實(shí)時互鎖式無線搶答手柄的設(shè)計與應(yīng)用

摘要：給出一種實(shí)時互鎖式無線搶答手柄的設(shè)計應(yīng)用實(shí)例，使無線搶答器的死區(qū)時間由通常的40 ms銳減為40μs。其基本思路是：在每只搶答手柄中增加一片射頻接收模塊和一個電子開關(guān)、配以相應(yīng)的附屬電路，使該電子開關(guān)受控于接收模塊輸出信號的有無，并決定手柄中的射頻發(fā)射模塊是否通電工作，從而實(shí)現(xiàn)各搶答手柄之間的實(shí)時互鎖。只有首先被按下?lián)尨鸢存I的手柄，才有可能向外發(fā)送編碼射頻。持有該手柄的選手即為搶答成功者。
關(guān)鍵詞：實(shí)時多路互鎖；循環(huán)掃描多路互鎖；死區(qū)時間；搶答器；搶答手柄

與有線搶答器相比，無線搶答器無須電纜連接、使用壽命長、現(xiàn)場布置靈活快捷，因而倍受青睞。近年來，隨著專用編解碼芯片的迅速普及，無線搶答器正在逐漸取代有線搶答器，成為主流技術(shù)，市場產(chǎn)品及設(shè)計實(shí)例屢見不鮮。然而，一個必須引起足夠重視的問題是：這些無線搶答器在設(shè)計方法上大都忽略了搶答器的一項(xiàng)重要指標(biāo)——死區(qū)時間，而過長的死區(qū)時間會增加誤判的幾率。本文給出一種實(shí)時互鎖式無線搶答手柄的設(shè)計應(yīng)用實(shí)例，旨在最大程度上解決上述問題，使由PT2262／PT2272構(gòu)成的無線搶答器的死區(qū)時間由通常的不小于40 ms銳減為40μs，僅為前者的千分之一。

1 技術(shù)背景
1．1 多路信號互鎖的概念
當(dāng)多路信號幾乎同時來到時，利用一種電路，識別出最先到達(dá)的信號并為其提供通路，與此同時封鎖其余后續(xù)到達(dá)的各路信號。實(shí)現(xiàn)這種功能的電路即為多路信號互鎖電路。因上述最先到達(dá)的信號又可稱為首入信號，所以多路信號互鎖電路有時也稱首入信號識別電路。
作為多路信號互鎖電路的關(guān)鍵參數(shù)，多路信號互鎖電路要求首入信號與緊隨其后的第二個信號之間，必須規(guī)定一個最小的時間差。這個最小時間差可稱為該多路信號互鎖電路的死區(qū)時間。顯然，如果相鄰兩信號出現(xiàn)的時間差小于多路信號互鎖電路的死區(qū)時間，電路將無法做出正確判斷。因此，我們希望多路信號互鎖電路的死區(qū)時間越短越好，對于搶答器更是如此。
1．2 實(shí)時多路信號互鎖的必要性
有兩種電路可以實(shí)現(xiàn)多路信號互鎖功能。一種是實(shí)時多路信號互鎖電路，另一種是循環(huán)掃描多路信號互鎖電路。前者對各路輸入信號一視同仁，平等對待；而后者對于各路輸入信號因采取了循環(huán)掃描的方式，所以對于各路信號的響應(yīng)，已經(jīng)被預(yù)先排出先后順序。如果在搶答器中采用循環(huán)掃描多路信號互鎖電路，就意味著排在后面的搶答者，即使是第一個按下?lián)尨疰I，但因未能在第一時間得到電路的及時響
應(yīng)，也可能成為搶答的“失敗者”。
就電路指標(biāo)而言，在有線搶答器的主機(jī)中，若采用實(shí)時多路信號互鎖電路，由于各選手的搶答手柄直接通過導(dǎo)線與主機(jī)中的實(shí)時多路互鎖電路相連，因此其死區(qū)時間能夠輕而易舉地實(shí)現(xiàn)理論上所能達(dá)到的指標(biāo)，通常僅有幾十納秒。而采用循環(huán)掃描多路信號互鎖電路，則死區(qū)時間會長達(dá)數(shù)微秒甚至數(shù)十微秒，誤判的幾率明顯大于前者。
事實(shí)上，在搶答器主機(jī)電路的設(shè)計中，眾多設(shè)計者為簡化電路和降低成本，更愿采用循環(huán)掃描多路信號互鎖電路。這對于參賽選手們來說是不公平的，盡管這種不公平即使發(fā)生也不會被人們輕易覺察，或者絕大多數(shù)人根本不會想到會有這種不公平的存在。本著對參賽選手負(fù)責(zé)的態(tài)度，筆者認(rèn)為，在搶答器主機(jī)電路的設(shè)計中，理應(yīng)提倡采用實(shí)時多路信號互鎖電路。這一點(diǎn)，雖然不是必須的，但卻是必要的。
1．3 無線搶答器的特殊性
無線搶答器中，選手們手中的搶答手柄與主機(jī)之間沒有連線，代表選手身份(臺號)的搶答信號只能通過編解碼方式、并借助于射頻電波進(jìn)行發(fā)送和接收。眾所周知，目前最流行的編解碼芯片PT2262／PT2272，從PT2262開始發(fā)送編碼信號，到PT2272有效解碼所需要的時間，典型值為40 ms。就是說，由此構(gòu)成的無線搶答器所能達(dá)到的死區(qū)時間一般不小于40 ms，大約是采用循環(huán)掃描多路互鎖技術(shù)的有線搶答器的數(shù)微秒至數(shù)十微秒死區(qū)時間的幾百倍!
在這種情況下，如果各選手相繼按下?lián)尨疰I，且兩兩之間的時間差小于40 ms，那么由于空間同頻信號的相互疊加，主機(jī)中的PT2272或單片機(jī)不會有任何正確的解碼數(shù)據(jù)輸出，而無線搶答器的設(shè)計者們卻沒有予以足夠重視。事實(shí)上這種情況出現(xiàn)在公共停車場，也許不算問題：但如果出現(xiàn)在智力競賽的搶答現(xiàn)場，則是不可接受的。更有趣的是，一旦出現(xiàn)這種情況，誰最后松開搶答鍵，誰就會輕松地成為本次搶答的“成功者”。
倍受推崇的無線搶答器原來如此滑稽!或許絕大多數(shù)人不明就里，但設(shè)計者不該無動于衷。如何使無線搶答器擺脫尷尬?如何使無線搶答器變得更讓人稱心?仿照有線搶答器，利用實(shí)時多路信號互鎖技術(shù)大幅度縮減無線搶答器的死區(qū)時間，看起來是唯一的努力方向。
1．4 考慮問題的一般方法
雖然在有線搶答器中，用數(shù)字芯片構(gòu)建實(shí)時多路信號互鎖電路并不是一件很難的事，但要把實(shí)時多路信號互鎖的理念移植到無線搶答器的設(shè)計中，卻會發(fā)現(xiàn)事情一下子變得十分棘手。這是因?yàn)椋瑢τ跓o線搶答器而言，既要避免空間出現(xiàn)同頻信號的相互疊加、保證接收解碼電路可靠地輸出正確數(shù)據(jù)，又要對付長達(dá)40 ms的解碼時間。
一種立刻就能想到但卻不太可取的方法是：各路搶答手柄采用互不相同的發(fā)射頻率，且在主機(jī)中利用頻率對應(yīng)、路數(shù)相同的接收通道，對來自各搶答手柄的射頻信號分別進(jìn)行選頻放大、檢波整形、提取前沿，再由公共的實(shí)時多路信號互鎖電路進(jìn)行甄別。但是這樣一來，雖然省去了編解碼環(huán)節(jié)，但卻增加了電路設(shè)計的復(fù)雜性，也破壞了各通道發(fā)射、接收電路設(shè)計上的一致性，還要受到頻譜資源和收發(fā)模塊系列的制約。想法歸想法，大概很少有人會真的這樣去做。
還有一種比較聰明但很偷懶的方法是：把實(shí)時多路信號互鎖電路從主機(jī)中分離出來，并與選手們的搶答按鍵直接用電纜連通，構(gòu)成有線形式的搶答“前置機(jī)”再將該“前置機(jī)”對于搶答選手們搶答次序的甄別結(jié)果，以編碼射頻電波的形式發(fā)往主機(jī)。這確實(shí)是個不錯的主意，死區(qū)時間顯然能與有線搶答器媲美，而且網(wǎng)上也曾見到過此類產(chǎn)品的圖片和供貨信息，只可惜它“無線”得太不徹底。

2 一個全新的思路
既然無路可走，何不解決源頭?干脆把實(shí)時多路信號互鎖的任務(wù)交給無線搶答手柄去完成，使其成為實(shí)時互鎖式無線搶答手柄。
這是一個立竿見影的方案。其基本思路是：在每只搶答手柄中增加一片與射頻發(fā)射模塊相同頻率的射頻接收模塊(無須內(nèi)含解碼)和一個電子開關(guān)、配以相應(yīng)的附屬電路，使該電子開關(guān)受控于接收模塊輸出信號的有無，并由電子開關(guān)的通斷決定手柄中的射頻發(fā)射模塊是否通電工作，從而實(shí)現(xiàn)各搶答手柄之間的實(shí)時互鎖。顯然，只有首先被按下?lián)尨鸢存I的手柄，才有可能向外發(fā)送編碼射頻。持有該手柄的選手即為搶答成功者。

圖1是實(shí)時互鎖式無線搶答手柄的電路結(jié)構(gòu)框圖。其工作原理是：當(dāng)選手按下手柄上的搶答按鍵AN時，并不立刻發(fā)射，而是先檢測接收模塊有無輸出信號，以此判斷有無其他選手先于自己按下?lián)尨疰I。若已有其他選手搶先按鍵，則接收模塊經(jīng)檢波、整形輸出的高電平與隨后到來的按鍵前沿一起，經(jīng)D觸發(fā)器關(guān)斷電子開關(guān)、禁止發(fā)射模塊通電工作；否則，如果接收模塊未檢測到其他選手搶先按鍵，則接通電子開關(guān)，使發(fā)射模塊得電并開始發(fā)射編碼調(diào)制的射頻電波，同時利用此射頻電波封鎖其他所有選手的搶答手柄，確保自己搶答成功。
實(shí)時互鎖式無線搶答手柄之間的互鎖，在客觀上代替了主機(jī)的甄別，實(shí)現(xiàn)了無線搶答器的實(shí)時多路信號互鎖，并保證了空間射頻電波的唯一性，進(jìn)而可使主機(jī)中的射頻接收及其解碼電路能夠從容地得到正確的解碼結(jié)果。不難理解，這種方案無需等待主機(jī)解碼即可迅速完成互鎖，因此能夠顯著縮減無線搶答器的死區(qū)時間。