引言

    隨著我國體質(zhì)測試事業(yè)的發(fā)展，對體質(zhì)健康測試技術(shù)的要求也越來越高，目前，國內(nèi)普遍使用的都是機(jī)械式的測試儀，它存在不可避免的缺陷，如測量不準(zhǔn)確，操作不方便，使用年限短等，為適應(yīng)學(xué)校體育教育的蓬勃發(fā)展，改進(jìn)傳統(tǒng)機(jī)械式測試儀缺點(diǎn)，筆者利用現(xiàn)在成熟的電子技術(shù)，運(yùn)用ARM強(qiáng)大的控制能力，開發(fā)出這套體質(zhì)健康測試儀。

    測試儀由測試儀主機(jī)或外設(shè)組成，主機(jī)和從機(jī)之間采用RS485主從通信方式。測試儀主要由身高體重、座位體前驅(qū)、肺活量、臺(tái)階心率、仰臥起坐、立定跳遠(yuǎn)的和握力共7個(gè)部分組成，從機(jī)或外設(shè)主要完成數(shù)據(jù)采集、處理、輸出及與測試儀主機(jī)通信聯(lián)絡(luò)的功能，測試儀主機(jī)將下位機(jī)所有信息進(jìn)行綜合處理，完成顯示、設(shè)定與修改參數(shù)值和存儲(chǔ)測試數(shù)據(jù)等。本文主要介紹測試儀主機(jī)的設(shè)計(jì)。

1 測試儀硬件設(shè)計(jì)

1.1 硬件總體設(shè)計(jì)

    測試儀主機(jī)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)以LPC2132為核心，具有擴(kuò)展的RS485接口、大容量存儲(chǔ)器、鍵盤、液晶顯示等外圍設(shè)備，LPC2132是一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的32位ARM7TDMI－S核的微控制器，并帶64KB的高速Flash存儲(chǔ)器。4個(gè)通信接口，2個(gè)32位定時(shí)器，1個(gè)10位8路ADC，2個(gè)硬件I2C接口和47個(gè)GPIO，以及多達(dá)9個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷。下面詳細(xì)介紹一下各單元的硬件電路和實(shí)現(xiàn)的功能。

1.1.1 復(fù)位電路

    由于ARM芯片的高速和低功耗，低工作電壓導(dǎo)致其噪聲容限低，對電源和時(shí)鐘源的穩(wěn)定性及電源監(jiān)控可靠性等諸多方面也提出了更高的要求，簡單的阻容復(fù)位電路不能保證在任何情況下都能產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的復(fù)位信號，所以采用專門的復(fù)位芯片MAX809。其復(fù)位輸入引腳與三態(tài)們74HC125的使能端相連，由于在進(jìn)行JTAG調(diào)試時(shí)，RST和TRST可由上位機(jī)控制復(fù)位，所以使用74HC125進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。復(fù)位電路如圖2所示。

1.1.2 I2C接口

    I2C是Philips公司開發(fā)的一種串行總線，支持高達(dá)400kHz的數(shù)據(jù)傳輸速率，LPC2132具有支持此總線的硬件I2C接口。由于在實(shí)際工作時(shí)要保存大量測試結(jié)果和對一些參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，所以為控制系統(tǒng)擴(kuò)展了一片與I2C總線兼容的型號為CAT24WC256，存儲(chǔ)容量為64KB的串行E2PROM，其連接電路如圖3所示，IC卡芯片采用的是Philips公司的SLE4442，為學(xué)生用測試卡。由于該芯片也是通過I2C總線進(jìn)行讀寫操作的，接口符合ISO/IEC14443系列協(xié)議，所以其硬件連接電路和E2PROM類型，在此不再重述。

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1.2 外圍硬件電路設(shè)計(jì)

1.2.1 模擬量、數(shù)字量接口電路

    測試儀外設(shè)提供的信號一般不能直接送到A/D的輸入端供轉(zhuǎn)換，需要調(diào)理電路，這部分的電路連接如圖4所示，經(jīng)過調(diào)理電路后，信號可以直接送到LPC2132內(nèi)置的10位高速A/D輸入端。其中握力信號需調(diào)理，在此選用精度和穩(wěn)定性良好的OP－07，接成前級差分放大，后級跟隨電路，使輸出信號電壓范圍在0－3.3V。肺活量傳感器采用Motorola公司的MPX5010壓力傳感器，測壓范圍為0－75kPa，輸出電壓為0－5V，經(jīng)分壓后可以直接送到A/D輸入端。體前驅(qū)、仰臥起坐等脈沖量輸入信號可直接送到LPC2132的中斷引腳上，心率信號在從機(jī)中處理，只需將結(jié)果送給主機(jī)即可。

1.2.2 RS485接口

    測試儀主機(jī)與從機(jī)之間采用RS485主從通信方式，RS485接口電路如圖5所示，RS485采用差分傳輸方式，是半雙工串行通信總線，由于485標(biāo)準(zhǔn)只對接口的電氣特性做出規(guī)定，而不涉及接插件，電纜或協(xié)議，因此需要設(shè)計(jì)自己的應(yīng)用層通信協(xié)議，主要為發(fā)送和接收。

1.2.3 鍵盤和液晶顯示電路

    LPC2132有多達(dá)47個(gè)通用、雙向的數(shù)字I/O引腳，其中大多數(shù)是基本功能和一般的I/O功能復(fù)用。也可通過配置寄存器設(shè)置成所需要的功能，鍵盤為4×5小鍵盤，有10（0－9）個(gè)數(shù)字鍵和10個(gè)功能鍵。數(shù)字鍵用來輸入班級、學(xué)號和參數(shù)值等。功能鍵主要為班級鍵、學(xué)號鍵、查詢鍵、自檢鍵、設(shè)置鍵、退出鍵、測試鍵、確認(rèn)鍵、上行鍵和下行鍵。HT1625為液晶顯示電路的控制芯片，HT1625通過一組控制總線進(jìn)行指令和數(shù)據(jù)的傳遞。采用間接控制方式實(shí)現(xiàn)對液晶顯示模塊的控制，其和LPC2132的連接如圖6所示。

2 測試儀軟件設(shè)計(jì)

    軟件不能的設(shè)計(jì)基于嵌入式C語言，采用模塊化設(shè)計(jì)思想，以主程序?yàn)楹诵脑O(shè)置了很多功能模塊子程序，使大浪的功能在子程序中實(shí)現(xiàn)的主程序流程，如圖7所示。

    系統(tǒng)工作流程包括3個(gè)部分：系統(tǒng)初始化、自檢和進(jìn)入主畫面。系統(tǒng)初始化主要包括：引腳配置初始化、A/D初始化、定時(shí)器初始化、中斷初始化、系統(tǒng)參數(shù)初始化等。自檢則主要檢查鍵盤、液晶屏、E2PROM和部分從機(jī)、外設(shè)的通信是否正常。主畫面即為進(jìn)入測試前的畫面，顯示的內(nèi)容為當(dāng)前要測試項(xiàng)目的項(xiàng)目號，如身高體重為P01，立定跳遠(yuǎn)為P02等。

    軟件主要完成4個(gè)功能模塊：按鍵和顯示模塊實(shí)現(xiàn)相應(yīng)信號從ARM的輸入和輸出，通信模塊實(shí)現(xiàn)和從機(jī)之間的485通信，卡處理模塊實(shí)現(xiàn)對卡的識別和處理，測試模塊實(shí)現(xiàn)具體測試過程中的數(shù)據(jù)處理。

3 結(jié)論

    由于設(shè)計(jì)充分使用了LPC2132的各種內(nèi)置功能，簡化了設(shè)計(jì)，降低了成本，基于ARM的體質(zhì)健康測試儀具有很高的性價(jià)比，通過在實(shí)際中的廣泛使用，證明該測試儀各單元工作可靠，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計(jì)指標(biāo)。