人體平衡儀之電路設計與分析

逢 甲 大 學 自 動 控 制 工 程 學 系 專 題 製 作 專 題 論 文 人 體 平 衡 儀 之 電 路 設 計 與 分 析 Circuit Design and Analysis for The Human Balance Instrument 指 導 教 授 : 洪 三 山 學 生 : 鄭 博 州 陳 鉅 強 邵 鴻 巖 中 華 民 國 九 十 三 年 十 二 月 二 十 七 日

感 謝 時 光 飛 逝, 在 逢 甲 自 控 系 四 年 的 大 學 生 活 將 要 告 一 個 段 落, 在 逢 甲 自 控 的 這 些 日 子 裡, 感 謝 所 有 師 長 對 於 學 生 在 課 業 與 生 活 上 給 予 的 教 導, 特 別 要 感 謝 恩 師 洪 三 山 博 士 的 照 顧, 老 師 不 但 讓 學 生 有 充 分 的 資 源 及 空 間 從 事 研 究, 並 且 在 各 種 學 習 過 程 中 給 予 指 導 協 助 鼓 勵, 豐 富 學 生 一 年 來 的 專 題 研 究 生 活, 並 時 時 教 導 學 生 做 人 處 事 的 原 則, 最 重 要 的 是 學 習 的 態 度, 學 生 相 信 所 有 的 一 切 將 成 為 學 生 一 生 最 重 要 的 資 產, 老 師, 謝 謝 您!! 另 外 要 特 別 感 謝 老 師 蘇 文 彬 以 及 賴 啟 智 教 授, 以 其 專 業 的 知 識 對 於 本 次 的 論 文 給 予 諸 多 指 正 與 建 議, 使 得 本 論 文 能 更 加 完 善 充 實 同 時, 也 要 感 謝 實 驗 室 的 研 究 生 光 強 振 達 正 豐 等 等 以 及 一 同 做 實 驗 的 哲 煒 哲 維 清 宏 翊 廷 冠 亨 永 祥 柏 宏 柏 勳 詩 閔 等 等, 真 的 很 感 謝 大 家 在 這 一 年 中 一 起 奮 鬥 成 長, 度 過 了 非 常 充 實 及 精 采 的 大 學 生 活 最 後, 將 本 論 文 獻 給 最 深 愛 的 爸 爸 和 媽 媽, 感 謝 您 們 的 辛 苦 栽 培 之 恩 及 精 神 上 的 支 持, 給 予 最 大 的 力 量, 因 而 可 以 無 後 顧 之 憂 地 專 心 學 習 全 力 衝 刺, 謝 謝 您 們, 親 愛 的 爸 媽 i

中 文 摘 要 本 研 究 主 旨 在 於 設 計 具 有 靜 態 分 析 人 體 平 衡 功 能 測 試 平 台 之 電 路, 利 用 此 電 路, 搭 配 平 台 與 電 腦 軟 體, 以 判 斷 人 體 是 否 有 平 衡 功 能 障 礙 疾 病 或 檢 測 其 平 衡 障 礙 程 度 在 已 決 定 平 台 機 構 的 情 況 下, 將 直 接 設 計 系 統 的 硬 體 及 類 比 數 位 轉 換 電 路 系 統 藉 由 擷 取 受 檢 者 站 立 時 的 重 心 動 搖 造 成 壓 應 力 感 測 器 變 化 的 訊 號 配 合 訊 號 處 理 可 獲 得 重 心 動 搖 距 離, 面 積 等 參 數, 以 探 討 人 體 靜 態 平 衡 功 能 的 障 礙 程 度 人 體 平 衡 功 能 之 檢 測 平 台 可 以 對 人 體 平 衡 功 能 進 行 準 確 檢 測 和 定 量 分 析, 此 套 系 統 能 讓 平 衡 功 能 障 礙 者 更 方 便 地 控 制 學 習, 並 可 以 幫 助 患 者 進 行 康 復 訓 練, 有 效 地 輔 助 醫 生 對 具 有 平 衡 功 能 缺 陷 的 患 者 進 行 診 斷 和 治 療 ii

Abstract The goal of this research project is to design a circuit with a test platform for static analysis of human balance capability. Utilize the design circuit to combine with the platform and the software in order to judge whether the human body with any affection about balance or not, and measures his balanced obstacle degree. In the situation of the determined platform mechanism that will design the systematic hardware and ADC circuit directly. The system obtains parameters of the patient such as distance and area by measuring the center of gravity shake induced pressure and stress signals of the patient. The degree of disability of the patient will be evaluated. Test platform can precisely diagnose and quantify the degree of disability. This system will help the patient with balance disability to pursue physical therapy treatment under better control and provide a much easier approach for physicians to diagnose and treat the patient more effectively. iii

目 錄 感 謝...i 中 文 摘 要...ii Abstract... iii 目 錄...iv 圖 目 錄...vi 表 目 錄... viii 第 一 章 前 言...1 1.1 研 究 背 景 及 動 機...1 1. 研 究 目 的 及 其 重 要 性... 1.3 國 內 外 相 關 研 究...3 1.4 研 究 方 法 與 流 程...9 第 二 章 感 測 器 的 原 理 與 應 用...11.1 平 台 的 力 學 分 析...11. 應 變 計 的 介 紹 與 原 理...14.3 應 變 計 的 選 用 與 工 作 特 性...16.4 應 變 計 的 黏 貼...17 第 三 章 系 統 設 計 分 析...19 3.1 電 源 電 路...19 3.1.1 變 壓 器 與 整 流 濾 波 電 路...0 3.1. 穩 壓 IC 電 路...1 3.1.3 電 源 電 路 設 計...3 3. 惠 斯 頓 電 橋...3 3.3 第 一 級 放 大 - 儀 表 放 大 器...7 3.4 電 壓 補 償 電 路...8 3.5 第 二 級 放 大 -AD60...9 3.6 電 腦 傳 輸 介 面 設 計...3 3.6.1 多 工 器 (Multiplexers)...3 3.6. A/D Converter...33 3.6.3 單 晶 片 AT89C51 之 設 計...35 3.6.4 微 處 理 機 與 RS-3 信 號 準 位 之 轉 換...38 第 四 章 實 驗 結 果 與 討 論...40 iv

4.1 實 驗 設 計...40 4. 實 際 結 果...43 第 五 章 結 論 與 未 來 展 望...46 5.1 結 論...46 5. 未 來 展 望...46 參 考 文 獻...48 附 錄 Ⅰ...50 附 錄 Ⅱ...53 v

圖 目 錄 圖 1.1 EQUITEST 平 衡 測 試 台 [6]...4 圖 1. EQUITEST 平 衡 測 試 台 的 回 授 控 制 姿 態 方 塊 圖 [6]...5 圖 1.3 動 態 姿 勢 平 衡 儀 [7]...5 圖 1.4 多 自 由 度 移 動 平 台 [8]...6 圖 1.5 平 台 擾 動 的 五 種 形 式 [7]...7 圖 1.6 靜 態 姿 勢 平 衡 系 統 [8]...8 圖 1.7 系 統 架 構 示 意 圖...9 圖 1.8 實 體 設 計 圖...10 圖 1.9 量 測 系 統 架 構 圖...10 圖.1 為 平 台 機 構 的 俯 視 及 側 視 圖 ( 單 位 MM)...11 圖. 平 台 壓 力 示 意 圖...1 圖.3 中 心 軸 受 力 示 意 圖...13 圖.4 平 台 中 心 軸 水 平 切 面 圖...13 圖.5 用 透 明 帶 方 式 安 裝 一 電 阻 式 應 變 計 到 待 測 物 上 [8]...18 圖 3.1 人 體 靜 態 平 衡 功 能 之 測 試 平 台 系 統 電 路 方 塊 圖...19 圖 3. 電 源 電 路 方 塊 圖...0 圖 3.3 電 容 量 速 查 曲 線 圖...1 圖 3.4 LM317T 應 用 電 路 圖... 圖 3.5 電 源 電 路 設 計 圖...3 圖 3.6 定 電 壓 式 惠 斯 頓 電 橋...4 圖 3.7 溫 度 補 償...6 圖 3.8 溫 度 補 償 與 電 橋 平 衡 電 路...7 圖 3.9 儀 表 放 大 器,GAIN=100...8 圖 3.10 電 壓 補 償 電 路 - 加 法 電 路...9 vi

圖 3.11 AD60 接 腳 圖...9 圖 3.1 完 整 X 方 向 硬 體 電 路 設 計 圖...31 圖 3.13 將 ±5V 輸 入 電 壓 轉 換 為 0~5V 之 設 計...3 圖 3.14 多 工 器 CD405B...33 圖 3.15 A/DC 0801...34 圖 3.16 A/DC 0801 完 成 轉 換 時 序...35 圖 3.17 A/DC 0801 輸 出 資 料 時 序...35 圖 3.18 人 體 靜 態 平 衡 功 能 之 測 試 平 台 系 統 通 訊 協 定...36 圖 3.19 AT89C51 控 制 流 程 圖...37 圖 3.0 RS-3 電 位 準 位 圖...38 圖 3.1 完 整 人 體 靜 態 平 衡 功 能 之 測 試 平 台 系 統 電 腦 傳 輸 介 面...39 圖 4.1 壓 克 力 之 中 心 桿...41 圖 4. 初 步 處 理 之 中 心 桿 件...41 圖 4.3 完 成 四 片 應 變 計 之 黏 貼...4 圖 4.4 完 整 平 衡 功 能 模 擬 量 測 系 統...4 圖 4.5 +X 方 向 重 心 移 動 軌 跡...43 圖 4.6 -X 方 向 重 心 移 動 軌 跡...44 圖 4.7 +Y 方 向 重 心 移 動 軌 跡...44 圖 4.8 -Y 方 向 重 心 移 動 軌 跡...45 vii

表 目 錄 表 1.1 動 態 與 靜 態 姿 態 平 衡 儀 的 優 缺 點...8 表.1 電 阻 應 變 計 的 應 用 特 點...16 表 3.1 定 電 流 式 與 定 電 壓 式 惠 斯 頓 電 橋 比 較 表...4 表 3. 推 薦 的 功 率 密 度 [8]...6 viii

第 一 章 前 言 1.1 研 究 背 景 及 動 機 平 衡 功 能 就 是 指 人 體 在 日 常 生 活 中 維 持 或 調 整 自 身 穩 定 性 的 能 力 人 體 在 站 立 及 進 行 日 常 生 活 活 動 和 其 他 運 動 中, 均 需 要 保 持 良 好 姿 勢 控 制 及 穩 定 性 正 常 情 況 下, 當 人 體 重 心 垂 線 偏 離 穩 定 基 底 時, 會 經 由 感 覺 系 統 使 身 體 重 心 垂 線 返 回 穩 定 基 底 內, 而 感 覺 系 統 包 括 視 覺 系 統 前 庭 系 統 本 體 感 覺 系 統, 這 三 種 系 統 是 人 體 維 持 平 衡 的 訊 息 來 源 人 體 平 衡 的 正 常 維 持 依 賴 於 一 個 綜 合 的 神 經 肌 肉 過 程, 為 了 保 持 正 常 的 平 衡, 大 腦 的 肌 肉 神 經 中 樞 需 要 從 視 覺 系 統 前 庭 系 統 軀 體 本 體 感 覺 系 統 傳 入 感 覺 信 息, 依 據 對 地 球 垂 直 線 的 精 確 感 覺 參 照 物 來 的 相 關 訊 息, 大 腦 可 以 相 應 發 出 信 號 給 與 平 衡 功 能 的 肌 群, 來 保 持 或 調 節 身 體 在 足 體 提 供 的 支 撐 面 上 的 重 心, 如 果 任 何 部 位 或 系 統 出 現 危 險 因 素 失 調 都 可 能 引 起 暈 眩 和 平 衡 功 能 障 礙 所 以 如 何 定 量 量 測 及 評 價 人 體 重 心 平 衡 功 能 一 直 是 研 究 此 一 相 關 領 域 專 家 學 者 們 的 一 項 挑 戰 靜 態 姿 勢 ( 直 立 不 動 姿 勢 ) 是 指 人 在 站 立 時 盡 量 保 持 不 動, 事 實 上 人 在 靜 止 站 立 時 始 終 環 繞 自 己 的 平 衡 點 不 停 地 晃 動, 它 是 自 我 意 識 無 法 控 制 的, 稱 生 理 性 姿 態 動 搖 臨 床 最 早 建 立 靜 態 姿 勢 平 衡 檢 查 是 1846 年 Romberg[1] 採 用 的 Romberg 實 驗 法, 又 稱 閉 目 站 立 試 驗 法, 它 是 用 肉 眼 觀 察 受 檢 者 在 兩 足 併 攏 直 立 情 況 下, 睜 眼 閉 眼 時 身 體 搖 晃 情 況 繼 Romberg 試 驗 之 後,[]Balser (199 年 ) 用 天 平 的 指 針 轉 動 表 示 人 體 重 心 移 動,Thomas 改 彈 簧 秤 測 量 為 電 應 力 刻 度 量 測 本 世 紀 80 年 代 以 來, 美 國 西 歐 日 本 等 國 先 後 發 展 了 壓 力 感 測 器 的 應 用 與 電 腦 結 合, 記 錄 人 體 重 心 在 平 衡 的 連 續 變 化 圖 面 及 軌 跡, 進 而 又 研 製 了 電 腦 化 的 平 衡 測 試 儀, 對 人 體 的 平 衡 功 能 及 影 響 平 衡 功 能 疾 病 的 治 療 效 果 等 進 行 定 量 評 定, 提 供 一 個 研 究 平 衡 功 能 的 新 手 段, 它 可 以 檢 查 中 樞 神 經 系 統 的 功 能, 也 可 以 進 行 暈 眩 和 平 衡 功 能 障 礙 的 診 斷 目 前 國 外 常 見 的 現 代 姿 態 圖 檢 查 設 備, 多 採 用 重 力 感 測 器 平 台 記 錄 重 心 移 動 - 1 -

軌 跡 的 方 法, 平 台 的 力 學 特 性 依 其 結 構 設 計 又 分 為 靜 態 姿 態 平 衡 儀 及 動 態 姿 態 平 衡 儀 ; 靜 態 姿 勢 平 衡 儀 是 受 檢 者 站 在 靜 止 平 台 上, 姿 態 並 無 改 變 而 是 由 受 檢 者 本 身 的 晃 動 經 由 壓 力 感 測 器 來 傳 達 訊 號 給 電 腦 來 分 析, 不 受 外 力 的 干 擾 動 態 姿 勢 平 衡 儀 是 由 受 檢 者 站 立 在 可 以 移 動 的 平 台, 由 油 壓 或 電 氣 來 驅 動 平 台, 使 受 檢 者 因 為 外 力 的 干 擾 而 有 姿 態 的 改 變 所 以 動 態 和 靜 態 的 分 析 方 式 是 由 受 檢 者 的 姿 態 是 否 改 變 為 依 據 動 態 姿 勢 平 衡 儀 功 能 主 要 在 於 能 診 斷 出 前 庭 系 統 視 覺 系 統 和 本 體 感 覺 系 統 三 種 系 統 之 任 何 一 系 統 的 受 損, 而 前 庭 系 統 是 一 個 協 調 感 覺 提 供 重 心 平 衡 的 重 要 的 角 色, 視 覺 系 統 在 臨 床 有 許 多 研 究 視 覺 和 姿 勢 控 制 的 報 告,Paulus et al [3] 提 出 將 視 覺 分 成 環 繞 視 覺 (Ambient vision) 和 焦 點 視 覺 (Focal vision) 二 部 分, 環 繞 視 覺 主 要 是 負 責 動 作 知 覺 和 空 間 感 覺 ; 焦 點 視 覺 則 是 負 責 站 立 時 身 體 的 穩 定, 本 體 感 覺 系 統 是 當 人 們 在 站 立 時 突 然 遇 到 外 力 衝 撞 時, 下 肢 關 節 的 感 覺 接 受 器 就 會 自 動 調 整, 做 出 一 個 姿 勢 平 衡 反 應 來 維 持 身 體 的 平 衡 本 體 感 覺 系 統 和 視 覺 系 統 都 是 受 外 在 環 境 及 空 間 刺 激 所 做 的 反 應, 而 前 庭 系 統 則 屬 內 在 平 衡 調 節 器 所 以 如 果 前 庭 系 統 受 損 則 無 法 靠 本 體 感 覺 和 視 覺 系 統 來 維 持 平 衡, 相 對 的 若 只 單 靠 前 庭 系 統 還 是 容 易 發 生 失 衡 情 形, 導 致 身 體 無 法 維 持 平 衡 的 問 題 因 此, 要 維 持 身 體 直 立 的 平 衡 控 制, 必 須 具 備 完 整 的 本 體 感 覺 視 覺 和 前 庭 系 統 靜 態 姿 勢 平 衡 儀 能 診 斷 患 者 的 平 衡 系 統 受 損 卻 無 法 分 別 是 本 體 感 覺 視 覺 和 前 庭 系 統 其 中 之 一 受 損, 所 以 靜 態 姿 勢 平 衡 儀 在 判 斷 是 否 患 者 有 無 平 衡 受 損, 而 確 定 有 平 衡 受 損 時, 再 由 動 態 姿 勢 平 衡 儀 來 診 斷 更 為 詳 細 的 受 損 系 統 因 此, 靜 態 姿 勢 平 衡 儀 在 診 斷 患 者 初 期 的 平 衡 功 能 的 研 究 及 應 用 具 有 重 要 的 貢 獻 1. 研 究 目 的 及 其 重 要 性 本 研 究 計 畫 主 要 目 的 是 研 發 人 體 平 衡 功 能 檢 測 分 析 系 統, 系 統 包 含 靜 態 姿 勢 圖 (Static posturography) 和 動 態 的 姿 勢 圖 (Dynamic posturography) 的 優 點 結 合 而 - -

成 動 態 的 姿 勢 圖 近 年 對 前 庭 系 統 視 覺 系 統 和 本 體 感 覺 系 統 等 病 變 引 起 的 暈 眩 平 衡 功 能 障 礙 的 一 種 新 的 定 義 定 位 檢 查 方 法, 是 通 過 前 庭 - 脊 椎 反 射 和 脊 椎 - 小 腦 反 射 檢 測 人 體 調 節 能 力 及 前 庭 系 統 小 腦 功 能 狀 態, 但 其 價 格 昂 貴 操 作 繁 雜 等, 反 而 靜 態 平 衡 儀 雖 然 檢 測 功 能 不 多 樣 但 受 檢 者 平 衡 功 能 是 否 受 損 可 輕 易 的 檢 測 具 有 方 便 性 且 結 構 較 為 簡 易 因 而 降 格 較 低 較 容 易 購 買, 操 作 簡 易 並 無 危 險 性, 而 進 入 家 庭 使 其 普 遍 化, 讓 有 隱 疾 可 以 早 期 發 現 即 時 治 療, 但 無 法 準 確 判 別 病 症 人 體 平 衡 功 能 檢 測 分 析 系 統 檢 測 時, 受 測 者 站 立 於 平 衡 台 上, 壓 力 使 感 測 器 轉 換 足 底 變 化 的 重 心 為 電 信 號, 電 腦 自 動 記 錄 重 心 變 化 軌 跡 的 各 種 參 數, 並 進 行 分 析 評 定, 系 統 具 有 靜 態 平 衡 儀 的 優 點, 就 是 檢 查 時 間 短 方 便 安 全 以 及 無 任 何 外 加 刺 激 及 不 適 的 特 點, 適 用 各 種 暈 眩 類 疾 病 的 平 衡 功 能 狀 況 的 初 檢 評 定 及 臨 床 治 療 療 效 狀 況 觀 察 系 統 設 計 通 過 視 覺 回 饋 方 式 來 達 成 動 態 平 衡 儀 的 優 點, 所 以 可 以 瞭 解 平 衡 功 能 的 損 傷 程 度, 也 瞭 解 中 樞 功 能 情 況, 提 高 診 斷 率, 對 暈 眩 患 者 的 評 估 診 斷 預 後 評 估 有 重 要 價 值 人 體 平 衡 功 能 檢 測 分 析 系 統 集 檢 測 治 療 及 康 復 於 一 體, 為 臨 床 各 種 暈 眩 類 疾 病 患 和 平 衡 障 礙 者 提 供 一 個 全 新 的 量 化 智 能 化 簡 便 的 診 療 手 段 目 前 國 外 有 類 似 量 測 儀 器 : 如 EquiTest 平 衡 測 試 台,B-PHY-1 型 平 衡 功 能 檢 測 訓 練 系 統 [7] 電 腦 控 制 的 重 心 平 衡 儀 (Balance platform) 等, 都 為 價 錢 昂 貴 的 儀 器, 設 計 的 結 構 及 數 據 非 依 據 東 方 人 的 特 性 等, 都 可 以 加 以 改 善 目 前 國 內 無 相 關 的 設 計, 如 能 設 計 一 個 人 體 平 衡 功 能 檢 測 分 析 系 統, 其 功 能 齊 全 性 能 優 良 協 助 醫 師 更 容 易 診 斷 病 人, 也 因 為 其 操 作 便 利 及 價 格 便 宜, 若 能 讓 每 家 醫 院 乃 至 於 居 家 中 均 有 此 一 設 備, 平 衡 功 能 是 否 損 傷 就 可 從 平 常 察 覺 到, 而 可 達 到 病 情 尚 未 惡 化 時 就 能 及 時 發 覺 加 以 治 療 1.3 國 內 外 相 關 研 究 在 人 體 姿 態 圖 研 究 裡, 國 外 又 依 量 測 方 法 分 為 靜 態 平 衡 儀 和 動 態 平 衡 儀 兩 - 3 -

種, 其 中 動 態 平 衡 儀 使 用 臨 床 測 試 進 行 平 衡 感 和 穩 定 極 限 的 感 官 交 互 測 試, 用 來 衡 量 受 試 者 的 平 衡 能 力, 靜 態 平 衡 儀 測 試 序 列 可 用 以 推 斷 受 試 者 跌 倒 的 風 險 性 及 其 重 心 的 穩 定 EquiTest 平 衡 測 試 台 (EquiTest balance platform) [6] 是 使 用 多 重 變 化 的 運 動 學 和 關 節 的 扭 矩 量 測 實 驗 者 的 動 態 姿 勢 圖, 如 圖 1.1, 主 要 由 一 個 馬 達 驅 動 搖 擺 的 平 台 再 藉 由 光 學 編 碼 器 量 測 肩 膀 及 小 腿 的 運 動 角 度, 並 將 得 到 下 列 三 種 變 化 的 角 度, 為 度 而 θ shank 是 從 小 腿 到 臀 部 的 傾 斜 角 度, θ hip 是 由 臀 部 以 上 傾 斜 角 θ com 是 以 身 體 重 心 傾 斜 角 度, 這 些 角 度 的 變 化 經 由 作 者 找 實 驗 者 做 分 析, 從 中 找 出 其 判 斷 法 則 EquiTest 平 衡 測 試 台 的 回 授 控 制 姿 態 方 塊 圖 如 圖 1. 其 中 的 CNS(Central nervous system) control 是 接 受 感 測 器 的 資 訊 產 生 適 當 姿 勢 控 制 到 肌 肉, 馬 達 控 制 就 是 擾 動 平 台 使 實 驗 者 產 生 搖 晃 的 運 動, 再 由 光 學 編 碼 器 接 收 其 軀 幹 和 關 節 的 扭 矩 變 化 從 中 量 測, 最 後 以 回 授 控 制 擾 動 的 程 度 EquiTest 平 衡 測 試 台 可 量 測 前 庭 系 統 視 覺 系 統 和 本 體 感 覺 系 統 等 疾 病, 其 優 點 是 具 有 多 方 面 疾 病 的 量 測 功 能, 但 其 缺 點 是 價 錢 昂 貴, 一 台 價 值 數 百 萬 元, 其 次 是 操 作 繁 雜 和 維 修 的 不 易, 且 在 動 態 搖 晃 時 實 驗 者 姿 態 危 險 度 將 增 加 這 是 值 得 考 慮 的 圖 1.1 EquiTest 平 衡 測 試 台 [6] - 4 -

CNS control disturbance postural control muscle moment arms body dynamics sensory processing sensors sensor noise 圖 1. EquiTest 平 衡 測 試 台 的 回 授 控 制 姿 態 方 塊 圖 [6] 圖 1.3[7] 表 示 一 個 描 寫 實 驗 者 受 震 動 的 擾 亂 而 形 成 的 反 射 站 立 姿 勢 轉 換 成 擺 錘 的 模 式 其 中 k 是 彈 簧 作 為 收 縮 力 量 用 以 代 表 實 驗 者 反 射 動 作 的 參 數, η 是 阻 尼 係 數 作 為 震 動 的 吸 收 器,θ 是 實 驗 者 受 擾 動 之 後 的 反 射 角 度, 最 後 再 以 三 個 參 數 中 找 尋 其 平 衡 測 試 方 式 其 優 點 是 可 量 測 靜 態 及 動 態 姿 態 是 可 由 三 個 參 數 經 由 研 究 中 得 到 平 衡 功 能 的 檢 測, 受 檢 者 在 晃 動 時 的 重 心 移 動, 是 由 參 數 的 變 化 產 生 進 而 量 測 到 訊 號 以 電 腦 擷 取 數 據 完 成 判 斷 病 症 圖 1.3 動 態 姿 勢 平 衡 儀 [7] - 5 -

圖 1.4 中 的 多 自 由 度 移 動 平 台 (new movable multidirectional platform)[8] 由 一 個 伺 服 馬 達, 一 個 金 屬 平 台, 四 組 鋼 索 和 八 個 磁 鐵 組 合 而 成 圖 A 平 台 是 由 以 下 所 構 成 :(a) 一 個 金 屬 平 面 由 電 腦 控 制 使 實 驗 者 在 平 台 上 晃 動 (b) 四 組 鋼 索 其 中 一 組 連 接 平 台 及 (c) 伺 服 馬 達 (d) 由 八 個 磁 鐵 中 二 個 磁 鐵 且 其 安 裝 在 金 屬 平 台 的 上 方 (e) 旋 轉 軸 位 於 平 台 的 的 側 邊 而 此 處 的 磁 鐵 依 然 連 接 (f) 一 個 運 動 感 測 器 對 平 台 的 開 始 察 覺 圖 1.4 多 自 由 度 移 動 平 台 [8] 以 下 描 述 如 圖 1.5 的 五 種 可 能 擾 動 的 方 向,(a) 釋 放 磁 鐵 除 了 實 驗 者 腹 側 邊 的 磁 鐵 繼 續 連 結 而 引 起 腳 後 跟 向 下 (heels down) 有 關 於 踝 關 節 的 運 動,(b) 釋 放 磁 鐵 除 了 實 驗 者 背 後 邊 的 磁 鐵 繼 續 連 結 而 引 起 腳 尖 向 下 (toes down) 運 動,(c) (d) 或 側 邊 的 磁 鐵 繼 續 連 結 而 引 起 左 腳 向 下 (left foot down) 及 右 腳 向 下 (right foot down) 運 動,(e) 是 釋 放 全 部 磁 鐵 而 引 起 向 下 (all down) 運 動, 由 以 上 的 動 作 分 析 出 角 度 及 方 向 在 健 康 的 實 驗 者 與 病 人 的 差 異 性 之 後 給 予 醫 生 一 個 參 考 的 數 據 來 判 斷 病 - 6 -

情 這 台 平 衡 儀 是 以 引 力 的 作 用 力 使 平 臺 產 生 運 動, 實 驗 者 在 平 台 上 磁 鐵 的 吸 放 產 生 不 安 的 擾 動 或 者 前 後 左 右 的 顛 簸 或 搖 晃 其 優 點 是 對 其 前 庭 系 統 小 腦 功 能 狀 態 有 診 斷 的 功 能, 但 其 價 格 昂 貴 且 需 要 旁 邊 有 醫 師 從 旁 輔 助, 增 加 其 危 險 性 及 不 方 便 性 其 安 全 裝 置 十 分 複 雜 系 統 運 作 的 動 力 要 求 大 複 雜 的 電 子 電 路 維 修 不 易 作 動 缸 的 結 構 複 雜 等 圖 1.5 平 台 擾 動 的 五 種 形 式 [7] 圖 1.6 描 述 一 個 靜 態 姿 勢 平 衡 系 統 [8], 病 人 的 姿 勢 擾 亂 由 電 腦 控 制 震 動 刺 激 頸 部 肌 肉 或 小 腿 肌 肉, 而 由 感 測 器 ( 應 變 計 ) 量 測 其 力 量 的 分 布 再 經 由 電 腦 記 錄 分 析 來 判 斷 其 搖 晃 程 度 其 優 點 是 方 便 及 操 作 容 易 並 可 增 加 一 些 方 法 來 判 斷 其 診 斷 結 果, 在 價 格 也 以 較 為 低 廉, 安 全 性 較 好 沒 有 危 險 性 表 1.1 為 動 態 與 靜 態 姿 態 平 衡 儀 的 優 缺 點 比 較 - 7 -

圖 1.6 靜 態 姿 勢 平 衡 系 統 [8] 表 1.1 動 態 與 靜 態 姿 態 平 衡 儀 的 優 缺 點 動 態 姿 態 平 衡 儀 靜 態 姿 態 平 衡 儀 優 點 缺 點 1. 對 於 平 衡 問 題 可 以 診 斷 任 何 感 知 系 統. 可 以 調 整 及 訓 練 姿 態 的 平 衡 3. 檢 測 功 能 多 1. 價 格 較 為 昂 貴. 操 作 較 為 複 雜 3. 檢 測 時, 需 要 有 安 全 考 量 1. 價 格 較 為 便 宜. 操 作 較 為 簡 易 3. 檢 測 時, 極 為 安 全 1. 不 能 確 定 何 種 平 衡 功 能 損 害. 只 能 測 試 重 心 的 改 變 3. 檢 測 功 能 少 目 前, 靜 態 姿 勢 平 衡 檢 查 是 指 受 檢 者 靜 止 站 立 在 一 個 固 定 不 動 的 力 學 平 台 上, 平 台 下 由 高 靈 敏 度 感 測 器 可 以 測 出 身 體 的 晃 動 情 況, 經 專 家 系 統 分 析 軟 體 處 理 後 可 以 計 算 出 評 定 人 體 平 衡 的 靜 態 值 當 檢 測 平 衡 受 干 擾 時, 如 抬 起 或 放 下 上 肢 用 電 極 接 觸 小 腿, 使 肌 肉 收 縮 等, 都 是 雙 腿 靠 攏 直 立 不 動, 在 這 種 情 況 之 下, 受 檢 者 一 般 能 預 料 重 心 的 改 變 並 通 過 下 肢 肌 肉 或 軀 幹 的 活 動 預 先 調 整, 這 反 應 了 姿 勢 的 協 調 性, 含 有 自 主 運 動 的 成 分 動 態 姿 勢 平 衡 檢 查 功 能 涉 及 到 感 覺 系 統 的 敏 感 性 中 樞 整 合 等 綜 合 性 能, 而 研 究 指 出 人 體 維 持 動 態 平 衡 主 要 是 以 踝 關 節 為 主, 若 以 髖 關 節 為 主 維 持 平 衡 將 容 - 8 -

易 跌 倒 目 前, 動 態 姿 勢 平 衡 檢 查 多 採 用 國 外 的 電 腦 化 動 態 姿 勢 平 衡 儀 (Computer dynamic posturography) 簡 稱 CDP, 人 站 在 動 態 平 台 上, 控 制 平 臺 前 後 或 左 右 移 動 及 注 視 可 移 動 的 顯 示 螢 幕, 盡 量 使 受 檢 者 保 持 身 體 平 衡, 此 測 試 系 統 可 以 了 解 受 檢 者 的 快 速 平 衡 反 應 能 力, 這 需 要 各 種 感 覺 系 統 的 靈 敏 及 姿 勢 的 協 調 動 態 姿 勢 平 衡 儀 與 靜 態 姿 勢 平 衡 儀 的 分 析 方 法 是 只 有 運 動 策 略 分 析 的 不 同, 此 點 是 動 態 平 衡 與 靜 態 平 衡 區 別 的 一 個 重 要 指 標, 策 略 分 析 變 化 表 示 感 覺 - 運 動 機 制 發 生 變 化, 而 動 態 平 衡 儀 從 中 量 測 到 其 前 庭 系 統 視 覺 系 統 和 本 體 感 覺 系 統 的 疾 病 而 判 斷, 但 靜 態 平 衡 儀 僅 可 發 覺 平 衡 是 否 有 問 題, 卻 不 能 診 斷 是 何 種 的 疾 病, 可 是 因 其 操 作 便 利 及 價 格 便 宜 對 初 期 的 診 斷 佔 有 相 當 重 要 的 優 勢 1.4 研 究 方 法 與 流 程 本 研 究 主 要 將 發 展 人 體 平 衡 功 能 檢 測 分 析 系 統, 目 標 是 完 成 一 個 價 格 低 廉 結 構 簡 單 體 積 輕 巧 的 靜 態 姿 態 平 衡 儀 本 系 統 包 括 量 測 系 統 及 分 析 系 統 兩 部 分 如 圖 1.7 系 統 架 構 示 意 圖 圖 1.7 系 統 架 構 示 意 圖 量 測 系 統 構 成 由 一 個 直 徑 50 cm 圓 形 平 台 的 人 體 重 心 平 衡 儀, 兩 組 應 力 應 變 感 測 器 ( 兩 個 方 位 為 一 組 應 變 計 ), 並 經 由 身 體 的 開 鏈 晃 動 重 心 不 穩 定 的 晃 動 等 等, 每 一 個 感 測 器 產 生 與 人 體 重 心 分 布 相 稱 的 一 個 小 訊 號 ( 電 阻 值 的 變 化 ), 再 經 信 號 處 理 系 統 之 後 由 電 腦 採 集 數 據, 接 著 對 數 據 進 行 簡 單 的 運 算, 最 後 把 經 過 處 理 的 結 果 送 達 到 螢 幕 上 顯 示 重 心 ( 壓 力 中 心 ) 的 變 化, 如 圖 1.8 實 體 圖 此 外, 能 夠 經 測 試 中 得 知 感 測 器 的 資 訊 來 確 定 何 種 情 況 的 平 衡 問 題 - 9 -

受 測 者 應 變 計 電 腦 介 面 監 控 硬 體 電 路 訊 號 處 理 圖 1.8 實 體 設 計 圖 本 研 究 的 量 測 系 統 架 構 如 圖 1.9, 運 用 以 設 計 好 之 結 構 平 台 量 測 人 體 的 姿 態, 量 測 到 的 參 數 經 過 放 大 器 與 濾 波 器, 把 微 小 的 訊 號 放 大 並 將 頻 率 範 圍 外 的 訊 號 濾 除, 再 將 此 類 比 訊 號 轉 成 數 位 訊 號 傳 送 到 電 腦 上 而 螢 幕 上 即 可 直 接 即 時 監 看 生 理 訊 號 將 生 理 訊 號 儲 存 起 來, 可 做 為 即 時 的 醫 療 諮 詢 或 是 診 斷 整 個 系 統 研 製 將 分 成 兩 方 面 : 硬 體 的 機 構 電 路 設 計 與 平 衡 檢 測 的 分 析 軟 體 開 發 在 整 個 硬 體 方 面, 量 測 系 統 包 括 了 平 衡 平 台 與 感 測 器, 訊 號 處 理 部 分 可 以 分 成 類 比 電 路 及 傳 輸 介 面, 其 中 包 含 了 放 大 器 主 動 濾 波 器 設 計 信 號 調 整 設 計 A/D 轉 換 圖 1.9 量 測 系 統 架 構 圖 - 10 -

第 二 章 感 測 器 的 原 理 與 應 用 本 章 主 要 是 對 平 台 與 感 測 器 做 介 紹, 由 於 此 系 統 的 平 台 是 經 由 ANSYS 分 析 後 得 到 的, 因 此 在 平 台 的 部 分 將 只 做 一 些 簡 略 的 介 紹 與 推 導, 而 在 電 路 設 計 方 面 將 會 有 非 常 詳 細 的 說 明.1 平 台 的 力 學 分 析 經 由 分 析 之 數 據 得 到 如 圖.1 之 平 台 設 計 圖, 其 平 台 使 用 之 材 質 為 鋼 料, 平 台 直 徑 長 50cm 厚 3cm, 中 心 軸 直 徑 3cm 高 40cm, 在 平 台 的 邊 緣 還 加 上 了 三 根 高 43.5cm 之 支 撐 柱, 其 目 的 是 為 了 讓 平 台 能 夠 在 適 當 的 範 圍 內 作 傾 斜, 使 待 測 者 更 有 安 全 感, 也 可 延 長 平 台 之 使 用 壽 命 [14][15] 圖.1 為 平 台 機 構 的 俯 視 及 側 視 圖 ( 單 位 mm) 下 面 是 對 平 台 所 做 的 力 學 分 析 圖. 是 一 個 平 台 受 力 的 示 意 圖,F 代 表 著 受 測 者 施 加 於 平 台 的 力, 此 時 中 心 軸 紅 色 箭 頭 處 有 著 最 大 壓 縮 量, 相 對 的 另 一 邊 有 著 最 大 伸 長 量 - 11 -

圖. 平 台 壓 力 示 意 圖 圖. 是 一 個 平 台 受 力 的 示 意 圖,F 代 表 著 受 測 者 施 加 於 平 台 的 力, 此 時 中 心 軸 紅 色 箭 頭 處 有 著 最 大 壓 縮 量, 相 對 的 另 一 邊 有 著 最 大 伸 長 量 此 時, 假 設 在 平 台 上 施 加 F 大 小 的 力,A 點 處 彎 矩 大 小 為 M(Moment), 且 伸 長 量 與 壓 縮 量 相 等 ( 實 際 上, 壓 縮 量 比 伸 長 量 大 一 些 ), 接 著 利 用 圖.4 推 導 中 心 軸 的 轉 動 慣 量 I, 並 將 其 值 代 入 (.1) 式 M 為 施 加 的 Moment 大 小 (Nt-m) MV σ max = (.1) I V 為 中 性 軸 與 拉 力 最 大 側 的 距 離 (m) I 為 此 物 體 的 轉 動 慣 量 (m 4 ) 便 可 得 最 大 彎 曲 應 力 σ max 測 量 平 台 的 中 心 軸 為 圓 柱 體, 且 針 對 此 圓 柱 中 心 桿 件 作 如 圖.3 的 施 力, 此 時 將 此 中 心 軸 的 水 平 剖 面 ( 圖.4) 作 力 學 分 析, 求 得 其 轉 動 慣 量 I - 1 -

開 始 中 心 軸 圖.3 中 心 軸 受 力 示 意 圖 圖.4 平 台 中 心 軸 水 平 切 面 圖 V = rsinθ dv = r cosθ dθ = θ = θ θ θ = θ θ da (r cos ) dv (r cos )( r cos ) d r cos d π 0 4 I V da= ( rsin θ ) [r cos θ] dθ = r sin θ cos θ dθ ( ) π π 4 4 sinθ cos θ θ (sin θ) 0 0 θ = = ( ) r d = r d π d = 64 4 經 推 導 得 知, r π 0 π 4 0 1 cos4θ r π πr dθ = = 4 4 4 π d I= 64 4 (.) - 13 -

I: 轉 動 慣 量 d: 中 心 軸 的 直 徑 r: 中 心 軸 的 半 徑 V: 中 心 軸 與 da 之 距 離 da: 紅 線 之 微 小 面 積 dv: 紅 線 之 微 小 距 離 將 式 (.) 帶 入 式 (.1) 得 又 64MV π d σ max = 4 (.3) σ = E ε (.4) steel E: 中 心 軸 材 質 之 彈 性 係 數 ε steel : 中 心 軸 之 應 變 ( 中 心 桿 件 長 度 變 化 量 / 原 長 度 ) 將 式 (.3) 帶 入 式 (.4) 可 得 Δ ε steel = L 64MV = 4 L π d E (.5) 此 時 假 設 應 變 計 的 應 變 ε gage 與 平 台 中 心 軸 表 面 的 應 變 ε steel 由 一 個 比 例 關 係, 且 選 ΔR 用 之 應 變 計 的 靈 敏 度 G = R =, 又 應 變 計 規 格 為 10Ω, 則 可 得 知 應 變 計 之 電 ΔL L 阻 變 化 量 Δ R, 更 可 進 一 步 得 知 此 變 化 量 搭 配 惠 斯 頓 電 橋 後 可 得 到 的 電 壓 值 變 化 量. 應 變 計 的 介 紹 與 原 理 電 阻 式 應 變 計 的 原 理 早 在 西 元 1856 年 就 被 凱 耳 文 (Lord Kelvin) 所 發 現 [8] 最 初 電 阻 式 應 變 計 被 引 用 時 (1936~1956), 其 製 造 方 式 是 將 非 常 細 的 直 徑 線 繞 在 一 柵 柱 上 而 形 成 的 在 1950 年 代 末 期, 大 多 數 已 利 用 進 步 的 光 蝕 刻 方 法 以 超 薄 金 屬 箔 來 製 成 之 後 大 家 都 會 利 用 電 阻 式 應 變 計 搭 配 惠 斯 登 電 橋 (Wheatstone - 14 -

Bridge) 來 做 為 力 量 或 力 矩 的 量 測 電 阻 式 應 變 計 的 原 理 是 利 用 外 界 的 壓 力 讓 應 變 計 產 生 電 阻 的 變 化 來 擷 取 訊 號 一 般 而 言, 金 屬 導 體 的 電 阻 R 可 以 用 下 式 表 示 ρl R= A (.6) 式 中 ρ 是 金 屬 的 特 定 電 阻 係 數 L 是 導 體 的 長 度 A 是 導 體 的 截 面 積 方 程 式 (.6) 微 分 並 除 以 電 阻 R, 可 得 dr R dρ = + ρ dl L da A (a) da 表 示 施 加 負 載 後 導 體 之 截 面 積 所 產 生 的 改 變 在 一 單 向 軸 的 張 力 應 力 (Stress) 狀 態 下 式 中 ε a 為 在 導 體 中 橫 軸 的 張 力 ε = dl a L dl ε t = υε a = υ (b) L ε t 為 在 導 體 中 之 縱 軸 (transverse) 的 張 力 ν 是 作 為 導 體 用 之 金 屬 的 卜 氏 (Poisson s) 比 率 如 果 導 體 的 直 徑 在 未 加 上 軸 的 張 力 以 前 是 d, 而 在 施 加 張 力 後 其 直 徑 為 d 則 o f 從 方 程 式 (c), 很 明 顯 d f dl = d o 1 υ (c) L da dl dl dl = υ + υ υ (.7) A L L L 整 理 後 可 寫 為 dr R dρ ρ G = = + ( 1+ υ ) (.8) ε ε a a a G ε = dr R (.9) - 15 -

G 代 表 使 用 做 導 體 之 金 屬 或 合 金 的 靈 敏 度 (Gage Factor,G.F.) 又 稱 應 變 計 因 子 從 方 程 式 (.8) 中 很 明 顯 的 看 出 一 金 屬 或 合 金 的 張 力 靈 敏 度 受 到 兩 個 因 素 影 響, 第 一 是 導 體 尺 寸 之 改 變 以 ( 1+ υ ) 項 示 之, 另 一 因 素 以 ( d ρ ρ ) ε 項 表 示 在 特 定 電 阻 中 的 變 化 從 資 料 中 可 知 大 部 分 的 使 用 作 應 變 計 組 件 的 合 金, 其 靈 敏 度 G 都 在 ~4 這 個 範 圍 中, 通 常 使 用 最 多 的 應 變 計 是 用 銅 鎳 合 金 所 組 成, 又 稱 阿 范 斯 電 阻 合 金 (Advance) 或 康 銅 (Constantan), 此 種 合 金 受 到 廣 泛 使 用 的 原 因 是 因 為 它 在 張 力 範 圍 很 寬 的 時 候, 響 應 呈 現 線 性, 具 有 很 高 的 特 定 電 阻 及 極 佳 的 熱 穩 定 性 式 (.9) 中 得 知 機 構 應 變 量 中 轉 換 成 電 阻 的 變 化 可 以 使 用 電 子 電 路 處 理 訊 號.3 應 變 計 的 選 用 與 工 作 特 性 電 阻 式 應 變 計 大 部 份 分 為 金 屬 線 式 金 屬 箔 式 與 半 導 體 式 三 種, 這 三 種 電 阻 式 應 變 計 各 有 其 特 性, 如 表.1 [4][18] 表.1 電 阻 應 變 計 的 應 用 特 點 名 稱 說 明 應 用 特 點 金 屬 線 式 電 阻 應 變 計 金 屬 箔 式 電 阻 應 變 計 半 導 體 式 電 阻 應 變 計 用 耐 熱 性 不 同 合 金 絲 材 料 繞 製 而 成 敏 感 柵 用 厚 3~10 μ m 的 銅 鎳 合 金 箔 光 刻 成 的 應 變 計 由 單 晶 半 導 體 經 切 型, 切 條, 光 刻 腐 蝕 成 形, 然 後 黏 貼 而 成 可 適 應 不 同 溫 度, 尤 其 適 於 高 溫, 壽 命 較 長, 價 格 低 廉, 市 面 容 易 購 買, 但 橫 向 效 應 極 大, 散 熱 性 差 尺 寸 小, 種 類 多, 靜 態 及 動 態 特 性 及 散 熱 性 均 好, 但 製 造 複 雜, 廣 泛 用 於 常 溫, 價 格 高 且 不 易 購 得 靈 敏 係 數 比 金 屬 材 料 大 於 50~80 倍, 動 態 特 性 好, 但 重 複 性 溫 度 和 時 間 穩 定 性 較 差, 在 電 路 設 計 上 需 注 意 避 免 發 生 極 化 問 題 所 要 量 取 的 是 微 小 的 信 號 變 化, 且 具 有 隨 著 時 間 變 化 的 動 態 特 性, 因 此 在 選 用 電 阻 式 應 變 計 類 型 時 應 特 別 注 意 由 於 應 變 計 的 工 作 特 性 與 其 結 構 材 料 價 格 - 16 -

容 不 容 易 購 得 與 電 路 的 搭 配 等 多 種 因 素 有 關, 由 表.1, 將 選 用 適 應 不 同 溫 度, 尤 其 適 於 高 溫, 壽 命 較 長, 價 格 低 廉 的 金 屬 線 式 電 阻 應 變 計 應 變 計 也 有 其 形 狀 上 的 差 別, 可 分 為 單 軸 張 力 計 多 軸 張 力 計 與 特 殊 形 式 張 力 計 等 等, 以 本 文 的 系 統 而 言, 可 以 選 用 單 軸 或 多 軸 這 兩 種 應 變 計 作 為 感 測 器, 因 此 選 擇 較 容 易 黏 貼 的 單 軸 張 力 計 作 為 首 選 應 變 計 的 電 阻 值 大 部 分 有 10Ω 與 350Ω 等 等, 本 文 選 用 的 單 軸 應 變 計 為 10Ω.4 應 變 計 的 黏 貼 黏 合 型 電 阻 是 應 變 計 為 一 種 高 品 質 準 確 的 電 阻 器, 因 此 在 黏 貼 的 過 程 中 必 須 非 常 的 小 心, 並 以 正 確 的 方 式 將 其 固 定 在 試 樣 上, 否 則 在 黏 貼 的 過 程 中, 誤 差 將 會 因 為 黏 著 劑 過 多, 或 未 貼 於 正 確 位 置 等 等 因 素 而 發 生 應 變 計 黏 貼 的 步 驟 如 下 圖.5: (a) 將 應 變 計 的 載 體 貼 於 透 明 膠 帶 上 (b) 將 膠 帶 一 邊 貼 於 適 當 的 地 方, 使 應 變 計 之 中 心 可 以 在 膠 帶 完 全 黏 貼 時 位 於 待 測 物 應 變 最 大 處, 及 圖 片 上 會 橫 線 記 號 之 處 (c) 將 膠 帶 一 邊 撕 下, 於 應 變 計 要 黏 貼 處 塗 上 適 量 的 黏 貼 劑 (d) 用 一 張 衛 生 紙, 壓 於 透 明 膠 帶 上, 順 勢 輕 壓 讓 應 變 計 與 待 測 物 之 間 的 小 氣 泡 壓 出, 並 將 膠 帶 一 併 黏 貼 於 待 測 物 上 - 17 -

圖.5 用 透 明 帶 方 式 安 裝 一 電 阻 式 應 變 計 到 待 測 物 上 [8] 應 變 計 的 黏 接 劑 有 很 多 種 類, 要 選 用 哪 一 種, 跟 所 要 黏 貼 的 環 境 溫 度 溼 度 與 應 變 計 的 載 體 有 關 大 部 分 應 變 計 的 載 體 多 為 多 聚 塑 膠 (polymide), 因 為 它 有 著 極 佳 的 抗 性 與 適 應 性, 而 黏 接 劑 絕 大 部 分 都 使 用 氰 基 丙 烯 酸 脂 (Cyanoacrylate)( 就 是 市 面 上 所 謂 的 快 乾 膠 ), 或 是 環 氧 樹 脂 作 黏 著, 前 者 有 著 易 乾 且 容 易 購 得 的 優 點, 但 是 有 著 容 易 受 到 溼 度 與 溫 度 所 破 壞 的 缺 點 ; 後 者 剛 好 與 前 者 相 反, 乾 的 速 度 慢 但 不 易 受 溼 度 影 響 此 專 題 為 了 成 本 以 及 方 便 性 的 考 量, 所 以 購 買 以 多 聚 塑 膠 為 載 體 的 應 變 計, 以 氰 基 丙 烯 酸 脂 作 為 黏 接 劑, 至 於 溼 度 的 問 題, 可 以 在 計 規 表 面 上 一 層 臘 或 多 氨 基 甲 酸 乙 酯 (polyurethane) 作 防 水 用 途 - 18 -

第 三 章 系 統 設 計 分 析 本 章 主 要 介 紹 此 系 統 所 設 計 的 硬 體 訊 號 處 理 電 路 與 類 比 / 數 位 轉 換 電 路 的 形 式 為 了 測 量 出 待 測 者 在 平 台 上 晃 動 的 情 況, 因 此 將 應 變 計 貼 附 於 平 台 中 心 桿 件 上 應 變 最 大 之 處, 在 原 先 的 設 計 電 路 中, 利 用 應 變 計 壓 縮 端 與 拉 伸 端 電 阻 值 變 化 量 有 些 微 差 距, 作 為 重 心 偏 向 的 依 據, 但 是 後 來 經 過 實 際 上 的 操 作, 發 現 其 電 阻 值 差 距 過 於 微 小, 甚 至 可 以 說 幾 乎 沒 有, 因 以 將 電 路 訊 號 源 改 為 直 流 訊 號, 以 利 於 未 來 作 訊 號 處 理 時, 輕 易 的 放 大 訊 號 與 判 斷 重 心 偏 移 方 向 在 整 個 電 路 設 計 流 程 中, 如 圖 3.1 所 示, 利 用 一 個 直 流 訊 號, 以 應 變 計 搭 配 惠 斯 頓 電 橋 量 測 其 電 阻 值 微 小 的 變 化, 通 過 第 一 級 放 大 後, 搭 配 一 個 減 法 電 路 將 惠 斯 頓 電 橋 不 平 衡 所 造 成 的 直 流 偏 壓 扣 除, 再 搭 配 第 二 級 放 大, 經 A/D 轉 換 將 資 料 傳 入 電 腦 圖 3.1 人 體 靜 態 平 衡 功 能 之 測 試 平 台 系 統 電 路 方 塊 圖 3.1 電 源 電 路 在 電 子 電 路 中, 一 定 會 用 到 直 流 電 源, 普 遍 的 作 法 是 把 110V 的 交 流 電, 變 成 直 流 電 以 供 電 子 電 路 使 用 而 且 所 得 到 直 流 電 源 必 須 是 穩 定 的 直 流, 且 具 有 穩 定 的 電 流 驅 動 能 力 交 流 電 壓 轉 成 直 流 電 壓 的 過 程 如 圖 3.,110V 交 流 電 經 過 變 壓 器 降 壓, 然 後 經 過 整 流 和 濾 波, 可 以 得 到 直 流 電 壓 ; 但 此 時 直 流 電 壓 會 受 負 載 電 流 影 響 而 產 生 - 19 -

變 動, 因 此 在 濾 波 之 後 又 加 上 一 穩 壓 IC 電 路 圖 3. 電 源 電 路 方 塊 圖 3.1.1 變 壓 器 與 整 流 濾 波 電 路 變 壓 器 是 利 用 電 磁 感 應 作 用 將 電 能 由 初 級 側 之 電 路 傳 送 至 次 級 側 電 路 選 擇 變 壓 器 時 需 注 意 下 列 規 格 : (1) 初 級 側 電 壓 輸 入 之 交 流 電 壓 () 次 級 側 電 壓 及 電 流 輸 出 之 交 流 電 壓, 通 常 以 次 級 側 的 組 數 或 抽 頭 數 獲 得 數 種 不 同 電 壓 ; 供 應 負 載 電 流 能 力 其 中 考 慮 變 壓 器 之 製 造 品 質 材 料 特 性 等 等 因 素, 需 將 輸 出 電 壓 及 電 流 打 個 折 扣, 如 標 示 "110V:1V(1A)" 之 變 壓 器, 使 用 上 應 該 視 為 輸 出 11.76V 0.9A, 以 避 免 發 生 危 險 且 交 流 電 壓 在 使 用 上 需 以 最 大 值 表 示, 如 1 Vmax = V rms = 1 16.97( V ) V ac 之 最 大 值 即 全 波 整 流 使 用 橋 式 整 流 電 路, 加 上 濾 波 電 容 構 成 一 整 流 濾 波 電 路 其 中 使 用 了 交 流 市 電 一 個 週 期 的 全 部, 其 整 流 效 率 十 分 優 異 橋 式 整 流 電 路 使 用 四 個 整 流 二 極 體, 需 注 意 以 下 規 格 : (1) 額 定 電 流 以 電 阻 為 負 載 時, 二 極 體 所 能 通 過 最 大 平 均 電 流, 規 格 表 中 多 以 I o 表 示 () 耐 壓 即 最 大 逆 向 耐 壓 (peak inverse voltage;piv), 此 電 壓 乃 指 不 令 二 極 體 產 生 崩 潰 之 最 大 逆 向 電 壓, 規 格 表 中 多 以 V R 表 示 其 中 考 慮 電 路 之 耐 用 度, 避 免 整 流 二 極 體 過 度 使 用 導 致 損 壞, 因 此 使 用 上 將 變 壓 器 輸 出 電 流 乘 以 三 倍 作 為 使 用 標 準, 如 變 壓 器 輸 出 電 流 1A, 則 選 擇 額 定 電 流 3A 之 整 流 二 極 體 - 0 -

而 考 慮 二 極 體 最 低 耐 壓, 在 設 計 橋 式 整 流 電 路 時 需 預 留 0% 的 餘 裕, 以 使 電 路 安 全 工 作, 如 V ac = 1V 則 二 極 體 耐 壓 為 1 1. 0V 濾 波 電 容 的 目 的 在 於 減 少 漣 波 (ripple), 以 供 應 較 平 穩 之 直 流 電 壓 使 用 上 需 注 意 以 下 規 格 : (1) 電 容 量 () 耐 壓 漣 波 電 壓 的 峰 對 峰 值 V p-p 8 6 4 C=100uF C=0uF C=330uF C=470uF C=1000uF C=00uF C=3300uF C=4700uF 0 0.0 0.5 1.0 1.5.0 直 流 負 載 電 流 I DC (A) 圖 3.3 電 容 量 速 查 曲 線 圖 其 中 選 用 適 當 之 電 容 量, 必 須 考 慮 在 負 載 可 容 許 的 最 大 漣 波 因 數 下, 所 需 之 V p 最 小 電 容 量 即 量 取 橋 式 整 流 後 之 漣 波 電 壓 p, 以 及 所 需 負 載 電 流 I DC, 求 其 在 圖 3.3 上 之 兩 直 線 交 點, 若 交 點 落 於 1000 μ F 與 00 μ F 之 間, 電 容 量 宜 採 用 00 μ F 耐 壓 為 而 考 慮 電 容 最 低 耐 壓, 須 大 於 交 流 電 壓 之 最 大 值 1. 倍, 如 V 6 1. 10V 而 耐 壓 越 高, 其 等 效 串 聯 電 阻 (ESR) 越 低 ac = 6V 則 電 容 3.1. 穩 壓 IC 電 路 當 整 流 濾 波 電 路 直 接 加 上 負 載 時, 一 但 負 載 電 流 增 加 時, 將 造 成 負 載 電 壓 下 - 1 -

降, 且 漣 波 變 大 這 些 缺 點 就 靠 穩 壓 電 路 改 善, 使 負 載 電 壓 不 隨 負 載 電 流 大 小 而 改 變, 且 漣 波 也 減 到 最 小 LM317T 是 一 顆 正 電 壓 的 可 調 型 穩 壓 IC, 其 參 考 電 壓 V = 1.V 被 獨 立 出 來, 與 一 般 78XX 系 列 等 定 電 壓 穩 壓 IC 不 同 在 於 可 由 外 部 加 不 同 的 電 壓 到 ADJ 的 接 腳 上, 而 改 變 整 個 電 路 的 參 考 電 壓, 就 能 得 到 不 同 的 輸 出 電 壓 應 用 電 路 如 圖 3.4 所 示, 圖 中 與 是 保 護 二 極 體, 功 用 在 於 若 輸 入 短 路 時, 導 通 將 C 的 電 荷 引 到 接 地, 不 會 使 電 荷 倒 灌 進 入 輸 入 端, 使 得 LM317T 故 障 ; 若 輸 出 短 路 時, 導 通 將 C 的 電 荷 引 到 接 地, 不 使 電 流 進 入 ADJ 接 腳 而 使 LM317T 被 破 壞 而 是 用 來 減 少 干 擾 的 旁 路 電 容, 可 改 善 漣 波 抑 制 能 力, C 可 改 善 暫 態 響 應 D D1 D D1 3 C1 C 3 ref 圖 3.4 LM317T 應 用 電 路 圖 其 輸 出 電 壓 計 算 公 式 如 下 : R Vout = 1+ Vref + Iref R R1 Iref = 50μ A, 非 常 小 可 忽 略 不 計, 所 以 - -

V out R + R1 1 1. V LM317T 使 用 上 需 注 意 以 下 規 則 : (1) V V 3V, 可 確 保 穩 壓 IC 工 作 穩 定 in out () R 1通 常 使 用 10 Ω,1% 的 精 密 電 阻 LM337T 是 一 顆 負 電 壓 的 可 調 型 穩 壓 IC, 使 用 上 同 LM317T, 惟 注 意 LM337T 之 V 與 V 兩 接 腳 與 LM317T 相 反 in out 3.1.3 電 源 電 路 設 計 綜 合 以 上 所 述, 設 計 電 路 如 圖 3.5 ( 佈 線 圖 見 附 錄 Ⅰ) D1 110Vac T1 1 D7 1N5400 D10 D8 D9 C1 5V 00uF C10 Ceramic 0.1uF U1 3 IN OUT ADJ LM317T 1 C 5V 10uF D R1 10,1% R 100 R7 1K C7 Ta 1uF 5Vdc GND J 1 (0-1.0.6A) (60) 0Vac 0 1Vac D3 (0-1,1A) GND (0-1.1A) C3 5V 00uF C11 Ceramic 0.1uF U 3 IN OUT ADJ LM317T 1 D4 R3 10,1% R4 C8 Ta 1uF Trans4-1Vac D11 1N5400 D14 D1 D13 C4 5V 10uF 100 R8 1K (93) R9 1K (93) 1Vdc GND -1Vdc J4 1 3 C6 5V 00uF C1 Ceramic 0.1uF U3 ADJ IN OUT 1 LM337T C5 5V 10uF 3 D5 R5 100 R6 10,1% C9 Ta 1uF D6 圖 3.5 電 源 電 路 設 計 圖 3. 惠 斯 頓 電 橋 惠 斯 頓 電 橋 (Wheatstone Bridge) 可 分 為 定 電 流 與 定 電 壓 兩 種 方 式 做 輸 入 訊 - 3 -

號, 其 優 缺 點 比 較 如 下 表 3.1 優 點 缺 點 表 3.1 定 電 流 式 與 定 電 壓 式 惠 斯 頓 電 橋 比 較 表 定 電 流 式 惠 斯 頓 電 橋 定 電 壓 式 惠 斯 頓 電 橋 改 善 電 路 的 靈 敏 度 及 消 除 非 線 定 電 壓 源 容 易 製 作, 且 可 以 製 作 交 性 效 應 流 輸 入 避 免 電 路 極 化 定 電 流 之 電 流 源 並 不 容 易 製 靈 敏 度 與 非 線 性 效 應 較 定 電 流 式 作, 所 需 成 本 高 差 由 此 表 可 知, 選 用 定 電 壓 式 的 惠 斯 頓 電 橋 有 著 非 線 性 效 應 與 靈 敏 度 的 問 題, 但 是 其 數 值 都 在 可 接 受 的 範 圍, 因 此 選 用 定 電 壓 式 的 惠 斯 頓 電 橋 以 下 是 定 電 壓 式 惠 斯 頓 電 橋 之 推 導 : B R1+ R1 R A C Eo R4- R4 D R3 Ei 圖 3.6 定 電 壓 式 惠 斯 頓 電 橋 電 橋 之 輸 出 電 壓 壓 分 壓 器 而 決 定 出 E o E o 如 圖 3.6 所 示, 可 將 電 橋 的 頂 端 及 底 端 零 件 視 為 個 別 的 電 因 此 電 橋 之 輸 出 電 壓 E o 為 E E R = (a) 1 AB E i R1 + R R = (b) 4 AD E i R3 + R4-4 -

E o = E = E E (c) BD AB AD 方 程 式 (a),(b) 代 入 (c) 可 得 方 程 式 (3.1) 可 之 最 初 的 輸 出 電 壓 將 消 失 ( 即 E o R1R3 RR4 = E (3.1) i ( R + R )( R + R ) 1 3 E o 1R3 RR4 4 =0) 如 果 R = (3.) 當 滿 足 方 程 式 (3.) 時, 電 橋 即 達 到 了 一 般 所 稱 的 平 衡 電 橋 能 達 成 平 衡 的 能 力 ( 設 定 使 E =0) 為 一 重 要 的 優 點, 因 為 從 零 電 壓 基 準 上 較 以 E 為 基 準 更 容 易 測 量 小 數 o 值 之 Δ ( E 可 能 較 ΔE 大 1000 倍 以 上 ) E o o o R1 R R3 4 假 設 電 橋 中 的 為 實 際 電 路 相 對 位 置 之 應 變 計, 而 及 R 為 固 定 電 阻 或 是 溫 度 補 償 用 之 應 變 計, 當 應 變 計 因 受 到 外 力 而 改 變 電 阻 值 時, 假 設 電 阻 值 R R3 及 R4 分 別 變 換 成 了 R 1+ Δ R1 R R1 式 (3.1) 及 新 的 電 阻 值 中 可 得 電 壓 差 Δ E o = R3 及 R4 R4 o Δ ( R1+ΔR1) R3 R( R4 ΔR4) ( R +Δ R ) + R R + ( R ΔR ), 因 此 可 以 從 方 程 Ei (3.3) 1 1 3 4 4 經 過 會 斯 頓 電 橋 將 電 阻 變 化 轉 換 為 電 壓 變 化 後, 將 可 利 用 B D 兩 點 的 訊 號 做 後 續 處 理 由 於 平 台 的 材 質 是 鋼 材, 其 桿 件 形 變 量 並 不 是 非 常 大, 甚 至 可 能 用 肉 眼 根 本 看 不 出 有 所 形 變, 但 事 實 上, 桿 件 還 是 因 為 待 測 者 在 平 台 上 重 心 的 晃 動, 使 得 桿 件 表 面 有 拉 伸 或 壓 縮 的 形 變, 這 些 形 變 透 過 應 變 計 搭 配 惠 斯 頓 電 橋 的 傳 達, 可 以 得 到 約 µv~mv 的 電 壓 差 值, 但 在 這 其 中 必 須 注 意 自 熱 效 應 (self-heating) 溫 度 補 償 以 及 電 橋 平 衡, 因 為 溫 度 的 變 化 以 及 電 阻 微 小 的 誤 差 將 導 致 惠 斯 頓 電 橋 在 初 始 狀 態 就 無 法 平 衡 系 統 上 所 用 規 格 屬 於 金 屬 線 式 10Ω 的 應 變 計, 若 電 路 設 計 上 讓 應 變 計 流 過 過 多 的 電 流, 使 應 變 計 超 過 其 功 率 密 度 P D ( 應 變 計 的 功 率 / 應 變 計 黏 貼 物 體 的 面 積 ), 那 麼 將 產 生 自 熱 效 應 為 了 避 免 自 熱 效 應, 根 據 下 表 3. 的 建 議, 選 擇 適 當 的 電 流 源 或 是 電 壓 源 將 其 功 率 密 度 調 整 在 0.003 W/cm -0.008 W/cm 之 間 - 5 -

表 3. 推 薦 的 功 率 密 度 [8] 功 率 密 度 P D (W/cm ) 貼 於 應 變 計 之 材 質 0.008-0.016 重 的 鋁 或 銅 條 0.003-0.008 重 的 鋼 條 0.0015-0.003 薄 的 鋼 條 0.0003-0.0008 光 纖 玻 璃 陶 瓷 0.00003-0.00008 未 充 滿 之 塑 膠 至 於 溫 度 補 償 的 做 法, 是 將 一 片 與 用 來 量 測 訊 號 相 同 的 應 變 計, 貼 於 同 一 個 待 測 物 但 不 發 生 應 變 或 是 應 變 最 小 的 表 面 上, 並 搭 配 惠 斯 頓 電 作 溫 度 補 償, 如 下 圖 3.7 原 理 是 因 為 應 變 計 與 搭 配 惠 斯 頓 電 橋 的 電 阻 材 質 不 同, 電 阻 係 數 對 溫 度 的 變 化 關 係 也 不 同, 若 將 溫 度 補 償 的 應 變 計 換 為 普 通 電 阻, 當 環 境 溫 度 有 所 變 化 時, 將 造 成 電 橋 發 生 不 平 衡 的 現 象, 利 用 此 方 法 可 有 效 降 低 訊 號 之 誤 差 值 在 實 際 系 統 電 路 上, 將 以 溫 度 補 償 用 之 應 變 計, 以 相 對 位 置 之 感 測 用 應 變 計 做 取 代, 此 做 法 不 但 依 然 有 溫 度 補 償 之 效 果, 且 可 以 以 一 組 惠 斯 頓 電 橋 電 路 量 測 一 方 向 軸 之 訊 號 而 惠 斯 頓 電 橋 所 搭 配 的 電 阻 在 製 造 上 也 會 有 誤 差, 為 了 不 讓 此 誤 差 影 響 電 橋 平 衡, 其 中 一 個 電 阻 改 為 可 變 電 阻 作 微 調, 使 電 橋 歸 零, 如 下 圖 3.8 SENSOR SENSOR SENSOR 圖 3.7 溫 度 補 償 - 6 -

R1 Sensor R Eo Sensor R4 R3 Ei 圖 3.8 溫 度 補 償 與 電 橋 平 衡 電 路 3.3 第 一 級 放 大 - 儀 表 放 大 器 如 同 上 一 節 所 說 的, 經 惠 斯 頓 電 橋 量 得 的 訊 號 可 能 是 µv~mv 的 電 壓 差 值, 因 此 在 惠 斯 頓 電 橋 後, 先 以 由 µa741 所 組 成 的 儀 表 放 大 器 放 大 訊 號 100 倍, 使 訊 號 容 易 處 理, 如 圖 3.9 一 般 用 於 生 醫 訊 號 的 訊 號 放 大 通 常 使 用 儀 表 放 大 器, 儀 表 放 大 器 其 實 是 由 差 動 放 大 器 修 改 後 的 電 路, 它 在 原 差 動 放 大 器 正 負 輸 入 端 各 加 了 一 個 修 改 型 電 壓 隨 耦 器, 使 它 有 以 下 優 點 : 1. 只 需 要 由 一 個 電 阻 就 可 以 調 變 增 益 值. 有 極 高 的 輸 入 阻 抗 3. 有 較 高 的 共 模 互 斥 比 (Common-Mode Rejection Ratio,CMRR) 因 此 選 用 儀 表 放 大 器 作 為 第 一 級 訊 號 放 大 器 如 圖 3.9, 可 以 推 導 出 其 放 大 倍 率 為 V R R 3 1 O = 1+ V 1 R R ( ) V =100 在 實 際 電 路 上, 為 了 讓 訊 號 不 受 到 外 在 雜 訊 干 擾 而 產 生 的 訊 號 漂 移, 因 此 在 訊 號 兩 個 輸 入 端 都 各 加 上 了 一 個 4.7µF 之 電 容, 降 低 雜 訊 干 擾 的 影 響 - 7 -

圖 3.9 儀 表 放 大 器,Gain=100 3.4 電 壓 補 償 電 路 經 過 第 一 級 放 大 後, 此 時 訊 號 將 提 升 至 mv 等 級, 但 是 在 放 大 訊 號 的 同 時, 電 橋 因 為 不 平 衡 所 產 生 的 誤 差 電 壓 差 值 也 相 對 的 被 放 大, 雖 然 在 惠 斯 頓 電 橋 上 已 經 做 了 電 橋 平 衡 的 機 制, 利 用 示 波 器 校 正 時 也 確 實 的 歸 零, 但 事 實 上 電 橋 電 路 還 是 有 電 橋 不 平 衡 的 情 況, 因 此 在 第 一 級 儀 表 放 大 電 路 後, 設 計 了 一 個 加 法 電 路 作 為 最 後 誤 差 電 壓 的 補 償, 如 圖 3.10 此 電 路 設 計 可 以 設 計 在 第 一 級 放 大 與 第 二 級 放 大 之 後, 但 將 此 電 路 運 用 在 第 一 級 放 大 之 後 有 著 兩 個 優 點 : 1. 經 過 第 一 級 的 儀 表 放 大 之 後, 共 模 雜 訊 降 低, 訊 號 接 近 真 實 訊 號. 若 將 此 誤 差 電 壓 補 償 放 在 第 二 級 放 大, 很 有 可 能 在 量 測 訊 號 時, 訊 號 超 過 OP 的 飽 和 電 壓, 使 訊 號 失 真, 因 此 將 此 電 路 設 計 在 只 放 大 100 倍 的 第 一 級 放 大 電 路 之 後 - 8 -

R5=10kΩ R6=10kΩ Vcc Vcc Vcc R1=1MΩ R=10kΩ R3=10kΩ Vo -Vcc -Vcc Vi R4=10kΩ -Vcc 圖 3.10 電 壓 補 償 電 路 - 加 法 電 路 3.5 第 二 級 放 大 -AD60 經 過 上 敘 之 電 路 處 理 後, 將 再 次 以 儀 表 放 大 器 作 為 最 後 一 級 的 放 大, 此 時 選 擇 由 ANALOG DEVICE 所 設 計 之 模 組 化 儀 表 放 大 器 AD60, 圖 3.11 AD60 是 一 顆 便 宜 且 低 耗 電 的 儀 表 放 大 器, 其 增 益 值 只 需 要 由 一 個 可 變 電 阻 R G =50kΩ~50Ω 作 調 整 即 可, 範 圍 從 1~1000 倍,CMRR=93dB, 適 合 作 生 醫 訊 號 之 處 理 因 為 以 上 的 優 點, 選 擇 AD60 做 為 最 後 一 級 的 放 大 器, 而 選 用 可 調 增 益 之 放 大 器, 目 的 是 為 了 未 來 平 台 完 成 時, 可 以 依 照 受 測 者 的 體 重 來 調 整 訊 號 應 放 大 的 倍 率, 使 量 測 之 數 據 更 具 參 考 價 值, 讓 醫 生 做 出 正 確 的 診 斷 圖 3.11 AD60 接 腳 圖 電 路 設 計 方 式 是 將 +X 方 向 之 訊 號 接 至 AD60 的 +IN;-X 方 向 之 訊 號 接 至 AD60-9 -

的 -IN, 將 訊 號 作 差 值 放 大, 此 時 就 可 以 依 據 AD60 的 輸 出 電 壓 值 來 判 斷 平 台 的 偏 向, 當 輸 出 電 壓 值 為 正 值 時 為 +X 方 向 ; 當 輸 出 電 壓 值 為 負 值 時 為 -X 方 向, 此 時 就 完 成 了 X 方 向 之 電 路, 圖 3.1 就 是 完 整 的 X 方 向 電 路 設 計 圖 而 Y 方 向 之 訊 號 也 是 以 相 同 的 原 理 所 製 作 的 ( 佈 線 圖 見 附 錄 Ⅰ) - 30 -

3 1Vdc -1Vdc 8 6 5 4 7 1 U1 LM741CN R1 10 R1 5.1K R6 47 3-1Vdc 1Vdc R4 R5 10K R7 1Vdc 10K 8 R8 6 5-1Vdc 3K 3K R3 R9 100K 100K 1Vdc 1Vdc U3 U4 LM741CN LM741CN 8-1Vdc -1Vdc 4 7 3 1 5 6 8 7 4 1 U LM741CN U5 LM741CN 3 8 7 6 5 4 7 1 3 1 6 5 4 1Vdc R0 R15 1M 10K -1Vdc 3 1Vdc -1Vdc 8 6 5 R18 10K P1 COAX P3 COAX P5 COAX R17 10K P COAX 4 7 1 U9 LM741CN R14 10K R16 10K 3 1Vdc -1Vdc 8 6 5 4 7 R1 10K 1 R11 10K U8 LM741CN R13 7K C5 Ta 4.7uF 3 1Vdc -1Vdc 8 6 5 4 7 1 U6 LM741CN P4 COAX R19 50K 1 3 5 1Vdc R10 47 U10 AD60AN 8 6 4 7 R 10 3 1Vdc -1Vdc U7 LM741CN 8 6 5 J3 1 P TERMINAL BLOCK -1Vdc 4 7 J1 1 3 1Vdc GND -1Vdc 3P TERMINAL BLOCK J 1 5Vdc GND P TERMIN AL B LOCK OffSheet C1 Ta 3.3uF C3 Ta 3.3uF 1 C Ta 4.7uF C4 Ta 4.7uF OffSheet 圖 3.1 完 整 X 方 向 硬 體 電 路 設 計 圖 - 31 -

3.6 電 腦 傳 輸 介 面 設 計 在 整 個 研 究 中, 最 終 的 目 的 就 是 將 訊 號 能 夠 真 實 的 呈 現 在 電 腦 上, 給 診 斷 者 做 判 斷 受 測 者 之 平 衡 情 況, 但 是 在 這 之 前 所 做 的 訊 號 處 理 都 是 所 謂 的 類 比 訊 號 (Analog Signal), 而 若 要 讓 訊 號 能 夠 在 電 腦 呈 現, 必 須 將 類 比 訊 號 轉 換 成 數 位 訊 號 (Digital Signal), 經 過 單 晶 片 AT89C51, 透 過 RS-3 界 面 傳 入 電 腦 中 又 此 系 統 有 X 方 向 與 Y 方 向 兩 組 訊 號, 因 此 在 A/D Converter 之 前 先 加 個 多 工 器, 以 便 處 理 兩 個 訊 號 3.6.1 多 工 器 (Multiplexers) 經 過 前 面 訊 號 的 處 理, 預 計 得 到 X 方 向 與 Y 方 向 的 訊 號 各 ±5V, 但 是 在 類 比 轉 數 位 的 過 程 中, 為 了 製 作 上 的 方 便, 選 用 +5V 作 為 電 源 供 應, 限 制 了 類 比 電 壓 範 圍 為 0~5V, 因 此, 們 將 要 在 電 路 上 作 適 當 當 處 理, 如 圖 3.13 VCC 10kΩ Vin_x 10kΩ X 方 向 _0X 405 Xout Vin_y 10kΩ 10kΩ Y 方 向 _1X 圖 3.13 將 ±5V 輸 入 電 壓 轉 換 為 0~5V 之 設 計 選 用 的 多 工 器 (Multiplexers) 為 CD405B, 圖 3.14, 它 是 一 個 兩 組 四 輸 入 的 CMOS 類 比 多 工 器, 由 A B 兩 腳 來 控 制 所 要 開 的 Channel, 在 此 系 統 中 利 用 AT89C5 來 控 制 此 多 工 器 的 A 腳 B 腳 接 地, 使 訊 號 可 按 照 所 需 要 的 時 間 開 關 - 3 -

圖 3.14 多 工 器 CD405B 3.6. A/D Converter 因 為 受 電 腦 技 術 發 展 的 影 響, 及 數 位 信 號 處 理 技 術 之 應 用 範 圍 大 增 當 感 測 器 把 物 理 量 轉 換 成 類 比 電 壓 或 電 流 信 號 時, 必 須 透 過 A/D Converter 將 類 比 訊 號 轉 換 成 數 位 訊 號, 再 將 轉 換 後 之 數 位 訊 號 送 給 微 處 理 機 做 運 算 由 於 本 系 統 是 將 X 軸 Y 軸 之 數 位 訊 號 經 由 RS3 介 面 傳 入 電 腦, 並 藉 由 程 式 判 斷, 進 而 去 實 現 重 心 軌 跡 的 呈 現, 由 於 重 心 的 改 變 是 連 續 不 斷 的 行 為, 為 了 螢 幕 顯 示 一 連 續 不 斷 之 影 像, 故 在 設 計 介 面 時 需 考 慮 到 人 類 視 覺 暫 留 之 問 題, 因 此 本 套 系 統 最 終 需 表 現 出 每 秒 約 5~30 次 之 更 新 速 度, 本 文 在 此 選 用 ADC 0801 這 顆 IC, 如 圖 3.15, 其 特 性 如 下 : 1. 解 析 度 為 8 bits. ADC0801 允 許 之 時 脈 頻 率 範 圍 100kHz~1460kHz 3. 參 考 電 壓 為.5V, 即 V ref =.5V 4. 工 作 電 壓 為 +5V, 即 V cc =+5V 5. 輸 出 為 三 態 結 構, 可 以 直 接 和 一 般 的 微 處 理 機 (8051,8083,6800,8096) 直 接 在 一 起, 成 為 它 們 的 I/O 裝 置 - 33 -

圖 3.15 A/DC 0801 因 為 ADC 0801 所 允 許 的 時 脈 頻 率 100kHz~1460kHz, 又 該 時 脈 頻 率 將 影 響 到 A/D 轉 換 的 速 度, 一 般 設 計 上 是 利 用 RC 電 路 與 其 內 部 電 路 產 生 共 振 頻 率, 其 關 係 式 如 式 (3.4) 所 示 : f CLK 選 擇 R =10 kω C =150 pf, 由 此 可 得 到 fclk 1 = (3.4) 1.1RC 640kHz, 而 ADC 0801 將 類 比 電 壓 轉 換 成 數 位 電 壓 值, 大 約 需 經 過 70 個 時 脈, 所 以 其 轉 換 時 間 約 為 100μs, 故 約 可 估 計 每 秒 大 約 可 以 成 功 轉 換 至 少 一 萬 筆 類 比 電 壓, 也 就 是 說 在 本 系 統 中 每 秒 鐘 可 以 獲 得 五 千 筆 所 需 之 X 軸,Y 軸 數 位 電 壓 差 值, 因 此 ADC 0801 其 轉 換 時 間 之 特 性 可 符 合 此 系 統 之 要 求 圖 3.16 3.17 為 A/DC 0801 的 時 序 圖, 欲 使 A/DC 0801 進 行 A/D 轉 換, 因 此 需 先 對 A/DC 0801 的 WR 給 予 一 個 負 縁 觸 發, 在 此 時 不 論 INTR 為 低 準 位 (Low) 或 高 準 位 (High), INTR 都 將 轉 換 成 高 準 位 (High), 此 時 V+ 接 腳 之 類 比 電 壓 將 會 轉 換 成 相 對 的 數 位 訊 號, 而 當 轉 換 工 作 完 成 時,INTR 將 會 從 高 準 位 (High) 轉 換 成 低 準 位 (Low), 此 時 將 RD 由 高 準 位 (High) 轉 換 為 低 準 位 (Low), 數 位 訊 號 會 被 鎖 存 (LOCK) 在 A/DC 0801 的 資 料 線 DB0~DB7, 由 上 述 可 知 A/DC 0801 可 透 過 WR RD INTR 與 外 部 電 路 做 交 握 溝 通, 藉 以 完 成 類 比 對 數 位 轉 換 之 工 作 - 34 -

圖 3.16 A/DC 0801 完 成 轉 換 時 序 圖 3.17 A/DC 0801 輸 出 資 料 時 序 3.6.3 單 晶 片 AT89C51 之 設 計 在 本 研 究 所 設 計 之 電 腦 傳 輸 介 面 中, 微 處 理 器 AT89C51 扮 演 著 相 當 重 要 之 角 色, 可 說 是 整 套 電 腦 傳 輸 介 面 之 控 制 中 心, 除 了 將 訊 號 由 並 列 輸 入 轉 成 串 列 輸 出 之 外, 另 外 也 負 責 和 ADC 0801 做 交 握 溝 通 及 透 過 多 工 器 選 擇 X 軸 Y 軸 之 電 壓 差 值 類 比 訊 號 並 將 訊 號 加 以 編 碼, 再 透 過 RS3 傳 送 入 電 腦 一 般 的 串 列 通 訊 設 計 必 須 考 量 串 列 介 面 傳 輸 模 式 傳 輸 速 率 等 在 AT89C51 內 部 含 有 一 組 全 雙 工 的 串 列 傳 輸 介 面 可 透 過 AT89C51 內 部 的 串 列 資 料 傳 送 及 接 收 暫 存 器 SBUF 來 處 理, 只 要 設 定 好 通 訊 協 定 的 模 式 後, 便 可 以 將 存 在 暫 存 器 的 資 料, 經 由 接 腳 TXD 以 串 列 方 式 傳 送 出 去 AT89C51 的 串 列 傳 輸 模 式 共 可 以 分 為 四 種 : 模 式 0 模 式 1 模 式 模 式 - 35 -

3, 是 由 SCON( 串 列 埠 控 制 狀 態 暫 存 器 ) 所 控 制 規 劃 的 本 系 統 所 採 用 的 模 式 為 : 模 式 1,8bit UART, 可 變 鮑 率 (bps), 非 同 步 的 傳 輸 方 式, 由 TXD 接 腳 傳 送 資 料, RXD 接 腳 接 收 資 料, 鮑 率 9600bps 而 AT89C51 除 了 將 訊 號 由 並 列 輸 入 轉 成 符 合 串 列 通 訊 的 要 求 之 外, 另 外 可 將 ADC 0801 所 接 收 之 X 軸 及 Y 軸 電 壓 差 值 之 數 位 訊 號 加 以 編 碼, 由 於 RS3 為 一 串 列 通 訊 之 介 面, 經 由 此 傳 輸 介 面 可 得 到 一 連 續 不 斷 之 串 列 訊 號, 可 以 發 現 經 由 此 一 連 續 不 斷 之 串 列 通 訊 訊 號, 無 法 將 之 分 辨 出 是 X 軸 或 Y 軸 之 電 壓 差 值 數 位 訊 號, 因 此 必 須 規 定 出 一 套 通 訊 協 定, 使 得 在 這 一 連 串 連 續 不 斷 之 數 位 訊 號 中, 分 辨 出 X 軸 或 Y 軸 之 電 壓 差 值 數 位 訊 號, 如 圖 3.18, 以 三 個 位 元 組 為 一 組 資 料, 首 先 設 定 一 起 始 位 元 組, 而 第 二 筆 第 三 筆 資 料 分 別 為 X 軸 及 Y 軸, 在 將 此 一 組 資 料 傳 輸 進 入 電 腦 後, 可 利 用 此 一 起 始 位 元 組 透 過 程 式 的 判 斷, 加 以 分 別 出 是 X 軸 或 Y 軸 之 電 壓 差 值 數 位 訊 號 起 始 位 元 組 X 軸 方 向 訊 號 Y 軸 方 向 訊 號 圖 3.18 人 體 靜 態 平 衡 功 能 之 測 試 平 台 系 統 通 訊 協 定 而 整 個 AT89C51 之 工 作 流 程 圖, 如 圖 3.19 所 示, 一 開 始 執 行 程 式 時, 先 設 定 AT89C51 內 部 的 串 列 資 料 傳 送 及 接 收 暫 存 器 SBUF 之 工 作 模 式, 並 設 定 RS3 傳 輸 之 共 同 通 訊 參 數, 在 此 所 設 定 之 工 作 模 式 為 模 式 一, 其 通 訊 參 數 為 傳 輸 速 度 為 9600bps 停 止 位 元 及 起 使 位 元 皆 為 1 bit 且 不 使 用 同 位 元 檢 查, 在 完 成 設 定 AT89C51 之 工 作 模 式 及 共 同 之 通 訊 參 數 後, 先 利 用 AT89C51 中 P1. 控 制 多 工 器 A 角 之 開 關, 再 利 用 P1.5 P1.6 1.7 分 別 控 制 A/DC0801 之 INTR WR RD, 作 交 握 溝 通, 在 此 採 用 輪 詢 法 (Polling) 來 確 定 ADC 0801 是 否 已 經 將 X 軸 Y 軸 差 值 電 壓 之 類 比 訊 號 將 之 轉 成 數 位 訊 號, 若 類 比 訊 號 已 經 完 全 轉 換 成 數 位 訊 號, 待 類 比 訊 號 成 的 轉 換 成 數 位 訊 號 後, 此 時 可 透 過 AT89C51 之 Port 來 將 X 軸 Y 軸 差 值 電 壓 之 數 位 訊 號 存 入 AT89C51 之 內 部 暫 存 器, 並 將 之 編 碼 轉 換 為 之 人 - 36 -

體 靜 態 平 衡 功 能 之 測 試 平 台 系 統 通 訊 協 定 ( 組 合 語 言 見 附 錄 Ⅱ) 開 始 設 定 鮑 率 設 定 串 列 模 式 P1.=0 開 多 工 器 X 方 向 訊 號 啟 動 A/DC 轉 換 完 成 No Yes 資 料 存 入 R1 P1.=1 開 多 工 器 Y 方 向 訊 號 啟 動 A/DC 轉 換 完 成 No Yes 資 料 存 入 R 編 碼 並 傳 送 圖 3.19 AT89C51 控 制 流 程 圖 - 37 -

3.6.4 微 處 理 機 與 RS-3 信 號 準 位 之 轉 換 由 於 RS-3 電 腦 傳 輸 介 面 之 控 制 電 路, 主 要 是 由 AT89C51 和 外 部 做 訊 號 的 交 握, 而 A T89C51 是 利 用 RXD 接 腳 接 收 外 面 送 進 來 的 信 號, 並 利 用 TXD 接 腳 將 串 列 資 料 傳 送 到 外 面, 又 因 RXD TXD 的 電 壓 信 號 其 高 準 位 (High) 為 +5V, 其 低 準 位 (Low) 為 0V, 可 是 人 體 靜 態 平 衡 功 能 之 測 試 平 台 系 統 及 電 腦 之 間 訊 號 的 傳 輸 是 利 用 RS-3 傳 輸 介 面 但 是 由 於 RS3 的 輸 出 信 號 準 位 範 圍, 如 圖 3.0 所 示, 其 高 準 位 (High) 為 正 電 壓 (+3V~+15V), 其 低 準 位 為 負 電 壓 (-3V~-15V), 由 於 AT89C51 及 RS-3 傳 輸 介 面 電 壓 信 號 準 位 之 不 同, 因 此 選 擇 一 顆 信 號 轉 換 的 IC, 編 號 MAX3, 用 以 完 成 TTL/CMOS 及 RS-3 傳 輸 介 面 電 壓 信 號 準 位 轉 換 之 IC, 其 特 性 如 下 : 1. 5V 之 單 電 源 之 工 作 電 壓, 內 部 之 電 壓 轉 換 器 可 把 +5V 之 電 源 轉 換 成 +10V 及 -10V 的 電 源. 兩 組 發 射 器 (T1 T) 及 兩 組 接 收 器 (R1 R) 3. 發 射 器 輸 入 端 具 有 400kΩ 之 上 拉 電 阻 4. 接 收 器 輸 出 端 具 有 5kΩ 之 下 拉 電 阻 容 忍 雜 訊 範 圍 NM H 容 忍 雜 訊 範 圍 NM L +5V +3V -3V -5V 模 糊 區 +15V -15V 圖 3.0 RS-3 電 位 準 位 圖 經 過 完 整 的 設 計 之 後, 可 以 得 到 如 圖 3.1 之 完 整 人 體 靜 態 平 衡 功 能 之 測 試 平 台 系 統 電 腦 傳 輸 介 面 ( 佈 線 圖 見 附 錄 Ⅰ) - 38 -

1 3 4 5 11 10 13 8 15 T1IN TIN R1IN RIN GND MAX3N VCC U5 C1+ C1- C+ C- VS+ VS- T1OUT TOUT R1OUT ROUT 16 6 14 1 7 9 0 VSS VCC 40 C1 10uF,16V C6 Ceramic C7 Ceramic 30pF 30pF Y1 XTAL 11.059 MHz 31 19 18 9 1 13 14 15 1 3 4 5 6 7 8 EA/VP XTAL1 XTAL RESET P3.(INT0) P3.3(INT1) P3.4(T0) P3.5(T1) P1.0 P1.1 P1. P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 P0.0(AD0) P0.1(AD1) P0.(AD) P0.3(AD3) P0.4(AD4) P0.5(AD5) P0.6(AD6) P0.7(AD7) P.0(A8) P.1(A9) P.(A10) P.3(A11) P.4(A1) P.5(A13) P.6(A14) P.7(A15) P3.7(RD) P3.6(WR) PSEN ALE/P P3.1(TXD) P3.0(RXD) 39 38 37 36 35 34 33 3 1 3 4 5 6 7 8 17 16 9 30 11 10 U 89C51-DIP 1 X Y X Y X Y R R3 J3 1 GND 5Vdc P TERMINAL BLOCK 5Vdc R1 10K 6 10 9 10K 10K 5Vdc R4 10K 1 14 15 11 1 5 4 8 U4 EN A B X0 X1 X X3 Y0 Y1 Y Y3 GND CD405BCN VCC X Y VEE S SW-PB 5Vdc 16 13 3 7 C8 Ceramic 150pF R5 10K 5Vdc C10 Ta 1uF 0 U3 VCC R6 10K 19 4 CLK R CLK IN 5Vdc 9 6 7 VIN+ VIN - VREF/ R7.K R8.K ADC0801LCN C9 Ceramic 0.1uF CS RD WR INTR DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB DB1 DB0 AGND DGND 1 3 5 11 1 13 14 15 16 17 18 8 10 P.7 P.6 P.5 P.4 P.3 P. P.1 P.0 P.[0..7] 5Vdc P.0 P.1 P. P.3 P.4 P.5 P.6 P.7 C 1uF,16V C5 1uF,16V 5Vdc 5Vdc C4 1uF,16V 1 6 7 3 8 4 9 5 C3 1uF,16V J 11 10 D Connector 9 圖 3.1 完 整 人 體 靜 態 平 衡 功 能 之 測 試 平 台 系 統 電 腦 傳 輸 介 面 - 39 -

第 四 章 實 驗 結 果 與 討 論 4.1 實 驗 設 計 目 前 此 系 統 從 感 測 電 路 訊 號 處 理 類 比 訊 號 轉 數 位 訊 號 都 已 經 測 試 完 成 並 串 聯 起 來, 但 是 此 系 統 之 平 台 卻 因 委 外 製 造 而 尚 未 完 成 因 此 在 專 題 目 標 上 將 以 另 一 種 方 式 做 類 似 實 際 情 況 的 模 擬, 已 確 立 目 前 研 究 方 向 是 正 確 的 此 外, 此 研 究 並 非 平 台 貼 上 感 測 器 後 就 可 量 測 人 體 重 心, 必 須 經 過 長 時 間 的 調 整 測 試 建 表 後 才 能 正 確 且 客 觀 的 得 到 醫 療 用 的 相 關 數 據, 所 以 此 研 究 將 以 以 下 的 實 驗 方 法 作 為 電 路 的 測 試 : 1. 選 用 一 個 長 約 0 公 分 直 徑 約 1.5 公 分 之 壓 克 力 圓 柱 作 為 測 試 之 中 心 桿 件, 如 圖 4.1. 將 此 壓 克 力 圓 柱 的 底 部 做 黏 貼 應 變 計 的 初 步 處 理 ( 四 面 磨 平 應 變 計 黏 貼 定 位 標 記 等 等 ), 如 圖 4. 3. 以 正 確 的 應 變 計 黏 貼 步 驟, 將 分 別 代 表 四 個 方 位 的 四 片 應 變 計 牢 固 的 黏 貼 於 壓 克 力 圓 柱 上, 如 圖 4.3 4. 將 中 心 桿 件 固 定 於 一 訂 做 之 壓 克 力 材 質 底 座, 完 成 接 線 並 接 上 所 設 計 之 電 路 上, 完 成 整 個 模 擬 系 統, 如 圖 4.4-40 -

圖 4.1 壓 克 力 之 中 心 桿 圖 4. 初 步 處 理 之 中 心 桿 件 - 41 -

圖 4.3 完 成 四 片 應 變 計 之 黏 貼 圖 4.4 完 整 平 衡 功 能 模 擬 量 測 系 統 完 成 上 敘 四 個 步 驟 後, 將 量 測 電 路 的 X Y 方 向 的 放 大 倍 率 都 調 整 為 相 同 的 44000 倍 ( 第 一 級 110 倍 ; 第 二 級 400 倍 ), 並 調 整 精 密 可 變 電 阻 完 成 電 橋 的 歸 零, 將 示 波 器 切 換 至 李 沙 育 圖 形 (Lissajous Pattern), 如 圖 4.4, 此 時 平 衡 儀 未 受 到 外 力, 因 此 測 試 發 現 此 時 平 台 的 原 始 重 心 在 示 波 器 上 的 原 點 - 4 -

4. 實 際 結 果 完 成 上 敘 安 裝 步 驟 後, 將 設 計 以 下 實 驗 作 為 系 統 量 測 之 測 試 : 1. 利 用 一 瓶 重 量 為 600 公 克 之 寶 特 瓶 做 為 模 型 平 台 之 負 載, 相 當 於 實 際 平 台 之 受 測 者. 將 負 載 放 置 於 模 型 平 台 +X -X +Y -Y 方 向 之 最 邊 緣 處, 並 觀 察 其 示 波 器 的 訊 號 位 置 與 大 小 經 過 此 實 驗 之 測 試, 結 果 如 圖 4.5 圖 4.6 圖 4.7 圖 4.8 可 以 觀 察 到 示 波 器 在 -X 與 +Y 方 向 訊 號 較 為 相 近 有 約 6V 的 電 壓 變 化, 而 +X 與 -Y 較 為 相 近 有 約 4V 的 電 壓 變 化, 會 發 生 此 現 象 有 可 能 是 以 下 幾 點 原 因 : 1. 應 變 計 於 黏 貼 時 產 生 了 誤 差. 負 載 放 置 位 置 的 不 一 致, 所 產 生 些 許 的 誤 差 3. 中 心 軸 於 黏 貼 應 變 計 處, 因 磨 平 時 不 對 稱 產 生 的 誤 差 第 二 誤 差 可 以 利 用 在 平 台 上 製 作 刻 度 掛 勾, 使 負 載 正 確 的 掛 置 於 平 台 上, 而 第 三 個 誤 差 則 可 在 模 型 製 程 中 以 一 體 成 型 的 方 式 製 造, 但 價 格 昂 貴 而 第 一 個 誤 差 實 在 是 難 以 於 製 作 過 程 中 完 全 避 免, 但 在 此 研 究 後 段 卻 可 以 利 用 電 腦 軟 體 對 訊 後 做 最 後 的 校 正 與 分 析, 因 此 在 硬 體 電 路 上 並 不 需 要 再 做 任 何 的 修 正 或 改 良 圖 4.5 +X 方 向 重 心 移 動 軌 跡 - 43 -

圖 4.6 -X 方 向 重 心 移 動 軌 跡 圖 4.7 +Y 方 向 重 心 移 動 軌 跡 - 44 -

圖 4.8 -Y 方 向 重 心 移 動 軌 跡 - 45 -

第 五 章 結 論 與 未 來 展 望 5.1 結 論 本 文 主 要 有 兩 個 部 分 被 實 現 : 首 先 是 整 個 感 測 平 台 的 設 計 方 向 是 正 確 的 在 整 個 專 題 研 究 中, 一 直 以 低 成 本 高 靈 敏 度 作 為 此 專 題 設 計 的 目 標, 而 經 過 平 台 模 型 與 實 驗 的 測 試 之 後, 可 以 發 現 在 測 試 平 台 的 設 計 概 念 與 選 用 應 變 計 作 為 壓 力 感 測 器 都 是 可 行 且 靈 敏 的, 雖 然 在 量 測 結 果 中 產 生 了 不 小 的 誤 差, 但 是 都 可 以 利 用 後 續 的 軟 體 做 最 後 的 修 正, 而 在 成 本 方 面, 也 因 為 只 用 了 最 基 礎 的 應 變 計 作 為 感 測 器, 所 以 也 達 成 了 低 成 本 的 目 標 另 一 個 被 實 現 的 部 份 則 是 整 個 系 統 的 電 路 設 計 在 此 系 統 中, 最 重 要 的 便 是 此 電 路 的 設 計, 整 個 電 路 設 計 理 念 都 以 最 基 本 的 OP 電 路 作 為 基 礎, 並 以 低 耗 電 與 低 成 本 做 為 設 計 的 考 量, 而 電 路 分 別 將 四 個 方 位 的 壓 力 變 化 轉 換 為 電 壓 訊 號 後, 經 過 濾 波 歸 零 等 等 電 路 後, 得 到 了 最 後 可 用 且 可 信 的 人 體 平 衡 電 壓 訊 號 完 成 了 此 系 統 之 後, 只 需 要 在 連 接 上 搭 配 此 系 統 之 軟 體 介 面, 將 可 以 利 用 電 腦 呈 現 出 受 測 者 所 晃 動 出 來 之 重 心 軌 跡 圖, 而 醫 生 也 只 需 要 利 用 此 圖 就 可 以 快 速 的 為 受 測 者, 作 平 衡 感 好 壞 的 判 定 未 來 希 望 此 系 統 可 以 迅 速 的 研 發 完 成, 並 以 低 廉 的 成 本 與 優 秀 的 性 能 造 福 所 有 的 病 患 5. 未 來 展 望 在 整 個 系 統 完 成 之 後, 仍 然 存 在 許 多 部 分 需 要 修 正 與 改 進 的, 在 此 列 出 幾 點 可 供 改 善 之 建 議 : 1. 電 腦 傳 輸 介 面 改 進 目 前 此 系 統 是 以 RS-3 做 為 電 腦 傳 輸 之 介 面, 並 不 支 援 熱 插 功 能, 相 當 的 不 方 便 因 此 建 議 改 用 目 前 廣 為 使 用 的 USB(Universal Serial Bus) 介 面, 方 便 與 電 腦 做 即 時 的 連 結 - 46 -

. 感 測 器 的 選 用 改 進 由 於 未 來 此 系 統 將 搭 載 於 以 鋼 為 材 質 的 平 台 上 作 感 測, 以 目 前 選 用 的 應 變 計 之 靈 敏 度 可 能 會 有 所 不 足, 未 來 將 選 用 更 適 當 的 應 變 計 與 平 台 搭 配, 使 訊 號 有 較 佳 的 等 級 3. 訊 號 漂 移 的 改 進 此 系 統 在 操 作 過 程 中, 在 無 受 到 外 部 干 擾 時 都 非 常 的 穩 定, 但 是 當 有 外 部 干 擾 時, 訊 號 將 會 有 不 規 則 的 跳 動, 目 前 為 止 只 發 現 電 磁 波 會 影 響 此 系 統 的 穩 定 性, 但 是 遠 離 電 磁 波 的 干 擾 後, 訊 號 還 是 會 發 生 極 少 次 數 的 跳 動 情 況, 希 望 未 來 可 以 找 出 此 干 擾 原 因, 使 系 統 更 為 穩 定 - 47 -

[1] 參 考 文 獻 I.I. Diamantopoulos, E. Clifford, J.P. Birchall, Short-term learning effects of practice during the performance of the tandem Romberg test", Clinical Otola- ryngology and Allied Sciences, Volume 8, Issue 4, pp. 308~313, Aug 003 [] 張 展 陳 俊 宇 楊 珮 君, 人 體 平 衡 功 能 定 量 測 評, 中 國 康 復,1996 [3] Liselott Persson, Mikael Karberg, Mass Magnusson, Effects of different treatment on postural performance in patients with cervical root compression", Journal of Vestibular Research, Vol.6, No.6, pp.439~453, 1996 [4] 單 程 祥, 感 測 器 的 理 論 與 設 計 基 礎 及 其 應 用, 國 防 工 業 出 版 社,1999 [5] Amblard B. Carblance A., Role of foveal and peripheral vision information in maintenance of postural equilibrium in man", Perceptual and Motor skills, pp.3~1,1980 [6] R.A. Speers, A.D. Kuo, F.B. Horak, Contribution of altered sensation and feedback responses to changes in coordination of postural control due to aging ",Gait and Posture, pp.0~30, 000 [7] Mikael Karlberg, Rolf Johansson, Mans Magnusson, Per-Anders Fransson, Dizziness of suspected cervical origin distinguished by posturography assessment of human postural dynamics", Journal of Vestibular Research, Vol.6, No.1, pp.37~47, 1996 [8] D.A.C.M. Commissaris, P.H.J.A Nieuwenhuijzen, S. Overeem, A. de Vos, J.E.J.Duysens, Dynamic posturography using a new movable multidirectional platform driven by gravity ",Journal of Neuroscience Methods, pp.73~84, 00 [9] 陳 宏 謀, 材 料 力 學 觀 念 分 析, 浩 瀚 系 列 叢 書,1993 [10] 陳 宗 基 溫 炯 亮 鄒 忠 全, 應 用 力 學, 高 立 圖 書 股 份 有 限 公 司,1994 [11] S.Uimonen, M.Sorri, K.Laitakari, T.Jamsa, A comparison of three vibratiors in static posturography: the effect of vibration amplitude ", Med. Eng. Phys, Vol.18, No.5, pp.405~409, 1996 [1] Rolf Johansson, Mans Magnusson, Per A. Fransson, Mikael Karlberg, Multi-stimulus multi-response posturography ", Mathematical Biosciences pp. 41~59, 001 [13] Maria Letizia Corradini, Sandro Fioretti, Tommaso Leo, Roberto Piperno, Early recognition of postural disorders in multiple sclerosis through movement analysis:a modeling study, IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Vol.44, No.11, pp.109~1038, November 1997 [14] 康 淵 陳 信 吉,ANSYS 入 門, 全 華 科 技 圖 書 股 份 有 限 公 司,00 [15] Upper Saddler River, NJ, Structural analysis,hibbeler, R. C,TA645.H47,00-48 -

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附 錄 Ⅰ - 50 -

- 51 -

- 5 -

附 錄 Ⅱ ORG 0000H MOV TMOD,#00100000B MOV TH1,#53 MOV TL1,#53 SETB TR1 MOV SCON,#01110000B MOV DPTR,#TABLE MOV SP,#70H MOV R0,#00000001B ;R0=1 ;----------------------- 將 值 讀 入 ----------------------------------------; START: MOV 1H,#00H ;X 高 4 位 元 存 取 位 址 MOV H,#00H ;X 低 4 位 元 存 取 位 址 MOV 3H,#00H ;Y 高 4 位 元 存 取 位 址 MOV 4H,#00H ;Y 低 4 位 元 存 取 位 址 CLR P1. ;P1. 為 多 工 A SETB P1.7 ;RD=1 SETB P1.6 ;READ X1 SIGNAL CLR P1.6 ACALL DELAY1 ; 呼 叫 延 時 副 程 式 SETB P1.6 ACALL DELAY WAIT1: JB P1.5,WAIT1 ; 等 待 INTR 由 1 變 為 0 CLR P1.7 ;RD=0 READ1: MOV R,P ;R= X SIGNAL SETB P1. ;P1. 為 多 工 A SETB P1.7 SETB P1.6 ;READ Y1 SIGNAL CLR P1.6 ACALL DELAY1 ; 呼 叫 延 時 副 程 式 SETB P1.6 ACALL DELAY WAIT: JB P1.5,WAIT CLR P1.7 READ: MOV R3,P ;R3=Y SIGNAL ;----------------------- 將 值 轉 成 ASCII 碼 --------------------------------; CLR A - 53 -

CLR 5H MOV A,R MOV 5H,A SWAP A ANL A,#00001111B MOVC A,@A+DPTR MOV 1H, A MOV A,5H ANL A,#00001111B MOVC A,@A+DPTR MOV H,A CLR A CLR 5H MOV A,R3 MOV 5H,A SWAP A ANL A,#00001111B MOVC A,@A+DPTR MOV 3H,A MOV A,5H ANL A,#00001111B MOVC A,@A+DPTR MOV 4H,A ;----------------------- 將 值 丟 出 ---------------------------------------; LOOP7: CLR TI ; 將 R0 丟 出 ( 辨 識 資 料 ) CLR A MOV A,R0 MOV SBUF, A WAIT7: JNB TI,WAIT7 LOOP8: CLR TI ; 將 1H 丟 出 (X 高 4 位 元 資 料 ) CLR A MOV A,1H MOV SBUF,A WAIT8: JNB TI,WAIT8 LOOP9: CLR TI ; 將 H 丟 出 (X 低 4 位 元 資 料 ) CLR A MOV A,H MOV SBUF,A - 54 -

WAIT9: JNB LOOP10: CLR CLR A TI,WAIT9 TI MOV A, 3H MOV SBUF,A WAIT10: JNB TI,WAIT10 LOOP11: CLR TI CLR A MOV MOV A,4H SBUF,A WAIT11: JNB TI,WAIT11 CLR TI ACALL DELAY3 JMP START ;---------------------------------------- ; 延 遲 副 程 式 時 間 =10us, ( 使 用 1MHz) ; 時 間 =10us*(1/11.059),( 使 用 11.059MHz) ;---------------------------------------- DELAY1: PUSH POP B PUSH POP B RET B B ;---------------------------------------- ; 延 遲 副 程 式 時 間 約 15us ; 因 為 A/DC0801 轉 換 時 間 約 3us ;---------------------------------------- DELAY: PUSH POP B PUSH POP B PUSH POP B PUSH POP B PUSH B B B B B ; 將 3H 丟 出 (Y 高 4 位 元 資 料 ) ; 將 4H 丟 出 (Y 低 4 位 元 資 料 ) - 55 -

POP B RET ;---------------------------------------- ; 延 遲 副 程 式 時 間 約 ms ; 避 免 電 腦 buffer 資 料 過 多 ;---------------------------------------- DELAY3: DL3: CLR 6H MOV 6 H, #30 PUSH POP B PUSH POP B DJNZ RET B B ;---------------------------------------- DB 33H ;3 DB 38H ;8 6H,DL3 ;---------------------------------------- ; 傳 送 到 PC 端 0-F 之 ASCII 碼 TABLE: DB 30H ;0 DB 31H ;1 DB 3H ; DB 34H ;4 DB 35H ;5 DB 36H ;6 DB 37H ;7 DB 39H ;9 DB 41H ;A DB 4H ;B DB 43H ;C DB 44H ;D DB 45H ;E DB 46H ;F ;----------------------------------------- END - 56 -