實時互鎖式無線搶答手柄的設計與應用

摘要：給出一種實時互鎖式無線搶答手柄的設計應用實例，使無線搶答器的死區時間由通常的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電子開關、配以相應的附屬電路，使該電子開關受控于接收模塊輸出信號的有無，并決定手柄中的射頻發射模塊是否通電工作，從而實現各搶答手柄之間的實時互鎖。只有首先被按下搶答按鍵的手柄，才有可能向外發送編碼射頻。持有該手柄的選手即為搶答成功者。
關鍵詞：實時多路互鎖；循環掃描多路互鎖；死區時間；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、現場布置靈活快捷，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，市場產品及設計實例屢見不鮮。然而，一個必須引起足夠重視的問題是：這些無線搶答器在設計方法上大都忽略了搶答器的一項重要指標——死區時間，而過長的死區時間會增加誤判的幾率。本文給出一種實時互鎖式無線搶答手柄的設計應用實例，旨在最大程度上解決上述問題，使由PT2262／PT2272構成的無線搶答器的死區時間由通常的不小于40 ms銳減為40μs，僅為前者的千分之一。

1 技術背景
1．1 多路信號互鎖的概念
當多路信號幾乎同時來到時，利用一種電路，識別出最先到達的信號并為其提供通路，與此同時封鎖其余后續到達的各路信號。實現這種功能的電路即為多路信號互鎖電路。因上述最先到達的信號又可稱為首入信號，所以多路信號互鎖電路有時也稱首入信號識別電路。
作為多路信號互鎖電路的關鍵參數，多路信號互鎖電路要求首入信號與緊隨其后的第二個信號之間，必須規定一個最小的時間差。這個最小時間差可稱為該多路信號互鎖電路的死區時間。顯然，如果相鄰兩信號出現的時間差小于多路信號互鎖電路的死區時間，電路將無法做出正確判斷。因此，我們希望多路信號互鎖電路的死區時間越短越好，對于搶答器更是如此。
1．2 實時多路信號互鎖的必要性
有兩種電路可以實現多路信號互鎖功能。一種是實時多路信號互鎖電路，另一種是循環掃描多路信號互鎖電路。前者對各路輸入信號一視同仁，平等對待；而后者對于各路輸入信號因采取了循環掃描的方式，所以對于各路信號的響應，已經被預先排出先后順序。如果在搶答器中采用循環掃描多路信號互鎖電路，就意味著排在后面的搶答者，即使是第一個按下搶答鍵，但因未能在第一時間得到電路的及時響
應，也可能成為搶答的“失敗者”。
就電路指標而言，在有線搶答器的主機中，若采用實時多路信號互鎖電路，由于各選手的搶答手柄直接通過導線與主機中的實時多路互鎖電路相連，因此其死區時間能夠輕而易舉地實現理論上所能達到的指標，通常僅有幾十納秒。而采用循環掃描多路信號互鎖電路，則死區時間會長達數微秒甚至數十微秒，誤判的幾率明顯大于前者。
事實上，在搶答器主機電路的設計中，眾多設計者為簡化電路和降低成本，更愿采用循環掃描多路信號互鎖電路。這對于參賽選手們來說是不公平的，盡管這種不公平即使發生也不會被人們輕易覺察，或者絕大多數人根本不會想到會有這種不公平的存在。本著對參賽選手負責的態度，筆者認為，在搶答器主機電路的設計中，理應提倡采用實時多路信號互鎖電路。這一點，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之間沒有連線，代表選手身份(臺號)的搶答信號只能通過編解碼方式、并借助于射頻電波進行發送和接收。眾所周知，目前最流行的編解碼芯片PT2262／PT2272，從PT2262開始發送編碼信號，到PT2272有效解碼所需要的時間，典型值為40 ms。就是說，由此構成的無線搶答器所能達到的死區時間一般不小于40 ms，大約是采用循環掃描多路互鎖技術的有線搶答器的數微秒至數十微秒死區時間的幾百倍!
在這種情況下，如果各選手相繼按下搶答鍵，且兩兩之間的時間差小于40 ms，那么由于空間同頻信號的相互疊加，主機中的PT2272或單片機不會有任何正確的解碼數據輸出，而無線搶答器的設計者們卻沒有予以足夠重視。事實上這種情況出現在公共停車場，也許不算問題：但如果出現在智力競賽的搶答現場，則是不可接受的。更有趣的是，一旦出現這種情況，誰最后松開搶答鍵，誰就會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!或許絕大多數人不明就里，但設計者不該無動于衷。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，利用實時多路信號互鎖技術大幅度縮減無線搶答器的死區時間，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，用數字芯片構建實時多路信號互鎖電路并不是一件很難的事，但要把實時多路信號互鎖的理念移植到無線搶答器的設計中，卻會發現事情一下子變得十分棘手。這是因為，對于無線搶答器而言，既要避免空間出現同頻信號的相互疊加、保證接收解碼電路可靠地輸出正確數據，又要對付長達40 ms的解碼時間。
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射頻率，且在主機中利用頻率對應、路數相同的接收通道，對來自各搶答手柄的射頻信號分別進行選頻放大、檢波整形、提取前沿，再由公共的實時多路信號互鎖電路進行甄別。但是這樣一來，雖然省去了編解碼環節，但卻增加了電路設計的復雜性，也破壞了各通道發射、接收電路設計上的一致性，還要受到頻譜資源和收發模塊系列的制約。想法歸想法，大概很少有人會真的這樣去做。
還有一種比較聰明但很偷懶的方法是：把實時多路信號互鎖電路從主機中分離出來，并與選手們的搶答按鍵直接用電纜連通，構成有線形式的搶答“前置機”再將該“前置機”對于搶答選手們搶答次序的甄別結果，以編碼射頻電波的形式發往主機。這確實是個不錯的主意，死區時間顯然能與有線搶答器媲美，而且網上也曾見到過此類產品的圖片和供貨信息，只可惜它“無線”得太不徹底。

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

圖1是實時互鎖式無線搶答手柄的電路結構框圖。其工作原理是：當選手按下手柄上的搶答按鍵AN時，并不立刻發射，而是先檢測接收模塊有無輸出信號，以此判斷有無其他選手先于自己按下搶答鍵。若已有其他選手搶先按鍵，則接收模塊經檢波、整形輸出的高電平與隨后到來的按鍵前沿一起，經D觸發器關斷電子開關、禁止發射模塊通電工作；否則，如果接收模塊未檢測到其他選手搶先按鍵，則接通電子開關，使發射模塊得電并開始發射編碼調制的射頻電波，同時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。
實時互鎖式無線搶答手柄之間的互鎖，在客觀上代替了主機的甄別，實現了無線搶答器的實時多路信號互鎖，并保證了空間射頻電波的唯一性，進而可使主機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果。不難理解，這種方案無需等待主機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時間。