1 引言

　　隨著體育訓練科學化水平的不斷提高，人體專項力量訓練的必要性日益受到重視。通過對大量實際運動測試數據的總體分析發現，所有從事跑、跳運動項目和以跑、跳為基礎運動項目的運動員，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、跳運動產生動力所必需的專項力量。因此，設計開發一套實用準確的髖作用力測試儀，對于教練精確量化運動員的訓練效果，以及合理制定有針對性的訓練方案，進而最終提高運動員比賽成績，有著極其重要的參考價值。

　　本文所介紹的髖作用力測試儀以凌陽公司推出的16位單片機SPCE061A為核心部件，綜合借鑒現有技術，通過對測試儀軟硬件設計的合理規劃，充分發揮單片機自身集成眾多系統級功能單元的優勢，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現以下功能：

　　(1)測量運動員腿部下蹬作用力實時力量值；

　　(2)測量運動員腿部與下蹬作用力同步的實時速度值；

　　(3)通過上位機實時顯示上述作用力、速度以及功率的具體數值和曲線；

　　(4)具備數據復現功能。可以保存并比對測試數據。

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時數據、曲線顯示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單片機運算處理后，得出作用力的實時線速率，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，特別適用于實時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，以實現測試儀和上位機的實時全雙工數據通信。用戶可通過上位機控制程序實時觀測和保存訓練數據，并能夠設定測試儀的相關參數。

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，其模擬電壓信號經變送器放大和線性化處理后，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，將產生位移和應變，同時使粘貼在彈性敏感元件上的電阻應變片的阻值發生變化。因此，通過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

　　即電橋輸出電壓Uo與電阻應變片阻值變化△Rl成線性關系。結合前述可知，電橋輸出電壓Uo的變化反映了作用力大小的變化。從而通過測量電橋輸出電壓Uo，就能實現對作用力大小的檢測。

　　力傳感器輸出的電壓信號Uo通過變送器的放大和線性化處理，由雙端輸入信號Uo轉變為單端輸出信號Usample。模擬電壓Usample與被測作用力線性相關，送至后續模數轉換電路(ADC)完成模數變換。變送器中的精密變送放大電路一般采用三運放差動放大電路，具有較高的輸入阻抗和共模抑制比，并通過內部的阻容耦合電路有效減小了溫度漂移，保證了測量的精確度。

3.1.2 髖作用力測量方法

　　力采集電路輸出 Usample是電壓模擬量，需要經過ADC，變換為系統控制核心—單片機可以使用的數字量。SPCE061A內部集成有8通道10位高速A/D轉換器，本系統選用單通道I/O A0作為A/D轉換的模擬電壓輸入。A/D轉換的參考電壓Vref可以采用單片機系統自帶的Vdd，也可以通過軟件設置使用外部參考電壓。考慮到該測試儀的測力量程為0kg~300kg，力采集電路對應的模擬電壓輸出O V~3V，模擬電壓信號符合SPCE061A自帶A/D轉換器的輸入要求。因此，A/D轉換參考電壓采用系統默認的Vdd。將Usample連接至 SPCE061A的I/O A0端，即可進行A/D轉換。本系統設計的A/D轉換頻率設置為l kHz，髖作用力F可表示為：

　　式中：Mmax是測試儀所測作用力的最大量程，g是重力加速度值，Umax是力采集電路輸出的模擬電壓最大值，AD_Data是力采集電路輸出 Usample經A/D轉換后得到的10位數字量，AD_Max是10位A/D轉換器參考電壓Uref所對應的數字量，此處為0x03FF。實際編程中，為了降低采樣過程瞬態誤差的干擾，運用了算術均值濾波的方法，即最終顯示的作用力F通過對10次采樣的作用力求算術平均值取得。

　　3.2 速度測量

　　本測試儀中，與髖作用力同步的速度值和作用力方向由光電編碼器、鑒相電路和相應軟件計數器求得。

　　3.2.1 光電編碼器測速原理

　　光電編碼器是一種數字式角度傳感器，它能將角位移轉化成相應數量的電壓脈沖信號，主要用于機械轉角位置和旋轉速度的檢測和控制。本測試儀選用的ZKX-6- 50BM7型增量式光電縮碼器是一款高精度角位移傳感器，轉動軸每旋轉一周分兩路輸出500個電壓脈沖信號Out_A和Out_B。其中，Out_A和 Out_B兩路信號相位差為90°。

　　將光電編碼器輸出接至單片機的外部中斷IRQ3，則轉動引起的每一個電壓脈沖都會觸發單片機外部中斷。通過編制單片機外部中斷子函數，就可以實現對光電編碼器輸出脈沖個數的準確計算，經換算后即得轉動軸轉過的精確角位移。

　　因此，計算固定時間段內光電編碼器的角位移，就可求得轉動軸的角速率，結合光電編碼器同軸轉盤的半徑，就可算得與髖作用力同步的線速度值。實際編程中，選用單片機內部512 Hz的時基中斷產生固定時間段，即計算每個時間間隔t=l/512 s內光電編碼器的輸出脈沖個數，從而求得速度。設v為t時間內的平均速度，由于固定時間段足夠小，所以將瞬時速度近似為平均速度v，則

　　式中：s為t時間內被測對象產生的位移；n為固定時間間隔內(1/512 s)光電編碼器輸出的脈沖數；ι為光電編碼器同軸轉盤的周長，N為光電編碼器旋轉一周輸出的脈沖數，此處N=500。

　　3.2.2 速度鑒相的方法

　　髖作用力檢測過程中，光電編碼器的轉向說明訓練者髖部是主動發力或是被動受力。因此，光電編碼器轉向的判別是本測試儀必須具備的基本功能。通過對光電編碼器所輸出的相位差90°的兩路電壓脈沖信號0ut_A和Out_B進行鑒相，就能夠判別轉盤正轉或反轉。具體鑒相電路原理如圖3所示。

　　光電編碼器輸出的Out_A和Out_B分別接至D觸發器時鐘端Clk和控制端D。根據D觸發器的功能定義，在輸入時鐘信號Out_A的每個脈沖上跳沿，觸發器的輸出W2被控制端D的輸入信號Out_B置位。圖4示意了光電編碼器正轉時，Out_A、Out_B的信號波形和鑒相電路的輸出。

　　正轉時，Out_A信號的相位超前Out_B信號90°，w1輸出始終為高電平。反轉時，Out_A信號的相位延后Out_B信號90°,W1輸出始終為低電平。因此,通過讀取W1的電壓高低，就可以判別光電編碼器的轉向。

3.3 功率的測量

　　測得作用力和速度之后，功率可由二者乘積算得。即功率：

　　P=Fv???? (5)

　　但考慮到單片機在計算實數乘法的效率和精度上的劣勢,單片機只負責將采集到的作用力和速度通過RS232上傳到上位機，實際運算則由上位機完成。此方法能滿足測試儀的實時性和精度要求。

4 系統軟件設計

　　SPCE061A內置在線仿真電路ICE (In-CircuitEmulator)接口和在線串行編程技術，使程序開發、調試和下載等均在可視化開發環境中通過在線調試器PROBE實現，省去了傳統單片機開發中必需的硬件在線實時仿真器(ICE)和程序燒寫器。具體軟件設計中，充分利用SPCE061A豐富的時基中斷，在IRQ4、IRQ5中斷子程序中完成鍵盤掃描和A/D轉換等工作。與上位機的串行通信則采用SPCE061A自帶的UART硬件傳輸中斷，以滿足數據雙向傳輸的異步性和實時性。

　　系統程序由主程序、力采集子程序、速度計算子程序、串行通信子程序、外擴存儲器子程序和中斷子程序等部分組成。各部分嚴格按照模塊化原則編寫，易于日后系統升級和維護。其中，主程序主要完成測試儀各部件的初始化和自檢，以及實際測量中各個功能模塊的協調。

　　力采集子程序和速度計算子程序流程圖如圖5所示。

　　測試儀的上位機監控程序基于Visual C++6.0平臺開發。使用微軟公司提供的MSComm控件，極大程度上避免了直接調用Win32API造成的編程繁瑣等弊端，以較少代碼量實現本系統要求的通信功能。上位機程序具備作用力計時、平均功率計算、正反轉選擇顯示、測量數據保存和復現等功能。程序運行界面如圖6所示。

5 結束語

　　該測試儀以凌陽16位單片機SPCE061A為控制核心，充分發揮其片內資源豐富和運算速度快的優點，硬件電路結構簡潔，穩定性高。上位機監控程序界面友好，操控方便。測試數據的保存和復現功能便于運動訓練方案的離線分析和制定。整個測試儀具備較強的可擴展性。該測試儀已經開始在中國海洋大學運動體能實驗室試用，并取得了良好的測試效果。