基于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。

　　其中，Rl是粘贴在弹性敏感元件上的电阻应变片。R1~R4组成单臂式直流电桥，将桥电路中电阻的变化转换为电桥输出电压的变化。由图可知，电桥的输出电压为

　　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。