田径运动中的电子起跑系统研制

（陕西财经职业技术学院,咸阳,712000）

田径运动中的电子起跑系统研制

李健兵

（陕西财经职业技术学院,咸阳,712000）

在运动会比赛中，运动员的抢跑等现象靠人工来完成，会存在一定的误差。为了提高运动会的公平性和准确性，电子起跑系统越来越受到人们的关注。在我国，目前一些大型赛事使用的电子起跑设备都是从国外购买，价格昂贵，不适合广泛推广应用。本论文设计了电子起跑系统的硬件系统和软件系统，并进行了系统调试。

运动会；电子起跑系统

电子起跑系统也可以称为电子起跑器，在田径运动会的比赛中，可以对径赛成绩实现精确测量，是电动计时仪的一种重要的补充。电子起跑系统主要包括电子起跑器、发令单元、抢跑判决单元和自动招回单元等主要部分。在一些大型的赛事中，径赛短跑项目都比较集中，所以一般配置3套电子起跑系统以满足比赛的需要。本文主要分析了电子起跑系统的需求，设计了电子起跑系统的控制机柜、电子起跑器和发令单元，以及系统的软件系统，并对系统进行了调试。

1 系统需求设计

图1 电子起跑系统示意图

设计电子起跑系统要求其能判别抢跑，如果发现抢跑的现象能自动报警，招回运动员，为了达到这个设计要求，要求该系统具有如下的技术指标，这个系统要和电动计时仪使用相同的发令传感单元，要求能够精确的测量每个跑道运动员的起跑时刻，其检测速度要大于1000次/秒，检测误差小于1毫秒，要求能够精确测量并打印每个跑道运动员的起跑脚蹬压力的曲线，为仲裁提供依据，还可以对运动员的起跑技术进行分析，还要求能够实现自动抢跑判决、无线发令等时同步，无线招回报警，含发令枪声的传输系统，确保每个跑道的运动员同时听到发令枪声，还要求能够直接联网，调阅编排和检录信息，从而可以实现径赛起点的无纸化操作，还要求能够与田径运动会信息管理系统直接相连联网，和其它的设备、终端一起构成完整的运动会的网络信息系统。

2 系统的硬件的整体设计

电子起跑系统包括控制机柜、电子起跑器、发令单元、发令麦克风和自动招回耳机，如图1所示，根据电子起跑系统的设计，需要控制机柜 1套，实现抢跑的判别、发令输入等功能，电子起跑器的个数根据跑道数目具体确定，一般需要10个，发令单元1套，主要包括由发令枪和电子发令传感器构成，发令麦克风1个，自动招回耳机2个。

2.1控制机柜

控制机柜主要由微处理器即MCU、按键和数码管组成，主要有LED数码管的显示、抢跑判别、音响的输出、无线传输的功能。主控面板由防水薄膜按键和LED数码管组成，防水薄膜的按键可以用来管理系统，LED管显示当前的比赛状态。MCU接收到发令枪声传感器的信号后，把这些信号发送到电子起跑器的扬声器上，自动判别抢跑，如果存在抢跑的现象，就会在LED管上显示出来，并自动报警，如果没有抢跑现象发生，LED管也会显示出来。

MCU采用AT89C2051，AT89C2051是美国ATMEL公司生产的一种低电压、高性能CMOS 8位单片机， 2KB可以重复编程的FLASH存储器和128KB RAM，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，15根I/O口，两个16位定时器，一个五向量两级中断结构，一个全双工串行口，AT89C2051单片机在电子类产品中有广泛的应用。

2.2电子起跑器

电子起跑器由抢跑压力传感器、相应的扩音设备和灯光设备三部分组成。本系统中采用的抢跑压力传感器，抢跑压力传感器和等值电阻组成电桥，如果发生抢跑的现象，电桥就会失去原有的平衡，而起跑器的脚踏板上都有一个应变片，当有蹬力产生时，应变片会变形，并把这个信号放大传输到控制机柜，判别抢跑现象的发生；在电子起跑器的尾部都有扬声器，输出枪声和报警的声音；在电子起跑器的尾部还有荧光灯，和主控系统连接，输出报警灯光。

抢跑压力传感器是由传感器的电桥和条理电路构成的，传感器电桥是由应变片和电阻组成的惠斯登电桥，并能够采集起跑器的压力变形信号，经过放大器放大信号，传给信号的控制系统，判断抢跑的结果，放大器采用LM324放大器。LM324放大器是一种低功率的四放大器，针脚数为14，有5个引出脚，电源电源最大为32V，最小为3V，短路保护输出，最大100mA，输入端有静电保护的功能。

图2 LM324应用电路图设计

2.3发令单元

发令单元主要包括部件发令枪和电子发令传感器以及相关部件扩音器、信号电缆等部分组成。电子发令传感器接收到声音信号后，经过放大电路，将声音信号放大，要求传感器具有高度的灵敏性，强大的抗干扰能力，有滤除杂波的功能，提高传感器的可靠性，传感器的灵敏度还要能够适时调节。本系统采用ZY1730芯片，采用模拟处理的存储方式，音频数据不需要数字压缩，直接存储在固体存储器中，可以消除常见的噪音，电路断电后语音内容不会消失，可以保证数据的完整，录音时间为240s，采样频率为6.4KHz，电压范围是2.4-5.5V，极限电压为6V，静态电流为0.5-1μA，工作电流为20mA。

3 系统软件的设计

本系统的数据传输模块采用RF4432PRO，RF4432PRO 是一款嵌入式工业级抗干扰的无线前端收发模块。采用的是Silicon Lab Si4432 器件，这是一款高度集成的无线ISM 频段收发芯片。极低的接收灵敏度（-121dBm）,再加上业界领先的 +20dBm 的输出功率保证扩大范围和提高链路性能。它的最大发射功率达到100mw，通讯视距可达1400米，标准的SPI接口通讯控制，具有体积小高集成抗干扰等优点，频率范围是403-898MHz，调制速率为0.123-256Kbps，接收电流18.5mA，发射电流85 mA，休眠电流小于1μA，调制模式为GFSK/FSK/OOK，广泛应用于无线工业数据采集、远程抄表、无线遥控等系统中。在数据传输之前首先要确定通信协议，协议中要明确规定什么时候开始通信，什么时候结束通信和交换信息，通信协议要充分考虑系统的稳定性，先确定通信状态再确定串口的通信方式，软件只是把要发送的数据从单片机传输到数据寄存器中和切换至发送工作模式。接受功能模块的主要功能就是检测载波信号，监测地址是否匹配、解码数据包并接收，从接收到的时间继续计时。

4 系统调试

在本系统研制成功之后，在使用之前要对其系统进行调试，并找出系统的错误，并及时的修改，系统调试主要包括程序调试、模块的调试，系统调试一定要规范进行、用户参加并发表意见、充分利用系统资源、遵循实用和实效的原则，调试时主要有可以用对的或错误的数据测试程序是否正确，对程序的数据传输能力和反应情况，系统内部、系统之间都要进行调试，在本系统中调试发令单元和主控机柜和电子起跑器之间能否正确传输数据，主控机柜能否正确显示抢跑的情况和计时情况，这些数据能够正确发送到主计算机上面，运动员也要参加调试，是否能够同时听到发令枪声，除了软件系统的调试，还包括硬件电路的调试如检查电压是否正常、系统的接口是不是正确，一些元件的发射信号等。

[1] 谢洪昌,罗江南.田径短跑中电子起跑监测系统测量方法有效性的研究[J].广州体育学院学报,2013,01:75-79.

[2] 龚淑雯.研究径赛起点信号处理系统的开发[J].信息与电脑(理论版),2012,04:44-45.

[3] 沈炜.绍兴职业技术学院体育成绩管理系统的设计与实现[D].电子科技大学,2012.

李健兵，男，1971年3月10日，副教授，体育教学与训练

Development of electronic starting system in track and field

Li Jianbing
(Shaanxi Vocational College of Finance and Economics,Xianyang,712000)

In the games,athletes jump phenomenon to complete manually,there may be some errors.In order to improve the fairness and accuracy of electronic games,starting system has been paid more and more attention.In China,electronic starting devices currently used in some large-scale events are bought from abroad,the price is expensive,not suitable for widely use.This paper designed the hardware system and software system of electronic starting system,and debug the system.

games;electronic starting system