跆拳道綜合模擬訓(xùn)練儀研制課題屬于科技部重點攻關(guān)項目，由中科院合肥智能機(jī)械研究所承擔(dān)。該課題的研制目標(biāo)為：研制適用于跆拳道強(qiáng)化技戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練的模擬訓(xùn)練儀，可按教練員要求，模擬運(yùn)動員前進(jìn)、后退及轉(zhuǎn)體，引導(dǎo)運(yùn)動員擊打指定部位，達(dá)到訓(xùn)練目的；并可對擊打動作的相關(guān)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行測量與綜合分析，給出量化評價結(jié)果。該系統(tǒng)自2005年12月投入國家跆拳道隊使用至今，大幅度提升了科學(xué)訓(xùn)練水平，得到了拳跆中心領(lǐng)導(dǎo)、教練員、運(yùn)動員的認(rèn)可與高度評價，填補(bǔ)了該項目科學(xué)訓(xùn)練的空白。
1 系統(tǒng)原理與主要功能
　　該系統(tǒng)的主要機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。控制系統(tǒng)部分采用伺服電機(jī)" title="伺服電機(jī)">伺服電機(jī)控制靶體前后運(yùn)動,由步進(jìn)電機(jī)控制靶體轉(zhuǎn)身運(yùn)動；在靶體左肋、胸部、右肋部位各裝有一個單維力傳感器，在頭部裝有一個三維力傳感器，可以測量運(yùn)動員擊打四個擊打部位的力量；在地面上鋪設(shè)了2m×3m的柔性陣列傳感器，可以測量運(yùn)動員在傳感器上的位置，進(jìn)而計算出運(yùn)動員與靶體的實時距離；控制系統(tǒng)與工作于上位機(jī)" title="上位機(jī)">上位機(jī)的綜合模擬訓(xùn)練指導(dǎo)系統(tǒng)通訊，接收上位機(jī)的指令。系統(tǒng)總體設(shè)計如圖 2 所示。

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2 硬件設(shè)計
　　由于跆拳道綜合模擬訓(xùn)練控制系統(tǒng)要求系統(tǒng)的響應(yīng)速度快、魯棒性好、通信距離長、通信穩(wěn)定性好，因此本文選用C8051F040單片機(jī)為控制系統(tǒng)的中央處理器。該單片機(jī)集成了CAN2.0B總線控制器。指令執(zhí)行速率最高可達(dá)25MIPS。
　　該控制系統(tǒng)主要由CPU模塊、伺服電機(jī)控制模塊、步進(jìn)電機(jī)控制模塊、力傳感器信號采集模塊、柔性陣列傳感器信號采集模塊、通信轉(zhuǎn)發(fā)模塊、電源模塊等組成。下面介紹主要模塊的實現(xiàn)。
2.1 CPU 模塊
　　CPU模塊主要由振蕩器、I/O端口、CAN總線、串口" title="串口">串口模塊、存儲器擴(kuò)展、JTAG接口單元等組成。
　　振蕩器采用外部晶體振蕩器，頻率為11.0592MHz。采用該頻率晶體振蕩器是為了串口通訊波特率的誤差能夠最小。
　　由于Silicon Labs CAN 是一個協(xié)議控制器，不提供物理層驅(qū)動器(即收發(fā)器)，因此要實現(xiàn)與CAN總線的接口，還需要接口控制器，例如82C250、TJA1050等。這里選用TJA1050，CAN總線硬件電路如圖3 所示。

　　RS-232C標(biāo)準(zhǔn)電平采用負(fù)邏輯，規(guī)定3V~15V之間的任意電平為邏輯“0”電平， -3V~-15V之間的任意電平為邏輯“1”電平，而C8051F040 輸出為TTL電平，所以在通訊時，必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，以便與RS-232C標(biāo)準(zhǔn)電平匹配。在此，電平轉(zhuǎn)換芯片選用MAX232 芯片。
2.2 伺服電機(jī)控制模塊
　　系統(tǒng)的伺服電機(jī)選用華中數(shù)控伺服電機(jī)，電機(jī)的最大力矩為55Nm。伺服電機(jī)的工作方式采用內(nèi)部速度方式，通過串口通訊設(shè)置電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度、加減速時間常數(shù)等參數(shù)；通過 CPU 輸出信號控制伺服電機(jī)驅(qū)動器" title="電機(jī)驅(qū)動器">電機(jī)驅(qū)動器使能信號和電機(jī)抱閘信號以啟停電機(jī)。伺服電機(jī)驅(qū)動器采用24V電源，而C8051F040 的輸出電平為3.3V，故需要電平轉(zhuǎn)換芯片，在此選用ULN2803 芯片。由于伺服電機(jī)的抱閘器會存在比較大的反灌電流，因此需要通過繼電器將其與ULN2803 相隔離以保護(hù)芯片。伺服電機(jī)驅(qū)動電路原理圖如圖 4 所示。

　　對于伺服電機(jī)驅(qū)動器的工作狀態(tài)，可以通過讀取伺服電機(jī)驅(qū)動器狀態(tài)輸出信號來獲得。
2.3 柔性陣列傳感器信號采集
　　測距系統(tǒng)的主要功能就是測量出運(yùn)動擊打時在點陣式陣列傳感器上的位置信息，并將位置信息傳送給上位機(jī)。測距系統(tǒng)原理：點陣式陣列傳感器為 3M(75行)×2M(50列)，行線之間及列線之間的間隔均為4cm ，可以根據(jù)運(yùn)動所處的行線和列線的值來確定運(yùn)動員在柔性陣列傳感器上的位置。
　　硬件設(shè)計原理：將行線作為掃描線，依次對每條行線輸出高電平信號，每輸出一次讀取一次列線的信息，如果在陣列上的一點導(dǎo)通，則在該點的行線輸出高電平時，該點所處列線輸出電平會有變化，根據(jù)這個原理就可以確定所處的列線和行線。掃描電路采用74HC164 移位寄存器依次對每條行線輸出高電平，MCU通過74HC244 以選通方式擴(kuò)展 I/O口直接讀取列線的狀態(tài)。
2.4 電源模塊
　　CPU 模塊MCU 需要3.3V的直流電源供電，且每個端口可以承受的電壓為5V，串口電平轉(zhuǎn)換芯片MAX202以及光耦隔離芯片6N137 均需要5V直流電源驅(qū)動，故在設(shè)計CPU 模塊電源時必須提供5V和3.3V的直流電源。考慮到對電源模塊的兼容性(直流電源或交流電源均可以供電)，在設(shè)計CPU模塊電源電路時加入了整流橋和穩(wěn)壓模塊。采用電源隔離器B0505S將輸入電源和CPU模塊的電源相隔離，以屏蔽電源沖擊影響MCU的執(zhí)行。電源模塊電路圖如圖5所示。

2.5 通訊轉(zhuǎn)發(fā)模塊
　　通訊轉(zhuǎn)發(fā)模塊主要作用就是實現(xiàn) CAN 總線協(xié)議與 RS232協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換。硬件設(shè)計采用獨(dú)立的C8051F040作為MCU的CPU模塊，硬件電路主要包括 CAN總線電路和串口電路，轉(zhuǎn)換協(xié)議由控制軟件完成。
3 軟件設(shè)計
　　控制系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要包括主程序、伺服電機(jī)控制程序、步進(jìn)電機(jī)控制程序、ADC 采集程序、柔性陣列傳感器信號采集程序、串口通訊程序、CAN 通訊程序、通訊轉(zhuǎn)發(fā)模塊程序等。下面將介紹主要模塊的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計。
3.1 主程序
　　控制系統(tǒng)主程序主要完成MCU 的配置(看門狗配置、交叉開關(guān)配置、端口輸入輸出方式配置、時鐘源配置)、CAN總線初始化、串口工作方式初始化、12位A/D 轉(zhuǎn)換器初始化、伺服電機(jī)狀態(tài)檢測、等待上位機(jī)指令并跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)模塊執(zhí)行等功能。其程序框圖如圖 6 所示。

3.2 柔性陣列傳感器采集程序
　　該程序算法為：依次對行線置高電平，同時讀取列線的狀態(tài)信息，如果列線不全為0，則說明測量到位置，退出本次掃描，清除行線信息，并發(fā)送位置信息給上位機(jī)；如果列線全為0，則繼續(xù)對行線依次置高電平直至本次掃描結(jié)束。該掃描算法在實際應(yīng)用中測量的是壓力中心點。
3.3 通訊轉(zhuǎn)發(fā)模塊程序
　　通訊轉(zhuǎn)發(fā)模塊的軟件設(shè)計主要是實現(xiàn)協(xié)議的轉(zhuǎn)換。其程序結(jié)構(gòu)框圖如圖 7 所示。