　　光电编码器输出的Out_A和Out_B分别接至D触发器时钟端Clk和控制端D。根据D触发器的功能定义，在输入时钟信号Out_A的每个脉冲上跳沿，触发器的输出W2被控制端D的输入信号Out_B置位。图4示意了光电编码器正转时，Out_A、Out_B的信号波形和鉴相电路的输出。

　　正转时，Out_A信号的相位超前Out_B信号90°，w1输出始终为高电平。反转时，Out_A信号的相位延后Out_B信号90°,W1输出始终为低电平。因此,通过读取W1的电压高低，就可以判别光电编码器的转向。

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3.3 功率的测量

　　测得作用力和速度之后，功率可由二者乘积算得。即功率：

　　P=Fv     (5)

　　但考虑到单片机在计算实数乘法的效率和精度上的劣势,单片机只负责将采集到的作用力和速度通过RS232上传到上位机，实际运算则由上位机完成。此方法能满足测试仪的实时性和精度要求。

4 系统软件设计

　　SPCE061A内置在线仿真电路ICE (In-CircuitEmulator)接口和在线串行编程技术，使程序开发、调试和下载等均在可视化开发环境中通过在线调试器PROBE实现，省去了传统单片机开发中必需的硬件在线实时仿真器(ICE)和程序烧写器。具体软件设计中，充分利用SPCE061A丰富的时基中断，在IRQ4、IRQ5中断子程序中完成键盘扫描和A/D转换等工作。与上位机的串行通信则采用SPCE061A自带的UART硬件传输中断，以满足数据双向传输的异步性和实时性。

　　系统程序由主程序、力采集子程序、速度计算子程序、串行通信子程序、外扩存储器子程序和中断子程序等部分组成。各部分严格按照模块化原则编写，易于日后系统升级和维护。其中，主程序主要完成测试仪各部件的初始化和自检，以及实际测量中各个功能模块的协调。

　　力采集子程序和速度计算子程序流程图如图5所示。

　　测试仪的上位机监控程序基于Visual C++6.0平台开发。使用微软公司提供的MSComm控件，极大程度上避免了直接调用Win32API造成的编程繁琐等弊端，以较少代码量实现本系统要求的通信功能。上位机程序具备作用力计时、平均功率计算、正反转选择显示、测量数据保存和复现等功能。程序运行界面如图6所示。

5 结束语

　　该测试仪以凌阳16位单片机SPCE061A为控制核心，充分发挥其片内资源丰富和运算速度快的优点，硬件电路结构简洁，稳定性高。上位机监控程序界面友好，操控方便。测试数据的保存和复现功能便于运动训练方案的离线分析和制定。整个测试仪具备较强的可扩展性。该测试仪已经开始在中国海洋大学运动体能实验室试用，并取得了良好的测试效果。