F4方程式摩托艇比賽電子計時系統(tǒng)的設(shè)計

高 鵬，王 敏

近年來隨著中國經(jīng)濟的騰飛，國民的物質(zhì)生活水平日益提高，水上摩托艇項目，越來越受到民眾的青睞。從一級方程式摩托艇第一次在中國杭州舉辦巡回比賽，到國際摩聯(lián)舉辦的IAC水上極速運動大賽在中國柳州一年一度的舉行，以及2011年我國首個聯(lián)賽賽制水上運動項目－中國摩托艇聯(lián)賽的出臺，是國家體育總局重點打造的中國首個水上機械競速類體育項目，摩托艇運動正在21世紀(jì)的中國風(fēng)靡橫掃，且漸入佳境。但是目前國內(nèi)的摩托艇聯(lián)賽及相關(guān)賽事中，裁判系統(tǒng)仍然停留在人工按動秒表讀取成績的階段，人工秒表由于受到裁判員反應(yīng)差異和實踐經(jīng)驗等主客觀因素的影響，測量精度和可靠性無法保證賽事精準(zhǔn)要求，需要的裁判員數(shù)量眾多，編排成績耗時長等因素，與摩托艇更高更快的理念相距甚遠(yuǎn)，是制約中國摩托艇運動發(fā)展的瓶頸因素之一。為提高中國摩托艇項目在國際賽事中的核心競爭力，國家體育總局水上運動管理中心的領(lǐng)導(dǎo)認(rèn)為，目前是要把電子計時技術(shù)與自動化控制完美滴融合于中國摩托艇項目競賽中的時候了，它已經(jīng)刻不容緩地擺在了我們面前。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，電子計時已經(jīng)應(yīng)用在包括國際上最高級別的F1摩托艇比賽的各種體育賽事中。然而，對于國內(nèi)的摩托艇聯(lián)賽來說，F(xiàn)1摩托艇的電子計時系統(tǒng)過于昂貴，針對以上實際情況，筆者作為親歷此項目比賽的實踐以及與教練員等業(yè)內(nèi)人士的共同探討，設(shè)計了一種以AT89C51單片機為核心的電子計時計圈系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有良好的精確性，能精確區(qū)分成績先后，同時具有實時性，能在賽艇撞線的瞬間通過無線模塊將數(shù)據(jù)傳送至岸上各個參賽隊的主機上并且將成績顯示在液晶屏幕上，使用便捷，價格低廉，對于提高裁判系統(tǒng)的可靠性，精確性，高效性具有極大的現(xiàn)實意義。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，以微控制單元為核心，包括用來計時的芯片部分，實現(xiàn)通信的無線模塊部分，用于判定終點的激光發(fā)射部分，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采樣的傳感器部分，以及用于接收數(shù)據(jù)和傳達指令的岸上主機。系統(tǒng)用激光發(fā)射裝置產(chǎn)生激光，放置在門標(biāo)之間，一旦有賽艇經(jīng)過門標(biāo)，位于賽艇前部的激光傳感器會將激光信號傳達給單片機，單片機隨后根據(jù)算法做出一系列動作，包括給無線模塊發(fā)送數(shù)據(jù)包等。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 核心硬件電路設(shè)計

2.1 基于單片機的無線通訊系統(tǒng)

無線通訊系統(tǒng)以AT89C51單片機為核心，AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲存器的單片機，由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，可以滿足系統(tǒng)要求。采用 SH9902作為無線信號收發(fā)模塊，通過解碼器PT2272L6來實現(xiàn)通信模塊和微控制單元間的信息交流。

圖2 無線通訊系統(tǒng)

圖3 激光傳感器系統(tǒng)

2.2 激光傳感器系統(tǒng)

用裝在F4方程式摩托艇艇前部的激光接收頭來接收來自激光發(fā)射裝置發(fā)射的激光，接收頭1腳經(jīng)過一個RC電路后接高電平，RC電路作用是濾除電源噪聲。3腳接一上拉電阻使輸出信號穩(wěn)定。如果接收頭接收到激光則輸出為低電平，如果接收不到則發(fā)生電平跳變，所有信號通過I/O口反饋給主控單元。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)F4方程式摩托艇的比賽需要，我們設(shè)計有排位賽和競速賽兩個模式。

3.1 排位賽模式

圖4 排位賽模式程序流程圖

鑒于F4方程式摩托艇排位賽的比賽規(guī)則，各條賽艇進入航道進行環(huán)圈，以單圈最好成績進行排位，從而決定決賽起航位置。為此設(shè)計了排位賽模式程序流程圖，當(dāng)賽艇進入排位賽，程序開始運行，當(dāng)微控制單元檢測到激光信號時，說明此時賽艇進入第一圈的環(huán)圈繞標(biāo)，因此自動讓記圈計數(shù)器歸零，計時計數(shù)器啟動開始計時，當(dāng)環(huán)圈完畢，賽艇再次碰撞位于門標(biāo)的激光時，微控制單元檢測到激光信號后，令記圈計數(shù)器加一，并同時停止計時，隨后微控制器將存儲在自己存儲器內(nèi)的賽艇單圈成績數(shù)據(jù)通過無線模塊發(fā)送給位于岸上的上位機，然后程序回到開頭，進入下一圈的計時，最終該艇的所有單圈成績會被發(fā)送到上位機，并有上位機進行最好單圈成績統(tǒng)計，并和其它賽艇的最好單圈成績進行排序，最后自動排序出決賽的起航位置。

3.2 競速賽模式

圖5 競速賽模式程序流程圖

根據(jù)F4方程式摩托艇競速賽的比賽規(guī)則，所有賽艇在規(guī)定的20min時間內(nèi)進行比賽，20min到后再加1圈，最后通過賽艇所跑圈數(shù)和賽艇所用時間來綜合評判比賽成績。當(dāng)賽艇進入競速賽時，程序開始運行，由于賽艇根據(jù)信號一起起航，系統(tǒng)同時給每條賽艇發(fā)一個起航信號，賽艇在接收到起航信號時，同時開始定時20min并開始計時，隨后進入等待循環(huán)，等待判斷時間是否到了20min，沒有到則等待，一旦時間到，每條賽艇的控制單元會將此刻的平均速度通過無線發(fā)送給岸上的上位機，上位機接收到每條艇發(fā)來的數(shù)據(jù)后會進行排序，排出平均速度最高的艇，也就是首艇，并向該艇發(fā)送首艇信號，對于每條賽艇來說，艇上的微控制單元只負(fù)責(zé)檢測是否收到首艇信號，如果本艇收到了首艇信號，那么該艇會檢測激光信號，只要檢測到激光則停止計時，發(fā)送成績，這時上位機會向所有艇發(fā)送比賽停止信號，當(dāng)艇上的單片機檢測到比賽停止信號時，只要檢測到激光就停止計時，也就是說只要艇進入門標(biāo)就停止計時。

4 小結(jié)

經(jīng)過模型試驗，該系統(tǒng)可以基本完成所需要求，裁判人員大大減少，編排效率大幅提升，裁判準(zhǔn)確度和可靠性都有了質(zhì)的飛躍。

［1］譚福耀.短跑比賽計時系統(tǒng)的研究［J］.電子科學(xué)，2008(1).