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[1], 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 1 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。