F4方程式摩托艇比赛电子计时系统的设计

高 鹏，王 敏

近年来随着中国经济的腾飞，国民的物质生活水平日益提高，水上摩托艇项目，越来越受到民众的青睐。从一级方程式摩托艇第一次在中国杭州举办巡回比赛，到国际摩联举办的IAC水上极速运动大赛在中国柳州一年一度的举行，以及2011年我国首个联赛赛制水上运动项目－中国摩托艇联赛的出台，是国家体育总局重点打造的中国首个水上机械竞速类体育项目，摩托艇运动正在21世纪的中国风靡横扫，且渐入佳境。但是目前国内的摩托艇联赛及相关赛事中，裁判系统仍然停留在人工按动秒表读取成绩的阶段，人工秒表由于受到裁判员反应差异和实践经验等主客观因素的影响，测量精度和可靠性无法保证赛事精准要求，需要的裁判员数量众多，编排成绩耗时长等因素，与摩托艇更高更快的理念相距甚远，是制约中国摩托艇运动发展的瓶颈因素之一。为提高中国摩托艇项目在国际赛事中的核心竞争力，国家体育总局水上运动管理中心的领导认为，目前是要把电子计时技术与自动化控制完美滴融合于中国摩托艇项目竞赛中的时候了，它已经刻不容缓地摆在了我们面前。随着现代电子技术的广泛应用，电子计时已经应用在包括国际上最高级别的F1摩托艇比赛的各种体育赛事中。然而，对于国内的摩托艇联赛来说，F1摩托艇的电子计时系统过于昂贵，针对以上实际情况，笔者作为亲历此项目比赛的实践以及与教练员等业内人士的共同探讨，设计了一种以AT89C51单片机为核心的电子计时计圈系统，该系统具有良好的精确性，能精确区分成绩先后，同时具有实时性，能在赛艇撞线的瞬间通过无线模块将数据传送至岸上各个参赛队的主机上并且将成绩显示在液晶屏幕上，使用便捷，价格低廉，对于提高裁判系统的可靠性，精确性，高效性具有极大的现实意义。

1 系统结构原理

整个系统的结构图如图1所示，以微控制单元为核心，包括用来计时的芯片部分，实现通信的无线模块部分，用于判定终点的激光发射部分，负责数据采样的传感器部分，以及用于接收数据和传达指令的岸上主机。系统用激光发射装置产生激光，放置在门标之间，一旦有赛艇经过门标，位于赛艇前部的激光传感器会将激光信号传达给单片机，单片机随后根据算法做出一系列动作，包括给无线模块发送数据包等。

图1 系统结构图

2 核心硬件电路设计

2.1 基于单片机的无线通讯系统

无线通讯系统以AT89C51单片机为核心，AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储存器的单片机，由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，可以满足系统要求。采用 SH9902作为无线信号收发模块，通过解码器PT2272L6来实现通信模块和微控制单元间的信息交流。

图2 无线通讯系统

图3 激光传感器系统

2.2 激光传感器系统

用装在F4方程式摩托艇艇前部的激光接收头来接收来自激光发射装置发射的激光，接收头1脚经过一个RC电路后接高电平，RC电路作用是滤除电源噪声。3脚接一上拉电阻使输出信号稳定。如果接收头接收到激光则输出为低电平，如果接收不到则发生电平跳变，所有信号通过I/O口反馈给主控单元。

3 软件系统设计

根据F4方程式摩托艇的比赛需要，我们设计有排位赛和竞速赛两个模式。

3.1 排位赛模式

图4 排位赛模式程序流程图

鉴于F4方程式摩托艇排位赛的比赛规则，各条赛艇进入航道进行环圈，以单圈最好成绩进行排位，从而决定决赛起航位置。为此设计了排位赛模式程序流程图，当赛艇进入排位赛，程序开始运行，当微控制单元检测到激光信号时，说明此时赛艇进入第一圈的环圈绕标，因此自动让记圈计数器归零，计时计数器启动开始计时，当环圈完毕，赛艇再次碰撞位于门标的激光时，微控制单元检测到激光信号后，令记圈计数器加一，并同时停止计时，随后微控制器将存储在自己存储器内的赛艇单圈成绩数据通过无线模块发送给位于岸上的上位机，然后程序回到开头，进入下一圈的计时，最终该艇的所有单圈成绩会被发送到上位机，并有上位机进行最好单圈成绩统计，并和其它赛艇的最好单圈成绩进行排序，最后自动排序出决赛的起航位置。

3.2 竞速赛模式

图5 竞速赛模式程序流程图

根据F4方程式摩托艇竞速赛的比赛规则，所有赛艇在规定的20min时间内进行比赛，20min到后再加1圈，最后通过赛艇所跑圈数和赛艇所用时间来综合评判比赛成绩。当赛艇进入竞速赛时，程序开始运行，由于赛艇根据信号一起起航，系统同时给每条赛艇发一个起航信号，赛艇在接收到起航信号时，同时开始定时20min并开始计时，随后进入等待循环，等待判断时间是否到了20min，没有到则等待，一旦时间到，每条赛艇的控制单元会将此刻的平均速度通过无线发送给岸上的上位机，上位机接收到每条艇发来的数据后会进行排序，排出平均速度最高的艇，也就是首艇，并向该艇发送首艇信号，对于每条赛艇来说，艇上的微控制单元只负责检测是否收到首艇信号，如果本艇收到了首艇信号，那么该艇会检测激光信号，只要检测到激光则停止计时，发送成绩，这时上位机会向所有艇发送比赛停止信号，当艇上的单片机检测到比赛停止信号时，只要检测到激光就停止计时，也就是说只要艇进入门标就停止计时。

4 小结

经过模型试验，该系统可以基本完成所需要求，裁判人员大大减少，编排效率大幅提升，裁判准确度和可靠性都有了质的飞跃。

［1］谭福耀.短跑比赛计时系统的研究［J］.电子科学，2008(1).