压电传感器在射击辅助训练系统中的应用

苏圆 庄建军 李雅婷 余飒爽 杨诗宇 武秀峰 邹鸣

摘  要： 为准确掌握运动员训练时手部的动作情况，研究和设计一种射击辅助训练系统。该系统以聚偏二氟乙烯（PVDF）压电薄膜为传感器，STM32F103C8T6为控制核心，配以放大电路、滤波电路和无线传输模块，用以捕捉射击运动员击发瞬间手部施加在枪体接触面的压力波形，并将该信号通过蓝牙传输至手机端APP，在APP中完成压力波形的显示、存储、计算和分析。经模拟测试，该系统可以实时记录击发瞬间手部相关位置施加的压力波形，为教练员实施精确的个性化指导提供客观依据。

关键词： 射击训练; PVDF压电薄膜; 系统设计; 蓝牙传输; 模拟测试; 精确指导

中图分类号： TN384?34; TP391.4                文献标识码： A                       文章编号： 1004?373X（2020）06?0001?04

Application of piezoelectric sensor in assistant shooting training system

SU Yuan1， ZHUANG Jianjun1， LI Yating1， YU Sashuang1， YANG Shiyu1， WU Xiufeng1， ZOU Ming2

（1. Nanjing University， Nanjing 210023， China; 2. Nanjing Forestry Police College， Nanjing 210023， China）

Abstract： An assistant shooting training system is studied and designed to accurately master the athletes′ hand movements during training. In the system， the polyvinylidene fluoride （PVDF） piezoelectric film is taken as sensor， STM32F103C8T6 is used as the control core， to which the amplifier circuit， filter circuit and wireless transmission module are equipped， so as to capture the pressure waveform of the shooter′s hand imposing on his gun′s contact surface at the moment of shooting. The pressure waveform signal is transmitted to mobile App through Bluetooth， and the display， storage， calculation and analysis of the pressure waveform are completed in the App. The simulation testing results show that the system can record the pressure waveform generated at the relevant position of the hand at the moment of firing in real time， and provide objective basis for coaches to implement the precise personalized guidance.

Keywords： shooting training; PVDF piezoelectric film; system design; Bluetooth transmission; simulation test; precise guidance

0  引  言

1984年洛杉矶奥运会，许海峰在男子手枪60发慢射项目上夺得新中国第一枚奥运金牌。此后，我国运动健儿在多项国际射击比赛中取得了骄人的成绩，中国逐渐成为世界射击运动高水平国家之一。在项群训练理论中，射击属技能类表现准确性运动项目，外在表现并不复杂，但动作的精细程度、动作稳定性和一致性方面是其他任何项目所不具备的，由于其“重里不重表”的特点使射击运动的选材难度之大可谓“众项”之首。任何外部因素，如各持枪位置的施力情况、枪体的晃动幅度及心率调节能力等都会影响运动员的发挥[1]。

目前，射击训练主要依赖于教练的主观经验，只限于定性的分析，缺乏系统化、数据化的训练指导，远不能满足射击运动员评价和选材的需要。一些定量研究主要通过运动影像、激光瞄准、表面肌电图、高速录像、平衡测量、高速红外扫描等方法分析运动员肌肉活动状况、动作结构、瞄准轨迹晃动规律、身体重心稳定等情况[2]。但是，射击运动技术尤其对于高水平运动员，动作精细、重复性高、一致性强，一些运动学参数的常规技术诊断测量比较得到的数据和信息往往相当有限，难以通过单一的比较法来发现其中可能存在的问题[3]。

自1969年日本研究者Kawai发现了极化后的聚偏二氟乙烯（Polyvinylidene Fluoride，PVDF）具有良好的压电特性以来[4]，国际上就开始对其深入研究，相应产品也已经应用在各个领域[5]。理论和事实说明，与常规的技术诊断方法相比较，PVDF压电薄膜传感器从灵敏度、快速反馈等方面都有它独到的优势。本文以PVDF薄膜压电传感器为核心，设计了一款配合手机端使用的射击辅助训练系统，可在射击过程中实时监测感知手部持枪部位的压力变化，并通过蓝牙模块将数据传输给手机终端。终端APP软件把日常训练中的运动员手部持枪部位的压力波形记录下来，并在终端产生清晰的数据曲线，计算并分析运动员击发时手部的发力特征。将客观数据转变成直观的界面，并对有效信息进行储存，使之与射击成绩进行比对。借助该系统，教练员可以发现问题，给予运动员更明确的针对性指导，设计个性化的训练方案，帮助运动员提高成绩。

1  PVDF压电薄膜

PVDF主要是指偏氟乙烯與其他含氟乙烯基单体的共聚体或者偏氟乙烯均聚物[6]，其压电常数大，灵敏度高，动态灵敏度系数K=32.83 pC/N，长度百万分率变化，线性度好，质轻柔软，阻抗与人体皮肤接近，有频响宽（0～500 MHz），对动态应力非常敏感，是良好的机电转换元件，适合于人体皮肤生命信号监测，广泛用于医学和仿生领域[7?8]。在无外电场、有外力施加的情况下PVDF压电薄膜出现极化现象，故而可以通过检测压电薄膜的电荷量来获取施加的外力。选用LDT1?028K薄膜作为本设计的压电传感器，铆接在薄膜上的双导线引出信号，经调理电路处理后，可以得到所需的压力信号。

2  系统总体设计

系统总体框图如图1所示，分下位机和上位机两个部分。下位机以压力传感器和微控制器为核心，配以其他硬件电路，实现信号的采集、处理和传输，上位机是在Android手机平台上开发的APP专用软件，实现压力信号的显示、存储、分析，两者之间通过蓝牙模块进行数据通信。下位机包括模拟和数字两部分，其中，模拟部分涉及压力信号的采集、放大和滤波等模块，数字部分即为单片机及其周围辅助电路。单片机对模拟压力信号进行模/数转化后通过串口传给蓝牙模块，接着与手机自带的蓝牙进行通信。上位机可以实现蓝牙数据读取、数据SQLite存储、压力波形显示等功能。

3  系统硬件设计

硬件电路的设计是整个系统的基础和决定性部分，包括模拟和数字部分。模拟部分包括压力信号采集、放大和滤波等模块，数字部分即为单片机及其周围辅助电路和蓝牙模块。实际应用中PVDF薄膜内阻较大，输出的是强噪声环境下的极微弱的模拟信号，不便于后续传输处理。必须设计精密的硬件电路进行前置放大、滤波、数字处理等。系统硬件实物图如图2所示。

3.1  前置放大电路

PVDF薄膜上双导线引出的压电信号需要首先经过放大处理，要求前置放大电路输入阻抗高、输出阻抗低、增益稳定、精度高、共模抑制比高且电压稳定。综上分析，前置放大电路中需要设计两级，分别实现放大信号和稳定电压的功能。为此，选用OP07作为前置电荷放大器的核心器件。OP07是美国Texas Instruments公司推出的一款运算放大芯片，低静态电流、低成本、体积小、精度高，非常适合于高增益测量设备和微弱信号放大传感的便携式应用。

前置放大电路第一级采用电荷放大模式的电路设计。放大器由反馈电容Cf和一个高增益运放构成，本质上是一个积分电路，把PVDF压电传感器输出的电荷在积分电容Cf上积累，并以电压的形式输出，此方式可以直接得到外力随时间变化的情况。该电荷放大模式的电路设计频带宽，灵敏度高，信噪比高，电路简单并能实现较高的放大增益，对于载荷变化的响应时间短且工作状态稳定。

经过第一级放大电路，PVDF薄膜传感器产生的微弱电荷信号能够转换成具一定信噪比和抗干扰能力的电压信号。为了满足后续处理中对信号大小的不同要求，需要在第一级放大后再接一级电压放大器。为了防止传感器过载时，产生过高的电压，需要在集成运放输入端加上由保护二极管构成的过载放大保护电路。前置放大电路如图3所示。

3.2  滤波电路

PVDF压电传感器采用前置放大电路从微弱电荷信号放大成电压信号的过程中，难免会引入噪声，比如环境噪声、集成运放内部噪声、元器件噪声、引线噪声等。其中50 Hz工频干扰是此实验信号采集过程的主要干扰。为了将引入系统中的噪声有效去除，需要在前置放大电路后加上相应的滤波电路。经实验测试，射击过程中持枪手击发时产生的压力信号是低频（≤35 Hz）信号。但低通滤波器幅频响应存在过渡带，难以做到频率特性足够陡峭，35 Hz的二阶反相型低通有源滤波电路在50 Hz处只能得到大约-10 dB的增益，50 Hz强工频噪声有必要专门滤除。因此，该滤波电路由35 Hz低通滤波器和50 Hz陷波电路共同组成，如图4所示。

其中U3和其周围器件组成二阶反相型低通滤波电路，选用C0（由C24，C25，C26，C27并联得到）=4 μF，C15=1 μF，R3=1 kΩ，R9=5.1 kΩ。其截止频率为：

U4和其周围器件组成50 Hz陷波电路，其中，将R1=47 kΩ，C20=68 nF代入式（1）可得该陷波电路的中心陷波频率为：

经过两级滤波电路，可以实现对前置放大电路输出信号的滤波除噪要求。

3.3  微控制器选型

本设计的射击辅助训练系统是便携式设备，需要安装在枪托位置，不能明显增加装备的重量，因此要求体积小、质量轻、功耗低的设备。经对比，选择ST公司的STM32F103C8T6超低功耗单片机作为本系统的控制器。STM32F103C8T6为32位ARM Cortex?M3架构，拥有72 MHz的系统时钟，具有多种嵌入式接口类型，支持10×12 b数据转换。本设计中MCU需要有压力数据采集和数/模转换的功能，而STM32F103C8T6具有超低功耗、唤醒速度快、体积小、自带温度传感器等功能[9]，方便后续开发，是本设计的理想选择。

3.4  无线通信模块

除以上主要电路外，该系统还需要实现采集设备与手机APP之间的近距离通信，考虑到手机支持蓝牙和WiFi，且蓝牙功耗远小于WiFi，故选择袖珍易携带的HC?05蓝牙模块，设置下位机蓝牙模块工作在从机状态，波特率为9 600 b/s，采用交叉直接连接模式，接收微控制器模/数转换值，实现与智能手机的蓝牙适配器配对通信[10]。

3.5  电源管理

考虑到低功耗和小体积的要求，采用纽扣式锂电池供电，电源管理模块选用Maxim公司的MAX603/604和MAX660，通过 Micro USB接口给锂电池充电。

4  系统软件设计

4.1  下位机软件设计

下位机软件工作流程包括硬件初始化、软硬件自检、压力信号循环检测等，包括主程序与数/模转换中断处理程序。主程序中对使用到的硬件资源进行初始化，ADC时钟频率12 MHz，由系统时钟6分频得到，串口通信波特率设置为9 600 b/s，采用序列通道多次采样，数/模转换后中断处理，最后结束。中断程序后将数/模转换值通过USART串口发给HC?05蓝牙模块，实现下位机与上位机之间的通信。下位机主程序流程如图5 所示。

4.2  上位机软件设计

上位机以Android手机作为开发平台，设计功能包括登录/注册、蓝牙通信、数据处理、数据分析和数据存储等模块。各模块间可以相互启动，以完成相互关联的不同任务。为了提高APP的处理效率，系统通过创建多线程来分别处理各响应和计算[11]。

在实时测量过程中，蓝牙通信线程实现數据接收，根据需要选择是否保存原始数据;绘图线程利用Achargenine，绘制多路压力波形;算法线程实现最值点、变化率和拐点的计算，并将结果存入SQLite 数据库，供后续统计分析。

5  结果测试

系统软硬件调试完成后，将PVDF压电薄膜黏附在枪托手部握枪位置，如图6所示。接通电源，手机端登录APP，进入测量界面，蓝牙配对连接。测试者手握枪体，模拟手枪击发时扣动板机的动作，用示波器显示前端模拟电路输出的压力波形，同时手机APP界面显示手部持枪部位的压力波形，如图7所示。其中图7a）是示波器显示的1路压力信号，图7b）是手机端APP界面显示的4路压力信号。

6  结  语

本文设计一套基于PVDF压电传感器的射击辅助训练系统。该系统分下位机和上位机两个组成部分，下位机安装于枪托底部，压电薄膜黏附于手部握枪部位，负责采集运动员手部不同部位的压力信号，并通过蓝牙将压力数据上传给上位机，上位机APP软件接收前端采集设备发来的压力信号，进行显示、存储、计算和分析。经模拟测试，系统可以实时捕捉射击时运动员手部各部位对枪体施加的压力信号，通过对该信号的分析和计算，可以提取出最大值、变化率等重要参数，这些参数可以为教练员实施精确指导提供重要依据。

接下来的工作将进一步优化电路设计，减小采集前端设备的体积;另外，进行运动员射击训练的实际测试，以便检测系统的稳定性和可靠性，同时与教练员、运动员一起探讨有效的压力表征参数，最终实现科学训练、客观评价的目的。

注：本文通讯作者为庄建军。

参考文献

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