（通信与信息系统专业论文）竞走犯规智能无线监测系统的研制.pdf

中文摘要 目前，国际上竞走比赛中所采用的裁判肉眼裁定、跟踪摄像、分段跟查等 方法由于不可能做到对每个运动员全程的每一步观察认定毫无差错，所以不可 避免地会出现裁判漏判、错判等问题，因此，研制出一种实时、准确、有效的 竞走犯规监测系统的任务追在眉睫。 本文提出了一种竞走犯规智能无线监测系统。该系统由特制传令枪、运动 员机和裁判中央机三部分构成。特制传令枪在普通传令枪组成结构基础上增加 了加密和编码电路，能够实现对运动员机的统一复位；运动员机能够通过压敏 传感器和应变传感器分别采集运动员的“腾空犯规和“屈膝”犯规信息，并 能够在将这些信息加密、编码后以无线形式传送给裁判中央机，运动员在比赛 结束后也能通过液晶显示器读取运动员机中存储的相关信息：裁判中央机在比 赛过程中始终“巡检”各运动员机，获取运动员机传送来的犯规信息，并将这 些信息通过u s b 接口传送给上位机；上位机能够将裁判中央机传送来的犯规信 息存储在相应的数据库中，并通过应用软件显示出来。 本系统采用携带在运动员身上的传感器作为犯规检测元件，保证了信息获 取的准确、及时，有效防止了错判和漏判；系统中的无线数据传输经过了加解 密和编解码，高度安全、可靠；特制传令枪对运动员机的统一复位，裁判中央 机一直对运动员机进行“巡检”，运动员机和裁判中央机中犯规信息的同步更 新等设置都能有效防止作弊行为。本系统功能完备、智能化程度高，填补了国 内空白，具有较大的实用价值和经济意义。 关键词：加密编码u s b 接口特制传令枪运动员机裁判中央机 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，i n t e r n a t i o n a lj o g g i n gm a t c h i n gi sa d j u d g e db y u m p i r e s n a k e de y e s o rt r a c k i n gc a m e r as h o o t i n gb ys t a g e s b e c a u s et h e s em e t h o d sc a n n o tg u a r a n t e e u m p i r e so b s e r v ea n da d j u d g ee v e r ya t h l e t ei ne v e r ys t e pw i t h o u ta n ye r r o rd u r i n gt h e w h o l ec o u r s e ，o m i s s i o no fa d j u d i c a t i o na n de r r o rc a n n o tb ea v o i d e d a sa r e s u l t ，i t ，s p r e s s i n gt od e v e l o par e a lt i m e ，a c c u r a t ea n de f f e c t i v em o n i t o r i n gs y s t e mf o rj o g g i n g i l l e g a l i t y t h ep a p e rb r i n g sf o r w a r da ni n t e l l i g e n ta n dw i r e l e s s m o n i t o r i n gs y s t e mf o r j o g g i n gi l l e g a l i t y i tc o n s i s t so ft h r e et y p e so fs u b s y s t e m s ：at a i l o r - m a d es t a r t i n gg u n ， a t h l e t ei n s t r u m e n t sa n da nu m p i r e c e n t r a li n s t r u m e n t t h et a i l o r - m a d es t a r t i n gg u n a d d se n c r y p t i o na n de n c o d i n gc i r c u i tb a s e do na no r d i n a r ys t a r t i n gg u n ，a n di tc a n u n i f o r m l yr e s e ta l lt h ea t h l e t ei n s t r u m e n t s a na t h l e t ei n s t r u m e n tc a na c q u i r ea l l a t h l e t e s v a c a t e i l l e g a l i t yi n f oa n d k n e e - b e n d i n g i l l e g a l i t yi n f os e p a r a t e l yb y p r e s s u r es e n s o r sa n ds t r a i ns e n s o r s ，a n dt h e ne n c r y p ta n de n c o d et h ei n f o a f t e rt h a t ， i tt r a n s m i t st h ei n f ot ot h eu m p i r e c e n t r a li n s t r u m e n ti nt h ef o r mo fw i r e l e s s a f t e r t h em a t c h i n g ，a na t h l e t ec a nr e a dt h ei n f os t o r e di nt h ea t h l e t ei n s t r u m e n tb yt h e a c c e s s o r yl c d d u r i n gt h ew h o l em a t c h i n gc o u r s e ，t h eu m p i r e c e n t r a li n s t r u m e n t i t i n e r a n t l ye x a m i n e se v e r ya t h l e t ei n s t r u m e n t ，a c q u i r et h ei l l e g a l i t yi n f oc o m i n gf r o m e v e r ya t h l e t ei n s t r u m e n t ，a n dt h e nt r a n s m i tt h ei n f ot ot h eu p p e rp cb ya nu s b i n t e r f a c e t h eu p p e rp cc a ns t o r et h ei n f o c o m i n gf r o mt h eu m p i r e c e n t r a l i n s t r u m e n ti n t oad a t a b a s ea n dd i s p l a yt h ei n f ob yas o f t w a r ea p p l i c a t i o n t h es y s t e mt a k e st h es e n s o r ss e t t i n go nt h ea t h l e t e b o d ya st h e i l l e g a l i t y d e t e c t i v ee l e m e n t ，w h i c hg u a r a n t e e st h ea c c u r a c ya n dr e a l t i m eo fa c q u i r e di n f o ，a n d c a np r e v e n to m i s s i o no fa d j u d i c a t i o na n de r r o re f f e c t i v e l y t h ew i r e l e s st r a n s m i s s i o n i nt h es y s t e mi sh i g h l ys a f ea n dr e l i a b l ea f t e re n c r y p t i o na n de n c o d i n g a l lt h e f o l l o w i n gp r o j e c t i o ni nt h es y s t e mc a ne f f e c t i v e l yp r e v e n tc h e a t i n g ：t h et a i l o r - m a d e s t a r t i n gg u nu n i f o r m l yr e s e t sa l lt h ea t h l e t ei n s t r u m e n t s ，t h eu m p i r e c e n t r a l i n s t r u m e n ti t i n e r a n t l ye x a m i n e se v e r ya t h l e t ei n s t r u m e n ta l lt h r o u g ha n dt h ei l l e g a l i t y i n f oi nt h eu m p i r e c e n t r a li n s t r u m e n ta n dt h ea t h l e t ei n s t r u m e n t sm a i n t a i ns y n c h r o n i c r e n e w a l t h es y s t e mh a sc o m p l e t ep e r f o r m a n c ea n dh i g hi n t e l l i g e n c e t h et e c h n i q u e h a sh i g hp r a c t i c a b i l i t ya n de c o n o m i c a ls i g n i f i c a t i o n ，a n df i l l st h ed o m e s t i c v a c a n c y k e yw o r d s ：e n c r y p t i o n ，e n c o d i n g ，u s bi n t e r f a c e ，t h et a i l o r - m a d es t a r t i n gg u n ，t h e u m p i r e c e n t r a li n s t r u m e n t ，a t h l e t ei n s t r u m e n t s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人己经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：岩鲡：l 己 签字只期： 。7 年f 月7 1 7 t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：雇磊j 浓 签字日期：订年月号日 导师签名： 研以 签字日期： d7 年 f 月9 日 第一章引言 1 1 竞走及竞走犯规 第一章引言 国际田联国际田径竞赛规则第六章第1 9 1 条规定了“竞走”的含义： “竞走是运动员与地面保持接触，连续向前迈进的过程，没有( 人眼) 可见腾 空。前腿从触地瞬间至垂直部位应该伸直( 即膝关节不得弯曲) 。这是人们 研究竞走及竞走犯规的主要依据。 根据这个依据，“竞走”不同于普通的“走”，“竞走”时要求脚着地至 垂直支撑阶段腿必须伸直，而普通的“走”则没有限制。进一步研究还可以发 现：“竞走与普通的“走”在步长和步频上、在动作的外形上也有较大差异， 普通的“走”步长一般为6 0 8 0 厘米，步频约为8 0 1 0 0 步分，而“竞走 步 长可达1 1 0 - 1 2 0 厘米，步频可达2 0 0 步分以上。“竞走”与“跑”也有严格 的区分。“竞走”是一个不断重复的单个周期动作且每一个周期包括两个单腿 支撑时期和两个双腿支撑时期，没有腾空时期，并且支撑腿在垂直部分不屈膝。 显而易见，下肢运动是竞走比赛的核心，相应地，竞走比赛有两个针对下 肢运动的核心规则：首先，一个竞走运动员必须始终保持有一只脚落在地面上， 即不能有“腾空”动作。其次，从前进脚落地的- n 起直到腿部达到垂直的姿 势，腿部必须保持直线，膝盖不能弯曲。违反这两项规则，则视为犯规，且前 者被称为“腾空犯规”，后者被称为“屈膝犯规。 为了详尽的了解和准确的研究竞走及竞走犯规，研制出准确、公正、及时、 有效的竞走犯规监测系统，还有必要把竞走动作进行细化。 竞走在一个单步中，分为单腿支撑和双腿支撑两个时期，单腿支撑又有前 支撑、垂直支撑和后支撑三个阶段。在单腿支撑阶段，另一腿处在摆动过程中， 摆动过程又分为后摆和前摆两个阶段。简单来讲，在一个竞走复步中，支撑腿 进行前支撑、垂直支撑和后支撑的同时，摆动腿完成后摆和前摆动作，最后， 两腿同时处于支撑状态，即处于双支撑阶段。一个完整的竞走复步过程如下： 从支撑腿脚后跟着地至垂直支撑是前支撑阶段，这个阶段要求身体重心前移且 支撑腿必须是伸直的。当身体重心移过垂直支撑阶段时支撑腿进入后支撑阶段 并开始后蹬。后蹬动作是从支撑腿快速有力地蹬地到脚尖蹬离地面，在即将蹬 离地面的瞬间形成双支撑阶段。后蹬结束，后摆阶段开始，摆动腿迅速前摆， 膝关节自然弯曲，大小腿之间角度大于9 0 度，在支撑腿垂直支撑阶段，摆动腿 第一章引言 膝关节角大约1 2 0 土1 0 度。当身体重心移过垂直支撑阶段，摆动腿即进入前摆 阶段。前摆时，小腿依靠大腿带动前摆，迅速打开膝关节，在脚掌即将着地时， 膝关节应当伸直，用脚后跟先着地，形成双支撑姿势。 1 2 国内外各种竞走犯规判决现状 目前，国际上竞走犯规的判决一般采用裁判肉眼裁定或跟踪摄像、分段跟查 的方式。然而，竞走比赛往往选手成百上千且赛程较远，上述方法不可能做到 对每个运动员全程的每一步观察认定毫无差错，所以不可避免出现裁判漏判、 错判，也常导致裁判员与运动员之间的争执，使竞走犯规成为所有竞技体育比 赛项目中最难裁定，且裁判最有争议项目之一，广大体育工作者迫切要求解决 这一问题 1 。 就国内情况来看，有关于竞走犯规警示器和竞走犯规裁判系统等课题的研 究，但这些课题都只检测“腾空”犯规，对“屈膝”犯规方面没有涉及，而且 有的存在功能单一，系统化程度不足的问题，有的虽然系统组成较齐全，但存 在无线通信传输距离短、允许参赛的运动员人数有限、系统误差大等问题。总 而言之，缺乏一种具有功能齐全、系统完备、使用方便、安全可靠、系统误差 小的智能型竞走犯规监测系统。 1 3 竞走犯规智能无线监测系统的优点 针对上述问题，由国家体育总局资助立项，研制出“竞走犯规智能无线监 测系统”，以便在竞赛全程准确、及时地监测运动员是否犯规并显示犯规类型、 提示犯规次数，有效防止作弊，消灭错判、漏判，减少争执，体现竞技体育公 平竞争的准则。 本竞走犯规智能无线监测系统的优点 1 如下： ( 1 ) 以压敏传感器作为“腾空犯规”检测元件，可以按照竞走比赛“腾空 犯规”有关规则，精确检测到“腾空犯规”。只要运动员机检测到两路压敏传 感器不在标准数据范围内且满足比赛规定“腾空犯规”有关规则，就准确地记 录下“腾空犯规”。以应变传感器作为“屈膝犯规”检测元件，可以按照竞走 比赛“屈膝犯规”有关规则，精确检测到“屈膝犯规”。只要运动员机检测到 应变传感器应变量不在标准数据范围内且满足比赛规定“屈膝犯规”有关规则， 则准确地记录下“屈膝犯规”。因此该竞走犯规智能无线监测系统能准确、及 第一章引言 时监测运动员是否犯规并记录犯规类型、提示犯规次数等，防范错判、漏判， 减少争执，体现竞技体育公平竞争准则的客观性、公正性。 ( 2 ) 用c y g n a lf 0 0 5 单片机作为运动员机、无线通信盒的智能部件，价格 低、功能强大。运动员机和裁判中央机通过无线通信盒中的无线收、发模块通 信，通信数据经过加密、编码后传送，高度安全、可靠。系统误差小于十万分 之一。 ( 3 ) 在整个比赛过程中，能有效地防止作弊。裁判中央机一直对运动员机 进行巡检，能防止中途关闭电源等“作弊”行为；同时，只有特制传令枪发出 的加密信号才能对所有运动员机进行自动复位，因此能有效地避免作弊；运动 员机本身也能自动记录运动员在比赛中是否犯规，犯规类型、次数等。裁判中 央机和运动员机都可显示相关犯规信息，但不能人为修改，且两处信息保持同 步更新，亦可有效地防止作弊。 ( 4 ) 本系统功能完备、智能化程度高，可大大降低裁判和比赛成本。 第二章系统组成及工作过程 2 1 系统组成 p ，q ； 4 )确定解密密钥d ( 私入密钥，保密) ：d e 末lm o d 由( r ) ，即 第三章元器件功能及工作原理 d 和e 相对于模巾( r ) 互为逆元素； 5 )将明文m ( 假设m 是一个小于r 的整数) 加密为密文c ，计算方法为： c 三m er o o dr 6 )将密文c 解密为明文m ，计算方法为： m 三c 6m o dr 可见，只根据r 和e 计算出d 是不可能的。因此，任何人都可对明文进行 加密，但只有授权用户( 知道d ) 才可对密文进行解密。 为了说明该算法的工作过程，下面给出一个简单例子。需要注意的是，例子 中所取数字都很小，在实际应用时，为了保证安全，所用的数字要大的多得多。 例：选取p = 1 0 1 ，q = 1 1 3 ， 则r = p q = 1 1 4 1 3 ，巾( r ) = ( p 一1 ) ( q 一1 ) = 1 0 0 1 1 2 = 1 1 2 0 0 。 分解11 2 0 0 = 2 5 5 2 7 ，所以当且仪当e 不能被2 ，5 ，7 整除时才可用作加密 指数。在实际工作中，由于不可能分解由( r ) ，所以是先选取e ，再验证g c d ( 由 ( r ) ，e ) = 1 。 假设选取e = 3 5 3 3 ，则可求得其逆为：e - l = 6 5 9 7m o d1 1 2 0 0 ，所以，解密指 数为d = 6 5 9 7 。 用户b 在公开库中公开注册公开密钥：r = 1 1 4 1 3 ，e = 3 5 3 3 ：但保密秘密密钥： d = 6 5 9 7 ；销毁( 保密) ：由( r ) = 11 2 0 0 ，p = 1 0 1 ，q = l1 3 。 若用户a 想给b 发送明文：m = 9 7 2 6 ，他用b 的公开密钥e = 3 5 3 3 加密明文m ， 得到密文： c 兰m em o dr 兰9 7 2 6 3 5 3 3m o d1 1 4 1 3 三5 7 6 1 然后，在一个( 不安全的) 信道上发送给b 。 b 接到a 发来的密文后就用他自己的解密密钥d = 6 5 9 7 解密，解得明文： m 兰c dm o dr 毫5 7 6 1 鲫m o d1 1 4 1 3 兰9 7 2 6 。 3 3 2 2i s p l s l l 0 1 6 加密原理 i s p l s i1 0 1 6 器件内部有一段特殊的加密单元，该单元被加密后就不能读出 器件内部的逻辑配置数据，又由于器件规模大，加之绝大多数端口为i 0 端， 企图通过穷举测试的方法解密也几乎是不可能的 1 4 。本监测系统正是利用了 该器件的这种硬件加密功能，从而保证系统的安全性和比赛的公正性的。 i s p l s l l 0 1 6 的加密可以通过在编译器中控制参数设置来实现。如在软件 s y n a r i os y s t e m 中，首先在项目管理器中选择顶层文件( 木s c h 或术a b l ) ，然 后点击c o m p i l e 菜单中的p r o p e r t i e s 选项，打开一个对话框，在加密( s e c u r i t y ) 一项中选择t r u e ( 不选f a l s e ) ，最后点击c l o s e 关闭即可。 第一章兀器件功能及工作原理 34 无线数据收发模块d f 3 41d f 无线数据收发模块功能特点 本系统秉的足武汉榕发电于公司设计的多刖避d f 无线数据收发模块作 为无线发送和接收设备，也可以自行设计开发或者采刚其他公司的同类产品。 3 41 1d f 发射模块功能特点 d f 无线数据发射模块的特点是发射功率比较大，传输距离比较远比较适 合恶劣条什下进行通信。 d f 发射模块主要技术指标如下： - 调制方式：幅度键控a s k 工作频率：3 1 5 m h z 4 3 3 m h z 频率稳定度7 5 k h z 发射功率：5 0 0 m w _ 静态电流：o1 u a 发射电流：3 5 0 m a _ 工作电压：d c3 1 2 v d f 发射模块外观和等效电路分别如图3 一l i 和3 1 2 所示。 h3l ld f 无线数据发射模块外观图 第三章元器件功能及工作原理 c 釉d 图3 1 2d f 无线数据发射模块等效电路图 d f 发射模块采用声表谐振器( s a w ) 稳频，频率稳定度极高，当环境温度在 一2 5 + 8 5 度之间变化时，频飘仅为3 p p m 度。该模块具有较宽的工作电压范围 且电压变化基本不会影响发射频率。1 2 v 为最佳工作电压，具有较好的发射效果。 天线最好选用2 5 厘米长的导线，远距离传输时为了保证传输效果最好能够竖立 起来。d f 数据模块的最大传输数据速率为9 6 k b s ，一般控制在2 5 k b s 左右， 过高的数据速率会降低接收灵敏度及增大误码率。d f 发射模块最好能垂直安装 在主板的边缘，应离开周围器件5 m m 以上，以免受分布参数影响。由于该模块的 传输距离与调制信号频率及幅度、发射电压及电池容量、发射天线长度及形状、 接收机的灵敏度和收发环境有关，因此，必须设置好这些参量，以保证其传输 距离。在空旷地，该模块传输距离最远可达8 0 0 米。如需传输更远的距离，可在 其输出端增加一级射频功率放大器。 3 4 1 2d f 接收模块功能特点 本系统采用的是d f 超再生无线数据接收模块，其主要技术指标如下： - 调制方式：幅度键控a s k 工作频率：3 1 5 m h z 4 3 3 m h z 频率稳定度：2 0 0 k h z 接收灵敏度：一1 0 6 d b m 静态电流：5 m a 工作电流：5 m a 第i 帝元器件功能段_ t f _ f r 原理 工作电压：d c5 v - 输m 方式：t t l 电3 r d f 超再- 无线数据接收模块外规和等效电路分刖如图3 1 3 帛 31 4 所示 co i h6 n d m 3 1 3d f 超再_ ：无线数据接收模块外观圈 7 ：4 ：。i1 。0 罴j 一紧一 。二：。2l _ 荸卷勰 。、竺! j ? “- ”f 乏 可 n l + l “l = ! 一 一l z 、一岸- 奎：! 选簿二左l j ：二型i ” 爵一l - 。| _ ! ：；| 譬”2 吐黑她巍；4”i p 刚3 1 4d f 超雨生无线数槲接收模块电路图 d f 接收模块的上作i u 艟为5 伏，静态电流4 毫安，它为超冉生接收电路，接收 灵敏度为 1 0 5 d b m ，接收天线晟好为2 5 3 0 【 ! 米的导线，为保i e 传输距离，要 竖立起来。 这种电路的优点存于： - 天线输入端有选频f u 蹄，而不依赖1 n 波长灭线的选频作片 榨制距 离较近时町以剪短甚至击掉外接无线。 输卅端的波形神没宵信号时比较十净干扰信号为短暂的针状| j = 冲， 而不象其它超再生接收电路会产l 密集的噪声波形，所以抗干扰n e 力 较强。 第三章元器件功能及工作原理 自身辐射极小，加上电路模块背面网状接地铜箔的屏蔽作用，可以减 少自身振荡的泄漏和外界干扰信号的侵入。 - 采用带骨架的铜芯电感将频率调整到3 1 5 m 后封固，这与采用可调电容 调整接收频率的电路相比，温度、湿度稳定性及抗机械振动性能都有 极大改善。 3 4 2d f 无线数据收发模块工作原理 d f 发射模块内部有一只数据调制三极管，这种结构使得它可以方便地和 p t 2 2 6 2 编码集成电路相配接。配接时，直接将p t 2 2 6 2 的数据输出端接至d f 的输 入端即可。d f 发射模块输入端平时应处于低电平状态，输入的数据信号应是正 逻辑电平，幅度最高不应超过其工作电压。由于过宽的调制脉冲信号容易引起 d f 调制效率下降，使收发距离变近。为此，可通过对p t 2 2 6 2 振荡电路的振荡电 阻进行合理的选择，以保证编码码组脉冲宽度不至过大。典型值为p t 2 2 6 2 的振 荡电阻取1 2 mq ，p t 2 2 7 2 的振荡电阻取2 0 0 kq ( 此电阻值必须精确，精度误差 小于5 ) 。 当编码芯片p t 2 2 6 2 的编码启动端( t e 端) 无效时，d f 发射模块不工作。当 t e 有效时，p t 2 2 6 2 的数据输出端向外输出串行数据信号，当此信号为高电平期 间，d f 发射模块中的高频振荡器起振并向自由空间发射出等幅高频无线电波信 号；当此信号为低电平期间，d f 发射模块中的高频振荡器停止振荡，相当于向 自由空间发射出0 电平信号，从而实现了调制度为1 0 0 的幅度键控( a s k 调制) 。 d f 接收模块的信号接收过程与此相反。 3 5u s b 接口芯片p d i u s b d l 2 3 5 1p d i u s b d l 2 功能特点 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，即通用串行总线) 是一种通用的高速串行接 口。它具有传输速度快、即插即用、易扩展、可提供总线供电等优点，非常适 合嵌入式系统的应用 2 2 。现在基本上每一台电脑上都可以找到一对u s b 接口， 而外部电路系统要与电脑通过u s b 接口传递数据还必须借助于u s b 接口芯片。 从速度上讲，u s b 接口芯片包括低速( 1 5 m b p s ) 、全速( 1 2 m b p s ) 和高速( 4 8 0 m b p s ) 三种前两种符合u s b l 1 版本规范，后一种符合u s b 2 0 版本规范 9 。考虑到性 价比及可行性等问题，本系统采用的是一种低速u s b 接口芯片p d i u s 肋1 2 。 第三章元器件功能及工作原理 p d i u s b d l 2 的引脚排列图 1 2 和内部结构框图分别如图3 - 1 5 和3 一1 6 所示。 d 0 0 d 1v 帆，3 d 2 p d 3d ， c n dv c c 0 4 x t l 2 d 5骱 l i d 6e 四 d 7 鞠鳝胂 u 上 b 石t 二n f c s 登丽蕊睬强 s u s p e n d 厕晒 c l 盖0 i 开w 灯q t 翮叠蚓 p d i 【u s l 嬷1 2 图3 1 5p d i u s b d l 2 的引脚排列图 薯1 l 嗡们2 内部铬捣桎瞄 图3 - 1 6p d i u s b d l 2 的内部结构图 p d i u s b d l 2 ( 简称d 1 2 ) 是p h i l i p s 公司生产的一种性能优化的u s b 接口器 件。通常用于基于微控制器的系统，并通过高速通用并行接口与微控制器进行 通信，而且支持本地d m a 传输。该器件采用模块化的方法实现一个u s b 接口， 允许在众多可用的微控制器中选择最合适的作为系统微控制器，允许使用现存 的体系结构使固件投资减到最小 2 2 。这种灵活性减少了开发时间、风险和成 本。该器件使开发成本低且高效的u s b 外围设备的一种有效途径。p d i u s d b l 2 完全符合u s b l 1 规范，也能适应大多数设备类规范的设计，如成像类、大容量 存储类、通信类、打印类和人工输入设备等。因此，p d i u s b d l 2 非常适合做很多 外围设备，如打印机、扫描仪、外部大容量存储器( z i p 驱动器) 和数码相机等。 现在很多用s c s i 实现的很多设备如果用u s b 来实现可以直接降低成本 4 。 p d i u s b d l 2 还集成了s o f tc o n n e c t 、g o o dl i n k 、可编程时钟输出、低频晶 第三章元器件功能及工作原理 振和终端电阻等特性。所有这些特性都能在系统实现时节省成本，同时在外围 设备上很容易实现更高级的u s b 功能 2 5 。 3 5 2u s b 接口工作原理 根据u s b 协议，任何传输都是由主机( h o s t ) 开始的。单片机作它的前台 工作，等待中断。主机首先要发令牌包给p d i u s b d l 2 ，p d i u s b d l 2 接收到令牌包 后就给单片机发中断。单片机进入中断服务程序，首先读p d i u s b d l 2 的中断寄 存器，判断u s b 令牌包的类型，然后执行相应的操作。在u s b 单片机程序中， 要完成对各种令牌包的响应，其中比较难处理的是s e t u p 包，主要是端口o 的 编程。 单片机与p d i u s b d l 2 的通信主要是靠单片机给p d i u s b d l 2 发命令和数据来 实现的。p d i u s b d l 2 的命令字分为三种：初始化命令字、数据流命令字和通用命 令字 2 6 。p d i u s b d l 2 数据手册给出了各种命令的代码和地址。单片机先给 p d i u s b d l 2 的命令地址发命令，根据不同命令的要求再发送或读出不同的数据。 因此，可以将每种命令做成函数，用函数实现各个命令，以后直接调用函数即 可。 3 6 液晶显示屏叫6 9 6 3 c 3 6 1t 6 9 6 3 c 功能特点 l 本系统的液晶显示屏选用2 4 0 1 2 8 规模的t 6 0 6 3 c 。t 6 0 6 3 c 是一种用途广 泛的点阵式液晶图形显示控制器：能直接与c y g n a lf 0 0 5 微处理器接口；字符 字体由硬件设置，其字体有4 种：5 8 、6 8 、7 8 、8 8 ：占空比可变，可 从1 1 6 到1 1 2 8 ；可以图形方式、文本方式及图形和文本方式进行显示，以及 文本方式下的特征显示，还可以实现图形拷贝操作等等；具有1 2 8 个字符的内 部字符发生器c g r o m ，可管理6 4 k 显示缓冲区及c g r a m ，并允许b l p u 随时访问显 示缓冲区，甚至可以进行位操作。t 6 0 6 3 c 的引脚排列如图3 1 7 所示。 内藏t 6 9 6 3 c 的液晶显示模块上已经实现了t 6 9 6 3 c 与行、列驱动器及显示缓 冲区r a m 的接口，同时也已用硬件设置了液晶屏的结构( 单、双屏) ，数据传输 方式，显示窗口的长度、宽度等等，因此，只需了解其外部特性即可。本系统 的液晶显示屏采用单屏结构，内藏t 6 9 6 3 c 的单屏结构点阵图形液晶显示模块的 方框图如图3 1 8 所示。 第三章元器件功能及工作原理 控制总 数据总 电源线 图3 - 1 7t 6 0 6 3 c 的引脚排列图 图3 1 8 内藏t 6 9 6 3 c 的单屏结构点阵图形液晶显示模块的方框图 憎 留 茧 雕 盛 出 m 第三章元器件功能及工作原理 3 6 ，2t 6 9 6 3 c 工作原理 t 6 9 6 3 c 与m c u 的接口方法有直接访问和间接访问两种，本系统采用直接访 问方式，即f f u 利用数据总线与控制信号直接采用i 0 设备访问形式控制t 6 9 6 3 c 类液晶显示模块。其电路连接如图3 一1 9 所示。t 6 9 6 3 c 的汇编语言程序详见附录 1 。 液晶显示墨接口 图3 1 9t 6 9 6 3 c 与m e o 的接口电路连接图 第四章硬件电路设计 第四章硬件电路设计 4 1 特制传令枪硬件电路 如图4 1 所示，特制传令枪主要由扳机开关、加密电路i s p l s l l 0 1 6 、编码芯 片p t 2 2 6 2 和d f 数据发射模块构成 1 3 。i s p l s i1 0 1 6 的数据输入输出引脚i 0 1 5 i 0 1 2 与p t 2 2 6 2 的数据输入端d 3 - - 一d o 相连，p t 2 2 6 2 的数据输出端d o u t 与发射模块 的谲制信号输入端d a t a 福连，扳机开关跨接在v c c 逛源和i s p l s 1 0 1 6 、p t 2 2 6 2 的 v c c 端之间。p t 2 2 6 2 的编码启动端t e 直接接地，设置为有效状态。p t 2 2 6 2 的地址 输入端a o a 7 都接高电平v c c ，即地址固定设置为1 11 l1 11 l b ，作为运动员机接收 加密复位信号的统一地址。扣动扳机开关，i s p l s l l 0 1 6 和p t 2 2 6 2 上电开始工作， p t 2 2 6 2 把i s p l s l l 0 1 6 传送来的加密信号编码、并串转换后送入d f 发射模块，该 模块采用h s k 调制方式，把加密复位信号调制到载波上，然后通过天线以无线电 波形式发送到自由空间，对所有运动员机进行自动复位。 图4 1 特制传令枪电路原理图 假定复位信号为1 0 1 1 0 0 1 1 ，经过i s p l s l l 0 1 6 加密后变为0 0 0 1 ，经过p t 2 2 6 2 编码后得到基带二迸制码序列l l l l l l l l 0 0 0 1 ，再加上前置的同步码，先后串行 输入到d f 无线发射模块中，经过a s k 调制，频谱搬移到3 1 5 m h z 或4 3 3 m h z ，然 后以无线电波形式从天线发送出去。 第四章硬件电路设计 4 。2 运动员机硬件电路 如图4 - 2 所示，运动员机硬件电路主要由单片机c y g n a lf 0 0 5 、编码电路 p t 2 2 6 2 、解码电路p t 2 2 7 2 、a n 解密电路i s p l s l l 0 1 6 、液晶显示屏t 6 9 6 3 c 、d f 无 线数据发射模块、d f 无线数据接收模块、压敏传感器b m 0 0 8 、应变传感器b m 0 0 2 和按键k l 、k 2 构成 1 。 d f 接收模块的数字信号输出端o u t 与p t 2 2 7 2 的d i n 引脚相连，p t 2 2 7 2 的d o - - d 3 引脚与i s p l s l l 0 1 6 的i 0 8 一- - i 0 1 l ( 设为输入) 引脚相连，i s p l s l l 0 1 6 的i 0 2 8 i 0 3 1 和i 0 0 一- i 0 3 ( 设为双向) 引脚与c y g n a lf 0 0 5 通过p o o - - p o 7 引脚相连， 从而形成了数据信息的通路；p t 2 2 7 2 的a o - - - a 7 与c y g n a lf 0 0 5 的p 2 0 4 - - p 2 7 引脚 相连，形成了地址信息通路；p t 2 2 7 2 的v t 引脚与c y g n a lf 0 0 5 的p 1 ，6 相连，作为 解码有效确认输入信号。通过以上设置，可以将裁判中央机的巡检信息接收到单 片机内部。 c y g n a lf 0 0 5 的四路模拟量输入通道a i n o 、a i n l 、a i n 2 和a i n 3 分别与一对用 于检测“腾空犯规的压敏传感器和一对用于检测“屈膝犯规”的应变传感器的 输出端相连，从而在c y g n a lf 0 0 5 对犯规信息进行模数转换后获得相应的数字量 信息。 c y g n a lf 0 0 5 的p 1 1 、p 1 2 和p 1 3 分别与t 6 9 6 3 c 的c s 、w r 和r e d 端相连， 用于输出控制信息；c y g n a lf 0 0 5 的p 3 o - - 一p 3 7 与t 6 9 6 3 c 的8 个数据输入端相连， 可以将犯规信息显示n t 6 9 6 3 c 上。按键k 1 、k 2 分别与c y g n a lf 0 0 5 的p 1 4 、p 1 5 相连，通过将外部中断源定向到这两个引脚，就可实现在中断子程序中完成 t 6 9 6 3 c 上显示信息的上翻、下翻功能。 c y g n a lf 0 0 5 通过p o o 一- p o 7 引脚与i s p l s l l 0 1 6 的i 0 2 8 i 0 3 1 和i o o i 0 3 弓i 脚( 设为双向) 相连，再通过i s p l s l l 0 1 6 的i 0 2 4 i 0 2 7 ( 设为输出) 引 脚和p t 2 2 6 2 的d o , - 一d 3 相连，用于传输数据信息；c y g n a lf 0 0 5 通过p 2 o - - 一p 2 7 引 脚与p t 2 2 6 2 的a 0 a 7 相连，用于传输地址信息；c y g n a lf 0 0 5 的p 1 0 引脚与p t 2 2 6 2 的t e 引脚相连，用于控制编码启动。p t 2 2 6 2 的d o u t 与d f 发射模块的调制信号输入 端d a t a 相连。通过以上连接可以将运动员犯规信息发送给裁判中央机。 对于每台运动员机来说，其硬件电路均完全相同，靠软件指令赋予其编码、 解码芯片以不同的、唯一的地址来加以区分。比赛开始时，由于各运动员机均设 置为统一的复位地址，故均可接收到加密复位信号。比赛过程中，各运动员机有 自己唯一的地址，当裁判中央机巡检到本机，即设置的地址与本机地址相同时， 即可实现与裁判中央机的双向通信，不会出现地址混淆，信息传输错误的情况。 本系统中的运动员机需要处理4 路由传感器采集来的模拟的犯规信号，因 第四章硬件电路设计 此，若采用廉价的i n t e l8 0 c 5 1 单片机还必须外接必要的模数转换电路，本系 统采用的c y g n a lf 0 0 5 芯片内部集成了8 路1 2 位a d c ，转换速率高，完全能够 满足系统需要。 本系统中的运动员机需要根据特制传令枪发出的加密复位信号进行复位， c y g n a lf 0 0 5 芯片的软件强制复位功能能够满足这一要求，只需向复位源特殊功 能寄存器r s t s r c 的第1 位叫o r s f 写入“1 ，即可强制产生一个上电复位， 操作简单。 本系统中的运动员机的液晶显示器需要实时响应上、下翻页，以便更好地 显示信息。c y g n a lf 0 0 5 的可编程i o 端口非常独特，可以通过系统特有的数字开 关( d i g i t a lc r o s s b a r ) 将内部数字系统资源( 如外部中断源、定时器、a d 转 换输入、比较器输出等) 定向n p o 、p 1 、p 2 中的i o 口。本系统利用此特点将外 部中断源定向到p 1 4 和p 1 5 引脚，按下这两个引脚外接的“上翻”、“下翻”按 键即可引发中断请求，在中断服务子程序中实现液晶显示器上、下翻页功能。 门竹 匝刚隧罄铆暴呕需心q寸匝 密口芒犀灶哥拣 第四章硬件电路 4 3 裁判中央机硬件电路 如图4 3 所示 1 1 ，裁判中央机中无线通信盒的硬件电路主要由单片机 c y g n a lf 0 0 5 、编码电路p t 2 2 6 2 、解码电路p t 2 2 7 2 、加解密电路i s p l s l l 0 1 6 、d f 无线数据发射模块、d f 无线数据接收模块和u s b 接口芯片p d i u s b d l 2 构成 1 。 c y g n a lf 0 0 5 通过p o ，o - - p o 7 引脚与i s p l s l l 0 1 6 的i 0 2 8 i 0 3 l 和i 0 0 i 0 3 弓 脚( 设为双向) 相连，再通过is p l s i1 0 1 6 的i 0 2 4 i 0 2 7 ( 设为输出) 引 脚和p t 2 2 6 2 的d o - - d 3 相连，用于传输数据信息；c y g n a lf 0 0 5 通过p 2 o - - p 2 7 引 脚与p t 2 2 6 2 的a 0 a 7 相连，用于传输地址信息；c y g n a lf 0 0 5 的p 1 7 引脚与p t 2 2 6 2 的t e 引脚相连，用于控制编码启动。p t 2 2 6 2 的d o u t 与d f 发射模块的调制信号输入 端d a t a 相连。通过以上连接可以将巡检信息发送给相应的运动员机。 d f 接收模块的数字信号输出端o u t 与p t 2 2 7 2 的d i n 弓 脚相连，p t 2 2 7 2 的d o - - d 3 引脚与i s p l s l l 0 1 6 的i 0 8 i o r l ( 设为