網(wǎng)球速度測量和顯示系統(tǒng)的開發(fā)設計

劉四清

中圖分類號：G845 文獻標識：A 文章編號：1009-9328（2016）07-040-01

摘 要 網(wǎng)球比賽的發(fā)展需要有符合體育賽事比賽規(guī)則的設備做為支撐，研制開發(fā)網(wǎng)球測速顯示電子設備為網(wǎng)球比賽服務，本文重點介紹網(wǎng)球測速顯示的開發(fā)設計以及系統(tǒng)的功能。

關鍵詞 網(wǎng)球測速 設計方案 系統(tǒng)功能

網(wǎng)球比賽是廣大體育愛好者比較喜歡的一項運動，比賽的觀賞性、競爭激烈刺激性、運動員的技術技巧和拚博精神都深深地吸引著觀眾的眼球，也是體育愛好者廣泛參與的運動項目。在網(wǎng)球比賽中發(fā)球速度決定著發(fā)球的質量，網(wǎng)球發(fā)球速度也是觀眾在觀看比賽中的關注焦點，測量和公告顯示網(wǎng)球發(fā)球的速度值是網(wǎng)球比賽中不可或缺的設備，實時的顯示和記錄網(wǎng)球發(fā)球速度是網(wǎng)球運動員和教練員關注的一項技術統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

我們研制的網(wǎng)球發(fā)球速度測量顯示系統(tǒng)已應用在亞運會網(wǎng)球比賽中，在國際和國內的網(wǎng)球比賽中得到了肯定。本文主要介紹網(wǎng)球發(fā)球速度測量顯示系統(tǒng)的開發(fā)設計。

一、網(wǎng)球速度測量顯示系統(tǒng)的整體設計方案

網(wǎng)球發(fā)球速度測量顯示系統(tǒng)由四部分組成，網(wǎng)球測速雷達，測量顯示控制器，LED球速顯示屏，無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)或有線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。按照數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的不同分為兩種不同的產(chǎn)品類型，系統(tǒng)方框圖分別如圖1和圖2所示。

系統(tǒng)整體工作過程是，網(wǎng)球發(fā)球速度測量采用測速雷達，在網(wǎng)球場的底端中線延長線外架設測速雷達，用于測量網(wǎng)球的發(fā)球速度；球速顯示系統(tǒng)采用2塊LED顯示屏同時顯示發(fā)球速度，在網(wǎng)球場兩端看臺下墻壁處分別架設或懸掛一臺LED顯示屏；控制器放置于操作人員工作臺，控制發(fā)球速度的測量。網(wǎng)球比賽時，當運動員發(fā)球時測速雷達測得速度值，并將球速測量值傳輸給兩塊LED顯示屏同時顯示，顯示一定時間后自動復位清零（或者人工干預顯示屏顯示的復位清零），準備測量顯示下一次網(wǎng)球發(fā)球速度。

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用無線傳輸或有線傳輸兩種方式。采用無線傳輸模式時，用數(shù)據(jù)傳輸模塊控制數(shù)據(jù)和指令的發(fā)送和接收，數(shù)據(jù)傳輸模塊針對三種設備接口分為雷達數(shù)傳模塊、控制器數(shù)傳模塊和LED顯示屏數(shù)傳模塊；有線傳輸時將測速雷達測得的發(fā)球速度通過RS232或RS485數(shù)據(jù)接口經(jīng)過測量顯示控制器傳輸給LED顯示屏顯示網(wǎng)球速度值。

二、子系統(tǒng)功能

（一）網(wǎng)球速度測速雷達

雷達測速主要是利用多卜勒效應（Doppler Effect）原理：當目標運動向雷達天線靠近時，目標的反射信號頻率將高于雷達發(fā)射機頻率；反之，當目標運動方向遠離雷達天線而去時，目標反射信號頻率將低于雷達發(fā)射機頻率。如此即可借由頻率的改變數(shù)值，計算出目標與雷達的相對速度，這個改變的頻率稱為多卜勒頻率，公式如下：

在公式中， 多卜勒頻率， 雷達發(fā)射機頻率， 目標徑向運動速度， 雷達波長，c光的速度。

由公式可以看出，多卜勒頻率正比于相對運動的速度而反比于工作波長。當目標飛向雷達時多卜勒頻率為正值，接收信號頻率高于發(fā)射信號頻率；當目標背離雷達飛行時，多普勒頻率為負值，接收信號頻率低于發(fā)射信號頻率。多卜勒頻移的相對值正比于目標速度與光速之比，多卜勒頻率的正負值取決于目標運動的方向。

測速雷達通過測量運動目標的多卜勒頻率進而測得網(wǎng)球速度，然后按照通信協(xié)議格式通過串行接口RS232或者RS485向接收設備傳輸數(shù)據(jù)。測速雷達速度的校準采用標準音叉進行校準，根據(jù)標準音叉的振動頻率檢測測速雷達的精度。

數(shù)據(jù)傳輸方式分為有線數(shù)據(jù)傳輸和無線數(shù)據(jù)傳輸，無線數(shù)據(jù)傳輸需要進行數(shù)據(jù)封包和解包，需要通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊進行傳輸。

（二）無線數(shù)據(jù)傳輸模塊

無線數(shù)據(jù)傳輸模塊分為雷達數(shù)據(jù)傳輸模塊、測量顯示控制器數(shù)據(jù)傳輸模塊、LED顯示屏數(shù)據(jù)傳輸模塊等。用于發(fā)射和接收網(wǎng)球速度編碼數(shù)據(jù)包。

雷達數(shù)據(jù)傳輸模塊用于發(fā)送測速雷達數(shù)據(jù)包，接收控制器傳來的控制命令，啟動雷達測量網(wǎng)球速度，按照通信協(xié)議將速度數(shù)據(jù)編碼封裝成定制的數(shù)據(jù)包向外傳輸，測速雷達在測出網(wǎng)球的發(fā)球速度后通過RS232或RS485接口輸出，按照通信協(xié)議將封裝好的速度數(shù)據(jù)包傳輸給無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，通過天線發(fā)射出去。

LED顯示屏數(shù)據(jù)傳輸模塊接收雷達數(shù)傳模塊的數(shù)據(jù)包通過解碼數(shù)據(jù)包，將速度數(shù)據(jù)傳給LED顯示屏控制單片機，由單片機將速度數(shù)據(jù)編碼后顯示在LED顯示屏；接收控制器的命令數(shù)據(jù)包，控制顯示屏的亮度增減，控制顯示屏顯示的復位清零。

（三）LED顯示屏

采用3位7段LED顯示屏顯示速度值，LED顯示屏由嵌入式單片機控制，將數(shù)據(jù)傳輸模塊接收的速度數(shù)據(jù)包、控制器命令數(shù)據(jù)包解碼后，在LED屏上顯示速度值，控制顯示屏亮度增加或降低，控制顯示屏復位清零。顯示屏只顯示網(wǎng)球速度的3位整數(shù)值，根據(jù)要求不同可以顯示英制或公制的球速值。

（四）控制器

控制器用于控制測量發(fā)球速度的時間，從而啟動雷達測量網(wǎng)球速度，指示測速雷達工作狀態(tài)，控制LED顯示屏亮度增加或降低，控制顯示屏復位清零，控制器的控制命令按照通信協(xié)議封裝數(shù)據(jù)包，通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)射出去。

三、結束語

網(wǎng)球測速顯示系統(tǒng)的開發(fā)設計，填補了國內網(wǎng)球比賽測速顯示設備的空白，為體育事業(yè)的發(fā)展做出了應有的貢獻。

參考文獻：

[1]丁鷺飛，耿富錄.雷達原理（第三版）[M].西安電子科技大學出版社.2002.6.