電子起跑器

摘 要：本文簡(jiǎn)單的介紹了徑賽項(xiàng)目中起跑器發(fā)展的過(guò)程及電子起跑器的工作原理。

關(guān)鍵詞：起跑器；裁判；規(guī)則；犯規(guī)；差分放大器；差模信號(hào)；共模信號(hào)

中圖分類號(hào)：TH724

男子100M 的世界記錄9.58秒是由牙買加選手博爾特于2009年8月16日在德國(guó)柏林創(chuàng)造的。誰(shuí)也不知道人類跑完100M所需要的最短時(shí)間是多少，也許永遠(yuǎn)也不會(huì)有結(jié)論。但可以肯定的是人類正在朝著這個(gè)運(yùn)動(dòng)的極限不斷的逼近，且逼近這個(gè)運(yùn)動(dòng)極限的速度越來(lái)越慢，想要提高運(yùn)動(dòng)成績(jī)的1/10秒、甚至1/100秒、都要付出艱辛的努力。運(yùn)動(dòng)員要提高運(yùn)動(dòng)成績(jī)，除了正確的訓(xùn)練方法以外，對(duì)運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練的效果進(jìn)行科學(xué)的測(cè)量和量化，也將顯得越來(lái)越重要，徑賽中的起跑技術(shù)自然也就成了運(yùn)動(dòng)員提高運(yùn)動(dòng)成績(jī)的一個(gè)潛力最大的環(huán)節(jié)。

“徑賽項(xiàng)目應(yīng)以運(yùn)動(dòng)員軀干（不包頭、頸、臂、手、腿和腳）的任何部分觸及終點(diǎn)線后沿垂直面的先后為準(zhǔn)以此判定名次順序?！?/p>

運(yùn)動(dòng)員觸及終點(diǎn)線后沿垂直面的先后名次順序，可以通過(guò)由終點(diǎn)攝像所產(chǎn)生的照片直接判出，可精確到1/1000秒，但發(fā)令員的槍響以后各個(gè)運(yùn)動(dòng)員的出發(fā)時(shí)間不盡相同，從而想到了在徑賽的起點(diǎn)采用能量化并記錄各運(yùn)動(dòng)員出發(fā)時(shí)力和時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系的電子設(shè)備：“田徑起端監(jiān)跑設(shè)備”，而其中的前沿傳感器就是：“電子起跑器”，它實(shí)時(shí)地采集運(yùn)動(dòng)員的起跑數(shù)據(jù)并送入田徑起端監(jiān)跑設(shè)備的控制計(jì)算機(jī)，同時(shí)向運(yùn)動(dòng)員發(fā)出裁判員的信息。

1 原理

最早在田徑徑賽中使用的起跑器只是一個(gè)簡(jiǎn)單的機(jī)械裝置，是為了提高運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)成績(jī)而使用的，而在后來(lái)為了量化運(yùn)動(dòng)員的起跑狀態(tài)，才在起跑器中引入了電子開(kāi)關(guān)。其工作原理是：當(dāng)起跑器的踏板受到運(yùn)動(dòng)員大于250 N作用力的時(shí)候T1就輸出一個(gè)電平信號(hào)，與槍響信號(hào)進(jìn)行比較，從而作為判斷運(yùn)動(dòng)員的起跑是否有效的有力依據(jù)。圖1為電子起跑器的電氣原理圖。

2 判罰

根據(jù)規(guī)則規(guī)定，運(yùn)動(dòng)員在槍響后的0.1秒（包括0.1秒）以內(nèi)起跑判為犯規(guī)，其依據(jù)是：國(guó)外的科研人員通過(guò)對(duì)大量?jī)?yōu)秀運(yùn)動(dòng)員的反應(yīng)測(cè)試，人的生理反應(yīng)（從耳朵聽(tīng)到槍響到腿部有動(dòng)作） 的時(shí)間不可能小于0.1秒，也就是說(shuō)正常的時(shí)候，世界上最優(yōu)秀的男子短跑運(yùn)動(dòng)員聽(tīng)到槍響最快也要滯后0.1秒以后才會(huì)有腿部的動(dòng)作。例如：某一運(yùn)動(dòng)員的起跑反應(yīng)時(shí)間為0.125秒是正常反應(yīng)，但是：某一運(yùn)動(dòng)員的起跑反應(yīng)時(shí)間為0.093秒（雖然也是在槍響以后起跑）就應(yīng)該視為犯規(guī)了。

3 升級(jí)

電子起跑器在以后的使用中又發(fā)現(xiàn)了新的問(wèn)題，施加在起跑器踏板上的250N的閥值是靠調(diào)整彈簧的張力來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在現(xiàn)場(chǎng)要調(diào)整彈簧的張力，幾乎是不現(xiàn)實(shí)的，需要專業(yè)的人員和工具，有的時(shí)候時(shí)間也不允許。特別是女子組少年運(yùn)動(dòng)員，有些運(yùn)動(dòng)員起跑時(shí)力也達(dá)不到250N，也就是說(shuō)當(dāng)她已經(jīng)起跑了，起跑器也檢測(cè)不到起跑的信號(hào)，從而帶來(lái)了判罰的不公正。

隨著問(wèn)題的提出，我們又注意到了一種線性的傳感器件：力傳感器（測(cè)量范圍是：0～2000N），并在后來(lái)的實(shí)踐中所采用。

由于引入了線性力傳感器，就可以把力的大小轉(zhuǎn)換為線性的電壓信號(hào)，這樣就可以在田徑起端監(jiān)跑設(shè)備的控制面板上選擇0～2000N之間所需的閥值，如：男子運(yùn)動(dòng)員就在200～300N之間選用，而女子運(yùn)動(dòng)員就在150～250N之間選用，以適應(yīng)不同的運(yùn)動(dòng)員對(duì)起跑器的需要。

自從采用了帶線性力傳感器的電子起跑器以后，田徑起端監(jiān)跑設(shè)備把運(yùn)動(dòng)員起跑過(guò)程中力的變化，量化到了1N，時(shí)間量化到了1/1000秒的數(shù)量級(jí)，增加了裁判員判罰運(yùn)動(dòng)員的可靠依據(jù)，極大的提高了判罰運(yùn)動(dòng)員的準(zhǔn)確性。同時(shí)還可以實(shí)時(shí)的打印每位運(yùn)動(dòng)員的起跑反應(yīng)時(shí)間，及力隨時(shí)間變化的曲線，以備查用。

4 聲音

電子起跑器在使用的時(shí)候還有一個(gè)重要的問(wèn)題是：為了保證比賽的“公平、公正”、“公開(kāi)”的原則，首先需要保證讓每一位參加比賽的運(yùn)動(dòng)員都要能夠同時(shí)聽(tīng)到發(fā)令員的槍聲。

可是實(shí)際的情況確不是這樣的，以徑賽100M為例（100M在徑賽中情況是最好的），假如裁判員在內(nèi)道終點(diǎn)線的延長(zhǎng)線上，到第一道運(yùn)動(dòng)員的距離有5M，則發(fā)令員的槍聲到第一道運(yùn)動(dòng)員需要0.0147秒（聲速按340M/S 來(lái)計(jì)算）， 而到第八道運(yùn)動(dòng)員則需要0.0398秒（每條跑道寬度按1.22M計(jì)算，聲音還要多走8. 54M），也就是：第八道運(yùn)動(dòng)員要晚第一道運(yùn)動(dòng)員0.0251秒才能聽(tīng)到槍聲，在運(yùn)動(dòng)員的成績(jī)和名次有可能是在1/1000秒之間來(lái)較量的今天，0.0251秒的差距顯然是不能夠忽視的，特別是在200M及以上距離的徑賽項(xiàng)目中，各位運(yùn)動(dòng)員之間的距離都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1.22M，為了消除聲音傳播對(duì)運(yùn)動(dòng)員的成績(jī)和名次所帶來(lái)的誤差，我們?cè)陔娮悠鹋芷髦胁捎昧烁髯元?dú)立的功率放大擴(kuò)聲系統(tǒng)，八位運(yùn)動(dòng)員都采用各自安裝在起跑器后面的揚(yáng)聲器來(lái)收聽(tīng)發(fā)令員的槍聲，從而克服了由于聲音傳播延時(shí)所帶來(lái)的不公平，解決了“同時(shí)”聽(tīng)到槍聲的問(wèn)題。

在引入了功率放大器以后，我們發(fā)現(xiàn)在比賽現(xiàn)場(chǎng)的喧鬧環(huán)境中，許多嘈雜的聲音也得到放大，運(yùn)動(dòng)員身后的揚(yáng)聲器里總是有各種嘈雜的聲音，特別是當(dāng)發(fā)第二槍“預(yù)備”時(shí) ，因?yàn)槭恰傲愦螕屌堋边\(yùn)動(dòng)員都處于高度的緊張狀態(tài)，揚(yáng)聲器里的任何響聲都有可能使他們搶跑犯規(guī)而被取消比賽資格。一開(kāi)始我們到中科院聲學(xué)所分析了槍聲的頻譜，想釆用在功率放大器中加入頻譜濾波器的方法，濾掉除槍聲以外的其他雜音，只是放大槍聲，因?yàn)轭l譜濾波器不能很好的識(shí)別被放大的是槍聲還是雜音，（槍聲的頻譜還是很寬的），所以效果還是不盡人意。

功率放大器的輸入信號(hào)是由發(fā)令員的頭戴耳機(jī)上的MIC所提供，它拾取聲音的信號(hào)，可以是槍聲也可以是雜音，槍聲和雜音都一起放大了，而隨機(jī)產(chǎn)生的雜音始終在干擾著運(yùn)動(dòng)員。是否能找到一種只放大槍聲而不放大其他雜音的辦法嗎？后來(lái)我們還是找到了。

我們?cè)诎l(fā)令員腳的附近另外又放置了一個(gè)mic，形成上面一個(gè)MIC，下面一個(gè)mic ，把MIC和mic的輸出端分別接到“差分放大器”的Vin+和Vin-， 而“差分放大器”的輸出Vout 作為功率放大器的輸入信號(hào)。其工作原理是： 對(duì)差分放大器來(lái)說(shuō)，其放大的信號(hào)分為兩種：一種是差模信號(hào)，這是需要放大的有用的信號(hào)，這種信號(hào)在放大器的雙端輸入時(shí)呈現(xiàn)大小相等，極性相反的特性；另一種是共模信號(hào)，這是要盡量抑制其放大作用的信號(hào)。即使在不對(duì)稱的情況下，差分放大器也能較好地放大差模信號(hào)，而對(duì)共模信號(hào)的放大能力則很差。

當(dāng)發(fā)令員發(fā)令時(shí)，因?yàn)榘l(fā)令槍到MIC的距離比發(fā)令槍到mic的距離要短，所以MIC輸出了一個(gè)比mic強(qiáng)的信號(hào)，這個(gè)差模信號(hào)經(jīng)過(guò)“差分放大器”使功率放大器輸出了槍聲信號(hào)，揚(yáng)聲器發(fā)出槍聲。如果是來(lái)自遠(yuǎn)方的聲音（比如10M以外的聲音），這時(shí)MIC和mic輸出的信號(hào)相等，這個(gè)共模信號(hào)經(jīng)過(guò)“差分放大器” 后輸出信號(hào)相互抵消，所以這時(shí)功率放大器是沒(méi)有輸出的，揚(yáng)聲器也就沒(méi)有聲音了。從而成功地濾除了雜音，現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)踐也驗(yàn)證了這個(gè)想法是可行的，揚(yáng)聲器在工作的時(shí)候“背景”非常的干凈，只有發(fā)令員的聲音和清晰的槍聲，較好的解決了雜音問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

[1]國(guó)際田聯(lián)競(jìng)賽規(guī)則2012-2013[Z].

[2]“OMEGA”ELECTRONICS PHOTOSPRINT OPS 2[Z].

[3]“OMEGA”ELECTRONIC EOUIPMENT[Z].

作者單位：昆明體育電子設(shè)備研究所，昆明 650041