實(shí)時(shí)互鎖式無線搶答手柄的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘要：給出一種實(shí)時(shí)互鎖式無線搶答手柄的設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)例，使無線搶答器的死區(qū)時(shí)間由通常的40 ms銳減為40μs。其基本思路是：在每只搶答手柄中增加一片射頻接收模塊和一個(gè)電子開關(guān)、配以相應(yīng)的附屬電路，使該電子開關(guān)受控于接收模塊輸出信號(hào)的有無，并決定手柄中的射頻發(fā)射模塊是否通電工作，從而實(shí)現(xiàn)各搶答手柄之間的實(shí)時(shí)互鎖。只有首先被按下?lián)尨鸢存I的手柄，才有可能向外發(fā)送編碼射頻。持有該手柄的選手即為搶答成功者。
關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí)多路互鎖；循環(huán)掃描多路互鎖；死區(qū)時(shí)間；搶答器；搶答手柄

    與有線搶答器相比，無線搶答器無須電纜連接、使用壽命長(zhǎng)、現(xiàn)場(chǎng)布置靈活快捷，因而倍受青睞。近年來，隨著專用編解碼芯片的迅速普及，無線搶答器正在逐漸取代有線搶答器，成為主流技術(shù)，市場(chǎng)產(chǎn)品及設(shè)計(jì)實(shí)例屢見不鮮。然而，一個(gè)必須引起足夠重視的問題是：這些無線搶答器在設(shè)計(jì)方法上大都忽略了搶答器的一項(xiàng)重要指標(biāo)——死區(qū)時(shí)間，而過長(zhǎng)的死區(qū)時(shí)間會(huì)增加誤判的幾率。本文給出一種實(shí)時(shí)互鎖式無線搶答手柄的設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)例，旨在最大程度上解決上述問題，使由PT2262／PT2272構(gòu)成的無線搶答器的死區(qū)時(shí)間由通常的不小于40 ms銳減為40μs，僅為前者的千分之一。

1 技術(shù)背景
1．1 多路信號(hào)互鎖的概念
    當(dāng)多路信號(hào)幾乎同時(shí)來到時(shí)，利用一種電路，識(shí)別出最先到達(dá)的信號(hào)并為其提供通路，與此同時(shí)封鎖其余后續(xù)到達(dá)的各路信號(hào)。實(shí)現(xiàn)這種功能的電路即為多路信號(hào)互鎖電路。因上述最先到達(dá)的信號(hào)又可稱為首入信號(hào)，所以多路信號(hào)互鎖電路有時(shí)也稱首入信號(hào)識(shí)別電路。
    作為多路信號(hào)互鎖電路的關(guān)鍵參數(shù)，多路信號(hào)互鎖電路要求首入信號(hào)與緊隨其后的第二個(gè)信號(hào)之間，必須規(guī)定一個(gè)最小的時(shí)間差。這個(gè)最小時(shí)間差可稱為該多路信號(hào)互鎖電路的死區(qū)時(shí)間。顯然，如果相鄰兩信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間差小于多路信號(hào)互鎖電路的死區(qū)時(shí)間，電路將無法做出正確判斷。因此，我們希望多路信號(hào)互鎖電路的死區(qū)時(shí)間越短越好，對(duì)于搶答器更是如此。
1．2 實(shí)時(shí)多路信號(hào)互鎖的必要性
    有兩種電路可以實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)互鎖功能。一種是實(shí)時(shí)多路信號(hào)互鎖電路，另一種是循環(huán)掃描多路信號(hào)互鎖電路。前者對(duì)各路輸入信號(hào)一視同仁，平等對(duì)待；而后者對(duì)于各路輸入信號(hào)因采取了循環(huán)掃描的方式，所以對(duì)于各路信號(hào)的響應(yīng)，已經(jīng)被預(yù)先排出先后順序。如果在搶答器中采用循環(huán)掃描多路信號(hào)互鎖電路，就意味著排在后面的搶答者，即使是第一個(gè)按下?lián)尨疰I，但因未能在第一時(shí)間得到電路的及時(shí)響
應(yīng)，也可能成為搶答的“失敗者”。
    就電路指標(biāo)而言，在有線搶答器的主機(jī)中，若采用實(shí)時(shí)多路信號(hào)互鎖電路，由于各選手的搶答手柄直接通過導(dǎo)線與主機(jī)中的實(shí)時(shí)多路互鎖電路相連，因此其死區(qū)時(shí)間能夠輕而易舉地實(shí)現(xiàn)理論上所能達(dá)到的指標(biāo)，通常僅有幾十納秒。而采用循環(huán)掃描多路信號(hào)互鎖電路，則死區(qū)時(shí)間會(huì)長(zhǎng)達(dá)數(shù)微秒甚至數(shù)十微秒，誤判的幾率明顯大于前者。
    事實(shí)上，在搶答器主機(jī)電路的設(shè)計(jì)中，眾多設(shè)計(jì)者為簡(jiǎn)化電路和降低成本，更愿采用循環(huán)掃描多路信號(hào)互鎖電路。這對(duì)于參賽選手們來說是不公平的，盡管這種不公平即使發(fā)生也不會(huì)被人們輕易覺察，或者絕大多數(shù)人根本不會(huì)想到會(huì)有這種不公平的存在。本著對(duì)參賽選手負(fù)責(zé)的態(tài)度，筆者認(rèn)為，在搶答器主機(jī)電路的設(shè)計(jì)中，理應(yīng)提倡采用實(shí)時(shí)多路信號(hào)互鎖電路。這一點(diǎn)，雖然不是必須的，但卻是必要的。
1．3 無線搶答器的特殊性
    無線搶答器中，選手們手中的搶答手柄與主機(jī)之間沒有連線，代表選手身份(臺(tái)號(hào))的搶答信號(hào)只能通過編解碼方式、并借助于射頻電波進(jìn)行發(fā)送和接收。眾所周知，目前最流行的編解碼芯片PT2262／PT2272，從PT2262開始發(fā)送編碼信號(hào)，到PT2272有效解碼所需要的時(shí)間，典型值為40 ms。就是說，由此構(gòu)成的無線搶答器所能達(dá)到的死區(qū)時(shí)間一般不小于40 ms，大約是采用循環(huán)掃描多路互鎖技術(shù)的有線搶答器的數(shù)微秒至數(shù)十微秒死區(qū)時(shí)間的幾百倍!
    在這種情況下，如果各選手相繼按下?lián)尨疰I，且兩兩之間的時(shí)間差小于40 ms，那么由于空間同頻信號(hào)的相互疊加，主機(jī)中的PT2272或單片機(jī)不會(huì)有任何正確的解碼數(shù)據(jù)輸出，而無線搶答器的設(shè)計(jì)者們卻沒有予以足夠重視。事實(shí)上這種情況出現(xiàn)在公共停車場(chǎng)，也許不算問題：但如果出現(xiàn)在智力競(jìng)賽的搶答現(xiàn)場(chǎng)，則是不可接受的。更有趣的是，一旦出現(xiàn)這種情況，誰最后松開搶答鍵，誰就會(huì)輕松地成為本次搶答的“成功者”。
    倍受推崇的無線搶答器原來如此滑稽!或許絕大多數(shù)人不明就里，但設(shè)計(jì)者不該無動(dòng)于衷。如何使無線搶答器擺脫尷尬?如何使無線搶答器變得更讓人稱心?仿照有線搶答器，利用實(shí)時(shí)多路信號(hào)互鎖技術(shù)大幅度縮減無線搶答器的死區(qū)時(shí)間，看起來是唯一的努力方向。
1．4 考慮問題的一般方法
    雖然在有線搶答器中，用數(shù)字芯片構(gòu)建實(shí)時(shí)多路信號(hào)互鎖電路并不是一件很難的事，但要把實(shí)時(shí)多路信號(hào)互鎖的理念移植到無線搶答器的設(shè)計(jì)中，卻會(huì)發(fā)現(xiàn)事情一下子變得十分棘手。這是因?yàn)?，?duì)于無線搶答器而言，既要避免空間出現(xiàn)同頻信號(hào)的相互疊加、保證接收解碼電路可靠地輸出正確數(shù)據(jù)，又要對(duì)付長(zhǎng)達(dá)40 ms的解碼時(shí)間。
    一種立刻就能想到但卻不太可取的方法是：各路搶答手柄采用互不相同的發(fā)射頻率，且在主機(jī)中利用頻率對(duì)應(yīng)、路數(shù)相同的接收通道，對(duì)來自各搶答手柄的射頻信號(hào)分別進(jìn)行選頻放大、檢波整形、提取前沿，再由公共的實(shí)時(shí)多路信號(hào)互鎖電路進(jìn)行甄別。但是這樣一來，雖然省去了編解碼環(huán)節(jié)，但卻增加了電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，也破壞了各通道發(fā)射、接收電路設(shè)計(jì)上的一致性，還要受到頻譜資源和收發(fā)模塊系列的制約。想法歸想法，大概很少有人會(huì)真的這樣去做。
    還有一種比較聰明但很偷懶的方法是：把實(shí)時(shí)多路信號(hào)互鎖電路從主機(jī)中分離出來，并與選手們的搶答按鍵直接用電纜連通，構(gòu)成有線形式的搶答“前置機(jī)”再將該“前置機(jī)”對(duì)于搶答選手們搶答次序的甄別結(jié)果，以編碼射頻電波的形式發(fā)往主機(jī)。這確實(shí)是個(gè)不錯(cuò)的主意，死區(qū)時(shí)間顯然能與有線搶答器媲美，而且網(wǎng)上也曾見到過此類產(chǎn)品的圖片和供貨信息，只可惜它“無線”得太不徹底。

2 一個(gè)全新的思路
    既然無路可走，何不解決源頭?干脆把實(shí)時(shí)多路信號(hào)互鎖的任務(wù)交給無線搶答手柄去完成，使其成為實(shí)時(shí)互鎖式無線搶答手柄。
    這是一個(gè)立竿見影的方案。其基本思路是：在每只搶答手柄中增加一片與射頻發(fā)射模塊相同頻率的射頻接收模塊(無須內(nèi)含解碼)和一個(gè)電子開關(guān)、配以相應(yīng)的附屬電路，使該電子開關(guān)受控于接收模塊輸出信號(hào)的有無，并由電子開關(guān)的通斷決定手柄中的射頻發(fā)射模塊是否通電工作，從而實(shí)現(xiàn)各搶答手柄之間的實(shí)時(shí)互鎖。顯然，只有首先被按下?lián)尨鸢存I的手柄，才有可能向外發(fā)送編碼射頻。持有該手柄的選手即為搶答成功者。

    圖1是實(shí)時(shí)互鎖式無線搶答手柄的電路結(jié)構(gòu)框圖。其工作原理是：當(dāng)選手按下手柄上的搶答按鍵AN時(shí)，并不立刻發(fā)射，而是先檢測(cè)接收模塊有無輸出信號(hào)，以此判斷有無其他選手先于自己按下?lián)尨疰I。若已有其他選手搶先按鍵，則接收模塊經(jīng)檢波、整形輸出的高電平與隨后到來的按鍵前沿一起，經(jīng)D觸發(fā)器關(guān)斷電子開關(guān)、禁止發(fā)射模塊通電工作；否則，如果接收模塊未檢測(cè)到其他選手搶先按鍵，則接通電子開關(guān)，使發(fā)射模塊得電并開始發(fā)射編碼調(diào)制的射頻電波，同時(shí)利用此射頻電波封鎖其他所有選手的搶答手柄，確保自己搶答成功。
    實(shí)時(shí)互鎖式無線搶答手柄之間的互鎖，在客觀上代替了主機(jī)的甄別，實(shí)現(xiàn)了無線搶答器的實(shí)時(shí)多路信號(hào)互鎖，并保證了空間射頻電波的唯一性，進(jìn)而可使主機(jī)中的射頻接收及其解碼電路能夠從容地得到正確的解碼結(jié)果。不難理解，這種方案無需等待主機(jī)解碼即可迅速完成互鎖，因此能夠顯著縮減無線搶答器的死區(qū)時(shí)間。

3 實(shí)時(shí)互鎖式搶答手柄應(yīng)用實(shí)例
    根據(jù)圖1所示的實(shí)時(shí)互鎖式無線搶答手柄的原理，2008年自制了一套8路無線搶答器，4年中多次使用，效果令人滿意。
    圖2是主機(jī)外觀圖片，圖3是搶答手柄、記分牌、計(jì)時(shí)牌的外觀圖片，圖4是搶答手柄的內(nèi)部及外觀圖片。

    搶答手柄外殼采用羅技鼠標(biāo)外殼改制，內(nèi)置收發(fā)天線、蜂鳴器、LED指示燈及手動(dòng)編碼開關(guān)。鼠標(biāo)按鍵即為槍答鍵，若搶答成功則蜂鳴器嗚叫；如果槍答未成功，則蜂鳴器無聲而LED亮，表示已有其他選手搶先。該手柄由一節(jié)12 V電池供電，工作電流15 mA，休眠狀電流2μA。實(shí)測(cè)死區(qū)時(shí)間40μA。
    采用鼠標(biāo)外殼及其按鍵的另一個(gè)好處是，所有選手使用該手柄搶答時(shí)，都會(huì)感覺如同點(diǎn)擊鼠標(biāo)一樣舒適、自然，毫無陌生感。計(jì)分牌、計(jì)時(shí)牌雙面數(shù)顯，便于選手隨時(shí)掌控賽場(chǎng)局勢(shì)，正確決策，發(fā)揮最佳水平。各搶答手柄和各記分牌全部通用，可利用外部按鈕任意設(shè)置臺(tái)號(hào)，更顯公平，也便于臨場(chǎng)更換和賽前布置現(xiàn)場(chǎng)。

4 結(jié)束語
    搶答器的死區(qū)時(shí)間越長(zhǎng)，誤判幾率越大。實(shí)時(shí)互鎖式無線搶答手柄，大幅度縮減了無線搶答器的死區(qū)時(shí)間，為無線搶答器真正走向?qū)嵱没_辟了一條可行之路。