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

1、    神經(jīng)-運動反應時無線測量系統(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        關鍵詞:        摘要：關鍵詞： 單片機 加速度傳感器 反應時 測量系統(tǒng) 無線數(shù)據(jù)傳輸反應時是指刺激施于有機體之

2、上到有機體明顯的反應開始所需要的時間，即刺激與反應之間的時間間隔。目前我國對運動員反應能力的測定, 大多是通過簡單的聲光反應時測定儀，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)處于領先水平，與之前的起跑反應時模擬測定儀相比，不但可以在運動場上直接、精確地測定運動員的起跑反應時，而且還可以對反應時進行分析和綜合，促進對運動員反應時的研究以及提高運動員

3、的訓練水平，為運動員的選材和訓練提供科學的參考依據(jù)。1 系統(tǒng)結構及其原理1.1 系統(tǒng)結構本系統(tǒng)主要實現(xiàn)(聽覺)神經(jīng)-運動反應時的測定。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)的結構如圖1所示。反應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機構成的基站進行處理、顯示和記錄。1.2 系統(tǒng)設計基本原理2 系統(tǒng)硬件設計2.1 單片機模塊的設計在本系統(tǒng)中，考慮到反應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 聲音檢測模塊的設計(1)聲音傳感器的選擇聲音檢測是本系統(tǒng)設計中的一個關鍵部分。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)聲音檢測模塊的設計聲音檢測模塊設計的重點和難點是濾除噪音信號。當檢測到發(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，當聲音信號大于一定幅度時產(chǎn)生翻轉信號。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，在實際設計中閾值電壓設置為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，當發(fā)令槍響起時應輸出一脈沖。2.3 運動檢測模塊的設計(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換芯片MAX232即可。3 系統(tǒng)軟件設計根據(jù)本系統(tǒng)的設計要求，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。每個通信控件對應一個串口，可以設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)運動員反應時曲線圖的繪制。在本系統(tǒng)中主要是將運動員的反應時數(shù)據(jù)從文件中讀出，然后再繪制出運動員的反應時曲線圖，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，繪制個人反應速度曲