基于SPCE061A单片机的髋作用力测试仪设计

介绍了基于SPCE061A单片机的髋作用力测试仪的系统结构及部分软件编写流程，着重分析了测试仪的测力方法以及使用光电编码器进行测速和鉴相的原理。测试仪以SPCE061A单片机为控制核心，配有串行通信口，具备上位机实时监控、数据保存和复现、测试数据离线分析等功能。实验证明，该测试仪具有测量准确、稳定性高及操控界面友好等优点。

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。

　

   

　

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。