基于無線傳輸?shù)母傋哂柧氈悄懿门邢到y(tǒng)的研究

引 言

競走是傳統(tǒng)的奧運會競賽項目，也是田徑運動中唯一要依據(jù)裁判員技術判罰而影響運動員成績的項目。裁判員的判罰在一定程度上決定著運動員能否取得優(yōu)異成績，而裁判在執(zhí)行判罰過程中，不可避免地會帶有個人的主觀因素。另一方面，運動員在訓練過程中，由于個人素質(zhì)的不同，技術動作也會千差萬別，要想通得裁判的“慧眼”必須練就過硬的技術，這使得運動員在訓練場上必須嚴格訓練，而由于競走項目本身的技術特點，導致對于技術尺度非常難以把握?；跓o線傳輸?shù)母傋哂柧氈悄懿门邢到y(tǒng)的設計填補了此項的空白，它能夠幫助裁判員提供一個客觀、統(tǒng)一的標準。為科學訓練和比賽提供了良好的技術保證，從根本上解決了比賽中人為的判斷失誤和誤差，使成績更加準確，而且還能顯示出競走過程中的真實數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)的設計原理和結構框圖

根據(jù)國際田聯(lián)手冊1996～1997年規(guī)定和中國田協(xié)通知，從1996年開始，競走定義由保持單雙腳交替支撐防止騰空的規(guī)定明確改為“沒有可見的騰空(以眼睛觀察)”，默認了競走中騰空現(xiàn)象的存在[1]。又根據(jù)《1992年奧運會我國競走項目科研攻關》的研究成果：競走比賽中小于42 ms為合理騰空時限；42 ms～47 ms為模糊騰空時限；大于70 ms為犯規(guī)騰空時限。因此，本系統(tǒng)研究的關鍵就是捕獲運動員的騰空時限，并加以判斷，若大于合理騰空時限，能夠通知裁判。

系統(tǒng)主要由犯規(guī)信號捕獲、信號無線傳輸和信號上傳3部分組成。系統(tǒng)結構如圖1所示。

犯規(guī)信號捕獲是指當運動員雙腳騰空后，智能系統(tǒng)能自動識別，并記錄下來；信號無線傳輸是指通過無線傳輸芯片nrf905將犯規(guī)運動員的信息發(fā)送到裁判員的手持表；信號上傳是指比賽結束后，通過usb接口將運動員隨身攜帶的發(fā)射儀器記錄的比賽時的數(shù)據(jù)傳輸給計算機，進一步核實運動員在比賽中的信息。

2 犯規(guī)信號的捕獲

犯規(guī)信號的捕獲是通過鑲嵌于鞋底的一組開關陣列完成的。運動員在競走過程中，首先是腳跟著地，然后由腳外側過渡到前腳掌至腳尖。開關陣列見圖2。

設想的開關陣列固定在0．1 mm厚的印制電路板上，鑲嵌于運動員鞋底，開關大小是15 mm×15 mm，利用鞋底的橡膠對它產(chǎn)生緩沖的作用來減小開關的承受力，從而延長開關的使用壽命。每組開關陣列包含8個開關量，即每個鞋底安裝8個開關。開關陣列的分布主要集中在運動員競走過程中的著力點：腳底前側、后側和外側。這樣，運動員在競走過程中，腳的任意位置著地，開關陣列至少會有一個開關閉合，只有當雙腳騰空時，對地面的壓力為0，所有的開關斷開。此時，就視為運動員騰空。

主控制芯片通過掃描開關陣列(見圖3)判斷運動員是否犯規(guī)。當所有開關都斷開時，啟動計時器開始計時，任意一個開關再次閉合后停止計時，主控芯片讀取計時時間，若小于騰空時限，則認為運動員沒有犯規(guī)，丟失數(shù)據(jù)；若大于騰空時限，就認為運動員犯規(guī)一次，單片機會自動將此運動員的信息保存下來，并無線發(fā)送給裁判員，作為裁判員判斷運動員是否犯規(guī)的依據(jù)。

3 信息的發(fā)射、接收和上傳

競走距離幾度變動，現(xiàn)在被確認為奧運會比賽項目的有50 km、20 km、10 km。當前50 km競走世界記錄是3h36min3s，一般選手需4 h左右。在這4 h時間內(nèi)，要保證系統(tǒng)能夠正常工作。又由于發(fā)射儀器是運動員隨身攜帶的裝置，所以必須輕便且功耗低。受上述條件影響，本系統(tǒng)選用低功耗的芯片，且設計的系統(tǒng)盡量簡化。本系統(tǒng)的主控芯片選用低功耗msp430單片機，無線發(fā)射芯片選用nrf905發(fā)射芯片。

3．1 無線發(fā)射

nrf905單片無線收發(fā)器可以工作在433 mhz／868 mhz／915 mhz這3個ism(工業(yè)、科學和醫(yī)療)頻段。由完全集成的頻率調(diào)制器、帶解調(diào)器的接收器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)節(jié)器組成。采用shock-burst工作模式，自動產(chǎn)生前導碼和crc(循環(huán)冗余檢驗)。最大數(shù)據(jù)傳輸率(曼徹斯特編碼)100 kbit／s,，可以很容易通過spi接口進行編程配置。電流消耗很低，在發(fā)射功率為-10 dbm時，發(fā)射電流為11 ma，接收電流為12．5 ma。有掉電和待續(xù)模式兩種省電模式，掉電模式時消耗電流為2．5μa，待續(xù)模式根據(jù)不同晶振頻率略有不同，但都在μa級。

nrf905發(fā)射電路如圖4所示。

在使用nrf905前要通過spi口對寄存器進行設置，如頻段的選取、地址的設置等。每個發(fā)射儀器有唯一的地址，地址的長短根據(jù)設置可以是1～4個字節(jié)不等。理論上，比賽過程中最多可以使用232個發(fā)射儀器，在試驗時發(fā)現(xiàn)類似0x55h的地址不可用，可能與nrf905本身硬件有關，這樣除去手持表的地址和0x55555555h，運動員可使用232一2個地址，遠遠多于比賽的人數(shù)。本系統(tǒng)使用過程中，為節(jié)省電量，正常情況下nrf905處于待機模式，此時消耗電流32μa。每名參賽的運動員攜帶一個唯一表明自己標識信息的發(fā)射儀器。當發(fā)射儀器的主控芯片檢測到運動員有騰空現(xiàn)象時，自動從ds1302中讀取時間，并記錄下此運動員的號碼、犯規(guī)時間、犯規(guī)次數(shù)，同時喚醒nrf905芯片，將此運動員的信息無線發(fā)射到裁判員的手持表中。

3．2 信息的接收

信息接收設備是裁判員手中的手持表，接收發(fā)射儀器發(fā)射來的運動員的犯規(guī)信息。手持表的主控芯片選用帶有液晶驅動的msp430f435單片機，連接nrf905、液晶顯示器、蜂鳴器等。手持表中保存著所有受訓的運動員的號碼，當收到發(fā)送來的信息后，聲音提示裁判員有人犯規(guī)，同時液晶顯示器上顯示出犯規(guī)運動員的號碼、犯規(guī)時間和犯規(guī)次數(shù)。存儲在flash存儲器中的該運動員的信息也將被重新刷新。若該運動員在本次比賽中犯規(guī)已達3次，手持表會提示裁判員，此運動員犯規(guī)次數(shù)已達最大。它的具體電路圖與發(fā)射儀器的電路類似，在此不再贅述。

3．3 信息usb上傳

本系統(tǒng)中設計了usb接口，比賽結束后，工作人員可以將運動員攜帶的小發(fā)射儀器插到計算機usb口上，讀取該運動員在比賽過程中的信息，進一步確定運動員比賽的信息，為運動員的競走信息存檔等，同時也可防止無線發(fā)射時手持表沒有接收到而漏掉的信息。

傳統(tǒng)上，usb接口開發(fā)比較復雜，在與其他usb接口芯片相比較后，本系統(tǒng)選用了cygnal公司的uart轉usb芯片cp2101，選擇這種接口芯片，可使usb通信接口設計變得十分容易。與同類相比，其體積小、集成度高，不需要外部元件，低功耗，速度快，并且開發(fā)簡單。圖5是cp2101的典型接口電路。

4 試驗

試驗的主控芯片使用msp430f133。發(fā)射芯片nrf905的晶振16 mhz，選用發(fā)射頻率和功率分別是868 mhz和10 dbm，發(fā)射字節(jié)數(shù)是8，包括2字節(jié)的運動員號碼、3字節(jié)的犯規(guī)時間(時、分、秒)、1字節(jié)的犯規(guī)次數(shù)和2個待使用的空白字節(jié)。試驗時發(fā)射儀器的主印制電路板為30 mm×50 mm。

4．1 試驗的功耗

本系統(tǒng)選用的都是低功耗的芯片，nrf905處于待機模式時，測量整個系統(tǒng)消耗電流為0．72 ma，發(fā)送信息時測量電流為27．42 ma。運動員在競走3次犯規(guī)后被罰下，也就是說運動員攜帶的發(fā)射儀器只有3次發(fā)射的機會，發(fā)射瞬間完成。系統(tǒng)供電電壓3．6 v，由此計算在4 h比賽時間內(nèi)最大消耗電量36 w?s，使用一個lir2477 160 ma?h、24．o×7．7mm、3．6 v／節(jié)扣式電池就可以達到要求。試驗結果與此相符。

4．2 試驗結論

在試驗過程中，使用手動按鍵模擬運動員騰空，當按鍵時間超過45 ms時，激發(fā)nrf905發(fā)射。試驗結果表明，無線通信距離約134 m，一人攜帶發(fā)射儀器沿400 m的環(huán)形草場競走，一人拿手持表站在草場中間，通信沒有盲點，能夠完全接收到發(fā)送來的數(shù)據(jù)。

5 結束語

本文根據(jù)競走運動的特點，應用電子技術設計了一種客觀的判斷競走犯規(guī)的方法，經(jīng)試驗表明其是可行的。這對于提高競走訓練和裁判的水平有著重要意義。

在電子技術日益滲透到體育行業(yè)的今天，競走犯規(guī)檢測設備必將有廣闊的發(fā)展前途。隨著更多同行的介入，電子技術有望成為比賽和訓練有力的監(jiān)督手段。