基于射频技术的运动会计圈计时系统

1、基于射频技术的运动会计圈计时系统摘要：关键词：一、 系统设计(1).设计要求此系统的设计目标是应用于运动场内绕跑道进行的中长距离田径运动的自动计圈及计时系统，其包括以下设计要求： 1自动记录运动员的起始时间、所跑的圈数及对应的每圈时间; 2对运动员的采集，不需要运动员比赛过程中有任何操作即可实现; 3感应器及其外封装在一起的重量及外形、佩戴方式应基本不对运动员竞技产生任何影响; 4当多个运动员密集通过时能可靠采集而不遗漏; 5响应速度快，在运动员快速经过时能可靠采集运动员信息而不遗漏; 6计时精度为0.2S；1(2).方案比较与论证 由于该系统要对多个运动员同时进行识别，所以就排除了最初确定的

2、红外计圈计时方法。经过多方论证和查找资料，我们最终确定采用当今应用比较广泛的射频识别技术来解决各项设计要求。1 射频识别技术简介射频识别技术（Radio Frequency Identification，缩写RFID）是20世纪九十年代兴起的一种非接触式的自动识别技术，在我国还处于起步阶段，存在技术水平不高，标准规范不完整等诸多问题。它是一项利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可同时识别多个高速运动物体，操作快捷方便 。射频识别技术广泛应用于我们日常生活的各个方面。如我们常用

3、的公交IC系统，第二代居民身份证，图书馆及超市管理与防盗系统，高速公路智能收费系统，门禁、考勤系统，电子票务系统等。总之射频识别技术应用相对广泛，其发展空间也相对大。在百度中搜索“射频识别”，找到相关网页约721,000篇，用时0.001秒。2 射频识别技术基本工作原理 最基本的 RFID 系统由三部分组成： 1) 标签(Tag)：由耦合元件及芯片组成，标签含有内置天线，用于和射频天线间进行通信。 2) 读卡器(Reader)：读取标签信息的设备。 3) 天线：在标签和读卡器间传递射频信号。 标签又称射频卡，其分为有源卡和无源卡。有源是指卡内有电池提供电源，其作用距离较远，但寿命有限、体积较大

4、、成本高，且不适合在恶劣环境下工作；无源卡内无电池，它利用波束供电技术将接收到的射频能量转化为直流电源为卡内电路供电，其作用距离相对有源卡短，但寿命长且对工作环境要求不高。2射频频率的选择：对射频识别系统来说，最主要的频率是0135KHz，以及ISM频率6.78MHz、13.56MHz、27.125MHz、40.68MHz、433.92MHz、869.0MHz、915.0 MHz、2.45GHz、5.8GHz、24.125GMHz。目前最常用的射频频率为125KHz，13.56MHz，443MHz，900MHz。所以以下重点介绍这几个频段的特性。低频(从125KHz到134KHz)特性 41)

5、. 除了金属材料影响外，一般低频能够穿过任意材料的物品而不降低它的读取距离。 2). 工作在低频的读写器在全球没有任何特殊的许可限制。 3)低频产品有不同的封装形式。好的封装形式就是价格太贵，但是有10年以上的使用寿命。 4)虽然该频率的磁场区域下降很快，但是能够产生相对均匀的读写区域。 5)相对于其他频段的RFID产品，该频段数据传输速率比较慢。 6)感应器的价格相对与其他频段来说要贵高频(工作频率为13.56MHz)特性1).除了金属材料外，该频率的波长可以穿过大多数的材料，但是往往会降低读取距离。感应器需要离开金属一段距离。2).该频段在全球都得到认可并没有特殊的限制。3).感应器一般以

6、电子标签的形式。4).虽然该频率的磁场区域下降很快，但是能够产生相对均匀的读写区域。5).该系统具有防冲撞特性，可以同时读取多个电子标签。6).可以把某些数据信息写入标签中。7).数据传输速率比低频要快，价格不是很贵。甚高频(433.92MHz915.0MHz)特性1). 有很高的数据传输速率，在很短的时间可以读取大量的电子标签。2). 该频段有好的读取距离，但是对读取区域很难进行定义.3.方案选择1).125KHz，该频率的读写器由于多标签的同时读取实现非常困难，所以首先排除。2).13.56MHz，该频率的读写器应用广泛，但多是15CM以下的门禁、考勤系统等。在长距离方面应用很少，且技术难

7、度大，涉及技术专利等问题，再者该频率的长距离读写器的价格很高，开发难度大。 参考文献1中应用的就是该频率，但其要对运动会跑道进行改造，由于运动员可能会使用钉字跑鞋等原因，如果采用文献1中的方法，在开发与实际应用中都会遇到很多问题。综合各方面因素考虑，我们排除了该频率的射频识别系统的设计计划。图(1).文献1中的计时计圈系统3).433.92MHz，该频率在长距离射频识别技术方面技术成熟，应用广泛，参考资料多，不涉及专利问题等，开发相对简单，虽然标签价格相对其他的要贵很多，但如果采用批量生产标签能使标签成本控制在30元内。所以综合各方面因素的考虑，我们最后决定采用433.92MHz的远距离射频识

8、别系统来实现计圈计时系统的设计。图(2).文献5中433.92MHz长距离计时计圈系统设计示意图3 价格对比经调查得知，深圳深圳市菲普莱科技有限公司出品的FP-2003径赛长跑计圈系统能很好的实现运动会的计时计圈任务，其也应用于多项大型运动赛事。但是其28万的价格也让人叹为观止。我们对433.92MHz的远距离射频识别系统也进行了调查，其中一家公司的读卡器买4000/台，有源射频标签50/张，另一家则是2000/台，有源射频卡100/张。对于上述的价格实在超出我们的能力范围，最终我们决定自己购买433.92MHz的开发模块制作该系统。二、系统硬件设计1系统控制模块设计 经过对市场上各类型的单片

9、机进行比较，我们觉得AT89S52在价格(3.58元)及开发难度方面都具有很大的优势，所以选择该款单片机最为我们设计的系统的控制模块。功能特性描述：6AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。图(3).AT89S52单片机引脚结构图（该型号单片机的其他更具体内容可以查看各

10、种单片机原理的书籍）2系统射频收发模块(NRF905)介绍5nRF905是挪威Nordic VLSI公司推出的单片射频收发器，工作电压为1.93.6V，32引脚QFN封装（5×5mm），工作于433/868/915MHz三个ISM（工业、科学和医学）频道，频道之间的转换时间小于650us。nRF905由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成，不需外加声表滤波器，ShockBurstTM工作模式，自动处理字头和CRC（循环冗余码校验），使用SPI接口与微控制器通信，配置非常方便。此外，其功耗非常低，以-10dBm的输出功率发射时电流只有11mA，工作于接收模式时的电

11、流为12.5mA，内建空闲模式与关机模式，易于实现节能。芯片结构：NRF905片内集成了电源管理、晶体振荡器、低噪声放大器、频率合成器、功率放大器等模块，曼彻斯特编码/解码由片内硬件完成，无需用户对数据进行曼彻斯特编码，因此使用非常方便。nRF905的详细结构如图3-7所示。图(4).NRF905射频收发芯片引脚结构图图(5).NRF905射频收发芯片应用电路图更多关于NRF905的内容请参见以下资料：Nordic.VLSI ASA Product Specification nRF905.Nordic,2004讯通科技公司 单片433/868/915MHZ无线收发器nRF9053系统AT89S52与NRF905电路连接原理图三、系统软件设计由于我们购买开发模块时经费有限，所有在开发软件时只考虑了单个标签的运动中识别。参考文献：1.祝建平，竞时自动计圈及计时系统研究设计，清华大学硕士论文，2005.62.科印网射频标签专题 3.(德) Klaus Fi