实时互锁式无线抢答手柄的设计与应用

摘要：给出一种实时互锁式无线抢答手柄的设计应用实例，使无线抢答器的死区时间由通常的40 ms锐减为40μs。其基本思路是：在每只抢答手柄中增加一片射频接收模块和一个电子开关、配以相应的附属电路，使该电子开关受控于接收模块输出信号的有无，并决定手柄中的射频发射模块是否通电工作，从而实现各抢答手柄之间的实时互锁。只有首先被按下抢答按键的手柄，才有可能向外发送编码射频。持有该手柄的选手即为抢答成功者。
关键词：实时多路互锁；循环扫描多路互锁；死区时间；抢答器；抢答手柄

    与有线抢答器相比，无线抢答器无须电缆连接、使用寿命长、现场布置灵活快捷，因而倍受青睐。近年来，随着专用编解码芯片的迅速普及，无线抢答器正在逐渐取代有线抢答器，成为主流技术，市场产品及设计实例屡见不鲜。然而，一个必须引起足够重视的问题是：这些无线抢答器在设计方法上大都忽略了抢答器的一项重要指标——死区时间，而过长的死区时间会增加误判的几率。本文给出一种实时互锁式无线抢答手柄的设计应用实例，旨在最大程度上解决上述问题，使由PT2262／PT2272构成的无线抢答器的死区时间由通常的不小于40 ms锐减为40μs，仅为前者的千分之一。

1 技术背景
1．1 多路信号互锁的概念
    当多路信号几乎同时来到时，利用一种电路，识别出最先到达的信号并为其提供通路，与此同时封锁其余后续到达的各路信号。实现这种功能的电路即为多路信号互锁电路。因上述最先到达的信号又可称为首入信号，所以多路信号互锁电路有时也称首入信号识别电路。
    作为多路信号互锁电路的关键参数，多路信号互锁电路要求首入信号与紧随其后的第二个信号之间，必须规定一个最小的时间差。这个最小时间差可称为该多路信号互锁电路的死区时间。显然，如果相邻两信号出现的时间差小于多路信号互锁电路的死区时间，电路将无法做出正确判断。因此，我们希望多路信号互锁电路的死区时间越短越好，对于抢答器更是如此。
1．2 实时多路信号互锁的必要性
    有两种电路可以实现多路信号互锁功能。一种是实时多路信号互锁电路，另一种是循环扫描多路信号互锁电路。前者对各路输入信号一视同仁，平等对待；而后者对于各路输入信号因采取了循环扫描的方式，所以对于各路信号的响应，已经被预先排出先后顺序。如果在抢答器中采用循环扫描多路信号互锁电路，就意味着排在后面的抢答者，即使是第一个按下抢答键，但因未能在第一时间得到电路的及时响
应，也可能成为抢答的“失败者”。
    就电路指标而言，在有线抢答器的主机中，若采用实时多路信号互锁电路，由于各选手的抢答手柄直接通过导线与主机中的实时多路互锁电路相连，因此其死区时间能够轻而易举地实现理论上所能达到的指标，通常仅有几十纳秒。而采用循环扫描多路信号互锁电路，则死区时间会长达数微秒甚至数十微秒，误判的几率明显大于前者。
    事实上，在抢答器主机电路的设计中，众多设计者为简化电路和降低成本，更愿采用循环扫描多路信号互锁电路。这对于参赛选手们来说是不公平的，尽管这种不公平即使发生也不会被人们轻易觉察，或者绝大多数人根本不会想到会有这种不公平的存在。本着对参赛选手负责的态度，笔者认为，在抢答器主机电路的设计中，理应提倡采用实时多路信号互锁电路。这一点，虽然不是必须的，但却是必要的。
1．3 无线抢答器的特殊性
    无线抢答器中，选手们手中的抢答手柄与主机之间没有连线，代表选手身份(台号)的抢答信号只能通过编解码方式、并借助于射频电波进行发送和接收。众所周知，目前最流行的编解码芯片PT2262／PT2272，从PT2262开始发送编码信号，到PT2272有效解码所需要的时间，典型值为40 ms。就是说，由此构成的无线抢答器所能达到的死区时间一般不小于40 ms，大约是采用循环扫描多路互锁技术的有线抢答器的数微秒至数十微秒死区时间的几百倍!
    在这种情况下，如果各选手相继按下抢答键，且两两之间的时间差小于40 ms，那么由于空间同频信号的相互叠加，主机中的PT2272或单片机不会有任何正确的解码数据输出，而无线抢答器的设计者们却没有予以足够重视。事实上这种情况出现在公共停车场，也许不算问题：但如果出现在智力竞赛的抢答现场，则是不可接受的。更有趣的是，一旦出现这种情况，谁最后松开抢答键，谁就会轻松地成为本次抢答的“成功者”。
    倍受推崇的无线抢答器原来如此滑稽!或许绝大多数人不明就里，但设计者不该无动于衷。如何使无线抢答器摆脱尴尬?如何使无线抢答器变得更让人称心?仿照有线抢答器，利用实时多路信号互锁技术大幅度缩减无线抢答器的死区时间，看起来是唯一的努力方向。
1．4 考虑问题的一般方法
    虽然在有线抢答器中，用数字芯片构建实时多路信号互锁电路并不是一件很难的事，但要把实时多路信号互锁的理念移植到无线抢答器的设计中，却会发现事情一下子变得十分棘手。这是因为，对于无线抢答器而言，既要避免空间出现同频信号的相互叠加、保证接收解码电路可靠地输出正确数据，又要对付长达40 ms的解码时间。
    一种立刻就能想到但却不太可取的方法是：各路抢答手柄采用互不相同的发射频率，且在主机中利用频率对应、路数相同的接收通道，对来自各抢答手柄的射频信号分别进行选频放大、检波整形、提取前沿，再由公共的实时多路信号互锁电路进行甄别。但是这样一来，虽然省去了编解码环节，但却增加了电路设计的复杂性，也破坏了各通道发射、接收电路设计上的一致性，还要受到频谱资源和收发模块系列的制约。想法归想法，大概很少有人会真的这样去做。
    还有一种比较聪明但很偷懒的方法是：把实时多路信号互锁电路从主机中分离出来，并与选手们的抢答按键直接用电缆连通，构成有线形式的抢答“前置机”再将该“前置机”对于抢答选手们抢答次序的甄别结果，以编码射频电波的形式发往主机。这确实是个不错的主意，死区时间显然能与有线抢答器媲美，而且网上也曾见到过此类产品的图片和供货信息，只可惜它“无线”得太不彻底。

2 一个全新的思路
    既然无路可走，何不解决源头?干脆把实时多路信号互锁的任务交给无线抢答手柄去完成，使其成为实时互锁式无线抢答手柄。
    这是一个立竿见影的方案。其基本思路是：在每只抢答手柄中增加一片与射频发射模块相同频率的射频接收模块(无须内含解码)和一个电子开关、配以相应的附属电路，使该电子开关受控于接收模块输出信号的有无，并由电子开关的通断决定手柄中的射频发射模块是否通电工作，从而实现各抢答手柄之间的实时互锁。显然，只有首先被按下抢答按键的手柄，才有可能向外发送编码射频。持有该手柄的选手即为抢答成功者。

    图1是实时互锁式无线抢答手柄的电路结构框图。其工作原理是：当选手按下手柄上的抢答按键AN时，并不立刻发射，而是先检测接收模块有无输出信号，以此判断有无其他选手先于自己按下抢答键。若已有其他选手抢先按键，则接收模块经检波、整形输出的高电平与随后到来的按键前沿一起，经D触发器关断电子开关、禁止发射模块通电工作；否则，如果接收模块未检测到其他选手抢先按键，则接通电子开关，使发射模块得电并开始发射编码调制的射频电波，同时利用此射频电波封锁其他所有选手的抢答手柄，确保自己抢答成功。
    实时互锁式无线抢答手柄之间的互锁，在客观上代替了主机的甄别，实现了无线抢答器的实时多路信号互锁，并保证了空间射频电波的唯一性，进而可使主机中的射频接收及其解码电路能够从容地得到正确的解码结果。不难理解，这种方案无需等待主机解码即可迅速完成互锁，因此能够显著缩减无线抢答器的死区时间。

3 实时互锁式抢答手柄应用实例
    根据图1所示的实时互锁式无线抢答手柄的原理，2008年自制了一套8路无线抢答器，4年中多次使用，效果令人满意。
    图2是主机外观图片，图3是抢答手柄、记分牌、计时牌的外观图片，图4是抢答手柄的内部及外观图片。

    抢答手柄外壳采用罗技鼠标外壳改制，内置收发天线、蜂鸣器、LED指示灯及手动编码开关。鼠标按键即为枪答键，若抢答成功则蜂鸣器呜叫；如果枪答未成功，则蜂鸣器无声而LED亮，表示已有其他选手抢先。该手柄由一节12 V电池供电，工作电流15 mA，休眠状电流2μA。实测死区时间40μA。
    采用鼠标外壳及其按键的另一个好处是，所有选手使用该手柄抢答时，都会感觉如同点击鼠标一样舒适、自然，毫无陌生感。计分牌、计时牌双面数显，便于选手随时掌控赛场局势，正确决策，发挥最佳水平。各抢答手柄和各记分牌全部通用，可利用外部按钮任意设置台号，更显公平，也便于临场更换和赛前布置现场。

4 结束语
    抢答器的死区时间越长，误判几率越大。实时互锁式无线抢答手柄，大幅度缩减了无线抢答器的死区时间，为无线抢答器真正走向实用化开辟了一条可行之路。