CN110917605B - 一种运动计时装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种运动计时装置及方法，利用Sub‑G射频通信将所述NFC标签数据和计时信息发送至无线接入点，相对于现有技术，本发明保证了远距离传输和传输速率的同步兼顾，同时，本发明采用集成单片机和Sub‑G射频通信的控制芯片，减小运动计时装置的布板面积和元件数量，保证了运动计时装置的轻便和易携带，便于工作人员赛前设置和赛后的回收。

Description

一种运动计时装置及方法

技术领域

本发明涉及运动计时领域，尤其是涉及一种运动计时装置及方法。

背景技术

定向运动是一项户外体育运动，参赛者需要手持一张地图并根据其指示到访各个检查点并打卡记录，运动计时装置则是记录运动员到访顺序的关键设备。由于一些比赛需要在大面积的野外进行，无线传输距离远，当无线电波遇到障碍物时信号减弱，运动员的运动数据无法及时传送至服务器，影响比赛结果判断。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种支持远距离实时传输的运动计时装置及方法。

一种运动计时装置，包括：射频通信模块、NFC模块和计时模块，其中，所述射频通信模块分别与NFC模块和计时模块连接；

所述射频通信模块包括：第一时钟电路、射频芯片、射频天线和第一射频电路，所述第一时钟电路与所述射频芯片连接，为所述射频芯片提供时钟信号；所述射频芯片采用集成单片机和Sub-G射频通信的控制芯片；所述射频天线通过第一射频电路与射频芯片连接；所述NFC模块用于感应NFC标签中的NFC标签数据并传输至射频通信模块，所述射频通信模块接收到NFC标签数据的同时获取计时模块的计时信息，并利用Sub-G射频通信将所述NFC标签数据和计时信息发送至无线接入点。

相对于现有技术，本发明利用Sub-G射频通信将所述NFC标签数据和计时信息发送至无线接入点，保证了远距离传输和传输速率的同步兼顾，同时，本发明采用集成单片机和Sub-G射频通信的控制芯片，减小运动计时装置的布板面积和元件数量，保证了运动计时装置的轻便和易携带，便于工作人员赛前设置和赛后的回收。

在一个实施例中，所述第一射频电路包括巴伦-滤波器集成无源元件、第一电感、第一电容和第二电容，所述巴伦-滤波器集成无源元件的射频引脚通过所述第一电感、第一电容、第二电容后与射频天线连接，利用巴伦-滤波器集成无源元件替换传统的巴伦电路与带通滤波器的分立设计，简化电路、节省布板空间，同时，减少了射频走线的长度和焊点，使得走线的阻抗突变更少，噪声引入点也更少，可靠性高。

在一个实施例中，所述第一射频电路还包括第三电容和外接天线接口，所述巴伦-滤波器集成无源元件的射频引脚通过所述第一电感和第三电容后与外接天线接口连接，用户可根据需求选择使用计时装置的天线或外接天线。

在一个实施例中，在所述射频芯片供电引脚设置若干个并排设置的旁路电容，用于对所述射频芯片的供电进行旁路及滤波处理，降低电源噪声。

在一个实施例中，所述射频芯片的模拟供电引脚与高频铁氧体磁珠连接，所述高频铁氧体磁珠可以有效地吸收高频瞬变电压和脉冲尖峰，平滑输入电流。

在一个实施例中，所述射频通信模块还包括：射频天线参数设置模块，所述射频天线参数设置模块通过获取所述射频天线的史密斯圆图，利用史密斯圆图匹配软件调整所述射频天线的史密斯圆图的匹配点位置，获得射频天线的最佳设置参数，并对射频天线进行参数设置，以提高传输效率和准确性。

在一个实施例中，所述计时模块采用M41T81S RTC计时芯片进行计时，所述M41T81S RTC计时芯片为SO8封装，降低焊接引脚连锡的可能性，提高可靠性。

在一个实施例中，所述NFC模块包括NFC芯片、第二时钟电路、近场通信天线和第二射频电路，所述第二时钟电路与所述NFC芯片连接，为所述NFC芯片提供时钟信号；所述近场通信天线与所述第二射频电路连接，所述第二射频电路滤除所述近场通信天线中的高次谐波及进行阻抗变换。所述NFC模块利用第二射频电路滤除近场通信天线的高次谐波以及进行阻抗变换。

在一个实施例中，所述第二射频电路包括EMC滤波器和匹配电路，所述匹配电路与近场通信天线连接，用于进行阻抗变换；所述匹配电路包括串联的第一匹配电容和第二匹配电容，其中，所述第一匹配电容和第二匹配电容的容值通过下列方式计算：

获取所述近场通信天线的等效并联电路，计算等效并联电路各元件参数；

计算EMC滤波器的转移阻抗，令近场通信天线与匹配电路的总阻抗等于EMC滤波器的转移阻抗，获取第一匹配电容和第二匹配电容的容值。通过第一匹配电容和第二匹配电容实现阻抗匹配，从而降低反射，实现最佳射频性能，

本发明还提供了一种运动计时方法，包括以下步骤：

在若干个检查点设置如上述任意一项所述的运动计时装置；

接收所述运动计时装置检测到的NFC标签数据和计时信息；

汇总所有检查点的NFC标签数据和计时信息，得到运动员的运动成绩。

为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。

附图说明

图1为本发明实施例中一种运动计时装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中所述射频通信模块1的结构示意图；

图3为本发明实施例中所述第一时钟电路101的电路图；

图4为本发明实施例中所述射频天线未匹配时的史密斯圆图；

图5为所述史密斯圆图匹配点示意图；

图6为添加一个并联电感和一个串联电容后的史密斯圆图；

图7为完成匹配后的射频天线史密斯圆图；

图8为另一个实施例中采用两个并联电感和一个串联电容完成匹配后的射频天线史密斯圆图；

图9为所述第一射频电路的电路图；

图10所述射频芯片模拟供电引脚及数字供电引脚的电路图；

图11为近场通信天线的等效串联电路图；

图12为所述近场通信天线的物理尺寸参数图；

图13为近场通信天线最终的等效并联电路图；

图14为所述第二射频电路的电路图；

图15为接收电路的电路图；

图16为计时模块的电路图；

图17为所述电源电路的电路图；

图18为所述运动计时装置的控制流程图；

图19为计时芯片M41T81S初始化流程图；

图20为NFC芯片PN532初始化流程图；

图21为SimpliciTI协议栈结构示意图；

图22为无线接入点的控制流程图；

图23为移动终端的控制流程图；

图24为所述运动计时装置的实物图；

图25为所述运动计时装置的底噪测试结果图；

图26为所述运动计时装置和无线接入点的示意图；

具体实施方式

实施例1

本发明包括一种运动计时装置，用于作为运动员经过检查点的记录装置，所述运动计时装置与运动员携带的NFC标签进行通信，优选地，采用型号为NTAG216的NFC标签作为本实施例中运动员携带的NFC标签，该型号NFC标签具有800字节的存储空间，价格低廉。

本实施例中所述电阻在运动计时装置中的主要作用为限流及提供负载，不参与高频电路的构建，因此，选用普通厚膜贴片电阻或厚膜精密电阻即可满足需求；另外，由于所述运动计时装置为一种便携式设备，因此在电路设计中，布板面积至关重要，需要尽可能的压缩电路板面积，而陶瓷电容的体积可以做到非常的小，因此本实施例中所述电容为陶瓷电容，同时，由于本发明为非高频电路，在保证电容的性能的同时为了节省成本，本发明中选用X7R型陶瓷电容。所述电感主要用于电源电路，主要分为变压器与扼流器。变压器目的是电压的变换，希望有最小的损耗，因此要有较小的直流与交流电阻、优异的直流重叠特性，对应的系列产品可选用LQH-P/LQH2MC/LQM-P系列的产品。对于扼流器，其目的是对高频交流电流进行阻碍，因此感应系数要高，直流电阻低、高频电阻高，可选用LQH31C/32C/43C/55D/66S系列、LQW18C或LQM-F系列的产品。

如图1所示，所述运动计时装置包括：射频通信模块1、NFC模块2和计时模块3，其中，所述射频通信模块分别与NFC模块和计时模块连接；所述射频通信模块利用Sub-G射频通信将所述NFC模块的接收到的NFC标签数据发送至无线接入点(AP端)。

如图2所示，所述射频通信模块1包括：第一时钟电路101、射频芯片102、射频天线103和第一射频电路104，所述第一时钟电路101与所述射频芯片102连接，为所述射频芯片102提供时钟信号；所述射频天线103通过第一射频电路104与射频芯片102连接；所述射频通信模块利用Sub-G射频通信将所述NFC标签数据和计时信息发送至无线接入点。

如图3所示，所述第一时钟电路101包括高频晶振Y3、第一电容C20和第二电容C21，所述高频晶振包括两个输出引脚X26_N和X26_P，其中，所述高频晶振Y3的输出引脚X26_N通过第一电容C20接地，输出引脚X26_P通过第二电容C21接地。所述高频晶振Y3为26MHz的高频晶振，用于控制射频芯片在正常模式下的运行，为射频芯片提供射频时钟。由于射频前端具有窄带滤波器，若频差稍大就会严重影响射频通信质量，因此将所述第一电容C20和第二电容C21分别与所述高频晶振Y3的输出引脚连接，用于调整晶振的起振频率。

在本实施例中，所述射频芯片102所述射频芯片采用集成单片机和Sub-G射频通信的控制芯片。具体地，所述射频芯片102采用型号为CC1110的Sub-G集成SOC+NFC控制芯片，所述Sub-G集成SOC+NFC控制芯片本质上为Sub-G通信芯片CC1101与一颗增强型8051MCU结合，其具有32KB片上Flash以及4KB内存，封装大小仅为6mm*6mm，相比较现有的主控芯片+射频通信芯片组合，本实施例减少了80％的布板面积与50％的元件数量；具有低功耗模式，对315/433/868/915MHz等SRD频段具有良好的支持，输出功率变化范围为0dBm-10dBm，且可以通过编程精确控制；数据传输速率最高可达500kBaud，当用户将传输速率降至1.2kBaud时，灵敏度可达-110dBm。该方案无需三个集成芯片，无需因为工作在三个不同的频率而使用三种不同的晶振，减少了电气干扰和不稳定因素，减少了布板面积与成本。在其它实施例中，所述射频芯片也可采用其它包括集成单片机和Sub-G射频通信的控制芯片，或者使用主控芯片和射频芯片的方式实现所述射频通信模块的功能，其中，所述主控芯片可采用STM8LX系列的MCU芯片，优选型号为STM8L151K4T6的MCU芯片。

对于应用场景为868MHz的Sub-G频段，可选用DN024/DN023/DN031/DN033/DN038板载螺旋天线(PCB HelicalAntenna)作为射频天线，优选的，在权衡带宽、尺寸、效率三方面后，选择DN038所代表的板载螺旋天线作为射频天线。

所述射频天线参数设置模块通过天线使用网络分析仪获取所述射频天线的史密斯圆图，其史密斯圆图如图4所示，可以看到，当天线未进行匹配时，其工作点距离史密斯圆图的匹配点非常远，这说明其匹配状态很差，反射系数很高，天线性能极差，因此需要使用史密斯圆图匹配软件进行动态调整。

利用史密斯圆图匹配软件调整所述射频天线的史密斯圆图的匹配点位置，其中，所述史密斯圆图匹配软件的匹配规则如下：

(1)匹配点位于整个史密斯圆图的正中心，这是理论上的匹配点，但这受制于器件的取值与精度通常无法实现，因此，工程上一般认为反射系数

就算处于匹配状态，也即处于图5中心位置的圆圈，即图中标注r＝1/3处的中心圆圈(50欧系统)即可认为匹配。图5史密斯圆图包括导纳圆和阻抗圆，其设有一经过最外围圆圈圆心的水平线，所述导纳圆的圆心位于中心圆圈圆心的左侧，所述阻抗圆的圆心位于中心圆圈圆心的右侧，所述导纳圆与阻抗圆相交于图中标注r＝1/3处的圆圈圆心。

(2)添加一个并联电感，匹配点将会在同一个导纳圆上逆时针移动。

(3)添加一个并联电容，匹配点将会在同一个导纳圆上顺时针移动。

(4)添加一个串联电感，匹配点将会在同一个阻抗圆上顺时针移动。

(5)添加一个串联电容，匹配点将会在同一个阻抗圆上逆时针移动。

基于上述匹配原则调整所述射频天线的史密斯圆图的匹配点位置，具体步骤如下：

在史密斯圆图匹配软件中输入图4所表示的频点数据：f＝868MHz,Z＝9.8927-j87.811(Ω)。

如图6所示，通过添加一个并联电感和一个串联电容实现所述射频天线史密斯圆图的匹配，其中，所述并联电感的电感值为11.0nH，所述串联电容的电容值为1.0pF，此时阻抗Z＝40.957+j0(Ω)，反射系数

符合工程上的匹配状态，图7为完成匹配后的射频天线史密斯圆图，由图中可见，所述完成匹配后的射频天线史密斯圆图相比较未匹配的情况已经大有改善。

获得射频天线的最佳设置参数，并对射频天线进行参数设置。

在另一个实施例中，也可采用两个并联电感和一个串联电容实现更佳的匹配效果，：Z＝50.599+j0(Ω)，反射系数

具体如图8所示。所述两个并联电感和串联电容的值分别为8.2nH、1.7pF、4.6nH。

如图9所示，所述第一射频电路包括巴伦-滤波器集成无源元件(IPC)、第一电感L3、第二电感L4、第一电容CC1、第二电容CC2和第三电容CC3，所述巴伦-滤波器集成无源元件的射频引脚RF通过所述第一电感L3、第一电容CC1、第二电容CC2后分别与射频天线ANT2连接，通过所述第一电感L3、第三电容CC3后接地；所述射频引脚RF通过所述第一电感L3、第一电容CC1、第二电容CC2、第二电感L4接地；在本实施例中，所述巴伦-滤波器集成无源元件(IPC)采用0896BM15A0001巴伦-滤波器集成无源元件，所述第一电感和第二电感分别为5.6nH和12nH，所述第一电容CC1、第二电容CC2和第三电容CC3的容值分别为100pF、1pF和1.8pF。

在另一个实施例中，所述第一射频电路还包括第四电容CC4和外接天线接口P5，所述巴伦-滤波器集成无源元件的射频引脚RF通过所述第一电感L3和第四电容CC4后与外接天线接口P5连接，所述外接天线接口P5为外接的SMA接口天线，所述外接天线接口P5一端接地，用户可根据实际需求选择使用PCB天线还是外接的SMA接口天线。其中，所述第四电容CC4的容值为100pF。

在其它实施例中，所述射频电路也可由巴伦电路和带通滤波器进行替代，其中，所述巴伦电路又叫平衡-不平衡转换电路，为了抑制共模干扰，大多数射频芯片的接口为差分形式，但射频天线一般是单端电路，两者不能直接连接，因此需要使用巴伦电路将所述射频天线的信号转换为差分信号。

所述带通滤波器的目的是滤除发送与接收时的高频谐波、低频杂波等与通信无关且会干扰通信的其他所有频率的信号。低通滤波器可使用N阶π型LC滤波器或声表面滤波器(SAW filter)，声表面滤波器是一种新兴的换能式无源带通滤波器，其优点是选择性非常好、频带很宽，缺点是价格较贵且具有较大的插入损耗(Insertion Lost)，典型值为10dB。该运动计时装置的定位是低功耗物联网系统，传输带宽只有几百KHz，且需要较远的通信距离，较大的插入损耗是不能接受的。因此这里不需要也不适合使用声表面滤波器，由分立元件组成的五阶LC带通滤波器即可满足需求。

所述射频芯片CC1110由于电源线通常需要从电源模块(LDO)输出端引入芯片，且芯片会有多个相距较远、供电类型不同(如数字供电、模拟供电)的引脚，因此长距离走线一般是不可避免的，容易引入空间中或者途径中各种器件产生的各种频率的噪声，进而形成电源噪声，电源噪声会使得所述射频芯片的供电产生波动，进而影响射频芯片的稳定性。此外高频器件在工作时电流通常是不连续的，且变化频率很快，而线路的阻抗Z₁＝iωL+R,这就导致即使供电输出距离射频芯片供电引脚不远，当射频芯片处于高频状态时，供电线路会表现为感性，电流无法及时补充。

为了去除这上述两种影响，在所述射频芯片CC1110供电引脚设置若干个并排设置的旁路电容，用于对所述射频芯片的供电进行旁路及滤波处理。所述旁路电容的容值由频率决定，其计算公式为：

通过上式可得，1000MHz以下的噪声可以用1nF-1uF的电容旁路掉，优选地，可在所述射频芯片CC1110的每个供电引脚附件并排放置1nF、100nF、1uF三个旁路电容，保证每个频段的噪音都能有效去除。

如图10所示，所述射频芯片CC1110供电引脚包括数字供电引脚DVDD和模拟供电引脚AVDD，所述模拟供电引脚AVDD通过一高频铁氧体磁珠后连接3.3V电源，通过在模拟供电的支路入口加高频铁氧体磁珠，所述铁氧体磁珠可以有效地吸收高频瞬变电压和脉冲尖峰，平滑输入电流。但是这会一定程度上影响到电流的快速变化，因此在装有高频磁珠的支路上还应当放置一个1uF的大电容，其作用并不是为了旁路，而是用于存储电能，避免瞬间电流供应不足导致芯片不稳定。

所述射频芯片CC1110的数字供电引脚DVDD连接3.3V电源，所述数字供电引脚DVDD通过四个并排设置的旁路电容CC21、CC22、CC24、CC28后接地，所述射频芯片CC1110的模拟供电引脚AVDD通过三个并排设置的旁路电容CC23、CC26、CC27后接地。其中，所述数字供电引脚DVDD连接的旁路电容CC21、CC22、CC24、CC28的容值分别为1nF、10nF、1uF、100nF，CC23，所述模拟供电引脚AVDD连接的旁路电容CC23、CC26、CC27的容值分别为1nF、100nF、100nF。

近场通信是一种短距离的高频通信应用，在本实施例中所述NFC模块利用NFC技术(NearFieldCommunication)，相比较作为上一代的近场通信技术的RFID，RFID仅限于单方面的数据读取与更改，而NFC更加突出了信息的交互。所述NFC模块包括NFC芯片、第二时钟电路、近场通信天线、EMC滤波电路和第二供电电路，所述第二时钟电路与所述NFC芯片连接，为所述NFC芯片提供时钟信号；所述近场通信天线与所述EMC滤波电路连接，所述EMC滤波电路滤除所述近场通信天线中的高次谐波及进行阻抗变换；所述第二供电电路为所述NFC模块供电。

其中，所述NFCNFC芯片采用型号为PN532的NFC集成读写芯片，相对于传统的型号为RFC522，PN532NFC读写芯片，型号为PN532的NFC集成读写芯片尺寸更加小，功耗也更加低。PN532芯片是一款高度集成的近场通信收发器模块，内部包含一个80C51控制内核，可以实现13.56MHz免接触式通信，支持以下六种通信模式：

(1)ISO/IEC 14443A/MIFARE读写模式。

(2)FeliCa读写模式。

(3)ISO/IEC 14443B读写模式。

(4)ISO/IEC 14443A/MIFARE卡模拟模式。

(5)FeliCa卡模拟模式。

(6)ISO/IEC 18092,ECMA 340点对点通信模式。

PN532芯片包含I2C/SPI/HSU三种通信接口，在启动时通过P16/P17两个引脚的高低电平进行配置。为了简化设计复杂度，使用HSU(高速UART)作为与CC1110通信的接口。

所述第二时钟电路用于产生一个27.12MHz的高频时钟，二分频后用于产生近场通信所需的载波，包括第二高频晶振、第三电容和第四电容，所述第三电容和第四电容分别与所述第二高频晶振的输出引脚连接，所述第三电容和第四电容的容值均为22pF。

所述近场通信天线为线圈天线，从形状上分为圆形天线与矩形天线，在本实施例中选用矩形天线，所述近场通信天线的谐振频率f由汤姆逊公式可得：

近场通信天线的等效串联电路如图11所示，其中，C_a为损耗电容，L_a为线圈电感,R_a为损耗电阻，其参数经过以下计算获取：

所述近场通信天线的物理尺寸参数如图12，其中，a₀、b₀为近场通信天线外圈尺寸，t为微带线高度，w为微带线宽度，g为每匝之间空隙的宽度，N_a为匝数，确定好物理尺寸后，设d为走线等效为圆形线圈天线的直径，a_avg、b_avg为平均天线尺寸，按照以下方式进行计算：

a_avg＝a₀-N_a*(g+w)

b_avg＝b₀-N_a*(g+w)

则近场通信天线的等效电感L_a为：

其中，x_a～x_d分别为：

x_d＝(a_avg+b_avg)/4

天线的品质因数Q代表着能量发射的多少和通带特性，Q值越大，能量发射效率越大，但射频系统的带通特性越差，此时会不利于RFID这类带通通信系统的正常运作，且能量发射效率过大会烧毁线圈，需要适当控制Q值大小。得出线圈电感L_a后，需要进行衰减电阻R_Q的计算。衰减电阻为近场通信天线两端直接相连的两个电阻，其作用是降低天线的Q值，根据PN532芯片的数据手册得到，Q值为35左右最佳，衰减电阻R_Q的表达式为：

最后，得到近场通信天线最终的等效并联电路，其参数用于参与前级匹配电路的计算，等效电路如图13所示。

其中，并行等效电容C_pa、并行等效电阻R_pa、并行等效电感L_pa的计算公式如下：

NFCNFC芯片PN532使用的是双端天线，因此所述第二射频电路无需巴伦电路，通过利用第二射频电路滤除13.56MHz的高次谐波以及进行阻抗变换，如图14所示。所述第二射频电路包括EMC滤波器(EMC Filter)、匹配电路(Matching Circuit)、匹配电阻和接收电路，所述匹配电路与近场通信天线(Antenna)连接，所示匹配电阻分别与EMC滤波器一端连接，所示匹配电阻包括两个容值为R_match/2的匹配电阻，其中，R_match＝50Ω。在本步骤中，通过先设计EMC滤波器的电路，然后再计算出EMC滤波器一侧的转移阻抗Z_tr，最后依据近场通信天线参数，设计匹配电路中的C₁、C₂，使得近场通信天线与匹配电路的总阻抗也等于Z_tr，完成第二射频电路的全部设计。

所述EMC滤波器包括电感L₀和两个容值相同的电容，所述电感L₀可选择390nH-1000nH的电感，考虑到取材的便利，以及流经电流的大小，在本实施例中，电感L₀使用560nH的0805贴片电感。EMC滤波器的电容C₀的计算公式为：

其中f_r为EMC滤波器的谐振频率，其取值必须约等于中心频率f₀+最高数据速率f_H以满足带通接受特性，这里f_H由NFC标准可以得知为848kHz，因此f_r取值为14.4MHz。将L₀、f_r带入公式x，可得C₀＝221.2pF，工程上取C₀＝220pF。

完成EMC滤波器的计算后，开始计算转移阻抗Z_tr，公式如下：

Z_tr＝R_tr+X_tr，

接下来是匹配电路的计算，所谓匹配就是从电路某个断点往两个方向看进去，阻抗需要相等，这样连接起来后才能获得最佳的射频性能，阻抗不匹配会导致产生反射。匹配电容C₁、C₂的计算公式为：

从上面两式可知C₁、C₂的值并不是很准确的最终值，因此通常在上述计算值的基础上加入若干可变电容，并将电路末端接入网络分析仪进行测试微调，才能得到最佳的匹配电容。

最后是接收电路的设计，电路图如图15所示。所示接收电路包括分压电阻R₁、隔直电容C_rx、与解耦电容C_vmid和电阻R₂，所述PN532芯片的射频接收引脚RX通过分压电阻R₁连接基准电压引脚V_mid，所述PN532芯片的射频接收引脚RX通过隔直电容C_rx、电阻R2后与EMC滤波器连接，基准电压引脚V_mid通过解耦电容C_vmid后接地，其中电阻R₂的数值需要经实测与计算得出，定义R₁＝1kΩ，C_rx＝1nF，C_vmid＝100nF，将PN532芯片设置为连续载波发射模式，测量EMC滤波电路中C₀两端的电压U_C0,根据公式：

即可得出R₂的值。至此，PN532的射频电路设计完成，在PCB布局时要注意TX1与TX2到天线之间的走线尽量保证等长、对称。

所述第二供电电路包括若干个旁路电容，所述旁路电容的数量至少为两个，所述旁路电容设置在在电源模块与所述NFC芯片之间。

如图16所示，所述计时模块包括计时芯片、无源晶振Y1、第一电阻R11和第二电阻R12，所述计时芯片为M41T81S RTC计时芯片，该芯片包括两种封装版本：SO8封装的8引脚SOIC，以及SOX18封装的18引脚SOIC，前者需要外部32.768kHz无源晶振作为时钟源，后者内部已经集成了RC时钟。在本实施例中，考虑到焊接的难度，优先使用SO8封装的版本。所述无源晶振为32.768kHz无源晶振，用于为所述计时芯片提供时钟信号，所述计时芯片振荡器输入引脚XI通过无源晶振Y1与振荡器输出引脚XO连接，电源引脚VCC连接3.3V电源，串行时钟输入引脚SCL通过第一电阻R11和3.3V电源连接，串行数据输入/输出引脚SDA通过第二电阻R12和3.3V电源连接，串行时钟输入引脚SCL和串行数据输入/输出引脚SDA分别连接至输出接口P1。其中，所述第一电阻R11和第二电阻R12阻值均为4.7KΩ。

所述运动计时装置还包括电源电路，如图17所示，所述电源电路包括电源稳压芯片、旁路电容C11和退耦电容C13，所述电源芯片使能引脚CE、输入端V_in分别与供电端BAT连接，输入端V_in通过旁路电容C11接地，输出端V_out输出3.3V电源，同时通过退耦电容C13接地；所述供电端BAT为电池供电。

电源稳压芯片的种类繁多，但不同类型的电源芯片会极大影响到系统性能。本实施例中所述运动计时装置为低功耗的运动计时装置，其关键芯片同时工作的电流不会超过100mA，因此不需要使用大电流的芯片。此外考虑到所述运动计时装置供电为电池供电，而电池的电压会随着电量的下降而下降，当电压过低时芯片将不能正常工作。为了延长电池的使用时间，在对关键芯片进行低功耗设计的基础上，还要尽量使用低压差的稳压芯片，压差为线性稳压芯片(LDO)的一项性能指标，表示输入电压与输出电压的最小差值，当输入电压接近标称输出电压时，输出电压不再维持在标称电压，而是与输出电压同步下降，其差值即为压差。为了这里我们选用的是XC6221系列的低ESR等效电容高速线性稳压芯片XC6221A332MR，其最大输出电流为200mA，压差为80mV，工作损耗为25uA，非常适合作为低功耗系统的电源芯片。图2为XC6221的负载转移特性，表明其在输出电流突变时能很快稳定输出电压，所述电源芯片为SOT-25-5封装；所述旁路电容C11为1uF的贴片陶瓷电容，起到旁路作用；所述退耦电容C13为1uF的陶瓷电容，起到退耦的作用。

本发明所述射频芯片C1110内部MCU为8051内核，在本实施例中使用IAR for8051作为其开发集成开发环境(IDE)。所述运动计时装置的控制流程如图18所示，包括模块上电、CC1110 IO引脚初始化、CC1110 RF引脚初始化、M41T81S初始化、PN532初始化、协议栈初始化、建立网络和循环维护网络步骤。

图19为所述计时芯片M41T81S初始化流程图，包括上电、清除HT标志、设置时间、等待四秒后清除OF标志，确认OF标志是否已清除，若是，则结束该初始化过程，否则，重新执行清除OF标志步骤。

图20为所述NFC芯片PN532初始化流程图，包括上电、RST复位、发送唤醒命令、发送读取命令及等待标签、等待5S后判断是否读取超时，若是，则等待5s后继续执行读取动作；若否，则进行读写操作。

所述协议栈初始化步骤中，协议栈指的是一种针对Sub-G网络的简单低功耗RF网络协议SimpliciTI，这种网络通常包含要求电池寿命长、数据速率和小占空比低的电池供电设备，并具有少量可以直接相互通话或通过接入点或范围扩展器进行通话的节点。有了SimpliciTI，MCU资源要求将降低，实现低系统成本。SimpliciTI经过专门设计，可以轻松地实施并即时部署在多个TI射频平台上，如MSP430系列低功率MCU、CC1XXX、CC25XX、CC430收发器和SoC，配合IAR集成开发平台可以轻松完成二次开发，有效简化开发流程与周期。

SimpliciTI协议栈结构如图21所示，包括数据层(Data Link/PHY)、网络层(Network)和应用层(Application)。其中，MRFI为最小射频接口，CC1110内部的8051内核需要使用SPI与CC1101进行通信与控制，因此MRFI需要配合BSP中的SPI驱动才能工作。NWK是网络层，负责协议的封装与实现、数据收发队列处理、维持网络连接、管理。用户编程使用的SMLP网络控制函数即由NWK层实现。

应用层(Application)类似TCP/IP，定义了各类端口。0x01-0x05为系统定义的基本端口，包括连接测试、连接控制、网络管理、信道控制等。

其无线接入点(AP端)的控制流程图如图22所示，包括以下步骤：

S101：IO/外设初始化；

S102：网络初始化注册回调函数；

S103：轮洵信号量；其中，所述信号量包括入网信号量和消息信号量；

S104：判断是否有新节点加入，若是，转入步骤S105；若否，转入步骤S109；

S105：判断目前连接数是否为达到最大连接数(Max Connection)，若是，则转入步骤S106；若否，转入步骤S103；

S106：允许入网，等待连接帧(Link帧)；

S107：判断是否收到终端连接帧，若是，转入步骤S108；若否，转入步骤S106；

S108：完成入网，入网信号量减一并反馈至步骤S103；

S109：判断是否有新的消息传入，若是，则转入步骤S110；若否，转入步骤S103；

S110：处理各个节点的消息；

S111：完成处理逻辑，消息信号量减一并反馈至步骤S103。

其移动终端(ED端)的控制流程图如图23所示，包括以下步骤：

S201：IO/外设初始化；

S202：网络初始化；

S203：判断当前是否允许入网，若是，转入步骤S204；若否，转入步骤S202；；

S204：发送连接帧；

S205：判断是否入网成功，若是，则转入步骤S206；若否，转入步骤S204；

S206：等待NFC卡片；

S207：判断是否收到运动员打卡，若是，转入步骤S208；若否，转入步骤S206；

S208：读取计时模块的时间，写入NFC标签中；

S209：发送消息至无线接入点；

S210：判断消息是否发送成功，若是，则转入步骤S206；若否，转入步骤S209。

本发明所述运动计时装置实物图如图24所示，为了验证其性能，对本发明所述运动计时装置分别进行以下实验：

(1)底噪测试：如图25所示，界面下方的表格动态显示接收RSSI，当没有其他设备发送时，其代表的就是设备接收空气中噪声的强度，也就是底噪的信号强度，其大小标志着射频线路走线与屏蔽性能由优劣，由于CC1110的灵敏度极限为-110dBm，因此底噪维持在-110dBm左右即可认为是设计良好，实测底噪维持在-110dBm附近，射频接收性能达标。

(2)星形组网测试：最少需要三台终端，其中一台角色为接入点(AP)，编号为AP-1，另外两台角色为终端设备(ED),编号为ED-1、ED-2,编写程序，使所有设备完成组网，并让ED-1随机等待大于5秒且小于10秒的时间，随机发送一个不大于3的数K给AP-1，并在发送后控制蜂鸣器快速鸣K次，AP收到ED-1的消息后，鸣一声表示ACK，ED-2随机等待大于5秒且小于10秒的时间，然后向AP查询消息，若收到一个数P则控制蜂鸣器快速鸣P次。

测试结果为：AP-1与ED-1几乎同时开始鸣叫，且K＝P。这表明组网测试是成功的，所有终端都能良好工作。

(3)功耗测试：通过外接不同量程的精密电流表(10mA，1mA，500uA)，分别对睡眠、待机、发射状态的功耗进行测试。其测试项目及测试结果如表1所示。

表1功耗测试结果

测试项目	理论电流消耗(mA)	实际电流消耗(mA)	备注
				深睡眠	1.0	1.3	软关机
待机	5.5	6.2	空闲状态
				NFC	20.2	23.7	打卡时
SUB-G	15.8	16.9	组网/通信
				NFC+SUB-G	32.3	37.8	打卡+通信

(4)实物测试：

完成实验室测试后，进行外场的实际功能测试。本次测试选择在校队的一次周末训练中同时进行，训练本身使用华瑞建第二代计时器进行，并在某些检查点加装测试设备，如图26所示，包括结点ED-1、ED-2和无线接入点AP-1，其中所述结点ED-1、ED-2设置有运动计时装置。测试方法为，先将在固定点连续模拟打卡100次，传输数据时带上打卡的时间戳，AP端接收时读取该时间戳，并与此时本地的时间进行比较，从而得到传输时间差，将这100次传输的时间差取平均值作为测试结果。丢包率则以AP端分别收到各ED端的打卡次数为P₁,P₂，则丢包率M_i为：

表5.2操场测试结果

结点	距离	平均传输时间	丢包率	ED端发射功率	AP端RSSI
						ED-1	39米	1.3	8％	0dBm	-87
ED-2	42米	6.2	18％	0dBm	-92

本发明还选取了目前市场上一款常用的运动计时装置与本发明所述运动计时装置进行比较，该常用运动计时装置包括NFC芯片、主控芯片和计时芯片，所述NFC芯片采用MFRC531射频卡读写芯片，该芯片支持传统的MIFARE卡片，待机电流为6mA，通信电流为50mA。主控芯片为P89LPC931FDH，其工作电流为18mA，待机电流为6mA。计时芯片PCF8563T计时芯片，工作电流为1mA。实验发现该运动计时装置工作电流至少达到80mA，距离低功耗的目标还有较大的差距，并且该运动计时装置尺寸为140mm*80mm*40mm,重量为180g，这样的尺寸与重量，不利于参赛者携带。本发明所述运动计时装置功耗较该现有市场上的运动计时装置下降百分之五十，重量减轻百分之六十以上，具备了更好的功能性与便携性。

本发明还提供了一种运动计时方法，包括以下步骤：

在若干个检查点设置如上述任意一项所述的运动计时装置；

接收所述运动计时装置检测到的NFC标签数据和计时信息；

汇总所有检查点的NFC标签数据和计时信息，得到运动员的运动成绩。

相对于现有技术，本发明利用Sub-G射频通信将所述NFC标签数据和计时信息发送至无线接入点，保证了远距离传输和传输速率的同步兼顾，同时，本发明采用集成单片机和Sub-G射频通信的控制芯片，减小运动计时装置的布板面积和元件数量，保证了运动计时装置的轻便和易携带，便于工作人员赛前设置和赛后的回收。为了实现现有定向运动对运动计时装置的以下要求，本发明在元器件选型、电路设计上均以轻便、可靠、低功耗为前提，可广泛应用于运动计时的场景，具有较强的商业应用前景：

①轻便：由于一些比赛需要在大面积的野外进行，几乎不可能使用交通工具，裁判员通常只能步行前往检查点进行布置，本发明轻便、易于赛事组织者携带，减轻负担。

②可靠。对于国家级乃至世界级赛事，成绩必须保证绝对真实可靠，如果计时装置的稳定性不达标，在赛事中突然停止工作或重启，赛员的成绩将会出现问题，进而成为竞赛事故；又或是计时装置存在漏洞，使得他人能进行未授权的成绩修改或伪造，影响竞赛公平，这也是绝对不允许的。

②低功耗。一场比赛少则几小时，多则持续一天，一般一次大型赛事将会持续5-7天，每天有多场赛事，若不能保证低功耗长时间运行，组委会将不得不在赛事途中考虑充电的问题，无疑对组织赛事带来了麻烦。

本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形。

Claims (10)

1.一种运动计时装置，其特征在于：包括：射频通信模块、NFC模块和计时模块，其中，所述射频通信模块分别与NFC模块和计时模块连接；

所述射频通信模块包括：第一时钟电路、射频芯片、射频天线和第一射频电路，所述第一时钟电路与所述射频芯片连接，为所述射频芯片提供时钟信号；所述射频芯片采用集成单片机和Sub-G射频通信的控制芯片；所述射频天线通过第一射频电路与射频芯片连接；所述NFC模块用于感应NFC标签中的NFC标签数据并传输至射频通信模块，所述射频通信模块接收到NFC标签数据的同时获取计时模块的计时信息，并利用Sub-G射频通信将所述NFC标签数据和计时信息发送至无线接入点。

2.根据权利要求1所述的运动计时装置，其特征在于：所述第一射频电路包括巴伦-滤波器集成无源元件、第一电感、第一电容和第二电容，所述巴伦-滤波器集成无源元件的射频引脚通过所述第一电感、第一电容、第二电容后与射频天线连接。

3.根据权利要求2所述的运动计时装置，其特征在于：所述第一射频电路还包括第三电容和外接天线接口，所述巴伦-滤波器集成无源元件的射频引脚通过所述第一电感和第三电容后与外接天线接口连接。

4.根据权利要求1所述的运动计时装置，其特征在于：在所述射频芯片供电引脚设置若干个并排设置的旁路电容，用于对所述射频芯片的供电进行旁路及滤波处理。

5.根据权利要求1所述的运动计时装置，其特征在于：所述射频芯片的模拟供电引脚与高频铁氧体磁珠连接。

6.根据权利要求1所述的运动计时装置，其特征在于：所述射频通信模块还包括：射频天线参数设置模块，所述射频天线参数设置模块通过获取所述射频天线的史密斯圆图，利用史密斯圆图匹配软件调整所述射频天线的史密斯圆图的匹配点位置，获得射频天线的最佳设置参数，并对射频天线进行参数设置。

7.根据权利要求1所述的运动计时装置，其特征在于：所述计时模块采用M41T81S RTC计时芯片进行计时，所述M41T81S RTC计时芯片为SO8封装。

8.根据权利要求1所述的运动计时装置，其特征在于：所述NFC模块包括NFC芯片、第二时钟电路、近场通信天线和第二射频电路，所述第二时钟电路与所述NFC芯片连接，为所述NFC芯片提供时钟信号；所述近场通信天线与所述第二射频电路连接，所述第二射频电路滤除所述近场通信天线中的高次谐波及进行阻抗变换。

9.根据权利要求8所述的运动计时装置，其特征在于：所述第二射频电路包括EMC滤波器和匹配电路，所述匹配电路与近场通信天线连接，用于进行阻抗变换；所述匹配电路包括串联的第一匹配电容和第二匹配电容，其中，所述第一匹配电容和第二匹配电容的容值通过下列方式计算：

获取所述近场通信天线的等效并联电路，计算等效并联电路各元件参数；

计算EMC滤波器的转移阻抗，令近场通信天线与匹配电路的总阻抗等于EMC滤波器的转移阻抗，获取第一匹配电容和第二匹配电容的容值。

10.一种运动计时方法，其特征在于，包括以下步骤：

在若干个检查点设置如权利要求1-9任意一项所述的运动计时装置；

接收所述运动计时装置检测到的NFC标签数据和计时信息；

汇总所有检查点的NFC标签数据和计时信息，得到运动员的运动成绩。

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