（机械设计及理论专业论文）基于zigbee无线通信协议的鞋垫式足底压力测量系统研究.pdf

关。足底压力分布能够反映有关脚的结构、功能及整个身体的健康状况等。为了精确的 测量人体足底压力，在深入分析、比较国内外各种足底压力测量系统的基础上，提出了 采用压电陶瓷传感器进行x 、y 、z 三维力测量，从而构建鞋挚式足底压力测量系统的 方案。 为了提高测试者的灵活性与活动范围，在比较目前比较流行的各种短距离通信技术 中，选择了z i g b e e 无线通信技术。z i g b e e 协议使用i e e e 8 0 2 1 5 4 规范作为物理层p h y 和介质访问层m a c 。i e e e 8 0 2 1 5 4 是一个新兴的无线通讯协议，它确定了低速个人区 域网络标准，定义了物理层p h y 和介质访问层m a c 。 以压电传感器为采集元件，构建了系统的硬件电路，主要包括信号选择及调理，无 线收发模块。信号选择将4 8 路传感器测得的信号选通同一测试点的3 路x 、y 、z 信 号进行处理，保证了同一点信号的同步性。无线收发模块由微控制器p i c l 8 f 4 6 2 0 和完 全符合i e e e 8 0 2 1 5 4 标准的射频收发器c c 2 4 2 0 构成。发射部分采用简化功能设备 r f d ，接收部分采用全功能设备f f d 式的协调器。 采用m p l a b 集成软件包对软件部分进行编译和调试，系统能够准确的发送，接收 数据。对系统进行了实验分析，实验结果表明，本系统能够满足足底压力测量的准确 性，实时性要求，可以完成足底压力测量的任务。 关键词：足底压力分布，压电陶瓷，传感器，z i g b e e ，无线通信，i e e e 8 0 2 1 5 4 p r e s s u r em e a s u r e m e ms y s t e m sa th o m ea n da b r o a d ；am e t h o df o ru s i n gp i e z o e l e c t r i cc e r a m i c s e n s o rt om e a s u r et h r e e - d i m e n s i o n a lf o r c e so fx ，ya n dzi sp r o p o u n d e dw h i c he s t a b l i s has e t 。 o fi n s o l ep l a n t a rp r e s s u r em e a s u r e m e n ts y s t e m i no r d e rt oi m p r o v et h ea g i l i t ya n dt h ea c t i v i t yr a n g eo ft h eq u i z e r , w ec h o o s et h ez i g b e e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yw h i c hc o m p a r e das e r i e so fm o r ep r e v a l e n ts h o r t - h a u l w i r e l e s sc o m m t m i c a t i o nt e c h n o l o g i e s z i g b e ep r o t o c o lu s ei e e e 8 0 2 15 4c r i t e r i o na sp h y s i c a l l a y e r ( p h a n dm e d i u ma c c e s sl a y e r ( m a c ) i e e e 8 0 2 1 5 4i san e wp r o m o t i n gw i r e l e s s p r o t o c o l ，w h i c hd e f m e st h es t a n d a r df o rw i r e l e s sl o w - r a t ep e r s o n a la r e an e t w o r k i tp r o v i d e s t h ed e f m i t i o nf o rp h y s i c a ll a y e r ( p h a n dm e d i u ma c c e s sl a y e r ( m a c ) h a r d w a r ec i r c u i t so ft h es y s t e mw h i c hu s e t h ep i e z o e l e c t r i cs e n s o ra st h ec o l l e c t i o n c o m p o n e n ti n c l u d et h es i g n a lc h o o s ea n dm o d u l a t em o d u l ea n dt h ew i r e l e s st r a n s c e i v e rm o d u l e t h es i g n a lc h o o s ea n dm o d u l a t em o d u l ec h o o s e3p a t hx ，y ，zs i g n a l so ft h es a m ep o 硫f r o m 4 8p a t hs i g n a l sf r o ms e n s o r s ，w h i c hg u a r a n t e et h es y n c h r o n i z a t i o no ft h es a m ep o i n ts i g n a l s t h ew i r e l e s st r a n s c e i v e rm o d u l ei sm a d eu po ft h em i c r o c h i p ( p i c18 f 4 6 2 0 ) a n dt h er a d i o f r e q u e n c yt r a n s c e i v e r ( c c 2 4 2 0 ) w h i c ha c c o r dc o m p l e t e l y 澌n li e e e 8 0 2 15 4c r i t e r i o l l t h e s e n dm o d u l eu s et h er e d u c ef u n c t i o nd e v i c e ( r f d ) a n dt h er e c e i v em o d u l eu s et h ec o o r d i n a t o r o f t h ef u l lf u n c t i o nd e v i c e ( f f d ) u s et h em p l a bi n t e g r a t e ds o f t w a r ep a c k a g e st oc o m p i l ea n dd e b u gt h es o f t w a r e ；t h e s y s t e mc a ns e n da n dr e c e i v ed a t ae x a c t l y m a k ea ne x p e r i m e n tu s e dt h es y s t e m , t h er e s u l ti s t h a t t h i ss y s t e mc a ns a t i s f yt h ev e r a c i t ya n dr e a l - t i m e r e q u e s to ft h ep l a n t a rp r e s s u r e m e a s u r e m e n ts y s t e m k e yw o r d s ：p l a n t a rp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n , p i e z o e l e c t r i cc e r a m i c ，s e n s o r , z i g b e e ，w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n , i e e e 8 0 2 15 4 霉 。： j ： 、1 山东珲t 人学硕i j 学位论文 l i 录 目录 第一章绪论1 1 1 课题背景及选题意义。1 1 1 1 课题背景l 1 1 2 研究意义1 1 2 足底压力测量系统的国内外发展概况一2 1 2 1 足底压力测量技术的发展2 1 2 2 国内外研究现状3 1 2 3 发展趋势4 1 3 主要研究内容4 1 4 本章小结一5 第二章系统概述与方案选择一6 2 1 鞋垫式足底压力测量系统概述一6 2 2 传感器方案的选择7 2 3 信号选择及调理模块方案8 2 4 无线通信技术方案的选择一9 2 4 1 u w b 无线通信技术1 0 2 4 2 蓝牙( b l u e t o o t h ) 无线通信技术1 1 2 4 3 z i g b e e 无线通信技术1 l 2 4 4 其他无线通信技术1 2 2 4 5 方案的确定。1 3 2 5 本章小结1 3 第三章z i g b e e 协议1 4 3 1z i g b e e 协议栈1 4 3 2 物理层1 6 3 2 1 工作频率和数据速率1 6 3 2 2 调制及扩频。1 7 3 2 3 物理层协议数据单元( p p d u ) 格式1 9 3 3m a c 层19 3 3 1m a c 层功能1 9 3 3 2 m a c 层协议数据单元( m p d u ) 格式2 0 3 4 数据传输模式2 l 山东理t 人学硕i 学f 一论丈 目? r 3 5 本章小结2 3 第四章传感器模块的设计2 4 4 1 压电陶瓷的压电机理2 4 4 1 1 压电陶瓷的压电效应2 4 4 1 2 压电陶瓷片坐标系的表示2 5 4 1 3 压电陶瓷的压电机理2 6 4 2 传感器的工作原理2 7 4 2 1 传感器的力学模型2 7 4 2 2 传感器的数学模型2 8 4 3 传感器的结构及分布3l 4 3 1 传感器的结构3 1 4 3 2 传感器的分布3 2 4 4 传感器的特性分析3 3 4 4 1 传感器的量程：3 3 4 4 2 线性特性3 3 4 4 3 灵敏度3 4 4 5 本章小结3 4 第五章系统硬件设计3 5 5 1 概j 查3 5 5 2 微控制器电路设计3 5 5 3 基于c c 2 4 2 0 的发射电路设计。3 7 5 4 多通道信号选择电路设计3 9 5 5 信号调理电路设计4 1 5 6 电源电路设计4 l 5 7 接收电路简介4 2 5 8 本章小结4 3 第六章系统软件设计4 4 6 1 开发环境概述4 4 6 1 1 集成开发环境概述4 4 6 1 2 在线调试工具简介4 5 6 2 软件设计。4 5 6 2 1 初始化子程序4 6 6 2 2a d 转换子程序4 7 6 2 3s p i 与c c 2 4 2 0 数据发射控制接口子程序4 7 6 3 本章小结5 0 i v 山东理t 人学硕i 学位论文 第七章系统实现与实验分析51 7 1 鞋挚式足底压力测量系统的实现5 1 7 2 实验分析5 1 7 3 本章小结5 3 第八章总结与展望5 4 8 1 全文总结5 4 8 2 展望5 4 致谢5 5 参考文献5 6 作者在读硕士期间参加课题和发表论文5 9 v i v l j j 东珲t 人学硕卜学位论文第一章绍论 1 1 课题背景及选题意义 1 1 1 课题背景 第一章绪论 本课题来源于山东省自然科学基金资助项目鞋挚式足底压力分布测量系统的 研究( 2 0 0 4 z x 3 3 ) ，并在此基础上得到了校级立项项目的资助。 脚是人体的重要组成部分，与人的健康息息相关。近代中医研究认为，脚存储了 人体的全息信息，通过对足底的刺激，可以达到防病治病的效果。反之，足部的损伤也 可能会影响人的全身健康。 人体足底压力分布反映有关脚的结构、功能及整个身体姿势控制等情况。测量和分 析足底压力可以获取人体在各体态和运动下的生理、病理力学参数和机能参数，可以为 临床医学诊断、疾病程度测定、术后疗效评价、生物力学及康复研究等提供重要信息 【l j o 鞋挚式足底压力测量系统主要用于人体足底压力的动态测量，采用了压电陶瓷传感 器采集足底压力的模拟信号，经过信号调理将微弱的电压信号调理成可供测量的电压信 号，经a d 转换成数字信号，并采用z i g b e e 无线通信协议进行数据的无线传输，利用 p c 1 0 4 系列的嵌入式主板构建完整的嵌入式系统。本系统涉及测试技术、数字信号处 理技术、虚拟仪器、单片机开发技术、无线通讯技术等多门学科。通过集成创新，本系 统实现了足底压力信号的实时采集、数据处理、分析、保存的功能。 1 1 2 研究意义 脚由2 6 块骨头、3 3 个关节、2 0 多条肌肉和1 0 0 多条韧带组成，协调地承受着身体 的重量，是人体重要的组成部分，与人的健康息息相关 2 1 。尽管都市里的人减少了对脚 的运用，但人的一生中还是不知不觉走很多的路。根据美国足部医学会的报告统计，人 一生所走的距离约可走地球两周半以上，而在步行时足部所承受的地面反作用力达到 1 5 倍体重，跑步时更达到2 3 倍体型3 。据美国足踝修复协会统计，每六个人中就有 一人，脚部健康有问题，使得行走不方便1 4 】。因此足部的健康应更加注意维护，受到了 特别的关注。 足底压力分布静态和动态测量有着非常重要的现实意义，已在临床医学、康复医 学、生物力学、长期运动负荷的监测、各种体育运动的现场测试、工业、宇航、人机工 1 山东理t 人学硕f + 学位论丈第一市绪论 程等方面广泛应用，体现了其极大的应用价值。足底压力测试系统，可以为宇航员在模 拟空间活动时进行测试；设计中包含着人机工程学因素，可以在人机环境的复杂环境 中，通过足底压力分布的测量和人体的主观评价，利用反求工程技术反求有关机械的参 数，进而改进机械结构，使人机环境的关系更加和谐。目前，很多健身鞋，减肥鞋都 是足底压力测量技术运用和研究的结果，如n i k e ，a d i d a s 都有自己专门的研究机构，在 设计、开发产品时对其进行运动学和动力学测试。此外，足底压力分布测量还可以应用 在养生保健等方面，比如预防老年人跌倒、老茧和鸡眼的预防和治疗 6 1 。 因此如何使足部保持健康、避免伤害及如何评价足部的健康程度、机能，及定性定 量评价，一直是国内外医学界、生物力学界、体育界及相关学科关注的问题。 国外许多科研院所、医疗机构为此开展了大量的研究。如：美国t e k s c a n 公司产的 测力板及f s c a n 鞋挚式足底压力测试系统；美国的a m t i 生物力学测力板系统；英国 的m u s g r a v e 力板系统等。随着研究的进一步开展，在测量方法上有所改进，测量 精度上也有不同程度的提高。 但是，由于我国在足底压力测量技术的研究上起步较晚，测量技术和测量精度和国 外相比都有一定差距，引进一台国外设备不仅不能及时升级，而其价格昂贵。因此，为 打破外国公司对我国的技术封锁，逐步掌握相关核心技术，建立一套能够实时、连续足 底压力测量和拥有自主知识产权的测量系统，逐步提升我国足底压力测量科研实力，是 十分必要的。 1 2 足底压力测量系统的国内外发展概况 1 2 1 足底压力测量技术的发展 足底压力测量技术是运用压力测量仪器对人体在静止或者动态过程中足底压力的 力学、几何以及时间参数值进行测定，对不同状态下的足底压力参数进行分析研究，揭 示不同的足底压力分布特征和模式。 1 8 9 1 年，b r a u n e 和f i s c h e r ，首先表示要用一种方法来测量人在行、立、坐、卧时 。 身体对垫子施加的压力。m o r t o n 和e l f l t n a n n 首次就人在行走时足部压力分布的动力学 测定发表了论文。1 9 7 6 年，n i c o l 和h e n n i n g 首次介绍了一种以电容压力分布测量为原 理的压力分布测试装置，这一装置配有一个可弯曲的测量垫作为传感器，从而第一次有 可能测量弯曲表面上的压力分布；且这一装置的优点是压力接受装置简单，测试仪轻 便，灵活，易携带。随后，n i c o l 和e n g e l h a r d ( 1 9 7 6 ) 又发明了一种以改变电阻为基础的 电测量方法，用这一方法可用计算机立即提供信息。这一装置的压力接受器制作容易， 形式多样，经过裁剪可使之适合于各种表面。1 9 7 6 年t h e y s o n 和h e i n r i c h s 给许多金属 笔装上弹簧，受力时金属笔下压，压印的大小与受力大小成比例，从而记录下压力的分 2 山东理t 人学硕f 学位论丈 第一章绪论 布情况。1 9 7 7 年b e i e r l e i n ，发明了一种有许多锥形硅做成的挚子，锥尖向下，负重时 这些锥尖就会被压扁，被压扁的程度表示该部位受力的大小p j 。根据上述几种不同测量 原理形成了几种不同类型压力测量系统，而专门用测量足底压力的测量系统，由于其特 殊性，便进一步发展成为足底压力测量系统。足底压力测量系统的传感器有电容式、电 阻式、压电式、应变式、足印式、光学压力等各种形式1 2 j 。尽管传感器的基本原理没有 变化，但是这些测量系统的测量精度、灵敏度、采样速度等方面是在不断的发展的，与 初始的设备相比，有了质的飞跃、很大的进步。 1 2 2 国内外研究现状 对人体运动有关的生物力学现象的研究，已从过去的直接观察、经验观察、定性分 析，发展到运用机电一体化和图像方法进行分布测量、定量分析。由过去的单一方法， 到当前的多种方法相配合；虽然原理近似，但由于传感器、计算机等相关技术的巨大进 步，采样速度越来越快，数据量越来越大，精度和准确度越来越高，数据处理及时，获 得了满意的效果。人类于2 0 世纪初期开始对步态产生兴趣，自1 9 3 8 年第一块测力板被 用来探讨猫的步态以来1 8 j ，足底压力分布测试系统飞速发展。目前，具有世界先进水平 的代表性的产品有：瑞士奇石乐( k i s t l e r ) 公司产的测力台；德国n o v e l 公司产的 p e d a r 高质量鞋垫式足底动态压力分布测量系统；德国a d a m 测力板；德国z e b f i s 测 力板；鞋垫式足底压力测试系统；美国t e k s c a n 公司产的测力板及f s c a n 鞋垫式足底 压力测试系统；美国的a m t i 生物力学测力板系统；英国的m u s g r a v e 力板系统等 1 9 l 。其中瑞士奇石乐( k i s t l e r ) 公司产的测力台和德国n o v e l 公司生产的p e d a r 高质量 鞋挚式足底动态压力分布测量系统应用最为广泛，成为一些科研机构和院所的标准设 ，? 备；奇石乐( k i s t l e r ) 公司产的测力台，是由4 个预加载的3 分量力传感器和面板组成 的。4 个力传感器的1 2 个输出信号在测力台的内部已被合并为8 个能够确定所有力和 力矩的分量。力作用点( c o p ) 的测力台是由4 个预加载的3 分量力传感器和面板组成 的。4 个力传感器的1 2 个输出坐标和测力台的法向扭矩也可由此确定。 国内也进行了相关研究，研制了几套相关系统：1 9 8 6 年上海第九人民医院研制的 s 9 1 型微机化的步态测试系纠圳；1 9 9 0 年北京军区总医院研制的i g i 3 型综合步态测试 系统i l o l ；上海交通大学研制的测定人体重心轨迹和关节载荷谱的计算机评定系统；中 国科学院成都分院研制的t k - 2 型三维测力系统；1 9 9 7 年王军等研制的动态式足底压应 力测试系统】；2 0 0 0 年韦启航等研制的压力鞋式足底压力测量系统1 1 2 】；2 0 0 2 年袁刚等 研制的平板式足底压力分布系纠l j 等；目前，研究足底压力的测试系统，根据其测量基 本原理，可大致分为以下几类：足印技术、直接形象化技术、力板式测试技术、多负载 单元测试技术、压力鞋与鞋挚测试技术1 9 。 目前国内己研制成功的主要有光学压力测量仪、压力鞋和测力台。光学压力测量仪 山东理t 人学硕f 学f 一论丈 第一章绪论 应用计算机视频图像分析技术测试足底压力，但其存在采样频率较i 氐( 2 5 h z ) 、光学介质 易老化等缺陷。每只压力鞋仅由8 个传感器构成，采样点太少，不能全面反映足底压力 变化，同时也不能测量鞋与足底之间的相互作用力。测力台虽然传感器较多，只能测量 一个步态相，但不能连续性测量。 足底压力测量技术的研究，以压力鞋及鞋垫最为先进，能实时测量连续的步态压力 分布，其所用的传感器大致有两类压阻晶体及压电晶体。其传感器有直接贴于足 底的，有贴于鞋底的，也有做成鞋挚置于鞋内的，还有做成鞋状的【1 2 】。所用传感器数 目有1 个的，2 个的( 分别置于足底前后部分) ，也有6 - 1 6 个的，主要置于足底的有关解剖 区域。 总之，我国对足底压力分布情况研究与应用尚处于起步阶段，国内部分已经研制的 足底压力测量系统，由于传感器数量少、测量精度低、不能满足实时或连续采样，难以 满足全面的足底动态、静态压力分布的测量和分析以及实际应用需求。建立一套完善的 拥有自主知识产权的测量系统，是十分必要的，从而极大提高测量精度，提升我国足底 测试技术，替代昂贵的进口产品，实现足底压力测试技术升级，为体育训练、全民健 身、制鞋工业、医疗康复等方面提供帮助。 1 2 3 发展趋势 在经历了足印技术、直接形象化技术、力板式测试技术、多负载单元测试技术、压 力鞋与鞋垫测试技术之后，研究足底压力的测试系统进入了一个比较成熟的阶段。虽然 有些系统还存在着一些的缺陷，但基本上已经能够满足足底压力的测量以及步态分析的 需要。在此基础上，足底压力测量系统伴随着计算机技术和有限元理论的发展已经建立 了二维和三维的足部有限元模型和鞋挚仿真设计1 2 j ，可以获得足底压力和内部骨受到的 应力参数，并且获得了一定的成绩。 随着足部运动状态下压力、剪应力的准确测量，三维有限元模型将更加完善，各种 研究方法和手段的有机结合，足底压力的研究将提高到更深、更高的层次，有利于进一 步理解足部病理和足部功能，为各方面的应用产生深远的影响。 1 3 主要研究内容 本文主要论述了鞋垫式足底压力测量系统的基本原理及其构成模块，并对各个模 块进行了详细的说明。主要介绍了传感器的测量原理以及传感器的性能参数的标定方 法；信号调理的硬件电路设计；无线通信技术方案的选择以及具体的软、硬件设计；足 底压力测量系统的实现及分析。 论文根据系统中各个部分的不同功能将整个系统按功能划分为四个模块，即传感器 4 山东理t 夫学硕f j 学位论丈第一帝绪论 模块、信号选择及调理模块、无线通信模块和嵌入式计算机模块。本论文采用分模块研 究的方法，使各个模块实现其自身的功能，最后将各个模块整合成完整的鞋垫式足底压 力测量系统，从而实现对人体足底压力的实时、准确的测量。 论文共分为8 章： 第一章论述了本课题的背景及研究意义，详细介绍了国内外足底压力测量技术的发 展概况以及各种技术的特点，总体的介绍了本文的主要研究内容和研究方法。 第二章主要介绍了鞋垫式足底压力测量系统的构成原理，对组成整个系统的各个模 块进行分析，阐述了各个模块的功能，并确定了传感器的选型方案以及无线通信技术的 选择方案。 第三章阐述了z i g b e e 无线通信协议。主要介绍了物理层、m a c 层的功能及数据格 式。 第四章详细介绍了压电式力传感器的压电机理，建立压电传感器的数学模型，确立 了传感器的布局方案，并通过实验确定了传感器的灵敏度。 第五章主要介绍了整个系统的组成框图和完成各自功能的信号选择模块、信号调理 模块、无线通信技术的发射模块、接收模块的硬件电路图设计，并对设计过程中采用的 电子元件进行了详细的说明。 第六章详细阐述了软件的开发环境。主要对软件设计的设计过程进行说明，给出了 各个子程序的流程图。 第七章集成鞋挚式足底压力测量系统并通过实验验证系统的实现。 第八章对全文所作的工作进行总结，并给出了后续研究的方向。 ，1 4 本章小结 。 摹 本章节是全文的引言，首先论述了足底压力测量系统的研究背景及意义，并对系统 的总体功能进行了描述。其次，详细的介绍了国内外足底压力测量的发展情况，指出了 我国在足底压力测量系统中存在的问题，并对足底压力测量系统的发展趋势做了简要的 j 说明。最后介绍了本文的主要研究内容以及分模块的研究方法，并列出了本文章节的架 构。 5 【j i 东理t 人学硕f 学化论丈第二幸系统概述j 方案选择 第二章系统概述与方案选择 2 1 鞋垫式足底压力测量系统概述 一般来讲，测试系统是指由传感器、测试仪器、显示记录仪器及数据处理部分所 组成的具有测试与处理信号功能的总体【1 3 】。现代的非电量电测系统，其各组成部分常 常以信息的流通过程来划分，即信息的采集一传感器；信息的电量与电量的转换、 传输：测量电路( 放大、整形、解调) ；信息的显示；信息的处理。其相互的关系如 图2 1 所示。 图2 1 测试系统的组成 鞋垫式足底压力测量系统主要是通过在信号采集鞋垫上的传感器采集信号，然后所 采集的信号经过a d 转换、数据处理、数据传输、显示等过程，从而对足底与接触界 面问的压力分布情况进行测量。 鞋垫式足底压力测量系统的组成原理图如图2 2 所示。本系统分为：传感器模块、 信号选择及调理模块、无线通信模块、嵌入式计算机模块四部分。 图2 2 鞋垫式足底压力测量系统原理图 传感器模块是4 8 个压电式力学传感器嵌入两个鞋挚内组成的信号采集系统。其 中，每个鞋垫内有2 4 个传感器用来测试8 个点的x 、y 、z 方向上所受的力。传感器 受力产生的电压信号就是我们要测量的量。 信号选择及调理模块主要是选择4 8 路信号通过的顺序，并对通过的信号进行放 大、滤波等处理，然后将信号传送到单片机自带的a d 接口进行a d 转换，将数据存 入缓存区。 6 山东理t 人学硕f 学位论文第：章系统概述j 方案选择 无线通信模块的主要功能是通过z i g b e e 无线通信协议将每一次采集的完整的4 8 路信号进行处理，通过发射模块将信号无线发射出去，通过接收模块接收信号并对信号 进行处理，然后将信号通过串口通信传递给嵌入式计算机。 嵌入式计算机模块作为2 0 0 6 年的研究成果，已经由我的师兄完成，具体的内容可 以参考他们的毕业设计论文1 2 8 1 ，在这罩我们就不再介绍这一模块了。 各个模块方案的确定都是经过反复筛选的。下面我们分别介绍各个模块的方案的 选择过程。 2 2 传感器方案的选择 传感器是足底压力分布测量系统中重要的采集元件，将足底压力转化为电压信 号，为后续的信号处理提供准确的、稳定的信号。传感器的选择关系到压力数据的准确 性、稳定性等，因此，传感器的选择是在对比多种力学量传感器的基础上最终确定的。 力学量传感器包括力、力矩、振动、转速、加速度、质量、流量、硬度和真空度等 传感器。按照用途力传感器又可分为力、称重( 衡器) 和压力传感器。按照工作原理力 传感器又可分为电阻式( 应变式、压阻式和电位器式) 、电感式( 压磁式) 、电容式、磁电 式( 霍尔式) 、压电式、表面声波( s u r f a c ea c o u s t i cw a v e 简写为s a w ) 、光纤传感器等， 各类测力传感器特点如下1 1 3 j ： 电阻应变式传感器 利用金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化这一金属的电阻应 变效应，将被测量转换为电量输出的一种传感器。压阻式传感器是利用半导体材料在 应力作用时，其电阻率会发生明显变化的压阻效应，将被测量转换为电量输出的一种 传感器。电位器式传感器的基本工作原理是将电刷相对于电阻元件的运动转换为与其成 一定函数关系的电阻或电压输出。电阻式传感器结构简单、性能稳定、灵敏度较高、性 能价格比好、抗干扰能力强，但应变片式传感器体积大。在机械量和几何量测量领域中 应用十分广泛。 压磁式传感器 利用铁磁材料在外力作用下其内部产生的应力使铁磁材料的导磁率发生变化的压磁 效应，把作用力变换成电量输出。压磁式传感器具有输出功率大、抗干扰能力强、过载 性能好、结构与电路简单、能在恶劣环境下工作和寿命长等优点，不足之处是测量精度 不高、反应速度低等，较适合于重工业行业。 电容式传感器 将压力等被测量的变化转换成电容量变化的一种传感器。电容式传感器具有结构简 单、灵敏度高、分辨率高、动态响应好、能在恶劣环境下工作、能实现非接触测量等优 点，但存在抗干扰能力差和寄生电容问题，电容式传感器可用于压力测量，但更适合于 7 山东理t 人学硕f 伊论艾 第：币系统概述j 方棠选择 位移测量。 霍尔式传感器 利用霍尔元件基于霍尔效应原理将压力等被测量转换成电动势输出的一种传感器。 霍尔式传感器结构简单、体积小、频率响应宽、无触点、使用寿命长、可靠性高，但其 转换效率较低、温度影响大。 光纤传感器 其基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使压力等待测参数与进入 调制区的光相互作用后，导致光的光学性质发生变化，成为被调制的信号光，再经过光 纤送入光探测器，经解调器解调后，获得被测参数。光纤传感器常作为非接触、非破坏 以及远距离测试。 s a w 传感器 基于s a w 器件构成的振荡器的频率随着压力等被测量的变化来实现对被测量的检 测的。s a w 传感器主要优点是高精度、高灵敏度，与微处理器相连，接口和结构工艺 简单，主要用作压力传感器和加速度传感器。 压电式传感器 其工作原理是以某些物质( 如石英等单晶体和人造压电陶瓷等多晶体) 的压电效应 为基础，将压力等被测量转换为电信号输出的滑动式传感器。压电式传感器的压电转换 元件是一种典型的力敏元件，具有自发电和可逆两种重要性能，且体积小、结构简单、 工作可靠、固有频率高、灵敏度和信噪比高等优点。 由于本系统旨在步态分析的研究，因此要求系统除满足测量量程、灵敏度、测量精 度、分辨率等指标要求外，还应满足重复性好、性能稳定、系统轻便小巧、不妨碍人体 步行动作，不改变足底压力的自然分布状态等要求。这样传感器的选择至关重要。经反 复比较，传感器制作选用压电陶瓷材料，它具有较好的压电特性与较高和较宽的频率响 应( 可从o 1 h z 到1 0 m h z ) ，材料很薄，良好的时间和温度稳定性等特点。 压电式力传感器的设计以及分布将在第四章详细介绍。 2 3 信号选择及调理模块方案 任何一个数据采集系统中，总要有被测信号输入通道，由微处理器拾取必要的输 入信息。对被测信号拾取必要的原始参量信息是本压力数据采集系统的核心任务之一， 其要求是最忠实地反映信号的真实状态。 信号调理模块的功能是对传感器产生的电压信号通过双运算放大电路进行放大， 通过低通滤波电路进行滤波，通过a d 转换把模拟量转化为数字量，并存储到微处理 器的存储区。其硬件原理框图如图2 3 所示。其中，a d 转换器采用微处理器 p i c l 8 f 4 6 2 0 自带的a d 转换模块。 8 山东理t 人学硕f 学位论文鹅：章系统概述j 方窠选择 图2 3 信号选择及调理模块硬件原理框图 图2 3 只是分析了单个信号输入的原理框图，而本采集系统是一个多输入信号系 统。系统包括左右两只测量鞋挚，每只测量鞋挚有8 个测量点，每个测量点有三个传感 器测量x 、y 、z 三个方向上的力的分量。所以整个系统内含4 8 个传感器。为了保证 每一个测量点x 、y 、z 三个方向上的力采样的同步性，我们通过控制多路丌关的选 通，将同一点的x 、y 、z 三个方向的信号同时选通，并经过三路信号调理电路将三个 信号同时处理并存入微控制器的缓存区。如图2 4 所示。 图2 4 信号选择及调理模块硬件设计方案 具体的电路图与硬件实现在第五章中介绍。 ：2 4 无线通信技术方案的选择 鞋挚式足底压力测量系统测试人体在站立、行走、跑动等运动中足底压力的分布， 获得足底各区域的压力，并进行定量分析，为步态分析提供可靠的数据参考，解决困 扰人们足部健康的一系列问题，为医疗、体育以及制鞋业等提供准确的依据。在对人体 进行足底压力测量时，人与测量仪器的距离在l 1 0 0m 。我们采用无线传输技术对测 量的数据进行传输，可以有效地解决导线过长产生的不良影响。 根据系统的设计要求，无线通信技术的传输距离在1 0 0 m 以内即可满足系统的需 要。因此，系统采用短距离无线通信技术。以下是近几年发展较快的几种短距离无线通 9 山东珲- 1 2 人学硕卜学化论文 第：亭系统概述j 方案选择 信技术的特点及应用领域，我们在满足系统需要的基础上，综合考虑系统的成本及功 耗，从而选择合适的无线通信技术。 2 4 1u w b 无线通信技术 超宽带u w n u l t r a - w i d eb a n d w i d t h ) 短距离无线通信技术是一种全新的、与传统 无线通信技术有着极大差异的通信新技术，它解决了困扰传统无线技术多年的有关传播 方面的重大难题，开发了一个具有千兆赫兹容量的新无线信道。它还具有对信道衰减不 敏感、发射信号功率谱密度低、被截获与检测的概率低、定位精度高等优点【l 刚。 u w b 有很多的优势，简单归纳为以下几个方面。 传输速率高 理论上，u w b 可达1 g b s 的速率。民用中，一般要求u w b 信号的传输范围为 1 0 m 以内，其传输速率可达5 0 0 m b s ，是实现个人通信和无线局域网的一种理想的调 制技术。 不独占频率资源 u w b 使用的带宽在1 g h z 以上，高达几个g h z 。u w b 以非常宽的频率带宽来换 取告诉的数据传输，并且不单独占用现在已经拥挤不堪的频率资源，而是共享其他无线 技术使用的频带，可以和目前的窄带通信息系统同时工作而互不干扰。 发送功率低，功耗小 在高速通信时系统的耗电量仅为几百微瓦到几十毫瓦。民用的u w b 设备功率一般 是传统移动电话所需功率的1 1 0 0 左右，是蓝牙设备所需功率的1 2 0 左右。军用的 u w b 电台耗电也很低。 安全性高 u w b 信号一般把信号能量弥散在极宽的频带范围内，对一般通信系统，u w b 信 号相当于白噪声信号，并且大多数情况下，u w b 信号的功率频谱密度低于自然的电子 噪声，另一方面，采用编码对脉冲参数进行伪随机化后，脉冲的检测将更加困难。 定位精确 冲激脉冲具有很高的定位精度，采用超宽带无线电通信，很容易将定位于通信合 一，而常规无线电难以做到这一点。 u w b 技术主要应用在高速无线个人网络、智能无线网络、室外点对点网络和无线 以太网接口等方面。此外还有雷达系统、精确定位与跟踪系统、传感器与识别网络等方 面的应用。 1 0 山东王甲t 人学硕i 学位论丈第_ 市系统概述j 方案选择 2 4 2 蓝牙( b l u e t o o t h ) 无线通信技术 蓝牙是由蓝牙s i g ( 蓝牙国际组织) 制定的用于无线个人局域网( w p a n ) 的标准，它 是一种低功耗、短距离无线通信技术2 0 1 。其设计意图是取代现有的个人计算机、打印 机、传真机和移动电话等设备上接口的有线电缆。作为一种新技术，蓝牙的主要优点 是：可以方便的建立无线连接，代替传统的有线电缆连接；移植性较强，适用面广；安 全性较高且每一台蓝牙设备的地址全球唯一；支持微微网与分散网等组网模式，应用范 围广阔；此外蓝牙设备功耗低，与其他通信设备相比设计开发较为容易。 蓝牙技术具备以下技术特性。 能传送语音和数据 篮牙技术的数据传输速率为1 m b s 左右。 使用全球通用的频段 篮牙技术工作在全球通用的2 4 g h z 频段，即i s m 频段。 低成本、低功耗和低辐射 篮牙系统的发射功率能够根据使用模式自动调节，正常工作时的发射功率为 l m w ，发射距离一般为1 0 m 。 安全性 篮牙协议提供了认证和加密，以实现链路级安全。如果用户由更高级别的保密要 求，可以使用更高级别、更有效的传输层和应用层安全机制。 网络特性 篮牙技术是一种点对多点的通信协议，篮牙设备间的数据传输不仅能够点对点， ，也支持点对多点的方式。 篮牙技术可以应用在多种电子设备上，如移动电话、无绳电话、笔记本计算机、 掌上计算机、传真机、数字相机、调制解调器、打印机、投影仪、局域网、免提式耳机 和游戏操纵杆等；此外，开门报警装置、遥控电灯、冰箱、微波炉和洗衣机等各种家用 电器同样能够安装篮牙模块而实现组网通信。 p p l 2 4 3 z i g b e e 无线通信技术 z i g b e e 技术是一种近距离、低功耗、低传输速率、低成本的双向无线通信技术或 无线网络技术，是一组基于i e e e 批准的8 0 2 1 5 4 无线标准研制开发的有关组网、安全 和应用软件方面的技术1 2 l 】。主要适合干承载数据流量较小的业务。可嵌入各种设备 中，同时支持地理定位功能。其目标市场是工业、家庭以及医学等需要低功耗、低成本 无线通信的应用。相对于现有的各种无线通信技术，z i g b e e 技术是最低功耗和成本的 技术。 1 1 山东理t 人学硕i 。学化论艾第市系统概述j 方案选择 i i z i g b e e 的技术特剧2 2 j 在于： 数据传输速率低，只有1 0 - 2 5 0k b s 。 功耗低。在低耗电待机模式下，两节普通5 号干电池可使用6 个月到2 年，免去 了充电或者频繁更换电池的麻烦。 成本低。z i g b e e 数据传输速率低，协议简单