采用SPCE061A单片机的髋作用力测试仪设计

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。

本文引用地址： //m.amcfsurvey.com/article/171614.htm

　　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。