基于MC9S08GB32的便攜式無水阻槳頻船速測量儀

    摘要：介紹一種以MC9S08GB32為核心控制器的便攜式無小阻槳頻船速測量儀的設(shè)計方案，給出方案設(shè)計原理、系統(tǒng)功能特性、硬件及軟件結(jié)構(gòu)。

    關(guān)鍵詞：MC9S08GB32 加速度傳感器 槳頻船速測量

引言

皮艇、劃艇、賽艇等都是比較重要的水上運(yùn)動項目。運(yùn)動員劃槳的槳頻、艇前進(jìn)的速度等是項目訓(xùn)練中教練員和運(yùn)動員最為關(guān)注的指標(biāo)。如果能夠方便、準(zhǔn)確地測出這些運(yùn)動技術(shù)參數(shù)，并加以科學(xué)的運(yùn)算、處理、分析，必會對訓(xùn)練產(chǎn)生很好的指導(dǎo)作用。傳統(tǒng)方法不可避免地增加了水對艇的阻力，對運(yùn)動員訓(xùn)練帶來額外負(fù)擔(dān)。由于傳感器要在水中工作，因此訓(xùn)練前后的安裝、拆卸非常不便，由于傳感器和控制、電視教學(xué)部分分離，因此很難做到較小便攜。此外，由于傳感器輸出通常需要放大、濾波等處理，進(jìn)一步進(jìn)大了系統(tǒng)功耗，不便利用在電池供電場合。本文提出的測量系統(tǒng)采用Motorola的低功耗芯片MC9S08GB32作為信心控制器，通過對MMA6262Q型加速度傳感器的信號處理實現(xiàn)船速、槳頻的測量，克服了傳統(tǒng)儀器的諸多弊端。

圖1

1 設(shè)計原理及功能特性

本系統(tǒng)利用劃艇時每劃一槳，船體動量會有一增量的原理開發(fā)而成。工作時，微控制器不斷采用加速度傳感器二個方向加速度對應(yīng)的輸出電壓，然后通過內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器得到可運(yùn)算的數(shù)字量，再經(jīng)過一定算法計算出船速、槳數(shù)和槳頻，最終存儲并顯示這些數(shù)據(jù)。該測量儀具有以下功能特性：

·采用電池供電，系統(tǒng)工作于3.3V電壓，再結(jié)合MC9S08GB32的低功耗工作模式，使系統(tǒng)具有很好的低功耗特性；

·輕小便攜，外形尺寸為75mm×40mm×35mm（長×寬×高），既不會給運(yùn)動員的劃槳帶來額外阻力，也便于攜帶使用；

·具有自啟動功能，設(shè)置好訓(xùn)練時段后，劃動第一槳時，儀器便自動開始進(jìn)行測量和記錄，面板的LCD屏將實時顯示訓(xùn)練時間、槳數(shù)、槳頻、速度等信息；

·運(yùn)動計時范圍為59分59.9秒（00：00.0～59.9），計時精度為0.1秒，計時到59分59.9秒時可自動返回到00：00.0；

·具有自動關(guān)閉功能，若6分鐘之內(nèi)無劃槳操作，MC9S08GB32將自動轉(zhuǎn)入低功耗模式，同時清LCD屏以節(jié)省電源功耗，直至有按鍵按下時才被喚醒，并繼續(xù)下一時段的測量、記錄工作；

·皮艇槳頻測量范圍為60～180槳/分；劃艇槳頻測量范圍為36～100槳/分；賽艇槳頻測量范圍為12～60槳/分。

·槳數(shù)測量范圍為0～9999槳，若計到9999槳將自動返回0并繼續(xù)計數(shù)；

·在每個訓(xùn)練段的計時范圍內(nèi)，可以記憶整個運(yùn)動過程中從劃第一槳至劃完最后一槳的總時間，以及這段時間內(nèi)的平均槳頻和總槳數(shù)?？衫冒存I操作依次在LCD屏上顯示整個運(yùn)動過程的總時間、總平均槳頻、總槳數(shù)。不清屏?xí)r，可按需要多次重復(fù)顯示；

    ·具有數(shù)據(jù)存儲功能，對于運(yùn)動時段數(shù)、運(yùn)動總時間、總槳數(shù)和槳頻的存儲而言，可以存儲4小時的運(yùn)動數(shù)據(jù)；對于槳速存儲而言，可以存儲15分鐘的運(yùn)動數(shù)據(jù)；二種存儲式可以通過按鍵單選擇；

·具有數(shù)據(jù)通信功能，在訓(xùn)練結(jié)束后，可以選擇將存儲的數(shù)據(jù)通過RS-232傳送到PC，進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算、處理、分析；

·PC端配有分析處理軟件，能夠接收儀器傳送的數(shù)據(jù)，以直觀、明了的圖形方式繪制各個訓(xùn)練時段的加速度α（t）、速度v（t）、槳頻f(t)等多種參數(shù)曲線，也能將訓(xùn)練數(shù)據(jù)保存以供日后分析使用；

·具有電池報警功能，當(dāng)電池電量不足時不可報警顯示，提示用戶更換電池。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

整個系統(tǒng)以MC9S08GB32型微控制器和MMA6260Q型加速度傳感器為核心，系統(tǒng)電路包括微控制器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、電源管理模塊、LCD顯示模塊、按鍵功能選擇模塊和PC串口通信模塊。其硬件框圖如圖1所示。

2．1 微控制器模塊

本系統(tǒng)選用的MC9S08GB32型MCU，是Motorola專為智能儀表應(yīng)用設(shè)計的一款高速超低功耗MCU，速度可達(dá)20MHz。該MCU最大的特色體現(xiàn)在電源管理上，采用1.8V～3.6V供電，適合于電池供電的應(yīng)用場合，低功耗模式下僅耗電0.7μA,內(nèi)部電源管理支持電池電壓監(jiān)測、低電壓報警等功能。內(nèi)部8路16位定時器可滿足多種定時需求；32kB片內(nèi)Flash支持在系統(tǒng)、在應(yīng)用擦寫而無需再擴(kuò)展外部存儲器；8通道10位ADC；帶有SCI、SPI、I2C接口；56個通用I/O接口，具有內(nèi)部可編程上拉電阻器、大電流吸收能力和邊沿斜率控制能力。儀表啟動后，MCU可對MMA6260Q型加速度傳感器的信號進(jìn)行處理，進(jìn)而實現(xiàn)船速、槳數(shù)和槳頻的測量、計算、存儲和顯示。

2．2 數(shù)據(jù)采集模塊

MMA6260Q具有高靈敏度、低噪聲、低功耗等特點。其動態(tài)量程為±1.5g，靈敏度為800mv/g，輸出電壓與加速度成正比。該傳感器可與MC9S08GB32直接接口，其輸出直接送至MC9S08GB32的片內(nèi)10位ADC。MC9S08GB32片內(nèi)ADC的工作電壓為3.3V，工作頻率達(dá)2MHz，10位ADC對于加速度的分辨率可達(dá)4mg。具體連接方法參見圖2。XOUT與ADC引腳之間的RC起濾波作用，用于減小時鐘噪聲。加速度傳感器與微控制器之間不需大電流。電源與地之間的0.1μF電容器是去耦電容器，設(shè)計時應(yīng)盡量減小加速度傳感器與微控制器之間的距離。

2．3 電源管理模塊

系統(tǒng)電源管理采用TPS78833型低噪聲、低壓差、低功耗穩(wěn)壓 ，低電電池電壓范圍為2.7V～10V，輸出3.3V穩(wěn)壓，最大輸出電流為150mA，靜態(tài)工作電流僅為0.017mA，采用SSOP小尺寸封裝。

2．4 LCD模塊

LCD采用專用字符液晶顯示模塊，通過不同字符組合，可以滿足當(dāng)前槳頻、當(dāng)前槳數(shù)、當(dāng)前船速、平均槳頻、平衡槳數(shù)、航程、記錄通道數(shù)、訓(xùn)練時間、工作方式、電池狀態(tài)等信息的顯示。LCD的電源電壓為3.3V，與MCU的接口采用SPI。

2.5 按鍵功能功能模塊

按鍵K2-K0用于設(shè)定儀器工作方式、測量的停止、顯示信息的選擇、系統(tǒng)休眠與喚醒、存儲數(shù)據(jù)擦除與傳送等。按鍵直接由MC9S08GB32管理，MC9S08GB32復(fù)用，KBI1P7-KBI1P0共享同一鍵盤中斷，KBI1P7-KBI1P4引腳還可以通過軟件為其配置內(nèi)部上拉電阻器。

2．6 PC串口通信模塊

MAX3221是低功耗電平轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)3.3V TTL電平和RS-232電平之間的轉(zhuǎn)換，完成MC9S08GB32和PC之間通信的物理連接。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件主程序流程如圖3所示。系統(tǒng)初始化后，先判斷加速度傳感器的瞬時輸出電壓值，以決定系統(tǒng)是否進(jìn)入運(yùn)動測量狀態(tài)。進(jìn)入測量狀態(tài)后，由主程序完成加速度的采樣和補(bǔ)償、船速、槳數(shù)和槳頻的換算、數(shù)據(jù)的存儲與顯示刷新。工作狀態(tài)下，若在6分鐘之內(nèi)加速度傳感器的瞬時輸出電壓一直低于某一閾值，MCU將會轉(zhuǎn)入休眠模式。按鍵檢測由按鍵中斷完成，再進(jìn)入相應(yīng)的功能模塊。系統(tǒng)軟件包括測量儀終端軟件和PC端軟件二部分。

3．1 測量儀終端軟件

測量儀終端軟件主要包括以下模塊。

（1）工作時鐘設(shè)定模塊：用來設(shè)定MC9S08GB32內(nèi)部CPU的工作頻率、ADC、計數(shù)器、SCI等外圍模塊的工作時鐘頻率，同時利用計時器產(chǎn)生1/128ms的ADC采樣時間間隔及0.1s的運(yùn)動時間最小間隔。

（2）A/D采樣及船速測量模塊：MCU每隔1/128ms采樣一次MMA6260Q的加速度輸出，同時通過一定的軟件算法得 到一個瞬時速度值。軟件算法基于以下公式。

其中，v0為t0時刻的瞬時速度，v1(t)為t1時刻瞬過速度，α（t）為t0～t1時段的瞬時加速度值。

（3）槳數(shù)、槳頻測量模塊：運(yùn)動員每劃動一槳將對船產(chǎn)生前向加速度，而在回槳過程中又會由水對船產(chǎn)生后向加速度，這種前、后向加速度隨著運(yùn)動員的不停劃槳出現(xiàn)準(zhǔn)周期性的變化，本測量模塊將結(jié)合實測的加速度曲線，通過專門的軟件搜索算法判斷出每一槳的起始點、終止點，從而得到槳數(shù)值和槳頻值。

（4）MMA6260Q靜態(tài)調(diào)零校準(zhǔn)模塊：受工作溫度、供電電壓、電路個體差異等因素的影響，MMA6260Q的0g情況下的電壓輸出值會有一定的波動，故需要通過該模塊進(jìn)行零點校準(zhǔn)，其他處理模塊需要利用此時得到的零點漂移值進(jìn)行軟件補(bǔ)償。

（5）系統(tǒng)自啟動模塊和休眠啟動、喚醒模塊：初始狀態(tài)下，當(dāng)A/D采樣模塊的瞬時輸出超出某一閾值時，系統(tǒng)便自動轉(zhuǎn)入運(yùn)動測量狀態(tài)直到運(yùn)動員按下停止鍵或超時為止。工作狀態(tài)下，若在6分鐘之內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸出一直低于某一閾值，MCU將在清屏和現(xiàn)場保護(hù)后轉(zhuǎn)入休眠模塊以節(jié)省功耗。休眠模式下若有鍵按下，則退出休眠模式并返回休眠前的狀態(tài)。

（6）按鍵和LCD模塊：按鍵功能選擇模塊通過鍵盤中斷處理、軟件消抖、鍵值譯碼等過程獲取K2-K0的鍵值，產(chǎn)生不同工作狀態(tài)下的各種控制信息。MCU通過SPI接口向LCD顯示不同的數(shù)據(jù)信息。

（7）Flash擦、寫模塊：測量槳頻和槳速時都需要將測量結(jié)果存儲到存儲器中，以供訓(xùn)練結(jié)束后利用PC進(jìn)行進(jìn)一步的分析，F(xiàn)lash擦、寫模塊完成MC9S08GB32片內(nèi)32kB Flash在線擦寫，實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的存儲。擦、寫模塊需要復(fù)制到MC9S08GB32中的RAM來執(zhí)行。

（8）SCI通信模塊：SCI通信模塊可在通信工作方式下讀取Flash中存儲的測量數(shù)據(jù)，并遵循一定的通信協(xié)議將數(shù)據(jù)傳送給PC。

3．2 PC端軟件

PC端軟件基于Window界面，利用VisualC++編寫，主要實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的讀取、保存、分析處理和速度曲線α（t）、速度曲線v（t）、槳頻曲線f(t)等的顯示。

4 結(jié)束語

皮艇、劃艇、賽艇等是許多運(yùn)動會的正式比賽項目，也是非常依賴器材的項目，良好的器件能夠幫助運(yùn)動員改進(jìn)技術(shù)，提高成績。本文設(shè)計的測量儀能夠?qū)崿F(xiàn)船速、槳數(shù)和槳頻的實時顯示；能存儲數(shù)據(jù)以便以后的分析和指導(dǎo)；操作簡單，所有功能均由按鍵按制；儀表由電池供電，體積小，便于攜帶和放置；在艇類體育運(yùn)動領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。