F4方程式摩托艇比賽電子計時系統的設計

高 鵬，王 敏

近年來隨著中國經濟的騰飛，國民的物質生活水平日益提高，水上摩托艇項目，越來越受到民眾的青睞。從一級方程式摩托艇第一次在中國杭州舉辦巡回比賽，到國際摩聯舉辦的IAC水上極速運動大賽在中國柳州一年一度的舉行，以及2011年我國首個聯賽賽制水上運動項目－中國摩托艇聯賽的出臺，是國家體育總局重點打造的中國首個水上機械競速類體育項目，摩托艇運動正在21世紀的中國風靡橫掃，且漸入佳境。但是目前國內的摩托艇聯賽及相關賽事中，裁判系統仍然停留在人工按動秒表讀取成績的階段，人工秒表由于受到裁判員反應差異和實踐經驗等主客觀因素的影響，測量精度和可靠性無法保證賽事精準要求，需要的裁判員數量眾多，編排成績耗時長等因素，與摩托艇更高更快的理念相距甚遠，是制約中國摩托艇運動發展的瓶頸因素之一。為提高中國摩托艇項目在國際賽事中的核心競爭力，國家體育總局水上運動管理中心的領導認為，目前是要把電子計時技術與自動化控制完美滴融合于中國摩托艇項目競賽中的時候了，它已經刻不容緩地擺在了我們面前。隨著現代電子技術的廣泛應用，電子計時已經應用在包括國際上最高級別的F1摩托艇比賽的各種體育賽事中。然而，對于國內的摩托艇聯賽來說，F1摩托艇的電子計時系統過于昂貴，針對以上實際情況，筆者作為親歷此項目比賽的實踐以及與教練員等業內人士的共同探討，設計了一種以AT89C51單片機為核心的電子計時計圈系統，該系統具有良好的精確性，能精確區分成績先后，同時具有實時性，能在賽艇撞線的瞬間通過無線模塊將數據傳送至岸上各個參賽隊的主機上并且將成績顯示在液晶屏幕上，使用便捷，價格低廉，對于提高裁判系統的可靠性，精確性，高效性具有極大的現實意義。

1 系統結構原理

整個系統的結構圖如圖1所示，以微控制單元為核心，包括用來計時的芯片部分，實現通信的無線模塊部分，用于判定終點的激光發射部分，負責數據采樣的傳感器部分，以及用于接收數據和傳達指令的岸上主機。系統用激光發射裝置產生激光，放置在門標之間，一旦有賽艇經過門標，位于賽艇前部的激光傳感器會將激光信號傳達給單片機，單片機隨后根據算法做出一系列動作，包括給無線模塊發送數據包等。

圖1 系統結構圖

2 核心硬件電路設計

2.1 基于單片機的無線通訊系統

無線通訊系統以AT89C51單片機為核心，AT89C2051是一種帶2K字節閃存可編程可擦除只讀存儲存器的單片機，由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，可以滿足系統要求。采用 SH9902作為無線信號收發模塊，通過解碼器PT2272L6來實現通信模塊和微控制單元間的信息交流。

圖2 無線通訊系統

圖3 激光傳感器系統

2.2 激光傳感器系統

用裝在F4方程式摩托艇艇前部的激光接收頭來接收來自激光發射裝置發射的激光，接收頭1腳經過一個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穩定。如果接收頭接收到激光則輸出為低電平，如果接收不到則發生電平跳變，所有信號通過I/O口反饋給主控單元。

3 軟件系統設計

根據F4方程式摩托艇的比賽需要，我們設計有排位賽和競速賽兩個模式。

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則，各條賽艇進入航道進行環圈，以單圈最好成績進行排位，從而決定決賽起航位置。為此設計了排位賽模式程序流程圖，當賽艇進入排位賽，程序開始運行，當微控制單元檢測到激光信號時，說明此時賽艇進入第一圈的環圈繞標，因此自動讓記圈計數器歸零，計時計數器啟動開始計時，當環圈完畢，賽艇再次碰撞位于門標的激光時，微控制單元檢測到激光信號后，令記圈計數器加一，并同時停止計時，隨后微控制器將存儲在自己存儲器內的賽艇單圈成績數據通過無線模塊發送給位于岸上的上位機，然后程序回到開頭，進入下一圈的計時，最終該艇的所有單圈成績會被發送到上位機，并有上位機進行最好單圈成績統計，并和其它賽艇的最好單圈成績進行排序，最后自動排序出決賽的起航位置。

3.2 競速賽模式

圖5 競速賽模式程序流程圖

根據F4方程式摩托艇競速賽的比賽規則，所有賽艇在規定的20min時間內進行比賽，20min到后再加1圈，最后通過賽艇所跑圈數和賽艇所用時間來綜合評判比賽成績。當賽艇進入競速賽時，程序開始運行，由于賽艇根據信號一起起航，系統同時給每條賽艇發一個起航信號，賽艇在接收到起航信號時，同時開始定時20min并開始計時，隨后進入等待循環，等待判斷時間是否到了20min，沒有到則等待，一旦時間到，每條賽艇的控制單元會將此刻的平均速度通過無線發送給岸上的上位機，上位機接收到每條艇發來的數據后會進行排序，排出平均速度最高的艇，也就是首艇，并向該艇發送首艇信號，對于每條賽艇來說，艇上的微控制單元只負責檢測是否收到首艇信號，如果本艇收到了首艇信號，那么該艇會檢測激光信號，只要檢測到激光則停止計時，發送成績，這時上位機會向所有艇發送比賽停止信號，當艇上的單片機檢測到比賽停止信號時，只要檢測到激光就停止計時，也就是說只要艇進入門標就停止計時。

4 小結

經過模型試驗，該系統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，裁判準確度和可靠性都有了質的飛躍。

［1］譚福耀.短跑比賽計時系統的研究［J］.電子科學，2008(1).