摘    要：本文主要介紹了一種基于加速度傳感器ADXL105和無線數(shù)傳模塊的運(yùn)動(dòng)員起跑反應(yīng)時(shí)測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集運(yùn)動(dòng)員的反應(yīng)時(shí)，并對其進(jìn)行記錄、處理和顯示。  

引言
反應(yīng)時(shí)是指刺激施于有機(jī)體之后到明顯的反應(yīng)開始時(shí)所需要的時(shí)間，即刺激與反應(yīng)之間的時(shí)間間隔。目前，我國對運(yùn)動(dòng)員反應(yīng)能力的測定大多是通過簡單的聲光反應(yīng)時(shí)測定儀，或是計(jì)算機(jī)模擬來實(shí)現(xiàn)。但是這些測試方法受外界環(huán)境和人的主觀心理因素影響較大，不能準(zhǔn)確客觀地反映運(yùn)動(dòng)員在運(yùn)動(dòng)中的神經(jīng)反應(yīng)能力。
本文實(shí)現(xiàn)了一個(gè)測量運(yùn)動(dòng)員(聽覺)神經(jīng)-運(yùn)動(dòng)反應(yīng)時(shí)的系統(tǒng)，以提高運(yùn)動(dòng)員聽到發(fā)令槍后的起跑速度。該系統(tǒng)是通過聲音傳感器和加速度傳感器檢測運(yùn)動(dòng)員聽到發(fā)令槍到起跑所需要的時(shí)間，即運(yùn)動(dòng)員的神經(jīng)-運(yùn)動(dòng)反應(yīng)時(shí)，再通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊將數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)進(jìn)行顯示，并可根據(jù)反應(yīng)時(shí)記錄進(jìn)行處理和繪制成反應(yīng)時(shí)曲線，能夠直觀地了解運(yùn)動(dòng)員反應(yīng)時(shí)的變化及趨勢。

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2  聲音檢測電路

圖3  運(yùn)動(dòng)檢測模塊電路原理圖

圖4  單片機(jī)端主程序流程圖

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其原理
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)(聽覺)神經(jīng)-運(yùn)動(dòng)反應(yīng)時(shí)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(yùn)動(dòng)員起跑的時(shí)刻，記錄運(yùn)動(dòng)員聽到發(fā)令槍到起跑所需要的時(shí)間，再通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊將數(shù)據(jù)傳送到基站進(jìn)行記錄和處理。系統(tǒng)由反應(yīng)時(shí)測定模塊、通信模塊、數(shù)據(jù)記錄處理模塊三部分組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。
反應(yīng)時(shí)測定模塊用單片機(jī)作為核心部件，加上聲音傳感器和加速度傳感器檢測電路，通過單片機(jī)的內(nèi)部計(jì)數(shù)器記錄運(yùn)動(dòng)員的起跑反應(yīng)時(shí)，并將記錄的數(shù)據(jù)按照一定的格式編碼，通過串口送至無線發(fā)送模塊，實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的無線通信。
通信模塊主要用PTR2000無線數(shù)傳模塊實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的傳輸。
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)，并送到由PC機(jī)構(gòu)成的基站進(jìn)行記錄、處理和顯示。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本原理
測量準(zhǔn)備和系統(tǒng)自檢
系統(tǒng)在反應(yīng)時(shí)測量模塊上設(shè)置了一個(gè)按鈕，在每次測量前，按此按鈕啟動(dòng)系統(tǒng)自檢，通過單片機(jī)檢查與之相連的各個(gè)部件，如存儲(chǔ)器、加速度傳感器、聲音傳感器等的狀態(tài)，以及無線通信系統(tǒng)能否正常工作。通過無線傳送模塊，將檢測到的各個(gè)部件的狀態(tài)發(fā)送到接收端，若接收端接收到正常的信號(hào)，則記錄端可以通知開始測量；若接收不到，則必須檢查、調(diào)試，或者更換測量系統(tǒng)，直到接收端接收到正常的信號(hào)方可開始測量。
數(shù)據(jù)采集
在系統(tǒng)自檢完成之后，如果各個(gè)部件工作正常，就可以開始測量反應(yīng)時(shí)。聲音傳感器檢測到發(fā)令槍的聲音信號(hào)后，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，并查詢加速度傳感器的信號(hào)，在檢測到加速度傳感器信號(hào)后停止計(jì)數(shù)，并將計(jì)數(shù)值保存在發(fā)送緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)采集過程結(jié)束。
數(shù)據(jù)的無線發(fā)送和接收
在單片機(jī)數(shù)據(jù)采集完成之后，即開始數(shù)據(jù)的無線發(fā)送。在發(fā)送之前，對采集的數(shù)據(jù)按照無線數(shù)傳模塊的要求進(jìn)行編碼，然后將數(shù)據(jù)通過無線數(shù)傳模塊按照從高位到低位的順序進(jìn)行發(fā)送。在無線接收端，把接收到的數(shù)據(jù)通過電平轉(zhuǎn)換和RS-232串行接口送至PC機(jī)進(jìn)行處理和顯示。
數(shù)據(jù)的處理和顯示
由PC機(jī)構(gòu)成的基站從RS-232串行接口接收到數(shù)據(jù)后，通過運(yùn)動(dòng)員起跑反應(yīng)時(shí)處理軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)、顯示和分析。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
從硬件角度看，系統(tǒng)可以分成單片機(jī)模塊、聲音檢測模塊、運(yùn)動(dòng)檢測模塊和無線數(shù)傳模塊等幾部分。
單片機(jī)模塊
在本系統(tǒng)中，考慮到反應(yīng)時(shí)測量裝置是安裝在運(yùn)動(dòng)員小腿上，對輸入輸出口的數(shù)量需求不多，因此在選擇單片機(jī)時(shí)，應(yīng)選擇體積小、功耗小的作為系統(tǒng)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(jī)AT89C2051。
聲音檢測模塊
聲音檢測是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵部分，要求具有較好的靈敏度和抗干擾能力。
駐極體傳聲器是一種微型聲電轉(zhuǎn)換器，這種傳聲器具有靈敏度高、頻率響應(yīng)范圍寬和體積小等優(yōu)點(diǎn)。在本系統(tǒng)中選用駐極體話筒作為聲音檢測部分的聲音傳感器，用其將聲音信號(hào)變換成電信號(hào)。
聲音檢測模塊設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn)是濾除噪音信號(hào)。在此模塊的設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，最終確定了本模塊的電路和相關(guān)參數(shù)。本系統(tǒng)采取幅度比較法實(shí)現(xiàn)聲音檢測的功能。因?yàn)榘l(fā)令槍的聲音信號(hào)一般幅度較大，可以直接進(jìn)行放大，通過比較器與閾值電壓相比，當(dāng)聲音信號(hào)大于一定幅度時(shí)產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)信號(hào)。主要考慮的問題是如何對駐極體話筒檢測到的微弱信號(hào)進(jìn)行放大處理。在本系統(tǒng)中采用三極管9013構(gòu)成單級(jí)放大電路對信號(hào)進(jìn)行放大。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，輸出電壓大于4V時(shí)，聲音信號(hào)振動(dòng)幅度較大。再加上比較電路就構(gòu)成了本系統(tǒng)的聲音檢測電路，如圖2所示。在此電路中，用R5和R6分壓電路產(chǎn)生一個(gè)閾值電壓，在實(shí)際設(shè)計(jì)中設(shè)置為4V。電壓比較器LM339的OUT2產(chǎn)生聲音信號(hào)自檢電壓，若聲音檢測無故障，應(yīng)輸出高電平；OUT1作為聲音檢測信號(hào)輸出腳與單片機(jī)P1.2口相連，當(dāng)發(fā)令槍響起時(shí)輸出一個(gè)脈沖信號(hào)。
運(yùn)動(dòng)檢測模塊
運(yùn)動(dòng)檢測模塊選用了美國ADI公司生產(chǎn)的單片加速度傳感器ADXL105作為運(yùn)動(dòng)檢測傳感器，內(nèi)含加速度傳感器和信號(hào)調(diào)理器。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，其相位則取決于加速度的方向，無需外加任何有源器件即可接到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(dòng)態(tài)加速度(如振動(dòng)等)。
由于ADXL105可直接輸出模擬信號(hào)，因此只需要通過比較器將ADXL105的輸出電壓與閾值電壓相比較，當(dāng)加速度大于某一閾值時(shí)輸出高電平。其原理電路如圖3所示。LM339的OUT3腳輸出運(yùn)動(dòng)檢測信號(hào)，接單片機(jī)的P1.4口；OUT4腳輸出運(yùn)動(dòng)自檢信號(hào)，接單片機(jī)的P1.5口。
無線數(shù)傳模塊
本系統(tǒng)中采用基于RF芯片nRF401的無線數(shù)傳PTR2000模塊。nRF401是NORDIC公司最新推出的單片無線收發(fā)一體的芯片，包括高頻發(fā)射、高頻接收、PLL合成、FSK調(diào)制、FSK解調(diào)及多頻道切換等部件，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(jī)的串口或I/O口直接連接，也可通過電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232與PC機(jī)進(jìn)行串口通信。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
根據(jù)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，將系統(tǒng)軟件劃分為發(fā)射端軟件和接收端軟件兩部分分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。
發(fā)射端軟件
單片機(jī)部分的軟件主要可以分為以下幾個(gè)模塊：自檢模塊、發(fā)射模塊和計(jì)時(shí)模塊。單片機(jī)主程序流程圖如圖4所示。
接收端軟件
在本系統(tǒng)中接收端為PC機(jī)，采用VB語言進(jìn)行編程。在標(biāo)準(zhǔn)RS-232串口通信方面，VB提供了具有強(qiáng)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(jìn)行設(shè)置。這是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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)OnComm事件，通過編程訪問CommEvent的屬性了解通信事件的類型，進(jìn)行各自的處理。每個(gè)通信控件對應(yīng)一個(gè)串口，可以設(shè)計(jì)多個(gè)通信控件來訪問多個(gè)通信口?？丶峁┝斯δ芡晟频拇跀?shù)據(jù)的發(fā)送和接收功能，Mscomm控件具有兩種處理方式：事件驅(qū)動(dòng)方式，由Mscomm控件的OnComm事件捕獲并處理通信錯(cuò)誤及事件；查詢方式，通過檢查CommEvent屬性的值來判斷事件和錯(cuò)誤。在本系統(tǒng)中采用的是事件驅(qū)動(dòng)方式。
通過VB編程工具強(qiáng)大的圖形編程方法，可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)員反應(yīng)曲線圖的繪制。并可對圖形進(jìn)行放大、縮小以及移動(dòng)，方便地顯示出運(yùn)動(dòng)員反應(yīng)時(shí)的變化趨勢。
基于以上各個(gè)程序模塊的設(shè)計(jì)，本軟件實(shí)現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與發(fā)射/接收以及穩(wěn)定顯示，使得整個(gè)系統(tǒng)具有很高的實(shí)用價(jià)值。

結(jié)語
通過測試，系統(tǒng)的最小分辨率為2ms，測量范圍是0~18.2s，傳輸距離≥10米，數(shù)據(jù)傳輸速率≥1200 bps，工作溫度范圍是-25℃~40℃，工作電壓為DC 5V±10%，測量模塊用干電池或可充電電池供電。
本測量系統(tǒng)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(shí)模擬測定儀相比，不但可以在運(yùn)動(dòng)場上直接、精確地測定運(yùn)動(dòng)員的起跑反應(yīng)時(shí)，而且可以對反應(yīng)時(shí)進(jìn)行分析和綜合，促進(jìn)對運(yùn)動(dòng)員反應(yīng)時(shí)的研究以及提高運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練水平，為運(yùn)動(dòng)員的選材和訓(xùn)練提供科學(xué)的參考依據(jù)。