田徑運(yùn)動(dòng)中的電子起跑系統(tǒng)研制

（陜西財(cái)經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,咸陽,712000）

田徑運(yùn)動(dòng)中的電子起跑系統(tǒng)研制

李健兵

（陜西財(cái)經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,咸陽,712000）

在運(yùn)動(dòng)會比賽中，運(yùn)動(dòng)員的搶跑等現(xiàn)象靠人工來完成，會存在一定的誤差。為了提高運(yùn)動(dòng)會的公平性和準(zhǔn)確性，電子起跑系統(tǒng)越來越受到人們的關(guān)注。在我國，目前一些大型賽事使用的電子起跑設(shè)備都是從國外購買，價(jià)格昂貴，不適合廣泛推廣應(yīng)用。本論文設(shè)計(jì)了電子起跑系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，并進(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)試。

運(yùn)動(dòng)會；電子起跑系統(tǒng)

電子起跑系統(tǒng)也可以稱為電子起跑器，在田徑運(yùn)動(dòng)會的比賽中，可以對徑賽成績實(shí)現(xiàn)精確測量，是電動(dòng)計(jì)時(shí)儀的一種重要的補(bǔ)充。電子起跑系統(tǒng)主要包括電子起跑器、發(fā)令單元、搶跑判決單元和自動(dòng)招回單元等主要部分。在一些大型的賽事中，徑賽短跑項(xiàng)目都比較集中，所以一般配置3套電子起跑系統(tǒng)以滿足比賽的需要。本文主要分析了電子起跑系統(tǒng)的需求，設(shè)計(jì)了電子起跑系統(tǒng)的控制機(jī)柜、電子起跑器和發(fā)令單元，以及系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)，并對系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試。

1 系統(tǒng)需求設(shè)計(jì)

圖1 電子起跑系統(tǒng)示意圖

設(shè)計(jì)電子起跑系統(tǒng)要求其能判別搶跑，如果發(fā)現(xiàn)搶跑的現(xiàn)象能自動(dòng)報(bào)警，招回運(yùn)動(dòng)員，為了達(dá)到這個(gè)設(shè)計(jì)要求，要求該系統(tǒng)具有如下的技術(shù)指標(biāo)，這個(gè)系統(tǒng)要和電動(dòng)計(jì)時(shí)儀使用相同的發(fā)令傳感單元，要求能夠精確的測量每個(gè)跑道運(yùn)動(dòng)員的起跑時(shí)刻，其檢測速度要大于1000次/秒，檢測誤差小于1毫秒，要求能夠精確測量并打印每個(gè)跑道運(yùn)動(dòng)員的起跑腳蹬壓力的曲線，為仲裁提供依據(jù)，還可以對運(yùn)動(dòng)員的起跑技術(shù)進(jìn)行分析，還要求能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)搶跑判決、無線發(fā)令等時(shí)同步，無線招回報(bào)警，含發(fā)令槍聲的傳輸系統(tǒng)，確保每個(gè)跑道的運(yùn)動(dòng)員同時(shí)聽到發(fā)令槍聲，還要求能夠直接聯(lián)網(wǎng)，調(diào)閱編排和檢錄信息，從而可以實(shí)現(xiàn)徑賽起點(diǎn)的無紙化操作，還要求能夠與田徑運(yùn)動(dòng)會信息管理系統(tǒng)直接相連聯(lián)網(wǎng)，和其它的設(shè)備、終端一起構(gòu)成完整的運(yùn)動(dòng)會的網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)的硬件的整體設(shè)計(jì)

電子起跑系統(tǒng)包括控制機(jī)柜、電子起跑器、發(fā)令單元、發(fā)令麥克風(fēng)和自動(dòng)招回耳機(jī)，如圖1所示，根據(jù)電子起跑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，需要控制機(jī)柜 1套，實(shí)現(xiàn)搶跑的判別、發(fā)令輸入等功能，電子起跑器的個(gè)數(shù)根據(jù)跑道數(shù)目具體確定，一般需要10個(gè)，發(fā)令單元1套，主要包括由發(fā)令槍和電子發(fā)令傳感器構(gòu)成，發(fā)令麥克風(fēng)1個(gè)，自動(dòng)招回耳機(jī)2個(gè)。

2.1控制機(jī)柜

控制機(jī)柜主要由微處理器即MCU、按鍵和數(shù)碼管組成，主要有LED數(shù)碼管的顯示、搶跑判別、音響的輸出、無線傳輸?shù)墓δ堋Ｖ骺孛姘逵煞浪∧ぐ存I和LED數(shù)碼管組成，防水薄膜的按鍵可以用來管理系統(tǒng)，LED管顯示當(dāng)前的比賽狀態(tài)。MCU接收到發(fā)令槍聲傳感器的信號后，把這些信號發(fā)送到電子起跑器的揚(yáng)聲器上，自動(dòng)判別搶跑，如果存在搶跑的現(xiàn)象，就會在LED管上顯示出來，并自動(dòng)報(bào)警，如果沒有搶跑現(xiàn)象發(fā)生，LED管也會顯示出來。

MCU采用AT89C2051，AT89C2051是美國ATMEL公司生產(chǎn)的一種低電壓、高性能CMOS 8位單片機(jī)， 2KB可以重復(fù)編程的FLASH存儲器和128KB RAM，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，15根I/O口，兩個(gè)16位定時(shí)器，一個(gè)五向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行口，AT89C2051單片機(jī)在電子類產(chǎn)品中有廣泛的應(yīng)用。

2.2電子起跑器

電子起跑器由搶跑壓力傳感器、相應(yīng)的擴(kuò)音設(shè)備和燈光設(shè)備三部分組成。本系統(tǒng)中采用的搶跑壓力傳感器，搶跑壓力傳感器和等值電阻組成電橋，如果發(fā)生搶跑的現(xiàn)象，電橋就會失去原有的平衡，而起跑器的腳踏板上都有一個(gè)應(yīng)變片，當(dāng)有蹬力產(chǎn)生時(shí)，應(yīng)變片會變形，并把這個(gè)信號放大傳輸?shù)娇刂茩C(jī)柜，判別搶跑現(xiàn)象的發(fā)生；在電子起跑器的尾部都有揚(yáng)聲器，輸出槍聲和報(bào)警的聲音；在電子起跑器的尾部還有熒光燈，和主控系統(tǒng)連接，輸出報(bào)警燈光。

搶跑壓力傳感器是由傳感器的電橋和條理電路構(gòu)成的，傳感器電橋是由應(yīng)變片和電阻組成的惠斯登電橋，并能夠采集起跑器的壓力變形信號，經(jīng)過放大器放大信號，傳給信號的控制系統(tǒng)，判斷搶跑的結(jié)果，放大器采用LM324放大器。LM324放大器是一種低功率的四放大器，針腳數(shù)為14，有5個(gè)引出腳，電源電源最大為32V，最小為3V，短路保護(hù)輸出，最大100mA，輸入端有靜電保護(hù)的功能。

圖2 LM324應(yīng)用電路圖設(shè)計(jì)

2.3發(fā)令單元

發(fā)令單元主要包括部件發(fā)令槍和電子發(fā)令傳感器以及相關(guān)部件擴(kuò)音器、信號電纜等部分組成。電子發(fā)令傳感器接收到聲音信號后，經(jīng)過放大電路，將聲音信號放大，要求傳感器具有高度的靈敏性，強(qiáng)大的抗干擾能力，有濾除雜波的功能，提高傳感器的可靠性，傳感器的靈敏度還要能夠適時(shí)調(diào)節(jié)。本系統(tǒng)采用ZY1730芯片，采用模擬處理的存儲方式，音頻數(shù)據(jù)不需要數(shù)字壓縮，直接存儲在固體存儲器中，可以消除常見的噪音，電路斷電后語音內(nèi)容不會消失，可以保證數(shù)據(jù)的完整，錄音時(shí)間為240s，采樣頻率為6.4KHz，電壓范圍是2.4-5.5V，極限電壓為6V，靜態(tài)電流為0.5-1μA，工作電流為20mA。

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸模塊采用RF4432PRO，RF4432PRO 是一款嵌入式工業(yè)級抗干擾的無線前端收發(fā)模塊。采用的是Silicon Lab Si4432 器件，這是一款高度集成的無線ISM 頻段收發(fā)芯片。極低的接收靈敏度（-121dBm）,再加上業(yè)界領(lǐng)先的 +20dBm 的輸出功率保證擴(kuò)大范圍和提高鏈路性能。它的最大發(fā)射功率達(dá)到100mw，通訊視距可達(dá)1400米，標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口通訊控制，具有體積小高集成抗干擾等優(yōu)點(diǎn)，頻率范圍是403-898MHz，調(diào)制速率為0.123-256Kbps，接收電流18.5mA，發(fā)射電流85 mA，休眠電流小于1μA，調(diào)制模式為GFSK/FSK/OOK，廣泛應(yīng)用于無線工業(yè)數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程抄表、無線遙控等系統(tǒng)中。在數(shù)據(jù)傳輸之前首先要確定通信協(xié)議，協(xié)議中要明確規(guī)定什么時(shí)候開始通信，什么時(shí)候結(jié)束通信和交換信息，通信協(xié)議要充分考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性，先確定通信狀態(tài)再確定串口的通信方式，軟件只是把要發(fā)送的數(shù)據(jù)從單片機(jī)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)寄存器中和切換至發(fā)送工作模式。接受功能模塊的主要功能就是檢測載波信號，監(jiān)測地址是否匹配、解碼數(shù)據(jù)包并接收，從接收到的時(shí)間繼續(xù)計(jì)時(shí)。

4 系統(tǒng)調(diào)試

在本系統(tǒng)研制成功之后，在使用之前要對其系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，并找出系統(tǒng)的錯(cuò)誤，并及時(shí)的修改，系統(tǒng)調(diào)試主要包括程序調(diào)試、模塊的調(diào)試，系統(tǒng)調(diào)試一定要規(guī)范進(jìn)行、用戶參加并發(fā)表意見、充分利用系統(tǒng)資源、遵循實(shí)用和實(shí)效的原則，調(diào)試時(shí)主要有可以用對的或錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)測試程序是否正確，對程序的數(shù)據(jù)傳輸能力和反應(yīng)情況，系統(tǒng)內(nèi)部、系統(tǒng)之間都要進(jìn)行調(diào)試，在本系統(tǒng)中調(diào)試發(fā)令單元和主控機(jī)柜和電子起跑器之間能否正確傳輸數(shù)據(jù)，主控機(jī)柜能否正確顯示搶跑的情況和計(jì)時(shí)情況，這些數(shù)據(jù)能夠正確發(fā)送到主計(jì)算機(jī)上面，運(yùn)動(dòng)員也要參加調(diào)試，是否能夠同時(shí)聽到發(fā)令槍聲，除了軟件系統(tǒng)的調(diào)試，還包括硬件電路的調(diào)試如檢查電壓是否正常、系統(tǒng)的接口是不是正確，一些元件的發(fā)射信號等。

[1] 謝洪昌,羅江南.田徑短跑中電子起跑監(jiān)測系統(tǒng)測量方法有效性的研究[J].廣州體育學(xué)院學(xué)報(bào),2013,01:75-79.

[2] 龔淑雯.研究徑賽起點(diǎn)信號處理系統(tǒng)的開發(fā)[J].信息與電腦(理論版),2012,04:44-45.

[3] 沈煒.紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院體育成績管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].電子科技大學(xué),2012.

李健兵，男，1971年3月10日，副教授，體育教學(xué)與訓(xùn)練

Development of electronic starting system in track and field

Li Jianbing
(Shaanxi Vocational College of Finance and Economics,Xianyang,712000)

In the games,athletes jump phenomenon to complete manually,there may be some errors.In order to improve the fairness and accuracy of electronic games,starting system has been paid more and more attention.In China,electronic starting devices currently used in some large-scale events are bought from abroad,the price is expensive,not suitable for widely use.This paper designed the hardware system and software system of electronic starting system,and debug the system.

games;electronic starting system