分布式斯洛克智能计分系统研究论文

1、分布式斯洛克智能计分系统研究摘要：以AVR mega16单片机和TCS3200D颜色传感芯片为基础，采用TCRT5000反射式红外传感器作为触发机构，并辅之以一定的机械结构构成系统前端颜色传感器。由六个颜色传感器构成分布式传感网络，分布于斯洛克六个进球袋实时获取入球信息。系统以EXP-LM3S6952电子竞赛平台为主机，主机与分布式传感网络采用I2C串行总线通信，主机根据斯洛克规则对选手进行计分，并通过数码管实时显示。经测试，系统能够准确识别进球颜色并为选手计分，系统达到实用要求。关键字 分布式传感网络 EXP-LM3S6952电子竞赛平台 TCS3200D AVR mega16 I2C串行总

2、线1系统简介1.1系统方案系统采用分布式传感网络实时监控斯洛克桌球各球袋入球情况，各颜色传感器通过I2C总线将数据串行传输给主机，主机根据斯洛克规则给选手计分，并实时显示。为了实现对斯洛克桌球各进球袋入球情况的检测，系统采用颜色识别的方式区分不同颜色的斯洛克桌球。我们设计了系统前端颜色传感系统，该传感系统以AVR mega16单片机和TCS3200D颜色传感芯片为基础，采用TCRT5000反射式红外传感器作为触发机构，并辅之以一定的机械结构构建。TCS3200D颜色传感芯片将各桌球的颜色分为R、G、B三分量，并以频率的形式反映出来。TCRT5000反射式红外传感器用于捕捉入球并触发AVR单片机

3、采集数据。辅助的机械结构可以使桌球静止在测量位置，测量完成后让球通过。AVR mega16单片机用于控制TCS3200D颜色传感芯片采集数据和机械结构，负责处理数据并将结果发送给主机。分布式传感网络由六个完全一样的前端颜色传感系统构成，分布于斯洛克六个进球袋。系统对不同颜色的桌球进行统一编码，各传感节点将编码后的数据传送给主机，主机解码后得知是何种分值的桌球入袋，主机根据接收到的数据判断选手是否犯规，若没有犯规主机将为该选手加上相应的分数，若判为犯规主机将为对手加上相应的分数。由于系统不能监控到某些犯规（如：空杆、选手双脚离地等）此时，裁判可通过主机上的键盘为选手加分或减分。1.2系统功能与指

4、标分布式传感网络可以监控斯洛克桌球各入球袋是否有进球，准确识别入球的颜色，并通过I2C总线将入球的编码发送给主机。主机根据各传感器节点传送的入球信息，依照斯洛克规则对两个斯洛克选手的比赛过程进行计分并实时显示，系统具有判断某些犯规的能力并作出相应的处罚。同时系统设置有键盘，在系统不能判断的某些犯规出现时，可有裁判对积分系统进行干预以达到准确计分的目的。系统对八种入球颜色识别的准确率可达100% 。系统可监控击球者的入球犯规实现100%的准确判罚。系统设置有自身的机械结构与球袋衔接良好。系统可在温度范围为-40-+80摄氏度，任何声音噪声和光噪声环境下稳定工作。1.3系统硬件实现 系统硬件主要由

5、分布式传感网络、主机和I2C通信系统三个部分组成，系统硬件框图如图1所示：图1 系统硬件框图下面将分别介绍分布式传感网络、主机以及I2C通信系统三个部分各自的结构及功能。分布式传感网络分布式传感网络由六个相同的前端颜色传感系统构成，传感网络用于监控斯洛克桌球的六个入球袋，发现入球，采集所入球的颜色数据，分析处理数据得到入球的编码并传送给主机。各分布式传感器以AVR mega16单片机、TCS3200D颜色传感芯片、白光LED背光源、TCRT5000反射式红外传感器并辅之以一定的机械结构构成。颜色传感系统结构框图如图2所示：图2 传感系统构成框图颜色传感系统是分布式斯洛克智能计分系统的基础，颜色

6、传感系统准确发现和识别入球是实现系统功能的关键。传感系统各组成部分简介及功能如下：1）AVR mega16单片机AVR mega16单片机是ATMEL公司推出的基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。在颜色传感系统中AVR mega16单片机用于接受红外反射式光电传感器给出的触发信号，使在自己知道有桌球进了自己所在的袋口。接收到触发信号后单片机将使能TCS3200D颜色传感芯片，并依次选取不同的滤波器采集彩色光R、G、B三分量的频率数据。然后单片机根据编制的算法处理数据，得到入球的编码。数据处理完成后，AVR mega16单片机启动一次I2C传输，将数据传给上位机。为了准确

7、识别桌球的颜色，需要在球在静止的情况下采集数据，因此系统中设计了机械结构，该机构可在单片机的控制下使球静止在测量位置，完成后让球通过，准备进入下一轮的数据采集。2）TCS3200D颜色传感芯片TCS3200D是 TAOS公司推出的可编程彩色光到频率的转换器。它把可配置的硅光电二极管与电流频率转换器集成在一个单一的 CMOS 电路上，同时在单一芯片上集成了红绿蓝(RGB)三种滤光器，可通过外部控制芯片选通R、G、B三种滤波器同时采集彩色光R、G、B三分量的频率信号。根据色彩理论，自然界中几乎所有的颜色均可由红（R）、绿（G）、蓝（B）三种基本颜色按照不同的比例混合产生，反之采用一定比例的红（R）

8、、绿（G）、蓝（B）三基色可以混合成一种固定的颜色。因此我们可以通过单片机采集到的R、G、B三分量的频率信号进而得到三种分量的比例关系，并采用一定算法实现斯洛克白、红、黄、绿、棕、蓝、粉红、黑八种不同颜色球体的识别。单片机与TCS3200D颜色传感芯片的控制电路示意连接图，如图3所示：图3 单片机与TCS3200D颜色传感芯片的控制电路图TCS3200D颜色传感芯片为8引脚双列直插芯片，由图3可知，单片机的PA0-PA4 5个I/O引脚分别控制TCS3200D的S0、S1、OE、S2、S3 5个端口。S0、S1为方波输出的频率系数，可由单片机输出高低电平控制颜色传感芯片以不同的百分比输出方波，

9、输出比例因子使传感器的输出能够适应不同的测量范围，提高了它的适应能力。由于mega16单片机具有8M内部时钟频率，相对于TCS3200D是高速器件，因此系统中对S0、S1设置为高电平，即以100%的方波频率输出。S2、S3引脚用于选择不同的滤波器，以便单片机分别采集R、G、B分量的频率信号。OUTPUTT引脚为频率信号输出引脚，系统中TCS3200D颜色传感芯片作为计数器0 的外部时钟连接单片机的T0引脚。单片机通过对方波信号计数和定时，计算出颜色传感芯片输出方波的频率。3) 白光LED背光源设计TCS3200D颜色传感芯片的输出频率与R、G、B的光强呈正比例关系，由于桌球本身为非发光物体，因

10、此需要外部背光源。由于TCS3200D颜色传感芯片对颜色的敏感性，同时也为了减小背光源对桌球颜色的影响，我们选择白光LED作为背光源。理论上讲，白光LED的光谱分布与颜色传感芯片对不同颜色的敏感因子越接近越好。但从成本上考虑，我们选择普通的白光LED 作为背光源。为了提高颜色识别的准确性，背光源要求光强均匀分布，因此我们对白光LED采用正六边形分布。背光源与TCS3200D颜色传感芯片的分布示意图见图4所示：图4 背光源与TCS3200D颜色传感芯片的分布示意图4）TCRT5000红外反射式传感器及外围电路设计在颜色传感系统中，仅仅依靠TCS3200D颜色传感芯片和单片机很难发现是否有入球，因

11、此无法进行数据采集，所以颜色传感系统需要一个机构用于发现入袋的桌球并产生触发信号触发传感系统采集数据。在该系统中我们提出了两种可能的设计方案：一是：采用机械方式，在桌球袋口下方的导轨上安装金属弹簧片，当有球通过时桌球会压住弹簧片使弹簧片两端导通而得到触发信号。二是：采用反射式红外的接近开关，当有球通过时会反射红外光，红外接收二极管接收到信号后通过放大用作入球的判别信号。相比于红外接近开关，采用机械方式可靠性低，容易老化，同时对桌球本身可能造成损坏。因此，系统中采用反射式红外接近开关作为触发机构。根据红外开关的作用距离，我们采用TCRT5000红外反射式传感器，该传感器的作用距离为0.2-15m

12、m，满足系统要求。由于TCRT5000红外反射式传感器输出的信号非常微弱，不能直接触发单片机中断，因此需要设计外围电路，触发机构电路如图5所示：图5 触发机构电路图由图5可知，TCRT5000红外反射式传感器的集电极被10K电阻上拉到+5V，然后连接到运算放大器LF353的正向输入端，LF353的反相输入端连接一个0-5V的可调电压，运算放大器采用单电源供电。分析可知，当没有物体经过时，TCRT5000接收管的集电极与发射极开路，TCRT5000的集电极电压为5V；当有物体经过时，TCRT5000接收管的集电极与发射极导通，TCRT5000的集电极电压降低到3.6V。因此，通过调节LF353的

13、反相输入电压在3.6V-5V之间时，可使LF353的输出端在没有物体通过时输出5V，有物体通过时输出0V。由于运算放大器固有的输入失调使得触发机构在有物体通过时输出并非0V，而是1.36V左右。由于触发机构输出的低电平不满足单片机外部中断触发的电气特性，因此在系统中我们采用比较器中断。在图5中，运算放大器的输出端接单片机的AIN0脚，单片机的AIN1脚接2.5V的输入电压，该电压由5V电压通过2个10K电阻分压而来。因此，当有桌球经过TCRT5000红外反射式传感器时，反射光被红外光电二极管接收，使得单片机模拟比较器感受到电压变化，从而触发模拟比较器中断，进而，单片机控制TCS3200D颜色传

14、感芯片采集数据。5）传感系统机械结构设计颜色传感系统对桌球颜色数据的采集可以在运动中或者在静止的情况下进行。如果在运动中实现对桌球颜色的判断存在两方面的不确定性，一是：采集时间不能保证。由于桌球在导轨上的运动速度比较快，而有效的测量距离又太短，因此测量时间很短，减小测量时间可能影响到测量精度。二是：由于桌球为球体，在测量段内的不同时刻，桌球对传感芯片的反光量不同，会影响到传感系统的测量精度。基于上述两方面的原因，我们拟设计一定的机械结构用于控制桌球在测量前停到测量点上，测量完成后让球通过。由于该机械结构必须能够在单片机的控制下动作，因此我们采用电磁铁来完成上述工作。系统中，我们采用MQ-Z02

15、型电磁铁，该型号电磁铁由24V直流电压供电，工作电流0.5A，最长持续通电时间2分钟。电磁铁的额定工作电流比较大，利用单片机的输出信号无法满足其正常的工作要求，因此，为了实现对大流的电磁铁的控制，选择利用继电器作为控制器件。单片机对机械结构的控制电路如图6所示：图6 单片机对机械结构的控制电路电磁铁安装在导轨的正上方，在断电时电磁铁铁芯收缩，桌球可在导轨上顺利通过；在上电后电磁铁铁芯弹出，挡住桌球静止在导轨上，便于传感系统采集数据。主机Luminary Micro公司 Stellaris®所提供一系列的微控制器是首款基于ARM® Cortex-M3的控制器，它们为对成本尤其

16、敏感的嵌入式微控制器应用方案带来了高性能的32位运算能力。这些具备领先技术的芯片使用户能够以传统的8位和16位器件的价位来享受32位的性能，而且所有型号都是以小占位面积的封装形式提供。本系统主机所采用的LM3S6952属于该系列微控制器。 主机功能框图如图7所示： 图7 主机功能框图由上图可知，主机硬件部分主要包含3*4矩阵键盘、八位数码管显示以及LM3S6952主处理芯片，下面将分别进行说明：1）键盘本系统实现的原理是通过对进球颜色的识别来对比赛选手进行加减分，所以有些加减分情况本系统不能自动处理，如：白球在运行的过程中错误的击中了其他颜色的球造成的扣分，白球未击中指定颜色球，运动员手不小心

17、碰到球等，因此增加了一个键盘，在裁判员的操作下完善该系统的功能。根据LM3S6952通用IO口具可配置为中断触发源的功能，可在中断程序中实现对按键的判断，进而通过程序实现相应的操作，比采用查询方式实现的键盘更方便和节省CPU资源，键盘的电路图如图8所示：图8 主机键盘电路图将PB5,PC5,PC4口作为输出接到键盘矩阵的行上，将PB1,PB0,PB6,PE4作为输入端口接到键盘矩阵的列上。该键盘实现的基本原理是：在主程序中PB5,PC5,PC4按顺序周期性的输出低高电平，PB1,OB0,PB6,PE4设置为下降沿触发中断，当按键按下后相应的列输出线就会输出下降沿，从而进入按键中断，并在中断中通

18、过软件的方法判断是哪个按键被按下，具体程序请查阅工程文件。2）LED数码管显示本系统显示模块用于显示两位选手的比分，出于成本以及显示效果考虑，采用8段LED数码管作为显示器，并使用单独的LED来提示出现了犯规情况。 根据IO口具有2mA、4mA和8mA端口驱动的功能，可直接驱动LED数码管。数码管的电路图如图9所示图9 主机数码管显示电路图将PD0-PD6接LED数码管的段选，通过IO口输出低电平传给LED相应段，将PE0(A0)，PE1(A1)，PE2(A2)，PE3(A3，PG1(A4)，PG0(A5)，PC7(A6)，PC6(A7)接LED的位选，通过IO口输出高电平结合段选的低电平即可

19、点亮相应的LED数码管，利用视觉停留的原理便可实现动态显示。具体程序请查阅工程文件。3）LM3S6952LM3S6952主处理芯片，在本系统中，该芯片完成的任务有：1、获取I2C总线上的数据(球的颜色数据)，按照斯诺克规则对击球选手进行相应的加分；2、可实时的调整比赛双方的比分，并显示在LED数码显示管上；3、对键盘的相应。由于斯诺克出现犯规扣分的情况比较复杂，有比较多的情况不能通过对进球颜色的识别来进行加减分，所以增加了键盘控件，方便裁判员根据具体情况进行分数上的更改。 I2C通信系统分布式的斯洛克桌球智能计分系统有六个分布式颜色传感器，因此本系统需要一个具有多方通信功能，数据传输稳定、性能

20、可靠的传输模块。根据ARM Cortex-M3LM3S6952芯片以及AVR mega16单片机的性能特点，选用I2C通信方式。LM3S6952微控制器以及AVR mega16单片机均包括1个I2C模块，提供与总线上其它I2C器件相互作用（发送和接收）的能力。I2C总线上的设备可被指定为主机或从机。I2C模块支持设备作为主机或从机来发送和接收数据，也支持它们作为主机和从机的同步操作。总共有4种I2C模式：主机发送、主机接收、从机发送和从机接收。I2C串行总线可在两种速率下工作：标准速率(100Kbps)和高速速率(400Kbps)。I2C主机和从机都可以产生中断； I2C主机在发送或接收操作完

21、成（或由于错误中止）时产生中断以及I2C从机在主机已向其发送数据或发出请求时产生中断。I2C总线的优点：只要求两条总线线路一条串行数据线SDA一条串行时钟线SCL，外围硬件简单，每个连接到总线的器件都可以通过唯一的地址和主机通信。它是一个真正的多主机总线，如果两个或更多主机同时初始化数据传输可以通过冲突检测和仲裁防止数据被破坏，串行的8位双向数据传输位速率在标准模式下可达100kbit/s快速模式下可达400kbit/s高速模式下可达3.4Mbit/s，片上的滤波器可以滤去总线数据线上的毛刺波保证数据完整，连接到相同总线的IC数量只受到总线的最大电容的限制。在本系统中主机和从机采用I2C通信，

22、将使整个系统硬件构成简介、可靠，主从机通信软件开发模块化、可复用性强、耗时少。由于系统中的主机是被动接收各传感器传来的数据，因此本系统将分布式传感网络各节点(AVR单片机)作为I2C通信的主机，将 LM3S6952作为I2C通信的从机，构成一个多主机单从机的I2C通信系统。由于AVR单片机和LM3S6952的逻辑电平不同，因此需要在总线传输时进行逻辑电平的转换。常用的方式是将逻辑电压不同的器件通过连接到电源电压线的上拉电阻连接到相同的总线，但是他要求低电压的器件必须能容忍5V，这样比较容易损坏LM3S6952。本系统采用通过使用双向电平转换器可以将电源电压和逻辑电平不同的I2C总线设备连接起来

23、。系统连接示意图如图10所示： 图10 系统连接示意图其BS170为N沟道增强型场效应管，Rp为2K的上拉电阻。BS170有三种工作状态：1、没有器件下拉总线线路。低电压部分的总线线路通过上拉电阻Rp上拉至3.3V BS170的门极和源极都是3.3V所以它的VGS低于阀值电压BS170不导通这就允许高电压部分的总线线路通过它的上拉电阻Rp拉到5V此时两部分的总线线路都是高电平只是电压电平不同。2、一个3.3V器件下拉总线线路到低电平。BS170的源极也变成低电平而门极是3.3V VGS上升高于阀值BS170开始导通，然后高电压部分的总线线路通过导通的BS170被3.3V器件下拉到低电平，此时两

24、部分的总线线路都是低电平而且电压电平相同。3、一个5V的器件下拉总线线路到低电平。BS170的漏极基底二极管低电压部分被下拉直到VGS超过阀值BS170开始导通低电压部分的总线线路通过导通的BS170被5V的器件进一步下拉到低电平，此时两部分的总线线路都是低电平，而且电压电平相同。1.4系统软件框图本系统软件框图分为各分布式传感节点的软件框图和主机软件框图。主机软件框图主机软件主程序主要用于循环显示8各LED数码管，I2C通信以及按键采用中断处理。主机部分主程序、I2C通信中断服务程序以及按键中断服务程序流程图见图11(a)(b)(c)所示：图11(a) 主机主程序流程图 图11 (b) 主机

25、I2C中断服务程序流程图图11 (c) 主机按键中断服务程序流程图 分布式传感节点软件框图分布式传感节点软件主要用于初始化AVRmega16单片机；反射式红外传感器中断处理（采用模拟比较器中断）；通过一个定时器和一个计数器测量TCS3200D输出频率；处理数据并启动I2C总线传输结果。分布式传感节点软件流程图分为主程序流程图，模拟比较器中断服务程序流程图以及定时器0比较匹配中断流程图，分别见图12(a)(b)(c)。图12(a) 传感器节点主程序流程图 图12 (b) 模拟比较器中断服务程序流程图图12 (c) 定时器0中断服务程序流程图2 特色列举 本课题的亮点及创新之处在于以下六个方面： （1）首次提出斯洛克计分系统的设计思想，首次提出斯洛克计分的设计方案。（2）综合利用光、机、电、算等手段实现系统功能。（3）采用CCD（光电耦合器件）传感芯片，通过单片机采集和处理数据实现对斯洛克八种颜色桌球的精确识别。（4）采用分布式多传感器系统，实现对各传感子系统的全面监控。（5）采用I