CN101517353B

CN101517353B - 用以测量反作用于移动车辆的总力的设备及其使用方法

Info

Publication number: CN101517353B
Application number: CN2006800350988A
Authority: CN
Inventors: 格伦·B·坎宁安
Original assignee: Velocomp LLP
Current assignee: Velocomp LLP
Priority date: 2005-09-23
Filing date: 2006-09-22
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2026-09-22
Also published as: US7387029B2; TWI391281B; JP2009509830A; US20070068273A1; US7377180B2; CN101517353A; US20070186669A1; TW200720133A; ES2418850T3; JP5167134B2; KR20080056728A

Abstract

本发明揭示一种设备，其包含一套传感器以用于测量车辆(例如脚踏车)的即时静态压力和动态压力以及速度和加速度。微处理器接收来自所述传感器的数据，并通过得出对所述车辆和骑手产生冲击的所有力的总数，其后乘以车辆对地速度来计算由所述骑手或其它动力源消耗的功率。在某些实施例中，通过校准技术、用户输入数据或某些因数的温度补偿来改进精确度。例如风速、行进距离、海拔或表面坡度的其它数据可呈现给所述用户。在一个实施例中，数据经存储以用于随后的分析。

Description

用以测量反作用于移动车辆的总力的设备及其使用方法

相关申请案的交叉参考

本申请案是格兰B.卡宁汉姆(Glen B.Cuningham)在2005年9月23日申请的题为“用以测量反作用于移动车辆的总力的设备及其使用方法(APPARATUS FORMEASURING TOTAL FORCE IN OPPOSITION TO A MOVING VEHICLE ANDMETHOD OF USING)”的第11/234,330号美国申请案的37 CFR 1.53(b)下的部分续案，且在法律许可的范围内主张其权益。

技术领域

本发明涉及一种用以测量反作用于移动车辆的总力的设备及其使用方法。

背景技术

人力车辆(例如脚踏车)通常具有性能指示器，从简单的速度计到报告例如距离、平均速度和即时速度等数据的复杂计算机。多数指示器依靠简单处理从车轮速度和旋转数得到的数据。全球定位系统(GPS)产品已添加概念近似的海拔、位置、导航，甚至追踪。例如心脏监视器的某些产品报告向车辆供以动力的人的性能或状态。

还需要测量例如所产生的功率和总消耗能量的性能指示。随着运动员训练不断变得愈来愈复杂，某些训练在受控条件下在户内进行，其中通常使用大的或固定的设备。然而许多运动员和教练希望在实际条件下实时监控性能。某些产品通过直接或间接测量骑手为驱动车辆前进所施加的力来测量踏板扭矩、功率输出和消耗的能量。实例包括安装在曲柄机构或车轮轮毂内的机械应变计，以测量所施加的力和速度，且因此测量所得出的与功率和能量相应的指示。

现有技术包括如下解决方案，其中昂贵的传感器安装在脚踏车的曲柄或后轮毂内。许多所述系统需要用户使用定制的曲柄或轮毂，其难以安装或移动到另一车辆上，因而通常需要由受训的技术人员安装。

发明内容

本发明的揭示内容描述一种确定由骑手产生的功率和消耗的能量的新颖方法。本发明不是测量骑手施加到车辆的力，而是确定骑手必须克服的反作用于车辆的力。根据牛顿第三定律(Newton′s Third Law)，这些力的和等于由骑手施加的力并与之相反。这些相反的力包括重力、气动曳力、惯性和摩擦力。

为确定各种反作用于车辆移动的力，本发明提供一套传感器数据。加速度计提供关于速度变化(车辆加速度)和地心引力(斜坡)的数据。当所述数据与变化的对地速度数据结合使用时，可将重力加速度从总加速度中分离出来，从而允许确定并显示车辆路径的斜度。差动压力传感器提供关于与车辆正面相抵而施加的气动压力的信息，且使用所述信息计算总的相反的气动力。在某些实施例中，使用大气压力传感器来测量即时海拔和海拔变化。在一个实施例中，使用大气压力和空气温度数据来估计空气密度，从而从风压测量值得出经估计的相对风速。

在某些实施例中，根据加速度计和风压信息得出力的计算由用户的输入或经由校准程序加以改进。举例来说，将加速度数据与已知或假定的车辆和骑手的总重量进行组合，以确定由加速度(车辆加速度和/或上升或下降)引起的力。根据与气动曳力和面积项组合的气动压力测量值来计算气动力，在某些实施例中，其通过来自滑行程序的测量值来改进。摩擦力可由用户估计、假定、输入，或通过滑行校准程序测量。

本发明的揭示内容所描述的传感器由微型计算机使用，所述微型计算机接着计算特定性能和状态信息。结果被呈现给用户和/或可经记录以用于随后的分析。所述单元体积小、重量轻且廉价。其还为自带的，使得其可方便地从一个车辆移动到另一车辆，且允许用户继续使用常备组件(stock component)，例如曲柄和轮毂。

附图说明

图1为指示本发明的一个实施例的主要功能区块之间的连接的顶级示意图。

图2为展示与本发明中的微控制器的连接的示意图。

图3为提供关于车辆的加速度的信号的模块的示意图。

图4为向液晶显示器装置提供偏压的电路的示意图。

图5为液晶显示器装置的接口的示意图。

图6为提供关于绝对压力的信号的模块的示意图。

图7为提供关于差动压力的信号的模块的示意图。

图8为本发明的系统的电池电源的示意图。

图9为提供来自曲柄或来自车轮的计时数据的电路的示意图。

图10为与本发明的另一实施例中的微控制器的连接的示意图。

图11为提供关于车辆的加速度的信号的模块的示意图。

图12为指示本发明的一个实施例的主要功能区块之间的连接的顶级示意图。

图13为提供关于绝对压力的信号的模块的示意图。

图14为提供关于差动压力的信号的模块的示意图。

图15为放大并滤波差动信号的模块的示意图。

图16为MCU的JTAG接口的示意图。

图17为非易失性存储系统的示意图。

图18为MCU的串行通信接口的示意图。

图19为提供来自例如脚踏车的车辆上的曲柄或车轮的计时数据的电路的示意图。

图20为固件的逻辑流程的概念表述。

具体实施方式

表1提供一些可能在详细描述中使用的首字母缩写词和缩写。

表1

ADC 模拟到数字转换器

AVCC 供应到模拟组件的正直流电压

GPS 全球定位系统。一种基于所接收的卫星信号来提供位置和其它特定数据的技术。

LCD 液晶显示器

MCU 微控制器或微处理器

MEMS 微机电系统集成电路

MUX 多路复用器

VCC 供应到数字组件的正直流电压

Pitch 车辆下表面在行进方向上相对于水平面的角度

Pt 总压力

Ps 静态压力

Q 动态压力；(Pt-Ps)

R 气体常数：0.286KJ/kg/开氏度

Roll 车辆的垂直轴的角度，正交于行进方向。

G或g 加速度符号，其中一个G定义为在赤道处地球的重力引力。

ρ 空气密度；＝Ps/(RT)

T 绝对温度(开氏度)

V或v 车辆速度

本发明描述为在脚踏车上实施以作为一实例。本发明可应用于例如飞机、船或其它无论由人还是另一动力源供以动力的车辆的任何车辆。贯穿本揭示内容所使用的术语“车辆”可包括使用所述车辆装置的人。举例来说，脚踏车“车辆”的风阻系数将包括骑手的影响。

本发明包含：传感器，其用于测量车轮旋转、曲柄臂旋转、加速度、空气温度、绝对和差动周围空气压力 MCU，其用于控制系统操作和用于收集并处理传感器数据；LCD，其用于显示用户信息；开关，其用于接受用户控制输入；和电池，其用于为电路和传感器操作供应直流电功率。

本揭示内容描述本发明的实施例，其中采用了所有所描述的模块。此描述不应视为限制性的，因为本发明涵盖子集实施例，其中某些用户特征、精确性或其两者可能因为成本或其它原因而减少。举例来说，某些实施例不包括曲柄旋转传感器，因此在所述方式中不提供步调(cadence)信息。其它实施例对于所属领域的技术人员将显而易见。所有所述实施例均为本发明的实践。

图1展示包含本发明的一个实施例的功能区块之间的连接。在一个实施例中，MCU200为低功率微控制器，其具有集成的多路复用12位ADC和LCD驱动器/控制器。MCU上的输入端口接受来自开关、具有提供计时信号的触点闭合输出的传感器，和具有关于空气压力和加速度的模拟输出的传感器的输入。与某些输入端口相关联的计时器功能用于反跳(debounce)开关和触点闭合输入并用于计算旋转率。MCU选择性地启用或停用传感器和/或LCD显示器，以降低功率消耗并延长电池寿命。在某些实施例中，MCU还包括内部温度传感器和电源电压传感器。在一个实施例中，温度读数用于修正可随温度变化而偏移的传感器读数并用于估计空气密度。

在业界有许多MCU适合于实践本发明。替代物可包括更多或更少芯片上功能。本文所描述的MCU 200是出于说明的目的。所属领域的技术人员应了解，归属于MCU的某些功能和特征可通过芯片上或芯片外的不同系统分割(例如，外部ADC)来实施。本文所描述的实施例代表特征和功能的特定补充。本发明包括并入有更多或更少最终用户特征的替代实施例。

图2详述与MCU 200的连接。线S0到S39将LCD区段输出驱动信号提供到LCD 500上的区段输入线。线COM0到COM3与LCD 500上的共同(底板)输入线连接。线BIAS0到BIAS3将产生区段信号和共同信号所需的各种电压提供到LCD。其它显示器可具有更多或更少区段信号和共同信号。例如LED的其它显示器技术还可用于代替LCD。在一个实施例中，表面上印有特定单词和符号，且一个或一个以上LED或LCD区段用于指示特定单词或符号。在一个实施例中，晶体Y1提供32,768Hz时基，从所述时基得到所有MCU系统时钟和计时功能。

用户开关SW1到SW6 202提供用户的命令输入和系统复位。开关SW1、二极管D1、电阻器R11和电容器C6提供一复位网路。将电池电压施加到端子VCC或闭合开关SW1断言线RST^*，迫使MCU复位并重新启动。根据选定MCU的规格，电阻器R11和电容器C6的值经选定以达成所要持续时间的复位脉冲宽度。用于用户接口的典型键区输入布置连接到端口2。MCU周期性地读取端口2的端子逻辑状态，以执行与压下的开关相关联的系统功能。如果MCU中的输入中断电路可用，则其可检测开关状态的变化并警告处理器。

在某些实施例中，通过仅在需要时选择性地向系统的各部分供电来最小化功率消耗。在所示实例中，响应于信号nDIFFPWR而给差动压力模块700供电，响应于信号nABSPWR而给绝对压力模块600供电，且响应于信号nACCELPWR而给加速度计模块300供电。

MCU断言信号DIFFEN以启用差动压力模块700的差动放大器702，且MCU释放信号DIFFEN以将差动放大器702置于低功率模式。线DIFFPHI和DIFFPLO连接到MCU的ADC MUX。

绝对压力模块600提供绝对压力测量值以用于空气密度和海拔的计算。MCU断言信号ABSEN以启用绝对压力模块600的差动放大器602，且MCU释放ABSEN以将差动放大器602置于低功率模式。线ABSPHI和ABSPHLO连接到MCU的ADC MUX。

MCU断言信号ACCELEN以启用加速度模块的放大器U2A 302，且MCU释放ACCELEN以将放大器U2A 302置于低功率模式。如稍后所描述，在MCU控制下，信号ACCELBIAS控制对放大器U2A 302的偏压。线ACCEL从加速度计模块300连接到MCU的ADC MUX。

线WHEEL将响应于车轮旋转传感器的触点闭合脉冲信号提供到MCU的数字输入。MCU测量脉冲之间的时间以计算车辆对地速度。MCU使用对地速度计算以区别由车辆速度变化引起的ACCEL信号与由车辆纵倾(Pitch)引起的ACCEL信号。在一个实施例中，例如一个基于都卜勒雷达(Doppler radar)或GPS卫星数据的对地速度传感器的对地速度传感器提供对地速度数据。在某些实施例中，位置数据由例如GPS卫星模块的模块提供，且通过将数据点之间行进的距离除以数据点之间逝去的时间来计算对地速度。

线CRANK将响应于曲柄旋转传感器的触点闭合脉冲信号提供到MCU的数字输入。MCU测量脉冲之间的时间以计算踩踏率(“步调”)。

图2还说明降低噪声对数字和模拟电源的影响的典型方法。特殊设计将取决于经选定用以实践本发明的MCU、印刷电路板布局和其它因素。

图3说明加速度计模块300的一个实施例的细节。U1 304为集成的MEMS电路，其提供与加速度成近似线性关系的电压信号。其它加速度计是可用的，例如压电加速度计、滚珠轴承或弯轨中的汞等。传感器U1 304经安装而平行于车辆下表面的平面，其中一个轴(x轴)在车辆行进方向上。一个输出信号响应于车辆纵倾，而另一输出信号响应于侧倾。在所示实施例中仅使用纵倾(或X)轴。通过测量由重力的牵引力引起的加速度来确定纵倾角度。当系统水平且静止时，沿传感器的X轴没有地心引力，因此加速度计信号与零g相关。当没有加速度(即，零g)时，加速度计提供近似AVCC/2。此称为“零g偏压”。对于由倾斜或速度变化引起的正加速度的情况，所述电压将与加速度成比例地上升而高于零g偏压。由车辆向下倾斜或减速引起的负加速度将产生低于零g偏压的电压，仍与加速度成比例。举例来说，视加速度为0.05g，且基于车轮速度传感器数据，车辆以0.01g的比率减速。由倾斜引起的净加速度得出为：0.05-(-0.01)＝0.06g。此对应于arcsin(0.06)＝3.44度的上倾角度。传感器不能分辨倾斜与运动加速度之间的差异，但我们可计算运动分量并因此分离倾斜与运动加速度。如果车辆上下纵倾，则重力将根据重力向量的角度(纵倾角度)施加一加速度力，且传感器U1将产生一非零g输出。

U1 304的输出随电源电压按比率(ratiometrically)改变。零加速度提供近似电源电压一半的输出，其中具有某些由于产生变化(production variation)而引起的偏移。由R3和R5形成的电阻分压器(图3)提供一半电源电压的偏压。偏压和传感器输出由差动放大器U2A 302比较并放大。放大器U2A 302的输出也是按比率的且偏移一半电源电压。举例来说，在3V电池电源的情况下，当没有感测到加速度时输出将为近似1.5V，且所述输出将随正纵倾角度或负纵倾角度增大或减小。

放大器U2A 302具有约5.8的差动增益。所述放大器的输出端子经由MCU的MUX而连接到ADC。ADC的输入范围还随电源电压按比率改变，因此以g/位为单位表示的系统的加速度分辨率恒定，而与电源电压无关。

放大器U2A 302的增益经选定以优化电路的灵敏度，同时允许一可接受的最小和最大加速度读数范围。由于在给定MEMS加速度计中的输出值范围的产生变化可为显著的，所以提供R4和ACCELBIAS信号来修改反相放大器U2A 302的端子偏压，以适应加速度计零偏压偏移。ACCELBIAS由MCU的三态输出端子驱动，且因此所述输出端子可浮动或经驱动到VCC或接地。当ACCELBIAS浮动时，R4将不具有影响且偏移将由R3和R5确定为AVCC/2。当ACCELBIAS经驱动到接地时，R4将与R5并联作用，从而提供(5/12)*AVCC的偏压。类似地，如果ACCELBIAS经驱动到高，则所述偏压将变成(7/12)*AVCC。此适应针对所示实例中所使用的加速度计组件所规定的可能偏移的全部范围。

图4展示LCD BIAS 400的细节。集成在MCU中的LCD驱动器规定四个电压电平，以在LCD上显示可见区段。LCD偏压调整电路经由包含电阻器R6到R9的简单分压器电阻器来提供电压电平。可变电阻器R9容许用户调整偏压以修改LCD对比度和可视角度，其可由于温度、电池电压或周围光线而变化。在某些实施例中，以热敏电阻器网路和其它离散组件替代R9，来提供自动温度和电压补偿。

图5展示从MCU到LCD的连接，所述LCD具有40条区段线和四条共同线用于最多160个单独的显示元素。显示元素可配置成数字、条形图(bar graphic)、符号和/或文本字符。MCU控制LCD上的显示元素以呈现用户所关注的信息，例如车辆速度、行进距离、一天的时刻、路面斜度、相对风速和风压，或例如每小时卡路里、累积消耗卡路里、功率输出(以瓦特计)等的功率和能量计算。

本发明的一个实施例包括绝对压力模块600，其用于提供大气压力(Ps)。图6说明示意性细节。在一个实施例中，以来自加速度计模块的上下坡角度数据校准并交叉检验Ps，以提供比单独来自任一传感器更精确的海拔和海拔变化读数。在行驶期间收集经更新的大气压力数据以重新计算空气密度，藉此提供经修正的参数以用于改进的相对风速的计算。通过MCU中的内部温度传感器、外部温度传感器来测量空气温度，或可由用户输入。在一个实施例中，海拔信息由GPS模块提供。

在一个实施例中，从所述系统中省略绝对压力模块，且根据从上下坡和速度传感器得到的温度和海拔变化和起始海拔的用户输入来估计大气压力。当包括绝对压力模块600时，取决于大气压力的空气密度(ρ)和其它计算可具有更佳的精确性。

在零压力下(完全真空)绝对压力传感器U6 608在传感器U6的输出端子+V与-V之间产生大致零伏特的差动，而对于非零大气压力产生正差动电压。当周围压力响应于高度的实际升高或大气变化而减小时，来自传感器U6 608的差动输出电压减小。如果压力升高，则差动电压增大。选定的传感器U6 608组件必须考虑到系统的可能的最大和最小压力读数、最大和最小设计海拔的功能。大气压力由传感器与外壳中的孔之间的气密通道提供到压力传感器U6 608，所述孔经定向而正交于车辆行进方向。或者，皮托管(pitot tube)的静态端口可由气密通道连接到压力传感器U6 608。

传感器U6 608的端子+V与-V上的差动电压施加到差动放大器602的高阻抗输入，所述差动放大器602包含两个运算放大器U5A和U5B以及电阻器R16、R18和R19。运算放大器U5A和U5B的输出信号的差大致与所述输入的差成比例，对于所示的电阻器值具有约201的增益。来自差动放大器602的两个差动输出电压的平均值将与所述输入的平均值相同，等于传感器的共同模式偏压，通常接近AVCC/2。差动放大使一个输入上升而另一输入以等量下降。如果差动输入为零，即，两个输入相同，则两个输出也将相同。当施加压力时所述输入将展开，从所述两个输入的共同模式电压或平均电压一个升高一个降低。作为一实例，给定输入为1.501和1.499(2mV差动)，同时增益为201，输出将为1.701V(1.5+201*.001)和1.299V。差动输出为1.701-1.299＝402mV或201乘以2mV差动输入。所述两个输出的共同模式电压或平均电压为(1.701+1.299)/2＝1.500V，与输入相同。

RC低通滤波器604和606从差动放大器602的输出移除高频噪声。经滤波的差动信号在线ABSPHI和ABSPHLO上与MCU 200连接。在某些实施例中，不使用低通滤波器604和606(即，ABSPHI和ABSPLO是差动放大器602的未经滤波的输出)。在任一情况下，MCU内的数字信号处理固件还可执行信号滤波。

在所示实例实施例中，差动电压(ABSPHI-ABSPHLO)随电池电源电压以百分比变化。由于ADC输入范围还随电池电源电压以百分比变化，所以ADC计数输出对于给定压力将大致相同，而与电源电压无关。在一个实施例中，调节所述电池电源且向ADC提供一参考电压源。

MCU 200通过数字取样线ABSPHI和ABSPLO上的信号并减去从ADC接收的两个数值来计算绝对压力。所得的差随后经缩放并修正，以考虑到校准期间确定的电路增益和传感器灵敏度中的偏移和变化。

差动压力模块700的电路与绝对压力模块600几乎相同。差动放大器702具有1820的增益。相对于与一个压力端口连接的传感器U6 608，传感器U8 708与两个压力端口连接。

差动压力用于测量与车辆正面相抵的动态空气压力。传感器测量两个压力输入端口之间的差。所述压力输入端口是系统外壳中的孔，其通过气密通道与压力传感器连接。第一压力输入端口面向行进方向，且空气压力(Pt)经由气密通道而连接到压力传感器U8 708的一侧。第二压力输入端口位于系统外壳的侧部上以使得其接收静态或大气压力(Ps)。大气压力通过气密通道而连接到压力传感器U8 708的第二侧并连接到压力传感器U6 608。在某些实施例中，Pt和Ps通过连接到皮托管的气密通道而提供到压力传感器。压力传感器U8 708感测两个压力值之间的差，所述差定义为“动态压力”(Q)，且其是由于车辆在空气中移动而引起的。与车辆相抵的总力与动态压力、风阻系数和正面面积有关。基于此力和车辆速度来计算总功率中使车辆在空气中移动所需的那部分。

在所示实施例中，传感器U8 708包括两个压力输入端口，其直接感测差动压力。在另一实施例中，第一传感器感测Ps而第二传感器感测Pt。每一传感器的输出信号连接到ADC MUX。ADC分别转换所述两个输出信号中的每一者并将数字结果提供到MCU。MCU通过从Pt减去Ps来计算动态压力。差动压力测量的其它配置是所属领域的技术人员已知的。

根据柏努利方程(Bernoulli′s equation)，动态压力为

Q = (P_{T} - P_{S}) = \frac{{ρV}^{2}}{2} .

由于空气密度已知或可估计出，所以可从动态压力计算相对风速。重排各项，我们得出风速为：

V = \sqrt{\frac{2 * Q * RT}{P_{S}}}

由于压力系统不知道对地速度，所以此表示相对风速。将相对风速与车辆对地速度(自车轮旋转得出)进行比较，我们得出风对地速度。

在一个实施例中，为得到低压信号的良好分辨率，差动压力模块700经设计用于在+/-10kPa的压力范围内操作。差动压力模块700的增益和灵敏度在车辆操作速度的既定范围内优化测量范围和测量分辨率。使用图7中所指示的配置和值，差动压力模块700将测量90mph以上的空气速度而不使放大器U2C和U2D饱和。可选择其它传感器用于不同操作范围。

MCU数字取样由线DIFFPHI和DIFFPLO提供的信号，并减去由ADC转换传回的两个数值。差经缩放和修正以考虑到可通过校准确定的电路增益和传感器灵敏度中的偏移和变化。

车辆速度变化用于区别由车辆速度变化引起的加速度与由于车辆上下坡引起的加速度。此项技术中的典型方法是通过将磁体或其它目标附接到车辆车轮，并将磁开关或其它目标传感器附接到车辆上相邻的固定点来测量完整的车轮旋转之间的时间周期。每次目标通过开关，记录从上一次开关闭合以后的时间周期。所述周期转换为每单位时间的闭合次数，随后按车轮周长缩放以计算车辆速度。所述开关可为簧式开关、霍尔效应(Hall effect)传感器、光学传感器或提供关于车轮转数的计时信号的任何传感器。在某些实施例中，更经常地通过在车轮上提供待由开关检测的多个磁体来测量车轮速度的变化。类似地，脚踏车的曲柄臂上的与脚踏车上的固定传感器耦合的组件可提供每分钟曲柄转数的测量。在一个实施例中，步调用于得出作为功率的函数的平均曲柄扭矩或踏板力。在某些实施例中，MCU通过计数在特定时间周期期间接收的目标脉冲数来计算车轮速度。

图8详述典型的电池电源800。还可使用例如太阳能的其它便携式能量源。

图9说明使用磁传感器的一个实施例。当信号REEDPWR由MCU驱动到高时，信号WHEEL和CRANK还经由提升电阻器R26和R27拉到高。每次车轮磁体通过磁开关J1时，开关J1瞬间闭合且信号WHEEL拉低到接地。每次曲柄磁体通过开关J2时，信号CRANK拉到接地。MCU标记每一低脉冲事件的时间并计算速度、距离或步调。WHEEL脉冲事件之间的周期上的变化指示速度变化，且因此指示加速度或减速度。此信息用于从加速度计所读取的总加速度中分离由上下坡引起的地心引力。

当车辆移动时，车轮和曲柄开关将闭合相对短暂的周期，所以当随时间平均时，通过提升电阻器的汲取电流较小。如果车辆停止且车轮或曲柄停止，同时其各自的开关闭合，则汲取电流将持续直到开关再次开启，因此缩短了电池寿命。如果MCU确定磁开关已闭合很长时间，同时在其它特定传感器线上没有活动，则MCU迫使线REEDPWR变低以消除从电池通过电阻器R26和R27的电流。MCU周期性地脉冲REEDPWR来检测开关是否仍闭合，或在一个实施例中等待用户按压按钮来重启系统。在另一实施例中，轮询其它传感器以用于活动。在一个实施例中，传感器与到MCU的特定输入连接，所述输入产生由变化引起的中断。二极管D2和D3以及电阻器R28和R29保护MCU的输入以防止可能在到车轮或曲柄开关的长导线上拾取的瞬态电压。

图12展示包含本发明的另一实施例的功能区块之间的连接。图10详述图12的实施例中的微控制器的电路连接。LED D2说明在低周围光线条件中的显示。压电蜂鸣器PT1提供音频反馈并警告用户注意事件和状态，例如显示器屏幕变化；符合、超过或未达到训练范围或目的；天气变化，或防盗警报。

线nROMPWR、NROMEN、SIMO和UCLK将MCU 1000连接到非易失性存储系统1700(例如图17中所示)。非易失性存储系统提供历史数据、行驶数据、校准数据、定制数据或当系统断电时被保存的其它数据的存储。在图17所示的实施例中，串行EEPROM用作非易失性存储设备。可使用包括备用电池或易失性存储设备的保持通电的任何非易失性存储解决方案。

线RX1、TX1和nINVALID232从MCU 1000连接到图18的RS232串行端口1800。所述串行端口提供与外部计算机或其它外部装置的通信，以用于传送行驶数据、系统设置、定制信息、固件更新和需要与MCU交换数据的其它功能。线nINVALID232由收发器U9断言以指示有效数据存在于收发器输入线上。如图18所示，收发器U9经配置保持开启，无论有效数据是否存在于收发器输入线上。连接器J5提供可选DB9接口以用于与外部装置的串行数据通信。

在一个实施例中，线TDO/TDI、TDI_TCLK、TMS、TCK和nRST/NMI将图10中的MCU 1000连接到图16中的JTAG接口1600中的连接器J4。所述JTAG接口经由连接器J4提供用于MCU编程、测试、输入校准值或其它操作的构件。所属领域的技术人员应了解其它编程和测试的方法。举例来说，MCU可具有用于存储常数、校准、设置或程序的外部存储设备。

如图11所示，在一个实施例中，双轴加速度计的两个输出均由加速度模块1100提供。加速度计U3 1102的x轴信号用于确定车辆的上下坡和前进加速度，如先前所描述。在一个实施例中，由在MCU 1000中运行的软件将Y轴信号与x轴信号联系起来，以确定踩踏步调。在某些实施例中，y轴信号响应于车辆方向上的变化，其用于记录或导引车辆的路径。加速度信号还可用于防盗警报输入。

从MCU 1000到图11中的电压调节器U22 1104的启用输入端子EN的线ACCELEN上的信号使加速度计通电和断电。使用电压调节器减少了由于电源电压变化引起的加速度计灵敏度中的变化。线ACCELVSS(U22的经调节的电源电压输出)连接到由R3、R75、R5和R6形成的电阻分压器网路。线ACCLOBIAS和ACCMIDBIAS从MCU 1000连接到电阻分压器，且各自受控制以浮动或被驱动为低以产生三个不同参考电压中的一者。由于不同零件的零g偏移电压可不同，所以MCU选择与安装在电路中的特定传感器的固有零g偏移电压最紧密匹配的参考电压。由于每次仅测量一个轴，所以单一参考电压用于x轴和y轴加速度计通道两者。参考电压ACCELVSS还连接到MCU 1000的ADC参考电压输入。

双4：1差动模拟多路复用器U20 1106解码地址信号SIGINV和SIGSEL，以确定从U3 1102是x轴加速度计信号还是y轴加速度计信号作为差动信号连接到差动放大器1108的输入。差动放大器1102的输出，即信号ACCEL1和ACCEL2提供到MCU 1000中的内部ADC的MUX的输入端口。U20 1106还充当换向开关，以调换去往差动放大器1108的输入信号，以实现使放大器偏移误差归零的目的。为使放大器偏移误差归零，MCU 1000首先测量由SIGINV和SIGSEL所选定的x轴信号或y轴信号驱动时差动信号ACCEL1与ACCEL2之间的差。随后改变SIGINV和SIGSEL来调换加速度计差动信号对的高侧与低侧。MCU 1000再次计算ACCEL1与ACCEL2之间的差，并将此值与针对ACCEL1和ACCEL2计算的第一个差求和。存在于第一个差中的偏移误差与第二个差中的偏移误差的量值相同，但符号相反，所以当对所述两个差求和时偏移误差消去。对于无偏移误差的理想放大器，所述两个差的和为ACCEL1与ACCEL2之间的差值的两倍。对x轴信号和y轴信号独立地执行此程序。

图11中的信号ACCFILTEN启用一对双向开关U1A和U1B，以将低通滤波器连接到加速度计U3 1102的输出线。电容器C4和C5与U3 1102传感器输出的内部电阻结合而形成低通滤波器。选择电容值以容许滤波器在连续取样之间的时间中稳定在小于12位ADC的_位分辨率。MCU 1000控制ACCFILTEN以在加速度计传感器去电期间断开电容器，藉此保存电容器中的电荷并减少下次取样的稳定时间。

图13展示绝对压力传感器模块1300的压力传感器连接，且图14展示差动压力传感器模块1400的压力传感器连接。在图13中，信号nABSPWR启用给传感器U6 1302供电。传感器U6 1302在线ABSHI和ABSLO上提供大致与大气压力成比例的差动信号。信号nDIFFPWR以如图14所示的相似方式控制给传感器U8 1402供电。传感器U8 1402在线DIFFHI和DIFFLO上提供大致与差动压力成比例的差动信号。未滤波的绝对压力信号和差动压力信号呈递到放大器区块1500。

图15说明放大器电路的实施例，其中提供动态压力信号和绝对压力的放大。每次仅调节并测量一个模式的压力(差动或绝对)。绝对压力传感器线ABSHI和ABSLO以及差动压力传感器线DIFFI和DIFFLO连接到双4:1模拟差动多路复用器U23 1510上的单独组的输入。MCU 1000控制地址线SIGINV和SIGSEL，以选择是ABSHI和ABSLO还是DIFFHI和DIFFLO由多路复用器U23 1510提供到差动放大器1502的反相输入和非反相输入。

U23 1510还充当换向开关，以调换去往差动放大器1502的输入信号，以实现使放大器偏移误差归零的目的。MCU 1000控制去往放大器1502的反相输入和非反相输入的调换，并计算所得的PRESS1与PRESS2之间的差，与先前描述的使差动放大器1102中的放大器误差归零的方法相似。

绝对压力传感器和差动压力传感器可具有不同灵敏度，且因此具有不同放大器增益需求。图15中的2:1模拟多路复用器U24将具有差动放大器1502的输入级中的一者的非反相输入连接到由R67到R70组成的电阻器网路上的两个位置中的一者，藉此改变放大器的有效总差动增益。当MCU 1000驱动线SIGSEL为高时，增益设定到一高值。当MCU 1000驱动线SIGSEL为低时，增益设定到一较低值。选择电阻器R67到R70的值以使得放大器1502的差动增益对于差动压力传感器大致为2,300，而对于绝对压力传感器大致为175。放大器1502的差动输出信号通过滤波器1504和1506，且随后连接到线PRESS1和PRESS2。线PRESS1和PRESS2与MCU 1000中的内部ADC的输入端口连接。

MCU 1000通过控制线nAMPPWR而使放大器1500通电和断电。在线nAMPPWR上断言一信号以给多路复用器U23 1510和U24 1512以及运算放大器U21C 1514和U21D1516供电。

图19展示车轮和曲柄簧式开关输入电路的另一实施例。线REEDPWR、WHEEL和CRANK连接到MCU 1000。在一个实施例中，所述电路依靠MCU输入插脚上的整合二极管箝位实现暂态保护。电阻器R47和R48的值经选定以防止过多电流通过MCU中的二极管箝位。REEDPWR、WHEEL和CRANK的信号定义和功能与在此说明书的前面部分中所定义的信号定义和功能保持相同。

在一个实施例中，某些传感器电路经校准以改进系统的总精确性。压力、加速度和温度传感器的增益和偏移值通过一校准方法来确定，所述方法包含使系统分别受到两个或两个以上受控压力、加速度和温度。对于压力和加速度，无压力(真空)和无加速度(静止、垂直)状态通过扩充校准数据以得出“零偏移”值的计算而确定。校准结果为存储在存储器中的ADC读数。一个校准结果可视情况校准到更多状态并确定整个传感器操作范围上的校准曲线。具有较低精确性的较低成本的系统可能使用一个点用于校准或不校准，而不使用组件数据表和设计值。

其它信息是系统所需要的。举例来说，用户键入车辆加上其自身的重量和车轮的重量。在某些实施例中，系统针对用户键入例如周围压力、海拔或温度的此类因素而更新。

在一个实施例中，用户重新校准倾斜感测电路。此程序移除用户可能未完全平行于地面安装单元的影响或传感器电路随时间变化的影响。用户固定所述单元静止片刻，同时由ADC转换加速度信号。随后用户在将车辆水平旋转180度后将其置放在同一地点并再次获取读数。所述两个读数之间的平均值是没有加速度(或零g)时的值。

在某些实施例中，我们估计平均侧倾摩擦力和使正面面积和风阻系数与动态压力相关的比例因数。此等值在一个实施例中通过“滑行校准”程序改进。此程序涉及车辆获得某一最小(高)速度，随后停止所有踩踏或动力输入并让车辆滑行直到预定最大(低)速度，同时骑手维持在其平常的骑车位置。在滑行周期期间系统记录用于曲线拟合技术的读数。进行曲线拟合步骤以确定静态(侧倾摩擦)和动态(风)力。气动因数是使Q与曳力相关的总常数。所述气动因数为乘积(风阻系数)*(正面面积)，但风阻系数和正面面积两者均分别未知。重量和加速度用于移除滑行校准程序期间斜度的影响。

附录I呈现倾斜和滑行程序的一个实施例的细节。首先校准倾斜，随后校准滑行。在滑行期间收集数据，随后在完成滑行步骤后分析数据。在所示实施例中，使用线性回归数学方法拟合数据。所属领域的技术人员应了解，可使用其它曲线拟合技术。

MCU中的固件处理传感器、计时、缩放和校准数据，以确定、记录特定信息或将其呈现给观察者。图20为固件的逻辑流程的概念表述。在标记为“传感器”的部分中，获取即时绝对压力、差动压力、加速度和车轮旋转传感器读数。将任何校准或缩放因数(未展示)考虑进来。

附录II呈现使用(经调整的)传感器读数的固件的一个实施例，图20中称为“分离”部分。车轮旋转数据用于确定速度且用于相加以得出累积距离。旋转率的任何变化用于确定前进加速度，随后从加速度计数据中减去所述前进加速度以确定重力作用。如先前所描述，可使用从用于确定对地速度的其它构件得出的数据代替车轮旋转计时。在标记为“力”的部分中，(附录III中详述)，确定四个力元素。在“组合”部分(还包括在附录III中)中，组合所述四个力(气动阻力、海拔变化、侧倾摩擦和加速度)。请注意因数“DriveEff”，其与驱动轮系效率(drive train efficiency)有关。此效率与链条摩擦力、轮毂摩擦力、润滑油品质等有关。状态良好且经良好维护的优质脚踏车可具有约97％的效率。低品质或状态差的脚踏车效率可为约85％。

在计算前进加速度时使用术语“TotalEffMass”，当转换成线性惯性时由于车轮和轮胎角动量的缘故，所述术语稍微不同于“TotalMass”。差异包含车轮的角加速度所需的力。此与车辆加上骑手(和附件)的总质量相比为一相当小的因数。一个估计值将为轮缘、轮胎和三分之一轮辐的质量，但此估计值中的较大误差仍为总数的小百分数。

最后，由图20的“结果”部分，总力乘以车辆速度以得出总功率。

附录中呈现的伪码是出于说明的目的。使用源于所述伪码的任何适合的编程语言，所属领域的技术人员将能够为任何适合的MCU开发代码。

所属领域的技术人员从上文将认识到本发明可延伸到许多不同的感测、计算和存储元件的组合或子集。因此，本发明应视为说明性的而非限制以下所主张的标的物的范畴、本质或精神。在研究本揭示内容后，许多修改和变化对于所属领域的技术人员将变得显而易见，包括本文所描述的元件的等效功能和/或结构替代物的使用、本文所描述的耦合的等效功能耦合的使用，和/或本文所描述的步骤的等效功能步骤的使用。所述非实质性变化应视为在本文所预期的范畴内。此外，如果针对特殊构件或步骤给出多个实例，且所述给定实例之间和/或超出所述实例的外推内容鉴于本揭示内容是显而易见的，则本揭示内容应视为有效地揭示并因此涵盖至少所述外推内容。

额外专利权的保留、冲突的解决方案和术语的解释

在本发明合法地公开后，本专利申请案的所有者不反对其它人对本文包含的文字和图表材料进行复制，只要所述复制是用于理解本发明的揭示内容且从而促进有用的科学技术的受限目的。然而，所有者不放弃可与所述揭示材料法律上相关联的任何其它权利，包括(但不限于)任何本文所提供的计算机程序列表或技术著作或其它著作的版权，和可与本文所提供的新造术语或技术著作相关联的商标或商业外观权利，和本文所包括的或可另外从本文推出的其它可另外保护的标的物。

如果任何揭示内容以引用的方式并入本文且所述并入的揭示内容部分地或完全与本发明冲突，则冲突的程度、和/或更广泛的揭示内容，和/或更广泛的术语定义由本发明控制。如果所述并入的揭示内容部分地或完全相互冲突，则冲突的程度由最新的揭示内容控制。

除非本文另外明确规定，普通术语在其表述的各自上下文中具有其相应的普通意义，且普通技术术语具有其相应的常规意义。

附录I

//-------------------------------------------

//Global variables

//-------------------------------------------

//Sensor readings，converted and scaled

Temperature； //degrees C

DynamicPressure； //Pascals＝1/1000kPa

AccelerometerGs； //g from the accelerometer

//Derived values

SlopeAngle； //angle of hill slope

Gradient； //sin(SlopeAngle)，-1.00 to 1.00

FwdAccelGs； //g of forward acceleration

GravityAccel； //g due to hill slope

Distance； //meters

WheelRevs； //wheel revolutions

Speed； //vehicle speed，meters/sec

//-------------------------------------------

//Stored coefficients and calibration values

//-------------------------------------------

TotalMass； //Bike and rider Kg，entered by rider

TotalEffMass； //Bike，rider and effective mass of wheel

moment，Kg

DriveEff；//Drive efficiency＜1，due to chain friction

Froll； //Rolling resistance，Newtons，from coast down

test

TireCirc；//Tire circumference，meters

//Aero force/pressure，combines frontal area and drag

coefficient

Kaero； //Newtons/Pascal，from coast down test

//Constants

Kgravity＝9.80；//Gravitational acceleration，m/sec^2

//＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊

// CALIBRATION PROCEDURES

// TILT CALIBRATION BY USER

// This determines the true angle of the accelerometer as

mounted if the bike

// is on level ground.Since the ground may not be perfectly

level，two

// readings are taken with the bike facing opposite directions

on the same

//spot.Adding the two readings cancels any non-level angle of

the ground.

TiltCal(){

Temp variables Angle1，Angle2；

//Tell user to hold bike still

Message(″Hold Still″)；

Angle1＝arcsin(AccelerometerGs)；//Read angle

//Tell user to turn bike around and hold still again

Message(″Turn 180 degrees″)；

WaitForKeyPress()；

Message(″Hold Still″)；

Angle2＝arcsin(AccelerometerGs)；//Read angle

LevelAngle＝ (Angle1+Angle2)/2；

}

// COAST DOWN CALIBRATION PROCEDURE

//Coast down procedure to determine aerodynamic drag and

rolling resistance

//The bike is allowed to coast from a high to a low speed while

force and

//sensor data is collected. The missing coefficients are then

derived by

//fitting a straight line to the collected data.

//Note that DriveEff is not used in coast down since the

drivetrain(chain)

//is not moving.

CoastDown(){

//Tell user to reach HighSpeed

while(Speed＜HighSpeed)

Message(″Go Faster″)；

Message(″Coast″)；//tell user to stop pedaling

//Fill an array of data samples

//The model is：

//TotalForce＝ Faero() +Froll+Fslope() +Faccel()＝0

while coasting

//If the device has been properly leveled，then we can

calculate both

//Fslope() and Faccel()，but we are still missing Froll

and the

//aerodynamic drag factor Kaero where Faero＝Kaero＊

DynamicPressure

//So we just need to record the total of known forces and

the

//DynamicPressure at each data point：

//y＝f(DynamicPressure)＝Kaero＊DynamicPressure+Froll

// ＝-(Fslope()+Faccel())

//Fitting the best straight line to the resulting data

gives us Kaero and

//Froll.

//Two parallel arrays，one for total known forces，the

other for pressure

DynPress[]；

OtherForces[]；

i＝0；

while(Speed＞LowSpeed){

DynPress[i]＝DynamicPressure；

OtherForces[i]＝-(Fslope()+Faccel())；

i＝i+1；

}

//Low speed reached，tell user to stop.

Message(″Done Coast″)；

//Process the data using linear regression

//Best fit for y(x)＝a+bx is derived by：

// Define：

// Sx＝sum(x)

// Sy＝sum(y)

// t(i)＝x(i)-Sx/N＝x(i)-Avg(x)

// Stt＝sum(t^2)

// Sty＝sum(t＊y)

// where the sums are taken over all N points

// then：

// b＝Sty/Stt

// a＝(Sy-b＊Sx)/N

//

DataPoints＝i；

i＝0；

Sx＝0；

Sy＝0；

while(i＜DataPoints){

Sx＝Sx+DynPress[i]；

Sy＝Sy+OtherForces[i]；

i＝i+1；

}

AvgPress＝Sx/DataPoints；

i＝0；

Stt＝0；

Sty＝0；

while(i＜DataPoints){

t＝DynPress[i]-AvgPress； //no need for an

array of t

Stt＝Stt+t＊t；

Sty＝Sty+t＊OtherForces[i]；

i＝i+1；

}

Kaero＝Sty/Stt；

Froll＝(Sy-Kaero＊Sx)/DataPoints；

}

附录II

//-------------------------------------------

// SENSOR SIGNAL SEPARATIONS

//Separate accelerometer reading into gradient and forward

acceleration

ProcessAccelerometer() {

//Remove forward acceleration as seen at the wheel speed

sensor

GravityAccel＝AccelerometerGs-FwdAccelGs；

//Correct for tilt of mounted sensor on level ground

//GravityAccel＝sin(SlopeAngle+LevelAngle)g，so：

SlopeAngle＝arcsin(GravityAccel)-LevelAngle；

Gradient＝sin(SlopeAngle)；

}

//Convert wheel switch inputs into speed，distance and

acceleration

ProcessWheelSwitch(){

//Add one more wheel rev to the recorded distance

WheelRevs＝WheelRevs+1；

Distance＝WheelRevs/TireCirc；//meters

//Use a real time counter to time periods between wheel

pulses

Period＝CurrentTime()-LastWheelTime； // seconds

LastWheelTime＝CurrentTime()；

Speed＝TireCirc/Period； //

meters/second

//Calculate acceleration or deceleration in g

DeltaSpeed＝Speed-LastSpeed； //m/sec

LastSpeed＝Speed； //record for next

time

FwdAccel＝DeltaSpeed/Period； //m/sec^2

FwdAccelGs＝FwdAccel/Kgravity；//g

}

附录III

//-------------------------------------------

// FORCE AND POWER CALCULATIONS

//Propulsive force calculation，Newtons

Fpropulsive(){

return(Faero()+Fslope()+Froll+Faccel())/DriveEff；

}

//Aerodynamic force calculation，Newtons

Faero(){return Kaero＊DynamicPressure；}

//Gravitational force calculation，Newtons

Fslope(){return TotalMass＊Kgravity＊Gradient；}

//Forward acceleration force calculation，Newtons

Faccel(){return TotalEffMass＊FwdAccelGs；}

Watts(){return Fpropulsive＊Speed；}

Claims

1.一种用以感测车辆上的力的设备，所述车辆包括至少两个车轮，所述设备包含：

微控制器；

模拟到数字转换器，其包括模拟输入端口，所述模拟到数字转换器向所述微控制器提供模拟输入端口信号的数字版本；

多路复用器，其具有多个可选模拟输入和输出端口，所述多路复用器的所述输出端口连接到所述模拟到数字转换器的所述模拟输入端口；

多个模拟传感器，每一模拟传感器的输出信号独立地连接到所述多路复用器的模拟输入，其中所述多个模拟传感器包括响应于差动压力的差动压力模块和响应于所述车辆的行进方向上的加速度的加速度模块，其中所述差动压力用于测量与所述车辆正面相抵的动态空气压力，其中所述动态空气压力为由面向所述车辆行进方向的第一压力输入端口所接收的空气压力Pt和位于系统外壳的侧部上的第二压力输入端口所接收的大气压力Ps之间的差，所述第一压力输入端口和所述第二压力输入端口为系统外壳中的孔并且通过气密通道与具有所述差动压力模块的所述模拟传感器相连接；

用以检测所述车辆的对地速度的构件；

用以向所述差动压力模块提供由于所述车辆在空气中的移动而引起的动态空气压力的构件；以及

与处理单元连接的显示器系统。

2.根据权利要求1所述的设备，其进一步包含用以存储数据的存储器系统，所述存储器系统连接到所述处理单元。

3.根据权利要求2所述的设备，其中所述存储器系统包含电子存储器装置。

4.根据权利要求1所述的设备，其中所述显示器系统包含液晶显示器装置。

5.根据权利要求1所述的设备，其中所述具有所述加速度模块的模拟传感器是微机电系统(MEMS)。

6.根据权利要求1所述的设备，其中所述具有所述加速度模块的模拟传感器是滚珠轴承类型。

7.根据权利要求1所述的设备，其进一步包含用于提供大气压力的绝对压力模块。