爱赢体育奈何策画低功耗、高精度自行车功率计？

　　自行车功率计是一种衡量健身自行车骑行者功率输出（以瓦为单元）的仪器，此类功率计动作教练辅帮用具，可向骑行者供应相闭其运动量的反应讯息。比方，骑行者能够设定正在上坡时期依旧起码200 W功率输出的主意。假使功率低于此值，骑行者能够通过加快践踏板速率或换至更高级位来增长功率。功率普通显示正在自行车车把上装置的主控单位上。功率计与策画和显示功率的配置之间必需有无线毗邻。为了衡量功率，有须要衡量施加到自行车传动体系某片面的死板应变。惠斯通电桥电道中毗邻的应变片可用于衡量死板应变。惠斯通电桥形成的信号普通十分幼，频率十分低。以是，需求通过拥有零漂移输入失调电压的高精度放大器将信号放大。另表，功率计永远由电池供电，以是功率计的总电流耗费必需尽也许低。

　　MAX41400是一款低功耗、高精度仪表放大器，办事电源电压鸿沟为1.7 V至3.6 V。另表，该器件拥有轨到轨输入和输出。它供应8个输入可选的固定增益设立。对待低频信号运用而言，因为其榜样1μV的零漂移输入失调电压，得胜排斥了普通正在CMOS输入放大器中存正在的高1/f噪声。榜样电流耗费为65 μA，闭断形式下电源电流降至0.1 μA。MAX41400采用1.26 mm × 1.23 mm、9引脚WLP封装或2.5 mm × 2 mm、10引脚TDFN封装。幼封装尺寸十分适合普通尺寸请求苛苛的自行车功率计。

　　自行车功率计中的另一个症结IC是 MAX32666 微职掌器单位(MCU)。这是一款基于Arm® Cortex®-M4的MCU，集成了蓝牙®低功耗(BLE)无线电。来自仪表放大器的信号由 MAX11108 逐次贴近寄存器(SAR)模数转换器(ADC)举办采样，数字样本无线传输到运转运用软件的Android配置，以策画功率并绘造功率图形。

　　本文商榷的自行车功率计衡量自行车曲柄臂的弯曲应变。曲柄臂是一根杆，一端毗邻踏板高精度，另一端毗邻底部支架。当骑行者践踏板时，曲柄臂受力，并以必定的角速率挽回。参见图1。下面商榷功率计运转所凭借的物理道理。

　　功是通过力转达的能量。力效力于物体，使物体挪动必定的隔绝，这即是做功。所做的功W与物体挪动的隔绝d和所效力的力F的干系由公式1给出。唯有力矢量正在位移宗旨上的分量做功。

　　运用国际单元造(SI)时，力的单元为牛顿，隔绝的单元为米，以是功的单元为牛顿米或焦耳。1焦耳等于1牛顿的力正在1米的隔绝上所做的功。

　　推敲扭矩和功率之间的干系，假使明晰转速（也称为角速率），就能够策画功率。功率 = (力×隔绝)/时候。推敲自行车曲柄臂正在t秒内转一整圈。假设正在通盘挽回流程中效力力是恒定的。力的效力隔绝即是半径为r的圆的周长，此中r是曲柄从枢轴点到力的效力点的长度。

　　F × r为扭矩，记为τ；一个完全的圆有2π弧度，以是2π/τ为角速率，记为ω。公式3能够改写为公式4。

　　以是，为了策画功率，咱们需求两个量：扭矩和角速率。扭矩即是力与曲柄臂长度的乘积，是一个常数，以是咱们需求衡量效力力和角速率。请注视，唯有力矢量的切向分量对功率有孝敬，由于它是力矢量中独一做功的分量。

　　推导中做了一个简化，即正在曲柄臂的挽回流程中，效力力是恒定的。然而，现实处境并非如斯。比方，当曲柄臂笔直时（假使把曲柄臂看作时钟的分针的线点钟身分），力的切向分量将为零。此时力的径向分量最大，但径向分量不做功。当曲柄处于秤谌身分时（即3点钟或9点钟身分），力的切向分量最大。这意味着正在通盘挽回流程中，扭矩会接连变革，以是咱们需求正在挽回时期多次对力举办采样。

　　本文商榷的自行车功率计装置正在左侧曲柄臂上。咱们仅衡量一条腿耗费的功率，并假设另一条腿耗费的功率均匀值与前者好像。咱们将从功率计得到的功率读数乘以2，以策画骑行者的总功率输出。更庞杂的功率计可寡少衡量每条腿的功率。

　　力通过应变片来衡量，角速率通过惯性衡量单位(IMU)陀螺仪来衡量。然而，为了俭省功耗和本钱，本文稍后将商榷一种替换本事，即通过管束应变片信号来推导角速率。

　　载荷力导致曲柄臂发活力械变形，正在本例中为弯曲。传动体系的其他部件（比方穿过底部支架的主轴）将爆发旋转应变，某些型号的自行车功率计会愚弄这种应变。

　　衡量应变的准则设施是运用一种称为应变片的传感器。应变片是嵌入柔性原料中的十分细的长金属丝。将应变片贴正在咱们要衡量应变的物体的表貌。应变片的宗旨取决于咱们期望衡量的应变类型。当物体变形时，应变片中的金属丝会被拉伸或压缩。金属丝被拉伸的话，会变得更长更细爱赢体育。金属丝的电阻与横截面积成反比，与长度成正比爱赢体育奈何策画低功耗、高精度自行车功率计？，以是金属丝的这些变形都市导致电阻变大。金属丝被压缩的话，会变得更短更粗，从而导致电阻变幼。未变形的应变片拥有必定的标称电阻爱赢体育，准则值为120 Ω、350 Ω和1 kΩ。当应变片被压缩或拉伸时，电阻会正在其标称值左近略微震荡变革。本文中的自行车功率计运用1 kΩ应变片，以便尽量减幼流经惠斯通电桥的电流。

　　为了衡量如斯幼的电阻变革爱赢体育，普通会运用一种称为惠斯通电桥的电道。参见图2。

　　该电桥由两个并联的分压器构成。电桥的顶部和底部之间施加必定的激发电压VEX。输出电压为图中所示的Vo。输出电压的策画公式如下所示。

　　假使电桥是平均的，即R4/R3= R1/R2，则Vo = 0V。正在所谓的四分之一电桥修设中，四个电阻中的一个被应变片代替。假设R4被Rg代替。当R4值转折时，电桥变得不屈均，差分电压Vo形成非零值。

　　本文商榷的功率计运用半桥修设，此中R4和R3是应变片，R1和R2是虚拟1 kΩ电阻。运用两个应变片而不是一个，能够使电桥输出的信号幅度加倍。另表还能供应温度赔偿。温度也会导致应变片的金属丝膨胀或缩短，从而影响电阻，这种变革与死板应变无法区别。然而，因为两个应变片十分接近且温度好像，以是与温度闭连的电阻变革会互相抵消。

　　完十足系包罗：装置正在左曲柄臂上的幼型窄体PCB，贴正在曲柄臂上的应变片，以及Android配置，比方智内行机或平板电脑。Android配置通过BLE从PCB授与原始数据，然后策画并显示功率。图3显示了PCB的框图。

　　通盘PCB由一枚CR2032纽扣电池供电。正在电池的运用寿命时期，电池的标称3 V电压会爆发变革；跟着电池电量逐步耗尽，此电压会逐步下降。ADC和仪表放大器的基准电压以及电桥的激发电压都需求安祥、准确受控的电压，以是咱们运用 MAX17227 升压转换器将原始电池电压升压至3.8 V。电桥的3 V激发电压和ADC基准电压由MAX6029基准电压源愚弄3.8 V电源形成。一齐IC的3.0 V电源电压均由 MAX1725 LDO稳压器形成。

　　MAX41400仪表放大器将电桥输出的差分电压放大并转换为单端电压。毗邻到仪表放大器REF输入的分压器供应1.5 V基准电压。放大后的应变片信号由 MAX11108 ADC举办采样。这是一款带串行表设接口(SPI)的12位SAR ADC。角速率由微机电体系(MEMS) IMU中的陀螺仪衡量。IMU由MCU通过I2C接口职掌。

　　MAX32666 MCU运转的固件职掌电道的周期供电，然后收罗ADC和IMU样本，并将这些数据放入BLE数据包中举办周期性传输。

　　PCB上的通盘电道/芯片的运转和息眠以必定占空比举办，以满盈下降均匀功耗。用于检测力的采样速度为25 Hz。MCU每40 ms从深度睡眠形式（该形式下大片面内部电道处于闭断或低功耗形态）叫醒一次。然后，固件将各样模仿器件从低功耗形态叫醒。比方，有一个MOSFET晶体管与应变片电桥的激发电压串联，充任开闭。当电桥不运用时，该晶体管会堵截流过电桥的DC电流。电桥相当于3 V和GND之间的1 kΩ电阻，以是当开闭上当令，将有3 mA的DC电流流经电桥。此电流若无间存正在，会大大增长总均匀功耗。仪表放大器有一个闭断输入引脚，该引脚通过MCU的通用输入/输出(GPIO)举办职掌。除了对力信号举办采样的短眼前间表，仪表放大器处于闭断形态。近似地，正在对力信号举办采样并读出值之前和之后的时候里，ADC无间依旧低功耗形态。为使ADC正在低功耗和行为形态之间转换，需求写入SPI夂箢。终末是尽量下降IMU电流耗费。因为仅运用陀螺仪而不运用加快率计，以是加快率计永远依旧低功耗形式。陀螺仪仅正在逮捕和读取样本所需的极短时候内处于行为形态，其余时候处于低功耗形态。另表，角速率仅以1.6 Hz的速度举办采样。

　　本文稍后将出现IMU能够全部省去，从而俭省更多功耗。正在告终对力和也许的角速率的采样并存储样本后，MCU就会返回深度睡眠形式。累积了必定命主意样本后，MCU将其打包成BLE数据包并举办传输。当电道板不运用时，与电池串联的滑动开闭会将电池与其余电道断开。

　　当运用IMU且电道板运转时，3 V电源下测得的均匀电流耗费为760 μA，以是均匀功耗为2.3 mW。这是包罗惠斯通电桥正在内的通盘体系的功耗。CR2032电池的榜样电量为225 mAh，以是其办事寿命约为296幼时。假使移除IMU，则3 V电源下的电流耗费降至640 μA，均匀功耗为1.9 mW，CR2032电池的办事寿命将是352幼时。

　　图4显示了转一整圈所测得的效力于自行车曲柄臂的力的切向分量（以牛顿为单元）。当曲柄臂挽回时，效力力的切向分量周期性变革。

　　准绳上，能够通过对力信号举办信号管束来策画角速率。信号管束算法愚弄MATLAB®举办编程。根本设施是取一个由接连的力样本构成的向量，然后用公式6所示的正弦函数来拟合。

　　优化本钱函数由公式7给出。这是最幼二乘本钱函数，此中ŷ是实测数据点的向量，y是公式6的输出。

　　为使公式7中的C值最幼，咱们愚弄MATLAB最幼查找非线性计划求解器来求得A、ω、Φ和B的值。咱们只运用求得的ω值，而不运用其他值。估算目下样本向量的ω之后，收罗下一组接连样本并反复该流程。正在极少数处境下，最幼化查找无法收敛，而且本钱远高于寻常秤谌。正在这种处境下，抛弃策画出的ω值，而运用先前的值爱赢体育。

　　为了验证这一观点，咱们运用BLE****器逮捕自行车运转时期传输的一系列数据包。数据包中包罗角速率和力的样本。愚弄MATLAB剧本提取数据包的实质并举办后管束。图5中绘造了每分钟的揣摸踏频（以转数为单元），并将其与陀螺仪指示的踏频举办了斗劲。

　　骑行者所做的死板功即是功率对时候的积分，以是存正在足够的数据来策画骑行者耗费的能量。运用软件对功率随时候的变革举办数值积分，得出以焦耳为单元的死板功高精度。所得值乘以转换系数，便可将焦耳转换为千卡。假设为了做一焦耳的功，骑行者需求耗费四焦耳的化学能，那么将死板功乘以比例因子4，就能估算出骑行者耗费的千卡能量。

　　本文先容了低功耗、高精度MAX41400仪表放大器的力检测运用，实在而言是自行车功率计。将低功耗MAX32666 MCU与几个ADI电源办理IC组合运用，组成的处分计划的均匀功耗仅为2.3 mW。

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