基于SPCE061A單片機的髖作用力測試儀設計

　　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。