基于MSP430的人体平衡能力检测系统设计-运动人体医学硕士论文

大连理工大学 硕士学位论文 基于MSP430的人体平衡能力检测系统设计 姓名：崔宇宁 申请学位级别：硕士 专业：运动人体科学 指导教师：孟昭莉 20080601 大连理工大学硕士学位论文 摘要 平衡功能是人体的一项重要功能，日常生活中的各种动作都依赖有效的平衡作保 障。其中人体的平衡能力又分为静态平衡和动态平衡。这套系统主要是研究人体的静态 平衡。静态姿势( 直立不动的姿势) 是指人在站立时尽量保持不动，事实上人在静止站 立时始终绕自己的平衡点不停的晃动，它是自我意识所无法控制的，称为生理性姿势动 摇。本系统是一个以m s p 4 3 0 单片机为核心，由测量、显示等部分结合组成的测试仪， 对人体重心的稳定性进行测量。采用高精度传感器，将人体在静态姿势时重心的微小移 动通过计算实时地采集并以图形的方式显示出来。它既适用于体育运动中的一些静力性 运动项目的辅助训练，又适用于医疗中脑平衡能力及相关疾病的评价。因为人体重心的 稳定性是评定人体平衡能力的重要指标，不同的运动项目及不同训练水平的运动员在人 体压力中心稳定性，重心稳定性等指标上都存在着显著的差异，这些指标对射击、射箭 等静力性运动项目则更为重要。本仪器可在现场监测运动员在完成整套技术动作过程中 身体重心移动变化的情况，教练员可以根据测量得到的结果即时纠正每个技术动作，可 大大提高训练质量。同时，在医学方面，对人体平衡性的测评也对检查人体前庭系统、 视觉系统、本体感觉系统的功能，以及控制上述系统的小脑、脑干功能有重要的意义。 关键词：人体平衡；重心移动；检测；m s p 4 3 0 基于M S P 4 3 0 的人体平衡能力检测系统设计 T h eD e s i g no fB o d yB a l a n c eS y s t e mB a s e dO nM s p 4 30 A b s t F a C t B a l a n c ef u n c t i o ni sa ni m p o r t a n tf u n c t i o no fh u m a nb o d y ，i nt h ed a i l yl i f ea l lk i n d so f m o v e m e n t sa r ed e p e n d so nt h ee f f e c t i v eb a l a n c eg u a r a n t e e T h i ss y s t e mi s1 3 a p p e a r a n c et h a t t a k em s p 4 3 0S C M 嬲t h ec o r e ，a n di n c l u d e sa l lk i n d so fp a r t ss u c ha s “ m e a s u r e ，d i s p l a ya n d m i m e o g r a p h , i tc a l lm e a s u r et h es t a b i l i t yo fb o d yb a r y c e n t e r , t h i ss y s t e ma d o p tt h eh i g h p r e c i s i o ns e n s o r , a n dt h r o u g hc a l c u l a t ei t c a l lc o l l e c tt h em i n u t e n e s sm o v eo fc e n t r o b a r i e w h e nh u m a ns t a n ds i l l ，b e s i d e st h i s ，i tC a l lb ea l s or e v e a l e db yf i g u r e T h i ss y s t e mi ss u i tf o r s o m ea s s i s t a n td i s c i p l i n e so fs t a t i cs p o r ti t e m si nt h eg y mg r o u p s B e c a u s et h es t a b i l i t yo f h u m a nc e n t r o b a r i ci sa l li m p o r t a n ti n d e xt h a ta s s e s st h eb a l a n e ec a p a c i t y , w i t l lt h ed i f f e r e n t s p o r t sa n da t h l e t e si nd i f f e r e n te d u c a t el e v e l ，t h e r ea r es o m ed i f f e r e n t i a t i o n si nt h es t a b i l i t yo f b o a yp r e s sc e n t e ra n dc a r y c e n t e ri n d e x I ns o m es p o r t ss u c ha ss h o o t i n ga n dt o x o p h i l y , t h e s e i n d e x e sa lem o r ei m p o r t a n t T h ea p p a r a t u sC a l ls u r v e yt h ev a r i e t yo fh u m a nc a r y c e n t e ri nt h e s c e n ew h e na t h l e t e sa l ep r e p a r et oa c h i e v eac o m p l e t es e to f m o v e m e n t s ，t h ec o a c hC a l lr e c t i f y t h ee a c hm o v e m e n t sa c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fm e a s u r e m e n t ，i tc a r li m p r o v et h eq u a l i t yo f d i s c i p l i n eg r e a t l y A tt h es a m et i m e ，i nt h ep h y s i cf i e l d ，t h em e a s u r e m e n tt ot h eh u m a n b a l a n c eh a ss i g n i f i c a t i o ni nm a n ya s p e c t ss u c ha s “ c h e c kt h eh u m a nv e s t i b u l e ，v i s i o ns y s t e m ， t h ef u n c t i o no fn o u m e n o nf e e l i n gs y s t e m ，c e r e b e la n db r a i nt h a tc o n t r o lt h e s es y s t e m s K e yW o r d s ：b o d yb a l a n c e ；b a d y e e n t e rm o v e ；m e a s u r e m e n t ；r a s p 4 3 0 I I 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定竹，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 导师签名：一基堕麴 垒2 年受月垄丕日 大连理工大学硕士学位论文 己I吉 丁I 目 1 平衡能力的概念及检测方法的发展 平衡能力是指身体对来自前庭器官、肌肉、肌腱、关节内的本体感受器以及视觉等 各方面刺激的协调能力。要准确的反映人体的平衡能力及其变化，必须对人体平衡能力 进行科学的评定。对于平衡能力的评定是一项基本的并日益受到重视的综合功能评定。 人作为一个整体，不能忽视多系统综合功能的评定，平衡的维持正是神经、肌肉、骨骼 系统等功能完整体现。不同年龄段所使用的测试方法也是有区别的，所以全面了解平衡 能力测试方法，是科学反映人体平衡能力的前提。 早在1 8 5 1 年R o m b e r g 就制定了平衡功能检测的R o m b e r g 检查法，受检者双足并拢直 立，观察其在睁、闭眼时身体摇摆的情况。1 9 6 6 年G r a t b i e l 在临床上开始使用单腿直立 检查法( O L S T ) 及强化R o m b e r g 检查法( S R ) ，前者要求受检者单腿直立，观察其睁、闭眼 情况下维持平衡的时间长短；后者要求受检者两足一前一后、足尖接足跟直立，观察其 睁、闭眼时身体的摇摆。自7 0 年代以来，国外便应用压力平板测评技术对平衡功能进行 定量测评的实验研究，8 0 年代这一设备技术在北美、西欧、日本等国先后应用于临床。 压力平板法主要原理是利用压力平板检测受检测者的重心( C O G ) 及压力中心( C O P ) 的 变化情况，测试数据包括压力的平均幅度、范围、面积变异量，C O P 改变的主要方向及 在一固定时间内( 1 0 2 0 s ) 的移动频率。 7 0 年代以来，随着计算机的广泛使用应运而生的平衡测试仪器，目前国际上有两类： 一类采用固定式平台，称固定式姿势描记图( s t a t i cp o s t u r o g m p h y ，S P G ) ；另一类采用 动态平台，称动态姿势描记图( d y n a m i cp o s t u r o g r a p h y ，D P G ) 或计算机动态姿势描记图 ( C c o m p u t e r i a e dd y n a m i cp o s t u r o g m p h y ，C D G ) 。人体姿势描记检查是一种客观定量的 躯体直立检查法，即将重心力学平台和计算机联机，记录人体重心在平面连续变化图形 及轨迹并进行分析。 2 对人体平衡能力检测的应用 医学：人体平衡的研究几乎都是从临床医学、生理学、运动医学、康复医学、航空 医学及老年医学等独立领域进行实验，并且多集中于对正常人和疾病患者的测评。研究 表明，颈椎病、偏瘫患者、糖尿病、脑外伤、骨质疏松患者、脑卒中、帕金森病、 共济失调病人、非颈性眩晕患者，其动摇程度皆明显大于正常人群。根据人体重心移动 图形，可分成8 种典型图型，即向心型、向心弥散型、弥散型、多中心型、左右型、前 后型、斜型、方向不定型。 基于M S P 4 3 0 的人体平衡能力检测系统设计 在临床医学中平衡功能的定性、定量检测，使人们对神经科、耳鼻喉科、老年病科、 骨科及其它学科疾病所致平衡障碍的机理和特点有了更深入的认识，为平衡障碍的评估 和治疗打下了基础。 神经科中的应用无论是静态平衡仪还是动态平衡仪，在神经科中都有较大的实用 价值，除了摆幅、摆速两类指标以外，频谱分析在神经科疾病的平衡功能检测中，也极 为重要。如各种小脑性共济失调患者，除了摆幅、摆速及R o m b e r g 指数( 睁、闭眼摆幅或 摆速之比值) 有明显变化以外，F r i e d r e i c h 共济失调患者，在0 1 1H z 范围的功率谱 较高；而小脑前叶病变性共济失调患者，在2 - 4 H z 范围的功率谱较高。所以，静态平衡 仪对小脑病变的平衡功能不仅有定量诊断价值，而且对其鉴别诊断也能提供重要线索。 对帕金森病患者进行检测时发现：其睁眼摇摆在正常范围，闭眼时反应异常，受干扰的 E M G 检测潜伏时正常。但其反应方式无论在幅度、时程、时序上皆不合适，E M G 表现为强 直性，踝关节的角旋转变慢，腿部先期姿势反应减少，这种反应缺如或减少的患者，平 衡功能降低，易于跌倒。对帕金森病平衡障碍特点的了解，一方面可预测其摔倒风险， 另一方面可相应制定提高平衡功能的治疗方案，同时监测病程及疗效。脑血管病所致的 偏瘫患者，当重心向偏瘫侧移动时，自主运动减慢而摇摆；重心也偏向健侧；在干扰 时，E M G 上出现明显改变，协同肌联合收缩、不同步而紊乱；同时，对感觉及本体觉的 反馈监视能力也降低。在制定康复方案中考虑到这些因素，患者生活能力无疑会有更大 的提高。 老年病科中的应用平衡功能检测在老年医学中意义较大，特别是在探讨平衡功能 与摔倒的关系方面应用较广。研究发现，在静态平衡检测中其摆幅、摆速皆较年轻人增 大，功率谱分析意义不大。联合应用E M G ( 肌电测定) 的动态平衡仪进行研究发现，某 些肌群收缩幅度变化明显，而肌激活潜伏期延长不太明显：运用活动压力平板发现：其 重心分布左右不对称，对不正确的反应抑制减少，在重复慢速、小幅度旋转时，摇摆范 围增大( 老年人3 2 3 6 衄，年轻人2 1 “ - - 2 4 咖) ，而在重复快速、大幅度平板旋转时，老 年人与年轻人比较无明显差异一。这些研究结果表明，老年人在维持平衡时更依赖于视 觉系统，本体觉对平衡功能也有明显影响，而前庭系统对平衡功能影响不明显，对干扰 的反应方式年轻人主要以踝方式开始，而老年人需颈、背、腹肌参与，其整合中枢较高， 反应较慢。肌力减退及关节活动范围降低，对老年平衡功能有重要影响。 老年人的平衡功能较中青年有明显下降。L o r d 的老年人重心平衡研究发现：随年龄 增大，平衡能力下降，摔倒次数增多。K i n g 等也发现平衡能力强弱的分水岭在6 0 岁，6 0 岁以前恒定且较强，6 0 岁以后每1 0 年下降1 6 或更多。国内外大多数的学者的研究结果 大连理工大学硕士学位论文 与以上相一致。这个结论也是有形态学和临床学依据的。形态学上，光镜下R o s e n h a l l 发现4 0 岁以后前庭末梢器官毛细胞开始退变，N 7 0 岁囊斑毛细胞减少2 0 ，壶腹嵴毛细 胞减少4 0 。电镜下，J o h n s t o n 发现了毛细胞静纤毛减少，耳石变形脱钙及前庭神经节 细胞数减少等系列变化。临床学上：6 0 岁以上时，随着年龄的增加、心率不齐和退行性 变化( 如牵张反射减退) ，皮肤触压觉降低。视力下降和前庭迷路部分老年化现象也很常 见。有研究指出当年龄上升N 6 5 岁平衡的贡献下降，所以老年人群视力下降导致周围输 入感中具有觉减少，造成摇晃区域增加，必将导致老年人平衡能力下降。老年人平衡能 力下降，直接影响老年人独立生活能力，严重的后果还引起老年人摔跤。国外许多专家 研究指出，老年人平衡能力测试可以作为一个预测摔跤指数。可见老年人平衡能力测试 非常重要，平衡能力测试也是老年体质测试的一项重要身体素质指标。 其它方面的应用病理性和医源性直立性低血压患者，摇摆明显，易于跌倒。精神 科中的服用镇静剂者、精神错乱、注意力下降等皆可通过中枢机制影响平衡功能。 运动科学：人体平衡检测系统适用于体育界的一些静力性运动项目的辅助训练。因 人体重心的稳定性是评定人体平衡能力的重要指标，不同的运动项目及不同训练水平的 运动员在人体压力中心稳定性，重心稳定性等指标上都存在着显著的差异，这些指标对 射击、射箭等静力性运动项目则更为重要。通过人体平衡检测系统可在现场监测运动员 在完成整套技术动作过程中身体重心移动变化的情况，教练员可以根据测量得到的结果 即时纠正每个技术动作，可大大提高训练质量。 3 人体平衡能力检测系统发展状况 自从1 9 7 6 年，T e r e k h a r 首先应用了一种简单的固定平板设备，又称压力平板以来。 人们对人体平衡的传统评估，有了一个新发展。通过对重心动摇轨迹、摆幅、摆速、功 率谱等多项指标的分析来了解平衡功能。随着微电子技术的发展，平衡检测技术也有了 长足的进步。检测设备也向着更轻便，更节能，功能更强大，指标更全面准确的方向发 展。其中发展最快的是日本和美国。我国的平衡检测技术还相对落后，虽然已经有了国 产的检测设备，但仍然存在着设备简陋，功能简单，软件不完善等问题。人体平衡功能 重心摆动测定在我国的应用才刚刚开始，大多都处于实验性研究阶段【6 】。 这套人体平衡系统由压力传感器、单片机、信号处理部分等组成。压力传感器有机 械的电动的换能器，能感受人体重心的移动情况，传感信号经单片机处理得到与平衡相 关的参数并储存在存储器中。这套系统的测力机构采用三角形测力平台，它的主要优点 是平面性稳定且结构简单，在三角平台的各个角下分别装有一个电阻应变片力学传感 器，当人体站在测试平台上进行测量时，由于人体的微小的晃动会使三个传感器产生大 小不等的电压信号。此信号在经过放大滤波处理后传给单片机进行处理。处理后通过 基于M S P 4 3 0 的人体平衡能力检测系统设计 L C D 显示所测量的结果，既人体在单位时间( 1 分钟) 内单位时间间隔( 1 0 毫秒) 人体 重心的变化情况，并将采集到的数据储存在存储器中，以备后续建立数据库。人们可以 对所显示的图样和数据进行综合的分析，判定人体的平衡能力和健康状况。在实际应用 当中则可以有针对性对所测量结果的部分进行处理。 大连理工大学硕士学位论文 1测力平台 本章主要讲述的是系统的信号采集部分测力平台，它是由三个高精度悬臂梁力传感 器和一个优质三角形铁质台面组成。下面将给出传感器的一些基本知识、应变片力学传 感器的工作原理以及系统测量所用到的力学原理。 1 1 电阻应变片力学传感器 力学传感器是将各种力学量转换为电信号的器件，力学量可分为几何学量、运动学 量及力学量三部分，其中几何学量指的是位移、形变、尺寸等，运动学量是指几何学量 的时间函数，如速度、加速度等。力学量包括质量、力、力矩、压力、应力等。这套系 统用的是应用最为广泛的应变式压力传感器， 力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压 阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式 加速度传感器等。在我们这套系统中运用的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和 较高的精度以及较好的线性特性。 在了解压阻式压力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片 是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器 的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。 金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘 和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一 起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变 片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的 仪表放大器进行放大，再传输给处理电路( 通常是A D 转换和C P U ) 显示或执行机构。 我们这套系统用的正是金属电阻应变片，下面我们重点说一下金属电阻应变片。 金属电阻应变片的内部结构 电阻应变片由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。 根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻 值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中 使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大， 阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几千欧左右。本系统设计的 阻值为3 5 0Q 。 基于M S P 4 3 0 的人体平衡能力检测系统设计 电阻应变片的工作原理【1 】 金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值 变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示：R = p 鲁 6 式中：p 金属导体的电阻率( Q c m = m ) S 导体的截面积( c m 2 ) I 广一导体的长度( m ) 我们以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化， 从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长 度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截 面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化( 通常是测量电阻两端的电压) ，即 可获得应变金属丝的应变情况。 某些固体材料受到外力的作用后，除了产生变形，其电阻率也要发生变化，这种由于 应力的作用而使材料电阻率发生变化的现象称为“压阻效应。利用压阻效应制成的传感 器称为压阻式传感器。 压阻式传感器有两重类型：一种是利用半导体材料的体电阻做成粘贴式应变片，称 为半导体应变片，用此应变片制成的传感器称为半导体应变式传感器，另一种是在半导 体材料的基片上用集成电路工艺制成的扩散电阻，以此扩散电阻的传感器称为扩散型压 阻传感器。 本系统采用的传感器为半导体应变片，其具体技术指标如下： 1 、引线为：红一一电源+ 、白一一输出、兰一一输出+ 、黄一一电源； 2 、测试电压为1 0 V ； 3 、在5 V 条件下加载1 2 0 k g 输出应在9 1l m v 综合精度：0 1 级 电阻范围：1 0 0 0 - 4 - 1 0 0 Q 灵敏度：2 0 0 2 m v V 零点输出：1 1 2 m v N 使用测试电压：5 V 大连理工大学硕士学位论文 1 2 测量电路 测量电路的作用是将应变片的电阻变化转换为电压( 或电流) 的变化通常应变片的电 阻变化是很小的，所以测量电路的输出信号( 电压或电流) 也极为微弱。因此要用电子放大 器将信号放大，然后连接到指示表或记录器上去。 应变片电测一般采用两种测量电路。一种是电位计式电路；一种是惠斯顿电桥( 简称 电桥) 。在实现信号采集时我们用的是应用最为普遍的桥式电路。下面重点介绍一下桥式 电路。 应变片的电阻变化和应变变化的关系是通过灵敏系数K 表示的。常规应变片K 值很小 ( k 2 ) 。机械应变一般常在1 0 - 3 1 0 - 6 范围内，因而测量电路应当能精确测量这样小的 电阻变化。在桥式电路中，常用的是惠斯顿电桥。 惠斯顿电桥具有四个电阻( 见图1 1 ) ，其中任何一个都可以是应变片电阻，电桥的一 个对角接入输入电压U ，则另一个对角用来测量输出电压E 。电桥的一个特点是：四个 电阻达到某一关系时，电桥输出为零。这样我们就有可能应用很灵敏的检流计来测量输 出。由于这一特点使电桥能够精确地测量微小的电阻变化。 图1 1 惠思顿电桥结构图 F i g 1 1H u i s i d u nb r i d g e 下面我们讨论一个最普遍的电桥电路。电桥( 如图) 是由四个应变片R 1 ，R 2 ，R 3 ， R 4 组成。在电桥的D C 对角上，加一桥压U ，A B 对角为输出端。 这里要分析的是当R 1 ，R 2 ，R 3 ，R 4 变化时，电桥A B 端电压E 变化的规律。 基于M S P 4 3 0 的人体平衡能力检测系统设计 先设想把整个电桥分为两个部分D A C 部分和D B C 部分。从D A C 这半个电桥来看， 由C 经过A 到D 的电压( 即D C 间的电压) 降为U 。R 1 上的电压降为U 肋。 = 焘u 同样C B D 半个电桥的电压降也是U ( 因为I U ，R 1 和R 2 ，I H 都是并联在电压U 上的) 。 R 2 上的电压降为U 肋 u 肋= 熹u 输出电压E 是U 肋与U 肋之间的差。 E = u 肋一u 肋= 丙R 瓦2 R 3 丽- R I R 4 u 为了使测量前的输出为零( 即所谓“电桥平衡”) ，应使： R 2 R 32R 1 R 4 所以，如正确选用各桥臂的阻值，可消除电桥的恒定输出量，使输出电压只与应变片的电 阻变化有关。 1 3力学原理 这套人体平衡系统主要由生物力学检测平台、信号处理部分、单片机等组成。在测试 平台中安装有三个悬臂梁压力传感器( A 、B 、C ) ，人站在测试平台上由于身体重心动 摇导致个传感器垂直方向受力( 压力) 的变化，这种压力变化通过传感器转化为电压值， 再经过放大、信号调理后进入单片机，经过单片机对信号分析处理，计算出人体重心在相 等时间间隔内的位置的变化。下面给出测量人体重心变化的力学原理【4 】： 根据所得桥电路A B 两端电压差为： E = 一= 面R 画2 R 3 - 画R , R 丽u 从公式可以看出，传感器不承受人体重力时E 为0 。当人站在测试平台上( 如图1 2 ) 时，输出电压, U A S 。分别测得平台上3 个传感器不同时刻的U 仰，然后分别计算出个传 感器所受到的力P 1 ，P 2 ，P 3 。再由力学的知识分别算出人体重心的位置。计算过程如 - V ： 大连理工大学硕士学位论文 名I 0毽 、，V B魏 图1 2 重心投影坐标 F i g 1 2C e n t r eo fg r a v i t yp r o j e c t i o nc o o r d i n a t e 如图( 1 2 ) 建立直角坐标系，选重心平台的几何中心作为坐标原点o ，平行于B C 边( 左右方向) 的中心线为X 轴，通过O 点并垂直于B C 边的中心线为Y 轴。其中三角 形三边长度相等。设。点到三角形三个顶点的距离都为2 a 。则A 点坐标为( O ，2 a ) ，B 点坐标为( 一3a ，- - a ) ，C 点坐标为( 3a ，- - a ) 。传感器A ，B ，c 所受的垂直 力分别为Pl ，P2 ，P3 。 由测试平台的工作原理可知，当人站立在平台上时，其重心会偏移且不一定在平台中心， 各个传感器受力不等，即鼻忍B 。假定人的重心作用于平台上的垂直力为G ( x ，Y ，) 。 根据力矩平衡原理，在平衡状态下测试平台所有作用力的力矩和为零。因此可以建立力矩 平衡方程式： 对于X 轴取力矩 2 a x 只一口X 最- a E Y ，G = 0 对Y 轴取力矩 x 3 aX 忍一3 口昱一G = 0 由y F = 0 得： 最+ P 2 + B - - G 得出人在测试平台上的重心投影位置( X iY ，) 为： 苁：垫墨二型口 J ，f 2 G ( 其中G 为人体的重量，单位为k g ) 反复测定则可以得到人体在某一段时间内重心的变化情况并形成图形通过显示器显示。 基于M S P 4 3 0 的人体平衡能力检测系统设计 1 4 检测方法及评价参数指标 检查方法：受检者脱鞋，并足站立于测检台上双眼平视前方，两手自然垂于两腿 侧，尽量保持稳定。先睁眼、后闭眼各测试6 0 秒。检测方法可以根据实际的检测指标 而定，不同的检测指标反映不同的病症特征。 1 人在测试平台上的重心投影位置( 工，少t ) 为： x ；= ! 三堡二型口 G 2 7 , 一只一只 y i = = - 二a G ( 其中G 为人体的重量，单位为k g ) 重心摆动类型观察x - Y 记录图，从动摇方向、范围的广泛度、集中趋势可判断重 心摆动类型。从摆动类型，综合判断平衡障碍。可以把握是哪一系统哪一部位的障碍。摆 动类型可分为向心型、前后型、左右型、弥散型、多中心型，正常人以向心型为主。一侧 迷路障碍病例因迷路性肌紧张的左右差异而使摆动以左右摆动为特征；两侧迷路障碍患者 因迷路机能丧失导致脊髓反射亢进，重心以前后摆动为特征；在广泛小脑损害时，由于 小脑蚓部、中间部损害，引起躯干、四肢的协调运动障碍，重心摆动以弥散性摆动为特征； 前庭小脑系损害时，由于小脑前叶损害使长环路反射延迟、反复、亢进，重心摆动以前后 摆动为特征；脑干损害、颈脊髓障碍而有强直状态的病例由于脊髓伸张反射亢进，重心摆 动也以前后摆动为特征。帕金森病患者由于姿势维持、反射、平衡障碍重心摆动以弥散 型为主。多发性硬化伴R o m b e r g 征阳性患者重心摆动以弥散摆动为特征。如果见到典型 的摆动类型，在病态的把握，病灶的诊断方面起着很大作用。 2 动摇总轨迹长( L n g ) ，单位：l n r r l 三馏2 善( t x ，“) 2 + ( y ，一只州) 2 其中n 为取样次数。 3 X ( 左右) 、Y ( 前后) 方向上的轨迹长( L n g z ，L n g y ) ，单位：姗 L n g ，= ( _ 一x ，“) 2三馏y = ( 少，- y ) 2 4 平均重心坐标( x ，Y ) 。 一置一E y ， x = 2 L Y 2 生一 n 刀 大连理工大学硕士学位论文 重心摆动中心的偏倚是测定重心摆动中心与足底中心( 平台上的标准点) 在X 轴、Y 轴 上的距离。X 方向( 左右) 重心中心移位，反映躯干、四肢左右肌张力的差异及迷路性偏差； Y 方向( 前后) 重心移位，反映抗重力肌张力的增高或减低。二侧迷路障碍时出现左右方 向的移位；两侧迷路障碍时则向后方移位；中枢损害则出现向后跌倒倾向。正常人随年龄 增加，重心摆动中心逐渐向前偏倚，老年人随年龄增加逐渐出现身体前屈姿势。与身体重 心逐渐前移有关。 5 包络面积( A r e a ) ，单位m m ：重心移动轨迹的包络图如图1 3 以平均重心坐标P 为圆心，将重心包络图分割成7 2 0 等份，计算每一等份与重心包 络图的交点坐标( X ，Y ) ，然后求出每一交点坐标到平均重心坐标的距离r ，则包络面积 计算如下： 7 2 0 一2 A r e a = y ! 鲁7 2 0 I - , LL P ： 乙 、 图1 3 包络面积 F i g 1 3A r e a 指重心摆动轨迹所包绕的面积，反映平衡障碍的程度。儿童及老年人较中青年人重心 摆动面积增大。特别是老年人在闭跟时较睁眼时面积增大，说明视觉调节在老年人直立姿 势平衡中起重要作用。正常男性2 5 “ - - - 4 9 岁年龄组，闭眼时外周面积为41 5 5 c m 2 。6 0 岁以后其摆动外周面积逐渐增加，8 5 8 9 岁时平均选8 0 c m2 。但个体差异大。老年人 的直立姿势平衡功能降低与运动系统、肌肉骨骼系统、中枢神经系统的退行性变性有关。 从重心摆动外周面积能够综合把握平衡障碍的程度。外周面积检查在平衡障碍程度的把 握。疾病经过的观察，治疗效果的评价，平衡训练教果的评估以及在判断因平衡障碍导致 日常生话障碍程度方面均起到重要作用。 基于M S P 4 3 0 的人体平衡能力检测系统设计 6 单位面积轨迹长( L n g A 。1 ) ，单位：l r a m L n g A 一1 = L n g A r e a 是总轨迹长除以外周面积的值反映姿势的细微调节及脊髓对姿势的固有反射性调 节。男性2 5 4 9 岁闭跟时测得值2 7 - _ 3 1c I I l ，8 5 , - - - - 8 9 岁平均为3 0 c m 。这一变量值受视觉 控制影响小。根据单位面积轨迹长检测姿势控制的微小差剐，可以进行自我感受性姿势控 制的评价。迷路性平衡障碍时自我感受性反射的代偿性评价以及靠训练而使平衡机能提高 的评价。 单位时间轨迹长是总轨迹长除以时间的值，反映重心摆动的速度，老年人重心摆动 面积增加的同时摆动速度亦增快。 - 7 闭睁眼两种情况下包络面积的比值( C O 1 ) C O 一：A r e a c l o s e A r e a o 煳 R o m b e r g 率是直立重心摆动睁眼、闭眼差别的检查。可检查视觉代偿，反映视觉对姿 势平衡的调节功能。外周面积的R o m b e r g 率各年龄组平均在1 5 左右。老年人与中青年比 较有明显差别，视觉代偿调节在老年人姿势平衡中起重要作用。 8 x ( 左右) 、y ( 前后) 方向的最大、最小值( x 一, X m i n ) ， ( y 一，少I D i ) ，单位：n 吼。 9 x ( 左右) 、y ( 前后) 方向的最大动摇径( 皿，B ) ，单位：m m 。 皿= x 一一x 疵B 2 y 一一y I n i n 。 人在测试平台上的人体重心初始位置一般很难与平台的几何中心重合，因此为了计算 的准确性，在计算以下第( 1 0 ) 至( 1 4 ) 项指标时，将坐标原点平移到第一点( 为，M ) ，平移后的坐 标成为： xj 2 x i x 1 Y i Iy t y 1 1 0 动摇优势方向及程度( W a w 0 1 ) ，单位：舢 n 以重心采集的第一点为坐标原点D ，平行于B C 边的中心线为X 轴，通过D 点并垂直于 B C 边的中心线为Y 轴，则重心平台分成4 个象限，比较在规定的时间内每次测量的平均重 心坐标所在的象限值，且计算出平均重心坐标到O 的距离作为评定动摇程度的值。 W a v v o l = 4 ( x x 1 ) 2 + ( y Y 1 ) 2 11 实时动摇长度( L n g ) ，单位：n l i n L n g f = 4 ( x f - - X 。f - 1 ) 2 + ( y f Y f - 1 ) 2 大连理工大学硕士学位论文 1 2 实时动摇角度( 仍) ，单位：弧度 咖：s i n l 兰堕。 1 - 1 其中H 为被测者的重心高度，单位“ I I I I l l 1 3 动摇角度( D e g ) ，单位：弧度 。昭= 吉喜s m 。1 警 1 4 能量损耗( E n g ) ，单位：焦耳 G x g x Hc o s j - e o s 痧, 一lI E n g = _ 其中：g = 9 8 1 m s 2 基于M S P 4 3 0 的人体平衡能力检测系统设计 2系统构成 2 1 M S P 4 3 0 在系统中的应用 2 1 1 M S P 4 3 0 简介幻羽 r a s p 4 3 0 系列单片机在超低功耗和功能集成等方面有明显的特点。该系列单片机自问 世以来，颇受用户关注。在2 0 0 0 年该系列单片机又出现了几个F L A S H 型的成员，它们 除了仍然具备适合应用在自动信号采集系统、电池供电、便携式装置超长时间连续工作的 设备等领域的特点外，更具有开发方便、可以现场编程等优点。 M s p 4 3 0 系列器件包含以下主要功能： C P U ： 程序存储器( R O M 或E P R O M ) ； 数据存储器( R A M 或E E P R o M ) ； 运行控制； 外围模块： 振动器和倍频器。 M S P 4 3 0 系列采用存储器一存储器结构，即用一个公共的空间对全部功能模块进行寻 址；同时，用精简指令组对所有功能模块进行操作。 C P U C P U 运行正交设计、对模块高度透明的精简指令集。它由一个1 6 位A L U 、1 6 个寄存 器和一套指令控制逻辑组成。其中四个寄存器有特殊用途，即程序计数器P C 、堆栈指针 S P 、状态寄存器S R 、以及常数发生器C G l 、C G 2 。除了R 3 C G 2 和R 2 C G l 外，所有寄存 器都可以作为通用寄存器来用所有指令操作。常数发生器用于指令执行时提供常数，而 不是用于存储数据。对C G l 、C G 2 访问的寻址模式可以区分常数的数据。P C 、S R 和S P 配合精简指令组所实现的控制，使应用开发可实现复杂的寻址模式和软件算法。 代码存储器 对代码存储器的访问总是以字形式取得代码，而对数据可以用字或字节方式访问。 每次访问需要1 6 条数据线和访问当前存储器所需的地址线。存储器模块由模块允许信 号自动选中。这是一项可减少总电流消耗的技术。程序存储器可以是E P R O M 或R O M 。 M S P 4 3 0 系列各种型号有R O M 、O T P 、E P R O M 和闪存型。支持外部扩展存储器是将来性能增 大连理工大学硕士学位论文 强的目标。最低的6 4 K B 空间的顶部1 6 个字，即O F F F F F h - O F F E O h ，保留存放复位和中断 的向量。 程序对程序存储器可以任意读取，但不能写入。未来的改进如下： 寻址空间将改进为分段方式。扩展的寻址空间主要增加3 种方式：长跳转及调用指 令、代码段指针C S P 、数据指针D P P 。代码段指针在状态寄存器S R 中。扩展的地址空间 以如下方式用于代码访问指令( C S P + P C ) 和数据存储器访问指令( D P P i + 操作数地址) 中，即 M A B = C S 陛10 0 0 0 h + P C 访问代码存储器。 M A B = D D P i * 4 0 0 0 h + R s d访问堆栈和数据存储器。 在6 4 K B 空间内寻址，C S P 和D P P 的数值在存储器地址总线上不去作用。 数据存储器 数据存储器( R A M ) 经两条总线与C P U 相连，即存储器地址总线与C P U 相连，即存 储地址总线( M A B ) 和存储器数据总线( M D B ) 。数据存储器可以以字节或字节宽度集成 在片内。 所有指令可以对字节或字进行操作。但是对堆栈和P C 的操作是按字宽度进行的， 寻址时必须对准偶地址。 运行控制 M S P 4 3 0 系统微控制器的运行主要受控于存储在特殊寄存器( S F R ) 中的信息。不同 S F R 中的位可以允许中断，以支持取决于中断标志状态的软件，以及定义外围模块的工 作模式。被禁止的外围模块将停止它的功能以减少电流消耗，而所有存储在模块寄存器 中的数据仍被保留。外围模块的工作模式可以用S F R 的特定位置来标明。 外围模块 外围模块经M A B 、M D B 、中断服务及请求线与C P U 相连。对大多数外围模块，M A B 通 常是5 位，M D B 是8 位或1 6 位。8 位数据总线的模块经总线转换电路与1 6 位的C P U 相 连。这些模块的数据交换毫无例外地要用字节指令处理，而对1 6 位模块的操作指令就 没有任何限制。大部分外围模块是工作在字节方式下的。S F R 的处理也毫无例外为8 位。 对8 位外围模块的操作要根据对顺序的说明来进行。 振荡器、倍频器和时钟发生器 振荡器是专门为通用的低功耗3 2 7 6 8 H z 时钟晶振设计的。除了晶体外接外，所有的 模拟元件都集成在片内。 基于M S P 4 3 0 的人体平衡能力检测系统设计 这一振荡器对于一些以低频工作的模块来说是直接信号源。对于C P U 和其他模块， 则将晶振频率用一个锁频环电路( F L L ) 进行倍频。F L L 在上电后以最低频率开始工作， 并通过控制一个数控振荡器( D C O ) 来调整到适当的频率。 长时间工作的频率偏离受晶体和振荡器稳定性的限制。 供处理机工作的时钟发生器的频率固定在晶振的倍频上，并提供时钟信号M C L K 。 m s p 4 3 0 的总体特点如下： 低供电电压范围：1 8 V 3 6 V ，在1 M H z 时钟条件下工作时，工作电流视不同模式 为0 1 u A 一- 4 0 0 u A ，有5 种低功耗( 超低电流消耗) 模式，可使用电池供电，片内数字 控制振荡器( D C O ) 可以使单片机在6 微秒的时间内从低功耗模式转变到活动模式。 有丰富的片上外围模块：最多8 路1 2 位A D 转换，4 8 个I o 端口，两个U 越汀， 看门狗，两个内置1 6 位定时器，可在线仿真的F L A S H 内存，7 路P W M 输出，L C D 驱 动等。 多种时钟模块： M S P 4 3 0 单片机有三种时钟源可以选择提供给A C L K ，S M C L ，K ，M C L K 。其中L F X T l 提供给外围设备3 2 7 6 8 H z 的时钟，L F X T 2 可以提供高达8 M H z 的时钟供单片机运行使 用，D C O 为单片机内部提供，并具有锁相环，为系统提供一个内部时钟源，当X T A L T 2 没有提供时，系统依靠D C O 运行，整个时钟配置可以通过D C O C T L ，B C S C T L l ， B C S C T L 2 和S R 等控制寄存器中相应的位来选择和控制以满足用户对系统的要求。 强大的处理能力：M S P 4 3 0 具有丰富的寻址方式( 7 种源操作数，4 种目的操作数) ， 但只需要简洁的2 7 条指令：片内寄存器数量多，存储器可实现多种运算，有高效的查 表处理方法，这些都保证了可以编出高效的程序。 方便高效的开发方式，支持在线仿真和编程，所配编译器功能强大；具有F L A S H 存储器，利用单片机本身具有的J T A G 接口或片内B O O TR O M ，可以在一台P C 及一个 结构小巧的J T A G 控制器的帮助下实现程序的下载，完成程序的在线调试，实时修改片 内寄存器和内存的内容，对使用者来说将大大提高程序的调试效率。 熔丝保密功能和2 5 6 位保密字相结合，几乎没有解密的可能，可以充分保证用户程 序的安全性。 本套人体平衡测试系统采用的是m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机，M S P 4 3 0 F 1 4 9 是德仪公司推出 的系列超低功耗控制器中的一种，基于真正的1 6 位R I S EC P U 内核，1 6 位总线结构，C P U 中的1 6 位寄存器和常数产生器，使M s P 4 3 0 F 1 4 9 能具有最高的代码效率。数字控制的振 荡器可使器件从低功耗方式迅速唤醒，在少于6 U s 的时间内达到激活方式。M S P 4 3 0 F 1 4 9 大连理工大学硕士学位论文 内部配置两个1 6 位定时器，一个高速1 2 位b D 转换器，两个通用串行同步，异步通信接 口( U S A R T ) ，有4 8 个I o 引脚。 M S P 4 3 0 F 1 4 9 的电源电压工作范围1 8 3 6 V ，在1 M Z 时钟条件下，最大工作电流仅 有3 5 0 u A ；具有5 种低功耗工作模式，在不同的工作模式下，工作电流可下降到O 1 2 A ， 具有超低功耗。