高 鵬，王 敏

近年來(lái)隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的騰飛，國(guó)民的物質(zhì)生活水平日益提高，水上摩托艇項(xiàng)目，越來(lái)越受到民眾的青睞。從一級(jí)方程式摩托艇第一次在中國(guó)杭州舉辦巡回比賽，到國(guó)際摩聯(lián)舉辦的IAC水上極速運(yùn)動(dòng)大賽在中國(guó)柳州一年一度的舉行，以及2011年我國(guó)首個(gè)聯(lián)賽賽制水上運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目－中國(guó)摩托艇聯(lián)賽的出臺(tái)，是國(guó)家體育總局重點(diǎn)打造的中國(guó)首個(gè)水上機(jī)械競(jìng)速類體育項(xiàng)目，摩托艇運(yùn)動(dòng)正在21世紀(jì)的中國(guó)風(fēng)靡橫掃，且漸入佳境。但是目前國(guó)內(nèi)的摩托艇聯(lián)賽及相關(guān)賽事中，裁判系統(tǒng)仍然停留在人工按動(dòng)秒表讀取成績(jī)的階段，人工秒表由于受到裁判員反應(yīng)差異和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)等主客觀因素的影響，測(cè)量精度和可靠性無(wú)法保證賽事精準(zhǔn)要求，需要的裁判員數(shù)量眾多，編排成績(jī)耗時(shí)長(zhǎng)等因素，與摩托艇更高更快的理念相距甚遠(yuǎn)，是制約中國(guó)摩托艇運(yùn)動(dòng)發(fā)展的瓶頸因素之一。為提高中國(guó)摩托艇項(xiàng)目在國(guó)際賽事中的核心競(jìng)爭(zhēng)力，國(guó)家體育總局水上運(yùn)動(dòng)管理中心的領(lǐng)導(dǎo)認(rèn)為，目前是要把電子計(jì)時(shí)技術(shù)與自動(dòng)化控制完美滴融合于中國(guó)摩托艇項(xiàng)目競(jìng)賽中的時(shí)候了，它已經(jīng)刻不容緩地?cái)[在了我們面前。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，電子計(jì)時(shí)已經(jīng)應(yīng)用在包括國(guó)際上最高級(jí)別的F1摩托艇比賽的各種體育賽事中。然而，對(duì)于國(guó)內(nèi)的摩托艇聯(lián)賽來(lái)說，F(xiàn)1摩托艇的電子計(jì)時(shí)系統(tǒng)過于昂貴，針對(duì)以上實(shí)際情況，筆者作為親歷此項(xiàng)目比賽的實(shí)踐以及與教練員等業(yè)內(nèi)人士的共同探討，設(shè)計(jì)了一種以AT89C51單片機(jī)為核心的電子計(jì)時(shí)計(jì)圈系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有良好的精確性，能精確區(qū)分成績(jī)先后，同時(shí)具有實(shí)時(shí)性，能在賽艇撞線的瞬間通過無(wú)線模塊將數(shù)據(jù)傳送至岸上各個(gè)參賽隊(duì)的主機(jī)上并且將成績(jī)顯示在液晶屏幕上，使用便捷，價(jià)格低廉，對(duì)于提高裁判系統(tǒng)的可靠性，精確性，高效性具有極大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，以微控制單元為核心，包括用來(lái)計(jì)時(shí)的芯片部分，實(shí)現(xiàn)通信的無(wú)線模塊部分，用于判定終點(diǎn)的激光發(fā)射部分，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采樣的傳感器部分，以及用于接收數(shù)據(jù)和傳達(dá)指令的岸上主機(jī)。系統(tǒng)用激光發(fā)射裝置產(chǎn)生激光，放置在門標(biāo)之間，一旦有賽艇經(jīng)過門標(biāo)，位于賽艇前部的激光傳感器會(huì)將激光信號(hào)傳達(dá)給單片機(jī)，單片機(jī)隨后根據(jù)算法做出一系列動(dòng)作，包括給無(wú)線模塊發(fā)送數(shù)據(jù)包等。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 核心硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 基于單片機(jī)的無(wú)線通訊系統(tǒng)

無(wú)線通訊系統(tǒng)以AT89C51單片機(jī)為核心，AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)存器的單片機(jī)，由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，可以滿足系統(tǒng)要求。采用 SH9902作為無(wú)線信號(hào)收發(fā)模塊，通過解碼器PT2272L6來(lái)實(shí)現(xiàn)通信模塊和微控制單元間的信息交流。

圖2 無(wú)線通訊系統(tǒng)

圖3 激光傳感器系統(tǒng)

2.2 激光傳感器系統(tǒng)

用裝在F4方程式摩托艇艇前部的激光接收頭來(lái)接收來(lái)自激光發(fā)射裝置發(fā)射的激光，接收頭1腳經(jīng)過一個(gè)RC電路后接高電平，RC電路作用是濾除電源噪聲。3腳接一上拉電阻使輸出信號(hào)穩(wěn)定。如果接收頭接收到激光則輸出為低電平，如果接收不到則發(fā)生電平跳變，所有信號(hào)通過I/O口反饋給主控單元。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)F4方程式摩托艇的比賽需要，我們?cè)O(shè)計(jì)有排位賽和競(jìng)速賽兩個(gè)模式。

3.1 排位賽模式

圖4 排位賽模式程序流程圖

鑒于F4方程式摩托艇排位賽的比賽規(guī)則，各條賽艇進(jìn)入航道進(jìn)行環(huán)圈，以單圈最好成績(jī)進(jìn)行排位，從而決定決賽起航位置。為此設(shè)計(jì)了排位賽模式程序流程圖，當(dāng)賽艇進(jìn)入排位賽，程序開始運(yùn)行，當(dāng)微控制單元檢測(cè)到激光信號(hào)時(shí)，說明此時(shí)賽艇進(jìn)入第一圈的環(huán)圈繞標(biāo)，因此自動(dòng)讓記圈計(jì)數(shù)器歸零，計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器啟動(dòng)開始計(jì)時(shí)，當(dāng)環(huán)圈完畢，賽艇再次碰撞位于門標(biāo)的激光時(shí)，微控制單元檢測(cè)到激光信號(hào)后，令記圈計(jì)數(shù)器加一，并同時(shí)停止計(jì)時(shí)，隨后微控制器將存儲(chǔ)在自己存儲(chǔ)器內(nèi)的賽艇單圈成績(jī)數(shù)據(jù)通過無(wú)線模塊發(fā)送給位于岸上的上位機(jī)，然后程序回到開頭，進(jìn)入下一圈的計(jì)時(shí)，最終該艇的所有單圈成績(jī)會(huì)被發(fā)送到上位機(jī)，并有上位機(jī)進(jìn)行最好單圈成績(jī)統(tǒng)計(jì)，并和其它賽艇的最好單圈成績(jī)進(jìn)行排序，最后自動(dòng)排序出決賽的起航位置。

3.2 競(jìng)速賽模式

圖5 競(jìng)速賽模式程序流程圖

根據(jù)F4方程式摩托艇競(jìng)速賽的比賽規(guī)則，所有賽艇在規(guī)定的20min時(shí)間內(nèi)進(jìn)行比賽，20min到后再加1圈，最后通過賽艇所跑圈數(shù)和賽艇所用時(shí)間來(lái)綜合評(píng)判比賽成績(jī)。當(dāng)賽艇進(jìn)入競(jìng)速賽時(shí)，程序開始運(yùn)行，由于賽艇根據(jù)信號(hào)一起起航，系統(tǒng)同時(shí)給每條賽艇發(fā)一個(gè)起航信號(hào)，賽艇在接收到起航信號(hào)時(shí)，同時(shí)開始定時(shí)20min并開始計(jì)時(shí)，隨后進(jìn)入等待循環(huán)，等待判斷時(shí)間是否到了20min，沒有到則等待，一旦時(shí)間到，每條賽艇的控制單元會(huì)將此刻的平均速度通過無(wú)線發(fā)送給岸上的上位機(jī)，上位機(jī)接收到每條艇發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)后會(huì)進(jìn)行排序，排出平均速度最高的艇，也就是首艇，并向該艇發(fā)送首艇信號(hào)，對(duì)于每條賽艇來(lái)說，艇上的微控制單元只負(fù)責(zé)檢測(cè)是否收到首艇信號(hào)，如果本艇收到了首艇信號(hào)，那么該艇會(huì)檢測(cè)激光信號(hào)，只要檢測(cè)到激光則停止計(jì)時(shí)，發(fā)送成績(jī)，這時(shí)上位機(jī)會(huì)向所有艇發(fā)送比賽停止信號(hào)，當(dāng)艇上的單片機(jī)檢測(cè)到比賽停止信號(hào)時(shí)，只要檢測(cè)到激光就停止計(jì)時(shí)，也就是說只要艇進(jìn)入門標(biāo)就停止計(jì)時(shí)。

4 小結(jié)

經(jīng)過模型試驗(yàn)，該系統(tǒng)可以基本完成所需要求，裁判人員大大減少，編排效率大幅提升，裁判準(zhǔn)確度和可靠性都有了質(zhì)的飛躍。

［1］譚福耀.短跑比賽計(jì)時(shí)系統(tǒng)的研究［J］.電子科學(xué)，2008(1).