神經(jīng)-運動反應(yīng)時無線測量系統(tǒng)的研究和實現(xiàn)

1、    神經(jīng)-運動反應(yīng)時無線測量系統(tǒng)的研究和實現(xiàn)        竇振中 錢躍峰 宋 鵬 時間:2008年10月20日     字 體: 大 中 小        關(guān)鍵詞:        摘要：關(guān)鍵詞： 單片機 加速度傳感器 反應(yīng)時 測量系統(tǒng) 無線數(shù)據(jù)傳輸反應(yīng)時是指刺激施于有機體之

2、上到有機體明顯的反應(yīng)開始所需要的時間，即刺激與反應(yīng)之間的時間間隔。目前我國對運動員反應(yīng)能力的測定, 大多是通過簡單的聲光反應(yīng)時測定儀，或者是通過計算機模擬測定儀對運動員進行反應(yīng)能力的測試。但是這些測試方法受外界環(huán)境和人的主觀心理因素的影響較大，誤差大, 不能準確客觀地反映運動員在運動中的神經(jīng)反應(yīng)能力。本文實現(xiàn)了一個研究并測量運動員(聽覺)神經(jīng)-運動反應(yīng)時的系統(tǒng)，以提高運動員聽發(fā)令槍后的起跑速度。本測量系統(tǒng)所采用的方法在國內(nèi)處于領(lǐng)先水平，與之前的起跑反應(yīng)時模擬測定儀相比，不但可以在運動場上直接、精確地測定運動員的起跑反應(yīng)時，而且還可以對反應(yīng)時進行分析和綜合，促進對運動員反應(yīng)時的研究以及提高運動員

3、的訓(xùn)練水平，為運動員的選材和訓(xùn)練提供科學(xué)的參考依據(jù)。1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其原理1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)主要實現(xiàn)(聽覺)神經(jīng)-運動反應(yīng)時的測定。方法是通過聲音傳感器檢測發(fā)令槍的聲音，用加速度傳感器檢測運動員起跑的時刻，并將運動員聽到發(fā)令槍到起跑所需要的時間，通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊傳送到基站進行記錄和處理。本系統(tǒng)由反應(yīng)時測定模塊、通信模塊、數(shù)據(jù)記錄處理模塊三部分組成。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。反應(yīng)時測定模塊是用單片機作為核心部件，再加上聲音傳感器和加速度傳感器檢測電路組成的。通過單片機的內(nèi)部計數(shù)器記錄運動員的起跑反應(yīng)時，并將記錄的數(shù)據(jù)按照一定的格式編碼，通過串行口發(fā)送到無線發(fā)送模塊與PC機，實現(xiàn)無線通信。通信模

4、塊主要完成無線數(shù)據(jù)的傳輸，用PTR2000無線數(shù)傳模塊實現(xiàn)。數(shù)據(jù)記錄處理模塊通過串行通信的方式接收無線數(shù)傳模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)接收，并送到PC機構(gòu)成的基站進行處理、顯示和記錄。1.2 系統(tǒng)設(shè)計基本原理2 系統(tǒng)硬件設(shè)計2.1 單片機模塊的設(shè)計在本系統(tǒng)中，考慮到反應(yīng)時測量裝置是安裝在運動員小腿上，對輸入輸出口數(shù)量的需求不多，因此選擇體積小、功耗小的單片機作為本系統(tǒng)的前端數(shù)據(jù)測量的核心部件。本系統(tǒng)采用的是Atmel公司生產(chǎn)的8位單片機AT89C2051。2.2 聲音檢測模塊的設(shè)計(1)聲音傳感器的選擇聲音檢測是本系統(tǒng)設(shè)計中的一個關(guān)鍵部分。聲音檢測作為測量的開始，要求既具有較好的靈敏度又具有較好的抗干擾能力

5、。駐極體傳聲器是一種微型聲電換能器，這種傳聲器具有靈敏度較高、頻率響應(yīng)范圍寬和體積小等優(yōu)點。本系統(tǒng)中選用駐極體話筒作為聲音傳感器，用其將聲音信號變換成電信號。(2)聲音檢測模塊的設(shè)計聲音檢測模塊設(shè)計的重點和難點是濾除噪音信號。當(dāng)檢測到發(fā)令槍槍聲時產(chǎn)生一個脈沖信號，單片機識別后計數(shù)器開始計數(shù)。在此模塊的設(shè)計過程中，經(jīng)過多次的實驗，最終確定了本模塊的電路和相關(guān)參數(shù)。本系統(tǒng)聲音檢測功能的實現(xiàn)采取的是幅度比較法。因為發(fā)令槍的聲音信號一般幅度較大，可以直接進行放大，然后再通過比較器與閾值電壓進行比較，當(dāng)聲音信號大于一定幅度時產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)信號。主要考慮的問題是對駐極體話筒檢測到的微弱信號進行放大處理。這里采用

6、三極管9013構(gòu)成的單級放大電路對信號進行放大。經(jīng)過多次實驗發(fā)現(xiàn)，輸出電壓大于4V時的聲音信號振動幅度較大。放大電路再加上比較電路即構(gòu)成本系統(tǒng)的聲音檢測電路，如圖2所示。在此聲音檢測電路中，用R7和R8分壓電路產(chǎn)生一個閾值電壓，在實際設(shè)計中閾值電壓設(shè)置為4V。LM339的OUT2產(chǎn)生聲音信號自檢電壓，若聲音檢測無故障應(yīng)輸出高電平，接單片機P1.3口，OUT1與單片機P1.2口相連接，輸出聲音檢測信號，當(dāng)發(fā)令槍響起時應(yīng)輸出一脈沖。2.3 運動檢測模塊的設(shè)計(1)運動檢測模塊的選擇運動檢測模塊選用美國ADI公司生產(chǎn)的單片加速度傳感器ADXL105作為運動檢測傳感器，其內(nèi)含加速度傳感器和信號調(diào)理器。

7、這是一種差容式力平衡加速度傳感器，利用變間隙的方法，把被測的加速度轉(zhuǎn)換為電容器的電容量的變化。內(nèi)部的電容分壓電路提供與加速度大小成正比的模擬輸出電壓，其相位則決取于加速度的方向，無需外加任何有源器件即可接到模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 的輸入端，既可以用來測量靜態(tài)加速度(如重力加速度或傾角等)，又可用來測量動態(tài)加速度(如振動等)。(2)運動檢測模塊的電路設(shè)計運動檢測模塊采用加速度傳感器ADXL105作為運動傳感器。因ADXL105可直接輸出模擬信號，因此只需要通過比較器將ADXL105輸出的電壓與比較器的閾值比較，當(dāng)加速度大于某一閾值時輸出高電平。其電路原理如圖3所示。LM339的OUT3腳輸出運動

8、的檢測信號，接單片機的P1.4口；OUT4腳輸出為運動自檢信號，接單片機的P1.5口。2.4 無線數(shù)傳模塊的設(shè)計本系統(tǒng)中采用基于RF芯片nRF401的無線數(shù)傳模塊PTR2000。nRF401是NORDIC公司最新推出的單片無線收發(fā)一體芯片，包括高頻發(fā)射、高頻接收、PLL合成、FSK調(diào)制、FSK解調(diào)、多頻道切換等部件，是目前集成度最高的一種無線數(shù)傳芯片。PTR2000既可與80C51、89C2051、68HC08、PIC等各種單片機配合，直接接單片機的串行口或I/O口；也可通過串口與PC機實現(xiàn)通信，此時只要接一個電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232即可。3 系統(tǒng)軟件設(shè)計根據(jù)本系統(tǒng)的設(shè)計要求，將系統(tǒng)軟件分為發(fā)

9、射端軟件和接收端軟件兩部分。3.1 發(fā)射端軟件的設(shè)計單片機部分軟件主要可以分為以下幾個模塊：自檢模塊、發(fā)射模塊和計時模塊?；谝陨细鱾€程序模塊的設(shè)計，本軟件實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的實時采集與發(fā)射/接收以及穩(wěn)定顯示，使得整個系統(tǒng)具有很高的實用價值。單片機主程序流程圖如圖4所示。3.2 接收端軟件的設(shè)計本系統(tǒng)中接收端為PC機，采用VB語言進行編程。在標準RS-232串口通信方面，VB提供了具有強大功能的通信控件Mscomm。該控件可設(shè)置串行通信的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，對串口狀態(tài)及串口通信的信息格式和協(xié)議進行設(shè)置。這是一個標準的10位串口通信，包括8位數(shù)據(jù)、1位起始位和1位停止位。在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)過程中觸發(fā)0nCo

10、mm事件，通過編程訪問CommEvent屬性，了解通信事件的類型，分別進行各自的處理。每個通信控件對應(yīng)一個串口，可以設(shè)計多個通信控件來訪問多個通信口?？丶峁┝斯δ芡晟频拇跀?shù)據(jù)發(fā)送和接收功能，Mscomm控件具有兩種處理方式：事件驅(qū)動方式，由Mscomm控件的OnComm事件捕獲并處理通信錯誤及事件；查詢方式，通過檢查CommEvent屬性的值來判斷事件類型和錯誤。本系統(tǒng)采用的是事件驅(qū)動方式。通過VB編程工具強大的圖形編程的方法，可以實現(xiàn)運動員反應(yīng)時曲線圖的繪制。在本系統(tǒng)中主要是將運動員的反應(yīng)時數(shù)據(jù)從文件中讀出，然后再繪制出運動員的反應(yīng)時曲線圖，并可以實現(xiàn)圖形的放大、縮小以及移動功能，可以方便地看出運動員反應(yīng)時的變化趨勢。圖5是PC機接收端顯示處理程序的界面。從目前的使用效果看，系統(tǒng)的設(shè)計是成功的。通過測試，得到了系統(tǒng)的主要性能參數(shù)。最小分辨率：2s；測量范圍：018.2s；傳輸距離：10s；數(shù)據(jù)傳輸速率：1200 bps；數(shù)據(jù)處理和顯示：采用微機接收數(shù)據(jù)并進行處理，繪制個人反應(yīng)速度曲