CN2643826Y

CN2643826Y - 高原野战作训体能消耗测试仪

Info

Publication number: CN2643826Y
Application number: CN 03252815
Authority: CN
Inventors: 朱弋; 阮兴云; 除志荣; 王荣军; 王斌
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-09-19
Filing date: 2003-09-19
Publication date: 2004-09-29
Anticipated expiration: 2013-09-19

Abstract

本实用新型是一种高原野战作训体能消耗测试仪。其特征在于测试仪的电路构成为：由PIC单片机联接加速度传感电路、放大检波电路、积分比较电路、电源变换器、液晶显示器和键盘控制电路构成；电源变换电路还与加速度传感电路、放大检波电路、积分比较电路联接，放大检波电路两端分别联接加速度传感电路和积分比较电路。本实用新型能对士兵在野战训练过程中的运动量及能耗进行测量研究，在高原条件下研究士兵作训过程中的体能状态具有很高的适用价值。本实用新型体积小，频率响应好，精度高，灵敏度高，工作可靠、耐振、耐冲击、耐腐蚀、抗干扰力强等，可随手携带，特别适于部队野外训练使用。也可用于体育训练中对运动员训练测定运动量等。

Description

高原野战作训体能消耗测试仪

技术领域

本实用新型涉及人体测试技术，具体地说是高原野战作训体能消耗测试仪。

背景技术

绝大多数关于军事训练士兵运动水平评估的研究是基于人体活动自我报告式的问卷调查法。由于这种方法对于大样本具有较好的适应性。对受试者没有时间和费用的负担。直到现在，它仍是国内外应用最广泛的一种对人体运动进行评估的研究方法，这种方法的缺陷在于：其对运动的记录主要依靠受试者自己的说明，受试者自身对运动频率、运动持续时间的错误回忆，以及调查者对运动强度的错误估计或科目本身的错误等都是造成这种方法误差的主要原因。而且对大量人群进行调查时，花费极大。正是由于问卷调查法的主观性强、客观性差以及准确性低等明显缺点，已越来越不适应科学、准确评估人体运动的需要。

心率监测法能用来评估人体运动的原理主要是基于心率与能耗具有很高的线性关系。Meijer GA等对检测到的受试者的心率数据作回归分析后，发现心率和运动者的能耗具有较好的线性关系。Ceesay SM等认为心率和氧气摄入量在运动强度增加式的相关性达0.95以上，因而心率可以作为评估人体运动的一种客观参考指标。但是使用这种方法带来的缺陷显而易见：(a)随着受试者个体的忍耐力的不同，心率和氧气摄入量的关系也在变化；(b)同一受试者的心率与氧气摄入量的关系也是上肢和下肢运动，或是静态或动态有关；(c)心率会受到很多起因素的影响，如情感状况、身体姿势以及环境因素。因此单纯记录心率的变化并不能认为是一种准确的测量人体运动和强度的方法，因此只能作为一种参考的方法。

比较准确的方法是将心率监测方法与运动传感器方法结合起来，经一些学者应用多重回归分析(multiple regression analysis)对数据进行了分析。他们发现使用这种方法使相关性从0.69上升到0.82。对运动时氧气摄入量的估计也大为精确了。间接卡路里计或呼吸热量计的测定方法被认为是一种能量耗费的客观方法。它需要测定吸进的氧气数量和呼出的二氧化碳的数量。能耗是根据呼吸时气体交换比率用氧气消耗量乘以非蛋白质的热当量计算得出。这种方法具有较强的客观性，测定结果也真实可信。但这种方法必须在每次测量前对仪器进行校准，实验条件要求苛刻，实验准备复杂，而且测量时会较大程度地影响受试者地运动，实验条件下地适用方法。在人体运动评估方面，双标记水法(double labeled water)一直被作为“金标准”在使用，由于能准确测量人体的平均代谢率(AMDR)。结合测出的人体基础代谢率(BMR)，人体运动消耗就可以被计算出来。因此被公认为是一种测定人体运动量地准确方法，是一种评定人体运动的可接受的标准，但双标记水法获得同位素²H₂ ¹⁸O的代价十分大，且测试时间很长，应用范围窄。

目前国内外已有大量的关于测人体红外辐射数字式体能测试仪，测吸入，呼出气体变化分析体能消耗的间接测定系统，测心率、最大摄氧量、PWC170等多种指标的各种体能、能耗、运动量的各种测试仪、测试系统，但还未见有关便携式电子加速度计体能测试仪的研制报导。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种对于在高原条件下研究士兵作训过程中的体能状态具有很高的适用价值的高原野战作训体能消耗测试仪。

本实用新型具体的设计构想是：采用微机械集成式电子加速度传感器测量出加速度信号，利用低通滤波器滤除高频信号，截止频率为30Hz，因为人体活动的频谱主要是在30Hz以内，经过滤波后的加速度信号幅度很小，毫伏级范围内，需要放大至0～5伏之间，经取绝对值后送到积分器进行积分，当积分电压超过一定阈值时，积分器就复位一次。考虑到活动量的积累有一个过程，以一分钟为时间的计算单位，一分钟内积分器复位的次数定为加速度计的输出AO，它的单位为每分钟计数(counts/min)。经过积分比较的信号就形成脉冲串，脉冲的频率高低即疏密程度代表了运动量的大小，此时脉冲信号中已包含了人体运动量的信息，该信号还需经过整形电路将其变换为计算机标准脉冲信号，然后输入PIC单片机进行处理，单片机将每分钟的脉冲计数值及累计计数值存储下来，带测试完毕后由操作者通过键盘操作来显示出每一分钟的运动量指数及累计运动量指数。

本实用新型的技术方案为：由PIC单片机联接加速度传感电路、放大检波电路、积分比较电路、电源变换器、液晶显示器和键盘控制电路构成；电源变换电路还与加速度传感电路、放大检波电路、积分比较电路联接，放大检波电路两端分别联接加速度传感电路和积分比较电路。其中本实用新型的放大检波电路、积分比较电路和脉冲展宽电路设计如下：

放大检波电路：设置此电路原因是由于后续检波电路要求建波信号具有一定的幅度，即建波信号应越大越好(实际上应受电源电压影响)。这样才能得到最好的检波效果。又因传感器最大输出电压(实测约为100mv)较小，应加以放大。传感器的输出信号经反相放大器放大，放大倍数理论值为Av＝R₃/R₁＝15，实际值小于15。

经过滤波后的加速度波形相对于零基线的有正有负，积分器的积分公式为：

V_o＝-(1/RC).∫_o ^tV_idt

只有积分器的输入信号保持负电平时，积分器输出电压才会不断升高，以供比较器进行比较，当人体运动时，重心上下振动，输入加速度信号有正有负，积分器输出电平时降时升，比较器的输出不能正确反映运动量的大小，因此，需要对滤波后的加速度波形进行调整，即将零基线以上的正信号倒相为零基线以下的负信号，也就是取加速度信号的绝对值。检波电路主要由两个运放与两个二极管构成，它完成的功能是将近似正弦波的信号向负向卷折，即取信号的绝对值的负号。即检波的输出应为：Vout(jb)＝-|Vin(jb)|。设置此段电路的原因是为了积分的需要，避免后面的积分由于正负电压会相互抵消，因此应将其变为全负或全正的信号，此处人为设置为负。

此处的检波会有一定的误差，主要是由于检波二极管有一个导通电压，如果检波电压幅度较小，会看不到不输出。当然，幅度太大，会引起畸变。实验证明，如果检波输入电压最大值大于1V以上，以正弦波来观察，由导通电压引起的误差较小，目视几乎不可见。

积分比较电路：本设计的原理是将加速度信号通过积分器和比较器转换为疏密不同的脉冲波，然后将其输入到单片机中进行以一分钟为时基的计数，这一计数值与加速度信号的强度和频率成正比。这里将把加速度信号转换为脉冲波的电路称为信号转换系统。由于单片机在一块芯片上集成了CPU、RAM、ROM、定时/计数器、振荡器和时钟等各种电路，一块芯片就是一台计算机，它具有体积小，功能强，价格便宜，适于实时控制，易于产品化，功耗低等许多独特的优点。在电路中加入脉冲展宽电路是非常必要的。原因有两个：

①比较器输出由+5V翻转为0V的反应时间最大为200ng，而积分电容为1μF，CD4066的导通电阻为50Ω，因此放电时间常数为50μs，远大于比较器的反应时间，为意味着CD4066的导通时间远远不满足积分电容充分放电的要求，致使积分器无法复位。因此，需要将模拟开关的触发脉冲展宽，使其大于积分电容的放电时间常数的十倍，积分器准确复位后才能正常工作。

②单片机内的计数器对计数脉冲的要求是：计数脉冲的宽度至少应该大于单片机工作的一个机器周期，本实用新型中PIC16F876的晶振频率为4MHz，即一个机器周期为2μs，如果只有200ns宽度的脉冲输入PIC16F876，计数器将无法正常工作，因此也需要脉冲展宽。

考虑到模拟部分和数字部分虽由同一电源供电，但对供电方式要求不同以及为了抗干扰而相互隔离的要求，本实用新型还设置了电源及地线设计抗干扰耦合处理(电路)。

本实用新型的高原野战作训体能消耗测试仪在临床医学中，对有些疾病的治疗如甲亢就无原则要求监测病人的能耗。在体育训练中，为使运动员训练效果最好也要测定运动量，另外，在营养学、劳动生理学等领域中，运动量及能耗的研究都具有很重要的意义。

在野战军事训练过程中，指挥官需要了解每一名士兵的训练强度，从而根据各人不同的身体素质制定出不同强度的训练计划，特别是在一些气候条件较为恶劣的地区，如高原、沙漠以及高寒地区。用本实用新型对这些地区的士兵在野战训练过程中的运动量及能耗进行测量研究，分析热量及氧气的消耗并结合其他生理参数如心率、血压的监测，就能研究制定出一套野战单兵作训方法和计划，在高原条件下研究士兵作训过程中的体能状态具有很高的适用价值。本实用新型体积小，频率响应好，精度高，灵敏度高，工作可靠、耐振、耐冲击、而腐蚀、抗干扰力强等，可随手携带，特别适于部队野外训练使用。

附图说明

图1为本实用新型的体能消耗测试仪的电路框图；

图2、3为本实用新型的体能消耗测试仪的电路原理图；

图4为本实用新型的体能消耗测试仪的电源供电框图；

图5为本实用新型的体能消耗测试仪的电路布局地线及抗干扰电路图；

图6为本实用新型的体能消耗测试仪的内部结构示意图；

图7为本实用新型的体能消耗测试仪的外形示意图。

图2、3中虚线框内，A-加速度传感器，B-放大检波电路，C-积分比较电路，D-单片中央处理电路，图6中，IC1-MMA220W加速度传感器，IC2-PIC16F876CPU微处理器，P1-液晶显示器连接电缆，P2-键盘控制连接电缆，PCB-CONTL-1-主控电路板，PCB-PWR-1-电源逆变及分配电路板，PCB-DISP-1-OCM12232双行16字符液晶显示器，PCB-CONTL-2-键盘控制接口板；图7中，1—电源开关，2—电源指示灯，3—运动量读数前进键，4—运动量读数后退键，5—测试开始键，6—复位键，7—液晶数据显示面板。

具体实施方式

实施例：如图1所示，本实用新型的高原野战作训体能消耗测试仪电路由以下构成：由PIC单片机联接加速度传感电路、放大检波电路、积分比较电路、电源变换器、液晶显示器和键盘控制电路构成；电源变换电路还与加速度传感电路、放大检波电路、积分比较电路联接，放大检波电路两端分别联接加速度传感电路和积分比较电路。其电路原理图如图2、图3所示：

1、传感电路：加速度传感器是感知人体运动加速度的关键器件，种类也多种多样。本设计采用了MOTOROLA公司的MMA2200W型号的电容式传感器。MMA系统加速度传感器电路由信号调节4级低通滤波器，温度补偿，零加速失调，工厂设定滤波器截止频率几个部分组成，不需要外部元件即可独立工作，全系统具有自测试校正功能，并能指示故障信息。

2、放大检波电路：传感器的输出信号输入到运放U1(MAX410)的2脚进行反向放大，放大倍数由跨接在输入2脚和输出6脚之间的反馈电阻R3(150k)以及3脚的接地电阻R2(10k)来决定，电路中具体的放大倍数为R3/R2＝15倍，经过放大的信号需要取绝对值即检波，检波电路由两个二极管和两个运放组成，放大后的信号通过电阻耦合连接到运放U2(MAX410)的2脚，同时运放U2的输入端2脚和输出端6脚之间跨接一支检波二极管D1(1N4148)，D1的正端接U2的2脚，U2的输出端6脚再接一支检波二极管D2(1N4148)，此时输出的信号已被取绝对值，再经过耦合电阻R8连接到运放U3(MAX410)的输入端2脚进行缓冲推动，其放大倍数由跨接在U3输入端2脚和输出端6脚之间的反馈电阻R10(10k)以及3脚的接地电阻R9(10k)来决定，电路中具体的放大倍数为R10/R9＝1倍，即运放U3不起放大作用，只对信号进行跟随，起缓冲和推动作用。由运放U3输出的信号完成放大和检波。

3、积分比较电路：积分器的时间常数RC由R13(3.9M欧)和积分电容C2(0.01uF)决定，RC为3.9*10⁶*0.01*10^-6＝0.04s，经过放大和检波的运动量信号通过耦合电阻R11连接到运放U4(MAX410)的输入端2脚，信号经过跨接于2脚和6脚之间的RC积分，由U4输出端6脚输出连接到比较器(MAX941)的2脚，与3脚的参考电压进行比较，比较器的参考电压有连接到3脚的电位器R14来决定，参考电压低，则比较器7脚输出端翻转频率高，仪器读数量程加大，反之，参考电压高，则比较器7脚输出端翻转频率低，仪器读数量程变小。当有加速度信号时，积分器对其绝对值起进行积分，输出电压由0V不断升高，当电压升至参考电压时，比较器发生翻转，MAX941输出输出端7脚由原来的+5V高电平变为0V低电平，此信号再输出连接到脉冲展宽器(CD4098)的5脚触发端，触发脉冲展宽电路，使其6脚输出一个宽度约为0.7ms的正脉冲，连接到模拟开关CD4066的6脚，CD4066的8脚和9脚是一组模拟开关，分别连接在积分电容C2的两端，它平时处于断开状态，来自U4输出端6脚的翻转脉冲触发CD4066模拟开关，使其处于导通状态，此时，积分电容通过模拟开关8脚和9脚快速放电，同时比较器输出电平由0V翻转为+5V，模拟开关重新关闭，积分器又重新开始积分。同时，脉冲展宽电路产生的正脉冲经过反相后由CD4098的7脚送到单片机进行计数。

4、PIC单片机中央信号处理电路：本系统采用美国的Microchip推出的PIC系列的八位微控制器PIC16F876作为中央信号处理电路。它是一种高性能的嵌入式控制器(embedded microcontroller)。PIC系列的单片机采用了哈佛(Harvard)结构，具有很高的流水处理速度。它的精简指令集结构(RISC)是他的所有指令都是单字节，因此程序的效率很高，具有很高的软件可靠性。

使用PIC来处理数据，有两大好处。(一)：PIC系列单片机的特点就是抗干扰能力很强、稳定度高。(二)：PIC单片机内集成了多达240个以上的存储单元，可供保存数据使用，省略了添加外围存储器。

5、键盘控制电路：在此设计中，共有四个键，复位建、测量键、上移键、下移键。复位键使PIC重新从程序开始处执行，伴随有相应的寄存器重新设置；测量键被按下标志测量开始；上移键是向上显示数据；下移键是向下显示数据。它们之间有一定的逻辑关系，测量键只有在在空闲态时按下才能导致测量开始，其他状态按下无效；上移键和下移键只有在测量态和显示态下才有效，其他状态无效，在测量态下，可以中断测量而进入显示状态，显示态下进行正常操作；复位建在任何态下均能使PIC进入空闲态，但上一次测得的数据会丢失。

6、电源及地线设计抗干扰耦合处理(电路)：采用两节锂电池(1.5V/节，容量为1Ah)供电，可连续工作60小时，而连续测量时间为2小时。整机工作平均耗电应小于20mA。考虑到模拟部分和数字部分虽由同一电源供电，但对供电方式要求不同以及为了抗干扰而相互隔离的要求，电源选用固体DC/DC变换器来实现。采用美国MAXIM公司生产的MAX718型DC/DC变换器将3V的电池电压变为+5V，其主要性能是：输入电压最低可达2V，输出电压有3.3V、5V和12V几档，当输出为5V时，最大负载电流为250mA，效率大于87％，后备电池可免数据丢失。它为传感器及数字电路供电，然后再用MAX742将+5V变为±12V，MAX742的转换效率为78％，最大输出功率为30W，它为前向通道的各种模拟电路提供隔离电源，如图4所示。

在本电路设计中，为了尽可能地消除电路分布参数及干扰信号的影响，对印刷板布线及地线分布进行了处理。在电路的前级(传感器和前置放大器)，加速度信号很微弱，容易受干扰信号的影响，如果整个电路的电源及地线从前级输入，受后能电路的影响，地线和电源线中有较多的干扰信号叠加到加速度信号中，特别是受数字电路的干扰更严重。因此，必须将电源线包括零电位线的输入端设在模拟电路的末级与数字电路结合部，这样可使前级部分地线和电源线中的干扰信号降到最小，同时还加入了耦合电路，如图5所示。MAX718型DC/DC变换器将3V的电池电压变为+5V，供单片机及液晶显示器的电源，电路中采用LC元件进行去耦，电感接于MAX718的输出端，另一端接电容，而电容的另一端接地，以起到抗干扰的作用。模拟部分由MAX742提供电源，5V输入MAX742，输出+/-12V，其负载依次按顺序为：传感器，放大检波电路，积分比较电路(后级模拟电路)，LC去耦位于模拟电路的最末端。

本实用新型所用软件是MPASM语言。

Claims

1、一种高原野战作训体能消耗测试仪，其特征在于测试仪的电路构成为：由PIC单片机联接加速度传感电路、放大检波电路、积分比较电路、电源变换器、液晶显示器和键盘控制电路构成；电源变换电路还与加速度传感电路、放大检波电路、积分比较电路联接，放大检波电路两端分别联接加速度传感电路和积分比较电路。

2、根据权利要求1所述的高原野战作训体能消耗测试仪，其特征在于所述的放大检波电路构成为：由两个二极管和两个运放组成，经放大后的信号通过电阻耦合连接到运放U2(MAX410)的2脚，同时运放U2的输入端2脚和输出端6脚之间跨接一支检波二极管D1(1N4148)，D1的正端接U2的2脚，U2的输出端6脚再接一支检波二极管D2(1N4148)，再经过耦合电阻R8连接到运放U3(MAX410)的输入端2脚进行缓冲推动，由运放U3输出的信号完成放大和检波。

3、根据权利要求1所述的高原野战作训体能消耗测试仪，其特征在于积分比较电路构成为：经过放大和检波的运动量信号通过耦合电阻R11连接到运放U4(MAX410)的输入端2脚，信号经过跨接于2脚和6脚之间的RC积分，由U4输出端6脚输出连接到比较器(MAX941)的2脚，与3脚的参考电压进行比较，比较器的参考电压有连接到3脚的电位器R14来决定，经积分器的信号再输出连接到脉冲展宽器(CD4098)的5脚触发端，脉冲连接到模拟开关CD4066的6脚，CD4066的8脚和9脚是一组模拟开关，分别连接在积分电容C2的两端，来自U4输出端6脚的翻转脉冲触发CD4066模拟开关，脉冲展宽产生的正脉冲经过反相后由CD4098的7脚送到单片机进行计数。