網球速度測量和顯示系統的開發設計

劉四清

中圖分類號：G845 文獻標識：A 文章編號：1009-9328（2016）07-040-01

摘 要 網球比賽的發展需要有符合體育賽事比賽規則的設備做為支撐，研制開發網球測速顯示電子設備為網球比賽服務，本文重點介紹網球測速顯示的開發設計以及系統的功能。

關鍵詞 網球測速 設計方案 系統功能

網球比賽是廣大體育愛好者比較喜歡的一項運動，比賽的觀賞性、競爭激烈刺激性、運動員的技術技巧和拚博精神都深深地吸引著觀眾的眼球，也是體育愛好者廣泛參與的運動項目。在網球比賽中發球速度決定著發球的質量，網球發球速度也是觀眾在觀看比賽中的關注焦點，測量和公告顯示網球發球的速度值是網球比賽中不可或缺的設備，實時的顯示和記錄網球發球速度是網球運動員和教練員關注的一項技術統計數據。

我們研制的網球發球速度測量顯示系統已應用在亞運會網球比賽中，在國際和國內的網球比賽中得到了肯定。本文主要介紹網球發球速度測量顯示系統的開發設計。

一、網球速度測量顯示系統的整體設計方案

網球發球速度測量顯示系統由四部分組成，網球測速雷達，測量顯示控制器，LED球速顯示屏，無線數據傳輸系統或有線數據傳輸系統。按照數據傳輸系統的不同分為兩種不同的產品類型，系統方框圖分別如圖1和圖2所示。

系統整體工作過程是，網球發球速度測量采用測速雷達，在網球場的底端中線延長線外架設測速雷達，用于測量網球的發球速度；球速顯示系統采用2塊LED顯示屏同時顯示發球速度，在網球場兩端看臺下墻壁處分別架設或懸掛一臺LED顯示屏；控制器放置于操作人員工作臺，控制發球速度的測量。網球比賽時，當運動員發球時測速雷達測得速度值，并將球速測量值傳輸給兩塊LED顯示屏同時顯示，顯示一定時間后自動復位清零（或者人工干預顯示屏顯示的復位清零），準備測量顯示下一次網球發球速度。

數據傳輸系統采用無線傳輸或有線傳輸兩種方式。采用無線傳輸模式時，用數據傳輸模塊控制數據和指令的發送和接收，數據傳輸模塊針對三種設備接口分為雷達數傳模塊、控制器數傳模塊和LED顯示屏數傳模塊；有線傳輸時將測速雷達測得的發球速度通過RS232或RS485數據接口經過測量顯示控制器傳輸給LED顯示屏顯示網球速度值。

二、子系統功能

（一）網球速度測速雷達

雷達測速主要是利用多卜勒效應（Doppler Effect）原理：當目標運動向雷達天線靠近時，目標的反射信號頻率將高于雷達發射機頻率；反之，當目標運動方向遠離雷達天線而去時，目標反射信號頻率將低于雷達發射機頻率。如此即可借由頻率的改變數值，計算出目標與雷達的相對速度，這個改變的頻率稱為多卜勒頻率，公式如下：

在公式中， 多卜勒頻率， 雷達發射機頻率， 目標徑向運動速度， 雷達波長，c光的速度。

由公式可以看出，多卜勒頻率正比于相對運動的速度而反比于工作波長。當目標飛向雷達時多卜勒頻率為正值，接收信號頻率高于發射信號頻率；當目標背離雷達飛行時，多普勒頻率為負值，接收信號頻率低于發射信號頻率。多卜勒頻移的相對值正比于目標速度與光速之比，多卜勒頻率的正負值取決于目標運動的方向。

測速雷達通過測量運動目標的多卜勒頻率進而測得網球速度，然后按照通信協議格式通過串行接口RS232或者RS485向接收設備傳輸數據。測速雷達速度的校準采用標準音叉進行校準，根據標準音叉的振動頻率檢測測速雷達的精度。

數據傳輸方式分為有線數據傳輸和無線數據傳輸，無線數據傳輸需要進行數據封包和解包，需要通過無線數據傳輸模塊進行傳輸。

（二）無線數據傳輸模塊

無線數據傳輸模塊分為雷達數據傳輸模塊、測量顯示控制器數據傳輸模塊、LED顯示屏數據傳輸模塊等。用于發射和接收網球速度編碼數據包。

雷達數據傳輸模塊用于發送測速雷達數據包，接收控制器傳來的控制命令，啟動雷達測量網球速度，按照通信協議將速度數據編碼封裝成定制的數據包向外傳輸，測速雷達在測出網球的發球速度后通過RS232或RS485接口輸出，按照通信協議將封裝好的速度數據包傳輸給無線數據傳輸模塊，通過天線發射出去。

LED顯示屏數據傳輸模塊接收雷達數傳模塊的數據包通過解碼數據包，將速度數據傳給LED顯示屏控制單片機，由單片機將速度數據編碼后顯示在LED顯示屏；接收控制器的命令數據包，控制顯示屏的亮度增減，控制顯示屏顯示的復位清零。

（三）LED顯示屏

采用3位7段LED顯示屏顯示速度值，LED顯示屏由嵌入式單片機控制，將數據傳輸模塊接收的速度數據包、控制器命令數據包解碼后，在LED屏上顯示速度值，控制顯示屏亮度增加或降低，控制顯示屏復位清零。顯示屏只顯示網球速度的3位整數值，根據要求不同可以顯示英制或公制的球速值。

（四）控制器

控制器用于控制測量發球速度的時間，從而啟動雷達測量網球速度，指示測速雷達工作狀態，控制LED顯示屏亮度增加或降低，控制顯示屏復位清零，控制器的控制命令按照通信協議封裝數據包，通過無線數據傳輸模塊發射出去。

三、結束語

網球測速顯示系統的開發設計，填補了國內網球比賽測速顯示設備的空白，為體育事業的發展做出了應有的貢獻。

參考文獻：

[1]丁鷺飛，耿富錄.雷達原理（第三版）[M].西安電子科技大學出版社.2002.6.