基于Ｗｉｎｄｏｗｓ等動阻力源關鍵技術研究

摘 要：介紹了一種應用于帆板搖帆訓練中基于Windows的等動阻力源，闡述了該阻力源的組成結構、工作原理和基本功能的實現(xiàn)方法。該阻力源能夠很好地模擬搖帆運動訓練中的等動阻力特性，對促進帆板搖帆訓練的發(fā)展和其他運動健身器材的開發(fā)研究有一定的實際意義。

關鍵詞：數(shù)據(jù)采集；PID控制；等動；阻力源；Delphi

中圖法分類號：TP311．11 文獻標識碼：A 文章編號：1001-3695(2006)10-0214-02

Research on Key Technology of Isokinetic Resistance Apparatus Based on Windows

TAN Junzhe，WANG Shujie，WANG Jianguo

(Dept.of Mechanism Electronic Engineering， College of Engineering， Ocean University of China， Qingdao Shandong 266071， China)

Abstract:Introduced a kind of isokinetic resistance apparatus under Windows environment， which is used for sailboard pumping Simulation training and testing system. Discussed its structure and working principle as well as its fundamental function. The resistance apparatus can simulate isokinetic property in sailboard pumping. It has practical significance to promote the development of sailboard pumping equipment and other sports apparatus.

Key words:Data Acquisition;PID Control;Isokinetic Equipment;Resistance Apparatus;Delphi

中國成功申辦2008年奧運會對我國帆板運動的發(fā)展提供了一個良好的發(fā)展前景。但目前我國的帆板運動缺乏科學的訓練手段和高檔的訓練器械，國內外也沒有針對搖帆的專項訓練器。為了進一步提高我國的帆板運動水平，許多教練員和科研人員將研制高檔的訓練器械作為新的研究方向。

為了在2008年奧運會中的帆板項目取得好成績，國家體育總局在一些項目中加大投入，并提出了“金牌戰(zhàn)略計劃”，力爭通過研制高檔的訓練器械和尋找科學的訓練方法來提高運動成績。帆板搖帆模擬訓練測試系統(tǒng)就是其中一項。帆板搖帆模擬訓練測試系統(tǒng)的阻力源是整個系統(tǒng)功能實現(xiàn)的關鍵部分。阻力源的硬件部分采用由嵌入式計算機、數(shù)據(jù)采集卡、液晶觸摸屏組成的一體機，軟件部分采用Delphi開發(fā)的基于Windows的控制程序。

1 等動阻力訓練介紹

搖帆運動是一項既要求速度又要求耐力和力量的運動，因此提高運動員的肌肉力量是十分重要的。體育訓練器械的阻力負荷大體可以歸納為等張、等長和等動三種類型。

現(xiàn)代科學研究成果表明，提高肌肉力量最有效的途徑是采用等動技術。采用等動技術的阻力源能夠在運動員的整個動作范圍內保證運動速度相對穩(wěn)定，所產(chǎn)生的阻力與肌力成正比，使肌肉在運動過程中的每一點均可以釋放最大力量，從而獲得最佳效果。采用等動阻力訓練方式，可以很好地提高運動員的訓練效果。

等動力量訓練中，外界抗阻力隨肌力的大小而變化，用力越大，阻力越大?？梢姷葎恿α坑柧毜年P鍵是速度保持不變，等動阻力源要自動適應任意變化的輸入力。因此，等動訓練是一種自適應阻力訓練。

2 等動阻力源的組成與工作原理

帆板搖帆模擬訓練測試系統(tǒng)的阻力源采用先進的微電子和運動控制技術，能夠模擬出海上的不同風速和不同阻力，并可以對阻力特性和大小進行調整，供運動員進行模擬訓練和測試。該系統(tǒng)的計算機控制部分的主體為嵌入式計算機，通過自行研制的數(shù)據(jù)采集卡，完成對阻力源的控制，并對訓練參數(shù)進行采集和分析，主要為使用者提供直觀的結果顯示。

2．1 阻力源的組成結構和各部分功能

帆板搖帆模擬訓練測試系統(tǒng)主要目的是可以模擬出各種海上訓練環(huán)境為運動員提供模擬訓練測試，以提高訓練水平。帆板搖帆模擬訓練測試系統(tǒng)的工作原理是將運動員的搖帆動作通過模擬桅桿和帆桿轉換為拉索的直線運動，再通過拉索帶動阻力源，阻力源提供的等動阻力能很好地模擬駛帆時空氣動力或搖帆時風帆氣動力，實現(xiàn)不同風段、不同風速和不同強度的搖帆訓練，同時對運動員的運動參數(shù)和身體參數(shù)進行測試和評價。

阻力源的組成結構和工作原理如圖1所示。該系統(tǒng)的阻力源主要包括嵌入式計算機、數(shù)據(jù)采集卡、阻力控制電路、機械傳動機構等部分。嵌入式計算機主要對阻力源的工作模式、阻力大小等參數(shù)進行選擇與控制，并對阻力源的阻力大小、運動速度等運動參數(shù)進行顯示。數(shù)據(jù)采集卡是由課題組自行研制的，是計算機和阻力控制電路進行信息傳遞的模塊。采集卡能夠實時地對阻力控制電路的工作狀態(tài)參數(shù)進行采集，進行A/D轉換，輸入到計算機進行處理；并根據(jù)預先設定的工作模式和訓練參數(shù)以及輸入的轉速對繩輪的轉矩進行控制。觸摸屏實現(xiàn)了人機交互，它能夠通過數(shù)值和條柱兩種模式實時顯示阻力源的運行狀態(tài)，如運動速度、阻力大小等參數(shù)。運動員可以通過觸摸屏對阻力源進行訓練參數(shù)的設置。繩輪在阻力控制電路的控制下與機械傳動機構同步旋轉，通過繞在繩輪上的繩索將旋轉運動轉換為直線運動，將繩輪的旋轉力矩轉換為直線方向的阻力，為帆板運動員的搖帆訓練提供模擬風阻。

2．2 等動阻力源的工作原理

該阻力源采用計算機控制技術和運動控制技術，實現(xiàn)了阻力特性的調整，運動參數(shù)的測試和數(shù)字化控制。該阻力源有等張和等動兩種工作模式。

等張工作模式的控制比較簡單，它采用開環(huán)式控制方式，即只需為阻力控制電路提供相同的轉矩電壓即可實現(xiàn)。

等動工作模式的控制采用閉環(huán)式的控制方式。由于等動訓練是一種自適應阻力訓練，等動力量訓練的關鍵是速度要保持不變，等動力量裝置要自動地適應任意變化的輸入力。然而在實際應用中，要保持恒速非常困難。該等動阻力源的軟件部分通過PID 控制算法，有效地模擬了等動阻力的特性。阻力源的軟件部分采用定時中斷工作方式，在每個采樣周期內采集繩輪的轉速，根據(jù)轉速的變化大小計算輸出的轉矩大小。當轉速增大時，相應的輸出轉矩增大，阻礙轉速的增大，反之亦然，從而保證轉速能控制在一定范圍內。

2．3 阻力源的功能

阻力源可以方便地進行等動與等張阻力類型的切換?？梢詫Φ葟堄柧氉枇突亓Φ拇笮∵M行預置。對阻力源的速度及在不同速度條件下所需阻力大小進行方便的調節(jié)；實現(xiàn)不同風段阻力特性的切換和預置。

根據(jù)實際需要，該阻力源可以進行訓練模式的設定。訓練系統(tǒng)可以設定下列訓練模式：正常訓練模式（訓練時間和動作次數(shù)無要求）、預先設定訓練時間、預先設定訓練次數(shù)、預先設定總做功量。

3 阻力源軟件設計的關鍵技術

由于Windows具有強大的功能、友好的圖形用戶界面和操作的靈活性，在計算機控制領域得到了廣泛的應用，成為

許多計算機控制系統(tǒng)的操作系統(tǒng)平臺［1］。Delphi是由Borland公司開發(fā)，運行于Windows平臺上的交互可視化集成開發(fā)環(huán)境，是一種面向對象開發(fā)語言，具有開發(fā)效率高、資源代碼和控件豐富、擴展功能強大等特點。因此，本等動阻力源的軟件設計是在Windows下，采用Delphi 6.0進行開發(fā)的。然而，在開發(fā)的過程中，在Windows平臺上用Delphi開發(fā)實時控制程序，關鍵問題是要解決實時數(shù)據(jù)采集和實時控制，下面介紹該問題的實現(xiàn)方法。

3．1 Windows環(huán)境下實時數(shù)據(jù)采集

Windows是一種弱實時性的操作系統(tǒng)，不能滿足毫秒級以下實時處理和實時控制的要求。Windows提供的定時器是建立在DOS的1CH中斷基礎上的［2］。由于該中斷的定時周期為54.95ms，所以這種方式不能適應阻力源的高實時性要求。Windows系統(tǒng)提供的另一種定時精度更高的多媒體定時器，其設置最小定時周期為1ms，定時精度由TimeBeginPeriod函數(shù)設定，定時器由TimeSetEvent函數(shù)啟動。每次定時時間到，應用程序就執(zhí)行一次回調函數(shù)，可以實現(xiàn)各種定時任務。若要實現(xiàn)更高精度的定時，需要使用Windows的硬中斷處理，編寫虛擬設備驅動程序，即VxD。

由于阻力源的實時性要求不是很高，數(shù)據(jù)采樣周期10ms就可以滿足要求。為了提高軟件的開發(fā)效率，本阻力源采用了多媒體定時器。在等動算法設計中，每隔10ms對阻力控制電路的轉速進行采集，并根據(jù)轉速的變化對繩輪的輸出轉矩進行計算并輸出。在實際應用中，以上方法取得了良好的效果。以下程序代碼的作用是在阻力源開始工作時啟動時間中斷函數(shù)。

ProTimeCallBack:=TimeProc;

hTimeId:=TimeSetEvent(10，0，ProTimeCallBack，1，1);

3．2 Delphi中內嵌匯編語言的應用

在該阻力源的運行過程中，計算機需要通過數(shù)據(jù)采集卡對阻力控制電路的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)進行實時采集，并對其進行控制。數(shù)據(jù)采集卡是用單片機進行開發(fā)的，可以與阻力控制電路控制器進行高速的實時數(shù)據(jù)采集和控制，應用程序主要通過I/O端口操作與數(shù)據(jù)采集卡進行信息交換。然而Delphi本身沒有對硬件電路進行訪問的函數(shù)。要用Delphi實現(xiàn)與數(shù)據(jù)采集卡的通信，通常有多種思路：①用C語言編制數(shù)據(jù)采樣程序，做成動態(tài)鏈接庫（DLL）用Delphi調用；②通過WinDriver等設備驅動程序開發(fā)工具開發(fā)虛擬設備驅動程序供Delphi實時調用［3］；③用內嵌式匯編語言編制采樣程序，內嵌在Delphi程序中［4］。由于內嵌式匯編語言速度快、程序短，因此本系統(tǒng)的開發(fā)采用了內嵌式匯編語言方法來實時訪問硬件。

以下程序代碼是利用內嵌式匯編語言編寫的單字節(jié)端口輸入通用函數(shù)。利用該函數(shù)可方便地編寫其他數(shù)據(jù)采集函數(shù)。

Function PortIn (PortNum: Word): Byte;//單字節(jié)端口輸入

var aa: Byte;

begin

asm{Begin of asm}

mov DX，PortNum;

in AL，DX;

mov aa，AL;

end;{end of asm}

PortIn:=aa;

end;

3．3 PID等動算法

阻力源要實現(xiàn)等動阻力特性，其關鍵之處是設計相應的等動算法。在等動訓練中，力和速度的關系是，速度基本恒定，阻力隨運動員的輸出功率變化而變化，即運動員的力量越大，阻力源給運動員提供的阻力越大。這就要求阻力源能夠動態(tài)檢測繩輪的轉速，根據(jù)轉速的變化來控制阻力控制電路輸出的阻力大小。

在本阻力源的軟件設計中，采用了PID控制算法，以阻力控制電路加速度大小作為一個偏差值來控制阻力控制電路的輸出力矩，盡量保證繩輪的加速度值不變，從而使繩輪的速度基本保持穩(wěn)定。圖2為阻力源采用等動模式時的部分流程框圖。

4 應用

根據(jù)上述關鍵技術的分析，采用Delphi 6.0編寫了帆板搖帆模擬訓練測試系統(tǒng)軟件。圖3為帆板搖帆模擬訓練測試系統(tǒng)的運動員搖帆訓練模塊顯示界面。該系統(tǒng)的阻力源部分經(jīng)過調試，在帆板搖帆訓練中得到了滿意的效果，基本上實現(xiàn)了運動員等動訓練的模擬。

5 結論

帆板搖帆模擬訓練測試系統(tǒng)的阻力源軟件部分采用Delphi在Windows平臺上進行開發(fā)，解決了許多在Windows平臺上開發(fā)實時控制系統(tǒng)的問題。應用程序開發(fā)效率高、界面友好，是運動訓練阻力源開發(fā)方面的一個創(chuàng)新。該系統(tǒng)阻力源稍微經(jīng)過修改，就可以應用到其他體育訓練器材中，對促進其他運動訓練器材的開發(fā)研制有一定的應用價值。本阻力源集機械設計制造、計算機控制、軟件開發(fā)等許多高新技術于一體，為利用計算機技術開發(fā)其他機電產(chǎn)品提供了一定的思路。

參考文獻：

［1］宋祖勛，俞卞章.基于Delphi5.0測控參數(shù)可視化界面的優(yōu)化設計［J］.測控技術，2003，22(3): 48-50.

［2］沈兵，黃健. 基于Windows 9x的數(shù)控系統(tǒng)實時控制研究［J］. 微型機與應用，2002，21(7):41-43.

［3］王小偉. Windows環(huán)境下計算機與高速數(shù)字信號處理系統(tǒng)實時通信［J］. 計算機應用研究，2002，19(2):130132.

［4］張永強.基于Delphi4的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)［J］. 計算機工程，2000，26(3):101102.

作者簡介：

譚俊哲(1972-)，男，山東萊陽人，講師，碩士，研究方向為機械制造自動化、機床運動控制；王樹杰(1961-)，男，山東濰坊人，教授，學士，研究方向為先進制造技術、生物醫(yī)學制造； 王建國(1954-)，男，內蒙古包頭人，教授，碩士，研究方向為智能儀器儀表、計算機測控技術。

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