反應(yīng)時(shí)是指刺激施于有機(jī)體之上到有機(jī)體明顯的反應(yīng)開始所需要的時(shí)間，即刺激與反應(yīng)之間的時(shí)間間隔。目前我國對(duì)運(yùn)動(dòng)員反應(yīng)能力的測(cè)定, 大多是通過簡單的聲光反應(yīng)時(shí)測(cè)定儀，或者是通過計(jì)算機(jī)模擬測(cè)定儀對(duì)運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行反應(yīng)能力的測(cè)試。但是這些測(cè)試方法受外界環(huán)境和人的主觀心理因素的影響較大，誤差大, 不能準(zhǔn)確客觀地反映運(yùn)動(dòng)員在運(yùn)動(dòng)中的神經(jīng)反應(yīng)能力。
　　本文實(shí)現(xiàn)了一個(gè)研究并測(cè)量運(yùn)動(dòng)員(聽覺)神經(jīng)-運(yùn)動(dòng)反應(yīng)時(shí)的系統(tǒng)，以提高運(yùn)動(dòng)員聽發(fā)令槍后的起跑速度。本測(cè)量系統(tǒng)所采用的方法在國內(nèi)處于領(lǐng)先水平，與之前的起跑反應(yīng)時(shí)模擬測(cè)定儀相比，不但可以在運(yùn)動(dòng)場(chǎng)上直接、精確地測(cè)定運(yùn)動(dòng)員的起跑反應(yīng)時(shí)，而且還可以對(duì)反應(yīng)時(shí)進(jìn)行分析和綜合，促進(jìn)對(duì)運(yùn)動(dòng)員反應(yīng)時(shí)的研究以及提高運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練水平，為運(yùn)動(dòng)員的選材和訓(xùn)練提供科學(xué)的參考依據(jù)。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其原理
1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　　本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)(聽覺)神經(jīng)-運(yùn)動(dòng)反應(yīng)時(shí)的測(cè)定。方法是通過聲音傳感器檢測(cè)發(fā)令槍的聲音，用加速度傳感器檢測(cè)運(yùn)動(dòng)員起跑的時(shí)刻，并將運(yùn)動(dòng)員聽到發(fā)令槍到起跑所需要的時(shí)間，通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊傳送到基站進(jìn)行記錄和處理。本系統(tǒng)由反應(yīng)時(shí)測(cè)定模塊、通信模塊、數(shù)據(jù)記錄處理模塊三部分組成。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　反應(yīng)時(shí)測(cè)定模塊是用單片機(jī)作為核心部件，再加上聲音傳感器和加速度傳感器檢測(cè)電路組成的。通過單片機(jī)的內(nèi)部計(jì)數(shù)器記錄運(yùn)動(dòng)員的起跑反應(yīng)時(shí)，并將記錄的數(shù)據(jù)按照一定的格式編碼，通過串行口發(fā)送到無線發(fā)送模塊與PC機(jī)，實(shí)現(xiàn)無線通信。
　　通信模塊主要完成無線數(shù)據(jù)的傳輸，用PTR2000無線數(shù)傳模塊實(shí)現(xiàn)。
　　數(shù)據(jù)記錄處理模塊通過串行通信的方式接收無線數(shù)傳模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)接收，并送到PC機(jī)構(gòu)成的基站進(jìn)行處理、顯示和記錄。
1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本原理
　　(1)測(cè)量準(zhǔn)備和系統(tǒng)自檢
　　反應(yīng)時(shí)測(cè)量模塊上設(shè)置一個(gè)按鈕，在每次測(cè)量前，按此按鈕后系統(tǒng)則開始自檢，通過單片機(jī)檢查與之相連的各個(gè)部件的狀態(tài)(如存儲(chǔ)器、加速度傳感器、聲音傳感器等的狀態(tài))以及無線通信系統(tǒng)能否正常工作。通過無線傳送模塊，將檢測(cè)到的各個(gè)部件的狀態(tài)發(fā)送到接收端" title="接收端">接收端，若接收端接收到正常的信號(hào)，則通知可以開始測(cè)量；若接收不到正常信號(hào)，則必須檢查、測(cè)試系統(tǒng)，或者更換測(cè)量系統(tǒng)，直到接收端接收到正常的信號(hào)方可開始測(cè)量。
　　(2)數(shù)據(jù)采集
　　在系統(tǒng)自檢完成之后，若各個(gè)部件工作正常，就可以開始反應(yīng)時(shí)的測(cè)量了。在聲音傳感器檢測(cè)到發(fā)令槍的聲音信號(hào)后計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，并查詢加速度傳感器的信號(hào)，在檢測(cè)到加速度傳感器的信號(hào)后停止計(jì)數(shù)。將計(jì)數(shù)值保存在發(fā)送緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)采集過程結(jié)束。
　　(3)數(shù)據(jù)的無線發(fā)送和接收
　　在單片機(jī)數(shù)據(jù)采集完成之后，即開始數(shù)據(jù)的無線發(fā)送。將數(shù)據(jù)按照從高位到低位的順序發(fā)送。在發(fā)送之前，對(duì)采集的數(shù)據(jù)按照無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的要求進(jìn)行編碼，然后將數(shù)據(jù)通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊進(jìn)行發(fā)送。在無線接收端，把接收到的數(shù)據(jù)通過電平轉(zhuǎn)換和RS-232串行接口送PC機(jī)進(jìn)行處理和顯示。
　　(4)數(shù)據(jù)的處理和顯示
　　由PC機(jī)構(gòu)成的基站從RS-232串行接口接收到數(shù)據(jù)后，通過運(yùn)動(dòng)員起跑反應(yīng)時(shí)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)、顯示和分析。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
　　從硬件角度看，系統(tǒng)可以分成單片機(jī)模塊、聲音檢測(cè)模塊、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)" title="運(yùn)動(dòng)檢測(cè)">運(yùn)動(dòng)檢測(cè)模塊和無線數(shù)傳模塊等幾部分，下面分別給予介紹。
2.1 單片機(jī)模塊的設(shè)計(jì)
　　在本系統(tǒng)中，考慮到反應(yīng)時(shí)測(cè)量裝置是安裝在運(yùn)動(dòng)員小腿上，對(duì)輸入輸出口數(shù)量的需求不多，因此選擇體積小、功耗小的單片機(jī)作為本系統(tǒng)的前端數(shù)據(jù)測(cè)量的核心部件。本系統(tǒng)采用的是Atmel公司生產(chǎn)的8位單片機(jī)AT89C2051。
2.2 聲音檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)
　　(1)聲音傳感器的選擇
　　聲音檢測(cè)是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵部分。聲音檢測(cè)作為測(cè)量的開始，要求既具有較好的靈敏度又具有較好的抗干擾能力。
　　駐極體傳聲器是一種微型聲電換能器，這種傳聲器具有靈敏度較高、頻率響應(yīng)范圍寬和體積小等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)中選用駐極體話筒作為聲音傳感器，用其將聲音信號(hào)變換成電信號(hào)。
　　(2)聲音檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)
　　聲音檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)是濾除噪音信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)到發(fā)令槍槍聲時(shí)產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，單片機(jī)識(shí)別后計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。在此模塊的設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)過多次的實(shí)驗(yàn)，最終確定了本模塊的電路和相關(guān)參數(shù)。
　　本系統(tǒng)聲音檢測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)采取的是幅度比較法。因?yàn)榘l(fā)令槍的聲音信號(hào)一般幅度較大，可以直接進(jìn)行放大，然后再通過比較器與閾值電壓進(jìn)行比較，當(dāng)聲音信號(hào)大于一定幅度時(shí)產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)信號(hào)。主要考慮的問題是對(duì)駐極體話筒檢測(cè)到的微弱信號(hào)進(jìn)行放大處理。這里采用三極管9013構(gòu)成的單級(jí)放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，輸出電壓大于4V時(shí)的聲音信號(hào)振動(dòng)幅度較大。放大電路再加上比較電路即構(gòu)成本系統(tǒng)的聲音檢測(cè)電路，如圖2所示。在此聲音檢測(cè)電路中，用R7和R8分壓電路產(chǎn)生一個(gè)閾值電壓，在實(shí)際設(shè)計(jì)中閾值電壓設(shè)置為4V。LM339的OUT2產(chǎn)生聲音信號(hào)自檢電壓，若聲音檢測(cè)無故障應(yīng)輸出高電平，接單片機(jī)P1.3口，OUT1與單片機(jī)P1.2口相連接，輸出聲音檢測(cè)信號(hào)，當(dāng)發(fā)令槍響起時(shí)應(yīng)輸出一脈沖。

2.3 運(yùn)動(dòng)檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)
　　(1)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)模塊的選擇
　　運(yùn)動(dòng)檢測(cè)模塊選用美國ADI公司生產(chǎn)的單片加速度傳感器ADXL105作為運(yùn)動(dòng)檢測(cè)傳感器，其內(nèi)含加速度傳感器和信號(hào)調(diào)理器。這是一種差容式力平衡加速度傳感器，利用變間隙的方法，把被測(cè)的加速度轉(zhuǎn)換為電容器的電容量的變化。內(nèi)部的電容分壓電路提供與加速度大小成正比的模擬輸出電壓，其相位則決取于加速度的方向，無需外加任何有源器件即可接到模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 的輸入端，既可以用來測(cè)量靜態(tài)加速度(如重力加速度或傾角等)，又可用來測(cè)量動(dòng)態(tài)加速度(如振動(dòng)等)。
　　(2)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)模塊的電路設(shè)計(jì)
　　運(yùn)動(dòng)檢測(cè)模塊采用加速度傳感器ADXL105作為運(yùn)動(dòng)傳感器。因ADXL105可直接輸出模擬信號(hào)，因此只需要通過比較器將ADXL105輸出的電壓與比較器的閾值比較，當(dāng)加速度大于某一閾值時(shí)輸出高電平。其電路原理如圖3所示。LM339的OUT3腳輸出運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)信號(hào)，接單片機(jī)的P1.4口；OUT4腳輸出為運(yùn)動(dòng)自檢信號(hào)，接單片機(jī)的P1.5口。
2.4 無線數(shù)傳模塊的設(shè)計(jì)
　　本系統(tǒng)中采用基于RF芯片nRF401的無線數(shù)傳模塊PTR2000。nRF401是NORDIC公司最新推出的單片無線收發(fā)一體芯片，包括高頻發(fā)射、高頻接收、PLL合成、FSK調(diào)制、FSK解調(diào)、多頻道切換等部件，是目前集成度最高的一種無線數(shù)傳芯片。PTR2000既可與80C51、89C2051、68HC08、PIC等各種單片機(jī)配合，直接接單片機(jī)的串行口或I/O口；也可通過串口與PC機(jī)實(shí)現(xiàn)通信，此時(shí)只要接一個(gè)電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232即可。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
　　根據(jù)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，將系統(tǒng)軟件分為發(fā)射端軟件和接收端軟件兩部分。
3.1 發(fā)射端軟件的設(shè)計(jì)
　　單片機(jī)部分軟件主要可以分為以下幾個(gè)模塊：自檢模塊、發(fā)射模塊和計(jì)時(shí)模塊?；谝陨细鱾€(gè)程序模塊的設(shè)計(jì)，本軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與發(fā)射/接收以及穩(wěn)定顯示，使得整個(gè)系統(tǒng)具有很高的實(shí)用價(jià)值。單片機(jī)主程序流程圖如圖4所示。

3.2 接收端軟件的設(shè)計(jì)
　　本系統(tǒng)中接收端為PC機(jī)，采用VB語言進(jìn)行編程。在標(biāo)準(zhǔn)RS-232串口通信方面，VB提供了具有強(qiáng)大功能的通信控件Mscomm。該控件可設(shè)置串行通信的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，對(duì)串口狀態(tài)及串口通信的信息格式和協(xié)議進(jìn)行設(shè)置。這是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的10位串口通信，包括8位數(shù)據(jù)、1位起始位和1位停止位。在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)過程中觸發(fā)0nComm事件，通過編程訪問CommEvent屬性，了解通信事件的類型，分別進(jìn)行各自的處理。每個(gè)通信控件對(duì)應(yīng)一個(gè)串口，可以設(shè)計(jì)多個(gè)通信控件來訪問多個(gè)通信口?？丶峁┝斯δ芡晟频拇跀?shù)據(jù)發(fā)送和接收功能，Mscomm控件具有兩種處理方式：①事件驅(qū)動(dòng)方式，由Mscomm控件的OnComm事件捕獲并處理通信錯(cuò)誤及事件；②查詢方式，通過檢查CommEvent屬性的值來判斷事件類型和錯(cuò)誤。本系統(tǒng)采用的是事件驅(qū)動(dòng)方式。
　　通過VB編程工具強(qiáng)大的圖形編程的方法，可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)員反應(yīng)時(shí)曲線圖的繪制。在本系統(tǒng)中主要是將運(yùn)動(dòng)員的反應(yīng)時(shí)數(shù)據(jù)從文件中讀出，然后再繪制出運(yùn)動(dòng)員的反應(yīng)時(shí)曲線圖，并可以實(shí)現(xiàn)圖形的放大、縮小以及移動(dòng)功能，可以方便地看出運(yùn)動(dòng)員反應(yīng)時(shí)的變化趨勢(shì)。圖5是PC機(jī)接收端顯示處理程序的界面。