江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學院南京工程分院電子工程系 郭星辰

為了滿足中長跑比賽項目對于計圈準確性的要求,降低人為因素帶來的誤差,設計開發(fā)一種基于超聲波及無線傳輸技術(shù)的長跑計圈裝置。介紹了計圈原理、計圈裝置的硬件構(gòu)成及軟件開發(fā)等內(nèi)容。計圈裝置采用主從結(jié)構(gòu),處理器為STC12C5A60S2單片機,超聲波作為信號觸發(fā)手段,主從機數(shù)據(jù)傳輸通過nRF24L01完成,主從機均具有人機交互功能。性能穩(wěn)定,計圈可靠,具有實際應用和推廣價值。

0 引言

在田徑運動場內(nèi)舉行的中長跑比賽項目中,由于比賽總距離較長,需要對運動員繞場地跑行的圈數(shù)作記錄,即計圈,以計圈的圈數(shù)判定運動員的有效成績。傳統(tǒng)比賽通常采用人工計數(shù)方式,費時費力,也有采用計分板等輔助工具進行,但計數(shù)方法依然繁瑣且易出錯,難以準確反映運動員的比賽數(shù)據(jù),甚至影響比賽結(jié)果的評判[1]。目前市場上也有部分電子計圈設備,通過在跑道起點設置紅外線或者無線電收發(fā)裝置,當運動員經(jīng)過時自動記錄,但現(xiàn)有設備往往精度較低,且易受干擾,當有無關(guān)人員經(jīng)過設備時會擾亂計數(shù),且當多名運動員經(jīng)過時難以對每個運動員分別進行準確記錄,實際應用和推廣價值很低。

為解決現(xiàn)有計圈方式存在的不足,本文提出一種采用超聲波傳感器和無線收發(fā)模塊相結(jié)合的長跑計圈裝置,能夠?qū)⑴c比賽的運動員跑步圈數(shù)及跑步時間進行準確計數(shù)和記錄。超聲波是一種機械波,由電壓對換能片的激勵所產(chǎn)生,在液體、固體等介質(zhì)中具有穿透作用,振動頻率高于聲波頻率[2]。因其頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小,可以定向傳播,非常適合放置在起點處,作為信號觸發(fā)手段。將超聲波傳感器應用于比賽計圈工作中,可有效克服現(xiàn)有計圈設備存在的各種缺陷,達到準確定位和實施記錄的效果。

1 計圈原理

計圈裝置由主機和若干分機組成,其中主機放置于跑道起點內(nèi)側(cè),由工作人員操作,起點處設置超聲波感應區(qū)。分機佩戴于運動員手臂上,每臺分機對應一位運動員,每臺分機具有超聲波接收裝置。運動員每次經(jīng)過起點的超聲波感應區(qū)后,分機觸發(fā)一次,記錄一圈及時間,同時通過無線數(shù)據(jù)傳輸將圈數(shù)及當前時間傳送給主機。主機采用防水處理,同時分機采用防水、減震處理,增強雨天應用效果,同時降低運動員摔倒造成設備損壞幾率。計圈如圖1所示。

圖1 計圈示意圖Fig.1 Schematic diagram of circle counting

2 主從機總體設計

主機包括主機控制模塊、液晶顯示模塊、超聲波發(fā)射模塊、主機無線傳輸模塊、電壓轉(zhuǎn)換模塊以及設置模塊,其中主機控制模塊的數(shù)據(jù)輸入/輸出端分別與液晶顯示模塊、超聲波發(fā)射模塊、主機無線傳感模塊以及設置模塊的數(shù)據(jù)輸出/輸入端相連接,主機控制模塊內(nèi)部的供電模塊的電輸出端通過電壓轉(zhuǎn)換模塊連接主機無線傳感模塊的電輸入端。主機結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 主機結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Frame diagram of host structure

分機包括分機控制模塊、數(shù)碼管顯示模塊、超聲波接收模塊、分機無線傳感模塊以及電壓轉(zhuǎn)換模塊,其中分機控制模塊的數(shù)據(jù)輸入/輸出端分別與數(shù)碼管顯示模塊、超聲波接收模塊和分機無線傳感模塊的數(shù)據(jù)輸出/輸入端相連接,分機控制模塊內(nèi)部的供電模塊的電輸出端通過電壓轉(zhuǎn)換模塊連接分機無線傳感模塊的電輸入端。分機結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 分機結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Unit structure block diagram

所述的主機盒和分機盒均采用ABS防水塑料材質(zhì),并進行防水密封處理,避免工作時內(nèi)部設備被雨水或汗水浸泡而故障;同時分機盒內(nèi)部還墊有減震材料,如海綿內(nèi)襯或橡膠塊等,以保證分機在跑步過程中不慎掉落時,內(nèi)部各模塊組件依然能夠維持正常運行。

3 硬件電路設計

3.1 主從機控制模塊

計圈裝置采用主從結(jié)構(gòu),主機及各分機均采用宏晶科技生產(chǎn)的STC12C5A60S2單片機。該型號單片機是單時鐘/機器周期(1T)、高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機,指令代碼與傳統(tǒng)8051完全兼容,但速度快8～12倍[3]。工作電壓5.5V～3.3V,內(nèi)置專用復位電路、獨立波特率發(fā)生器、2路PWM、8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換等功能。STC12C5A60S2最小系統(tǒng)電路如圖4所示。

圖4 STC12C5A60S2最小系統(tǒng)電路Fig.4 STC12C5A60S2 minimum system circuit

3.2 無線傳輸模塊

nRF24L01無線傳輸模塊是Nordic公司產(chǎn)品,具有快速切換和喚醒能力,時間約為130us,數(shù)據(jù)傳輸速率提升至2MB/s,工作于2.4GHz～2.5GHz ISM頻段。nRF24L01集成度很高,內(nèi)部包括了功率放大器、頻率合成器等功能。另外,該模塊融入了增強型ShockBurST技術(shù),外部電路比較簡單,可通過程序?qū)敵龉β屎屯ㄐ蓬l道進行設置,同時功耗極低,接收時工作電流只有12.3mA,以-6dBm的功率發(fā)射時,工作電流只有9mA[4-5]。nRF24 L01無線傳輸模塊電路如圖5所示。

圖5 nRF24L01無線傳輸電路Fig.5 nRF24L01 wireless transmission circuit

nRF24L01主要有四種工作模式,由PWR_UP register寄存器、PRIM_RX register寄存器決定nRF24L01工作于何種模式。四種具體工作模式分別為收發(fā)模式、配置模式、空閑模式、關(guān)機模式。本文針對Enhanced ShockBurst TM收發(fā)模式進行介紹,該模式也是計圈裝置所采用的模式。在Enhanced ShockBurstTM收發(fā)模式下,使用片上FIFO,數(shù)據(jù)從微控制器以低速送入,但以高速傳輸。因此,低速微控制器也可以獲得較高的數(shù)據(jù)傳輸速率。所有高速信號處理均在芯片上進行,具有節(jié)能、系統(tǒng)成本低、抗干擾能力強等優(yōu)點。此外,nRF24L01在接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)時,還具有自動去除和添加字頭和CRC校驗碼的功能。

3.3 電壓轉(zhuǎn)換模塊

AMS1117-3.3是一種正向低壓降穩(wěn)壓器,可以輸出3.3V電壓,從左至右依次是輸入、接地、輸出。C7和C8是輸出濾波電容,作用是抑制自激振蕩,C5和C6是輸入電容,作用是防止斷電后出現(xiàn)電壓倒置。AMS1117的片上微調(diào)可以把基準電壓控制在1.5%的誤差以內(nèi),同時電流限制也得到了調(diào)整,盡量降低因電源電路和穩(wěn)壓器超載造成的壓力。電壓轉(zhuǎn)換模塊電路如圖6所示。

圖6 電壓轉(zhuǎn)換模塊電路Fig.6 Voltage conversion module circuit

3.4 超聲波收發(fā)模塊

所述超聲波發(fā)射模塊和超聲波接收模塊采用型號為EU1640BCH的16MM超聲波防水型分體40KHz傳感器測距探頭,標稱頻率40KHz,發(fā)射聲壓≥110dB,接收靈敏度≥-75dB,靜電容量1800±30%,探測距離3m左右。該模塊是一對多模塊,為了增強超聲波感應效果,可以將多個超聲波模塊并聯(lián)到一起擴大超聲波感應區(qū)域[6]。

圖9 主機工作流程 Fig.9 Host workflow

圖10 分機X工作流程Fig.10 Extension X workflow

(1)超聲波發(fā)射電路。超聲波發(fā)射電路主要由9012三極管和超聲波發(fā)射換能器構(gòu)成,9012在這里起到開關(guān)作用。單片機端口輸出的40kHz的方波信號經(jīng)9012送到超聲波換能器的一個電極,從而激勵換能器發(fā)射超聲波。LED發(fā)光二極管用于電路正常工作提示作用。超聲波發(fā)射電路如圖7所示。

圖7 超聲波發(fā)射電路Fig.7 Ultrasonic transmitter circuit

(2)超聲波接收電路。因為接收到的超聲波信號很弱,所以需要放大。超聲信號由Q2和Q3兩級放大器放大,每級放大器放大約70倍。放大后的信號通過檢波電路解調(diào),即解調(diào)成幾個較大的脈沖波。這里使用N4148檢波二極管,輸出的直流信號是2和D3之間的電容電壓。超聲波接收電路如圖8所示。

圖8 超聲波接收電路Fig.8 Ultrasonic receiving circuit

3.5 LCD顯示模塊

LCD顯示模塊采用LCD12864液晶屏,與主機控制器相連,主要用于顯示設置參數(shù)、系統(tǒng)狀態(tài)、分機信息、記錄數(shù)據(jù)等。

3.6 數(shù)碼管顯示模塊

數(shù)碼管顯示模塊采用0.36寸四位一體共陰極數(shù)碼管,與分機控制器相連,主要方便運動員觀察跑步圈數(shù)、跑步時間等數(shù)據(jù),與主機控制器信息同步。

3.7 設置模塊

設置模塊用于設置系統(tǒng)運行的參數(shù),包括復位按鍵、選擇按鍵、確定按鍵、設置按鍵;其中復位按鍵用于開機后的所有參數(shù)復位或者記錄一個輪次后的數(shù)據(jù)復位;設置按鍵用于進入設置狀態(tài);選擇按鍵用于選擇某一個分機ON或者OFF;確定按鍵用于在設置狀態(tài)中確認設置的分機狀態(tài)后進入工作狀態(tài),或者在工作狀態(tài)中開啟計圈。

4 軟件設計

本設計采用Keil uVision5開發(fā)環(huán)境,使用C語言編寫應用程序,由主機程序和分機程序組成。主機程序主要包括液晶顯示程序、設置程序、數(shù)據(jù)采集程序、超聲波發(fā)射程序、無線傳輸程序等。分機程序主要包括數(shù)碼管顯示程序、超聲波接收程序、數(shù)據(jù)記錄程序、無線傳輸程序等。鑒于篇幅限制,本文只針對無線傳輸部分軟件編寫作介紹。

4.1 無線傳輸配置

nRF24L01共有30字節(jié)配置字,所有配置均通過SPI完成。Enhanced ShockBurstTM的配置字可以分為數(shù)據(jù)寬度、地址寬度、地址、CRC四個部分,程序編寫更加簡單,穩(wěn)定性也更好。數(shù)據(jù)寬度聲明數(shù)據(jù)所占用的位數(shù),使nRF24L01能夠區(qū)分數(shù)據(jù)和CRC校驗碼。地址寬度聲明地址所占用的比特數(shù),使nRF24L01能夠區(qū)分地址和數(shù)據(jù)。地址為接收數(shù)據(jù)的地址,包括0～5通道的地址。CRC使能nRF24L01生成CRC校驗碼和解碼,使用片上CRC校驗時,確保配置字中啟用了CRC校驗,且發(fā)送和接收使用相同的協(xié)議。

4.2 Enhanced ShockBurstTM發(fā)射流程

具體發(fā)射流程為:(1)將接收機地址和數(shù)據(jù)按時序送入nRF24L01;(2)配置CONFIG寄存器,工作模式為發(fā)送模式;(3)微控制器將CE端置高至少10us時間,并激活nRF24L01進行Enhanced ShockBurstTM發(fā)射;(4)Enhanced ShockBurstTM發(fā)射。

4.3 Enhanced ShockBurstTM接收流程

具體接收流程為:(1)配置本地地址和接收的數(shù)據(jù)包大小;(2)配置CONFIG寄存器為接收模式,CE設置為高;(3)130us后nRF24L01進入監(jiān)視狀態(tài),等待接收數(shù)據(jù)包;(4)當接收到正確的數(shù)據(jù)包時,nRF24L01自動去除字頭、地址和CRC校驗位;(5)nRF24L01將STATUS寄存器中RX_DR置位,以此通知STC12控制器;(6)微控制器從NewMsg_ RF2401讀取數(shù)據(jù);(7)讀取所有數(shù)據(jù)后清除STATUS寄存器。

4.4 主機及分機流程圖

主機流程圖如圖9所示,分機流程圖如圖10所示。

5 結(jié)語

本文結(jié)合中長跑比賽項目的需要,設計開發(fā)計圈裝置。硬件方面主要完成了超聲波收發(fā)電路、無線傳輸電路、LCD及數(shù)碼管顯示電路等,軟件方面完成了主從機程序設計,實現(xiàn)了信號觸發(fā)、計圈、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。系統(tǒng)測試表明,該計圈裝置性能穩(wěn)定,計圈準確,大大降低了人為計圈帶來的誤差。后續(xù)研究中,還需在智能化、輕便化方面深入研究,加入運動參數(shù)等分析功能,提升計圈裝置應用體驗。

引用

[1] 薛宇,劉寶剛,郭旗.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能跑步計圈系統(tǒng)設計[J].延安大學學報(自然科學版),2019(1):112-115.

[2] 康忠雄,程望斌,許婷,等.超聲波料位儀的設計與研究[J].電子技術(shù),2015(12):38-40.

[3] 王燦.水下航行體姿態(tài)控制力矩陀螺群的控制系統(tǒng)設計與研究[D].武漢:華中科技大學,2015.

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