网球速度测量和显示系统的开发设计

刘四清

中图分类号：G845 文献标识：A 文章编号：1009-9328（2016）07-040-01

摘 要 网球比赛的发展需要有符合体育赛事比赛规则的设备做为支撑，研制开发网球测速显示电子设备为网球比赛服务，本文重点介绍网球测速显示的开发设计以及系统的功能。

关键词 网球测速 设计方案 系统功能

网球比赛是广大体育爱好者比较喜欢的一项运动，比赛的观赏性、竞争激烈刺激性、运动员的技术技巧和拚博精神都深深地吸引着观众的眼球，也是体育爱好者广泛参与的运动项目。在网球比赛中发球速度决定着发球的质量，网球发球速度也是观众在观看比赛中的关注焦点，测量和公告显示网球发球的速度值是网球比赛中不可或缺的设备，实时的显示和记录网球发球速度是网球运动员和教练员关注的一项技术统计数据。

我们研制的网球发球速度测量显示系统已应用在亚运会网球比赛中，在国际和国内的网球比赛中得到了肯定。本文主要介绍网球发球速度测量显示系统的开发设计。

一、网球速度测量显示系统的整体设计方案

网球发球速度测量显示系统由四部分组成，网球测速雷达，测量显示控制器，LED球速显示屏，无线数据传输系统或有线数据传输系统。按照数据传输系统的不同分为两种不同的产品类型，系统方框图分别如图1和图2所示。

系统整体工作过程是，网球发球速度测量采用测速雷达，在网球场的底端中线延长线外架设测速雷达，用于测量网球的发球速度；球速显示系统采用2块LED显示屏同时显示发球速度，在网球场两端看台下墙壁处分别架设或悬挂一台LED显示屏；控制器放置于操作人员工作台，控制发球速度的测量。网球比赛时，当运动员发球时测速雷达测得速度值，并将球速测量值传输给两块LED显示屏同时显示，显示一定时间后自动复位清零（或者人工干预显示屏显示的复位清零），准备测量显示下一次网球发球速度。

数据传输系统采用无线传输或有线传输两种方式。采用无线传输模式时，用数据传输模块控制数据和指令的发送和接收，数据传输模块针对三种设备接口分为雷达数传模块、控制器数传模块和LED显示屏数传模块；有线传输时将测速雷达测得的发球速度通过RS232或RS485数据接口经过测量显示控制器传输给LED显示屏显示网球速度值。

二、子系统功能

（一）网球速度测速雷达

雷达测速主要是利用多卜勒效应（Doppler Effect）原理：当目标运动向雷达天线靠近时，目标的反射信号频率将高于雷达发射机频率；反之，当目标运动方向远离雷达天线而去时，目标反射信号频率将低于雷达发射机频率。如此即可借由频率的改变数值，计算出目标与雷达的相对速度，这个改变的频率称为多卜勒频率，公式如下：

在公式中， 多卜勒频率， 雷达发射机频率， 目标径向运动速度， 雷达波长，c光的速度。

由公式可以看出，多卜勒频率正比于相对运动的速度而反比于工作波长。当目标飞向雷达时多卜勒频率为正值，接收信号频率高于发射信号频率；当目标背离雷达飞行时，多普勒频率为负值，接收信号频率低于发射信号频率。多卜勒频移的相对值正比于目标速度与光速之比，多卜勒频率的正负值取决于目标运动的方向。

测速雷达通过测量运动目标的多卜勒频率进而测得网球速度，然后按照通信协议格式通过串行接口RS232或者RS485向接收设备传输数据。测速雷达速度的校准采用标准音叉进行校准，根据标准音叉的振动频率检测测速雷达的精度。

数据传输方式分为有线数据传输和无线数据传输，无线数据传输需要进行数据封包和解包，需要通过无线数据传输模块进行传输。

（二）无线数据传输模块

无线数据传输模块分为雷达数据传输模块、测量显示控制器数据传输模块、LED显示屏数据传输模块等。用于发射和接收网球速度编码数据包。

雷达数据传输模块用于发送测速雷达数据包，接收控制器传来的控制命令，启动雷达测量网球速度，按照通信协议将速度数据编码封装成定制的数据包向外传输，测速雷达在测出网球的发球速度后通过RS232或RS485接口输出，按照通信协议将封装好的速度数据包传输给无线数据传输模块，通过天线发射出去。

LED显示屏数据传输模块接收雷达数传模块的数据包通过解码数据包，将速度数据传给LED显示屏控制单片机，由单片机将速度数据编码后显示在LED显示屏；接收控制器的命令数据包，控制显示屏的亮度增减，控制显示屏显示的复位清零。

（三）LED显示屏

采用3位7段LED显示屏显示速度值，LED显示屏由嵌入式单片机控制，将数据传输模块接收的速度数据包、控制器命令数据包解码后，在LED屏上显示速度值，控制显示屏亮度增加或降低，控制显示屏复位清零。显示屏只显示网球速度的3位整数值，根据要求不同可以显示英制或公制的球速值。

（四）控制器

控制器用于控制测量发球速度的时间，从而启动雷达测量网球速度，指示测速雷达工作状态，控制LED显示屏亮度增加或降低，控制显示屏复位清零，控制器的控制命令按照通信协议封装数据包，通过无线数据传输模块发射出去。

三、结束语

网球测速显示系统的开发设计，填补了国内网球比赛测速显示设备的空白，为体育事业的发展做出了应有的贡献。

参考文献：

[1]丁鹭飞，耿富录.雷达原理（第三版）[M].西安电子科技大学出版社.2002.6.