Zeitnahme für Sportveranstaltungen

Hallo Forum,

ich habe mir in den Kopf gesetzt für meinen Sportverein eine Zeitnahme-Anlage zu bauen, hauptsächlich für Radrennen. Das Konzept sieht folgendermaßen aus:

i. Im Start/Ziel wird eine Induktionsschleife verlegt.
ii. Jeder Starter bekommt eine Sensorspule, welche über Operationsverstärker von einem ATTiny13V ausgewertet wird. Bei Überfahren der Schleife wird die Rundenzeit gespeichert.
iii. Nach dem Rennen müssen alle Chips (also die Sensor+ATTiny-Teile) abgegeben werden. Über UART werden Startnummer, Anzahl der Runden und die einzelnen Runden von einem PC ausgelesen, von wo die Daten dann für die Wertungstabelle weiterverarbeitet werden können.

Wie man bereits erahnen kann, ist mit diesem System keine Zeitnahme im Hunderstel-Sekunden-Bereich möglich (auf eine maximale Renndauer von 5 Stunden bezogen), da hierzu die Chips exakt synchron laufen müssten. Es geht in erster Linie darum, die Auswertung überhaupt erstmal zu automatisieren, und nicht von Hand Startnummern und Zeiten mitschreiben zu müssen, was bei maximal 120 Teilnehmern - zumindest beim Radrennen - einfach unmöglich ist.
Beim Zieleinlauf soll es außerdem ein Zielfoto - getriggert durch Laserlichtschranke - geben, damit man trotz zeitlicher Ungenauigkeiten einen Sieger feststellen kann.



Nun zur Beschreibung der einzelnen Komponenten.

Induktionsschleife
Die Induktionsschleife habe ich gemäß RN-Wissen aufgebaut. Sie soll quer über die Straße laufen und max. 10 cm breit sein. Einzige Frage ist hier die maximal erlaubte Frequenz. Meines Erachtens nach steigt ja mit höherer Frequenz die zeitliche Auflösung und damit die Genauigkeit des Systems. Außerdem wird die Chance verringert, die Schleife zu "verpassen". Bei ca. 60 km/h (16.67 m/s) Endgeschwindigkeit ergibt sich bei 10 cm Schleifenbreite ein Zeitfenster von 0.1 m / 16.67 m/s = 0.006 s. Das heißt die Frequenz sollte schon im kHz-Bereich sein, um noch ein paar Schwinungen mitzukriegen. Im RN-Wissen steht allerdings nur 5 - 200 Hz. Was ist maximal erlaubt bzw. was gibt die im RN-Wissen dargestellte Schaltung maximal her? Und was sollte das Maximum sein, wenn ich meine Sensorschaltung mitsamt ATTiny (abgesehen von der erwünschten Störung der Spule natürlich) nicht stören will?


Empfängerschaltung
Die Sensorschaltung soll auf einer runden Platine gebaut werden, die Spule (selbstgewickelt) soll außen um die Platine herum laufen. Können dadurch Probleme beim Empfang entstehen, wenn sämtlich Komponenten sowie NiMH-Akku im Innern der Spule befindlich sind?

Ein entscheidender Faktor beim ganzen Projekt ist die Genauigkeit des Taktgebers für den ATtiny. Das ganze wurde ja nun schon oft behandelt, unter anderem hier: https://www.roboternetz.de/community...ht=uhrenquartz
Eine Real Time Clock kommt aus finanziellen Gründen nicht in Frage, das ganze muss natürlich so billig wie möglich sein... DCF-77 ist zu groß und noch teurer. Wegen Temparaturkompensation sollte es schon ein Quarzoszillator sein. Um den ATTiny13V bei 3.6V nutzen zu können kann ich außerdem nur bis 10 MHz takten. Nun steht in oben genanntem Thread, dass Quartze mit höherer Frequenz genauer sind. Das erschließt sich mir nicht ganz:
Ich nehme mal eine Genauigkeit von 30 ppm an. Wenn nun ein 16 MHz Quartz eine Sekunde lang schwingt, hat er bereits eine Abweichung von 30 · 16 = 480 Schwingungen. Nehme ich dagegen 1 MHz ergeben sich 30 Schwingungen Abweichung. Was verstehe ich falsch?


So, dann hoffe ich, dass das Projekt Euer Interesse weckt und Ihr mich auf den richtigen Weg bringt :)
Freue mich über jegliche Rückmeldung, Kritik und am besten natürlich Verbesserungsvorschläge.

Viele Grüße,
Paul


ps.: Habe grade gemerkt, dass der ATTiny13 weder UART noch Anschlussmöglichkeit eines Oszillators bietet. Ich denke der nächst größere mit diesen Features ist der ATTiny24...

Die UART muss nicht unbedingt in HW sein, das kann man auch in Software machen. Um einen Quarz kommt man aber nicht herum. Dann gibt es noch einige andere kleine µCs: z.B. Tiny 25, Tiny24.

Von der Genauigkeit sind Quarze im Frequenzbereich 4-10 MHz gar nicht so schlecht. Zumindest der Tiny24 kann den Quarz Takt auch Teile, also trotz 16 MHz Takt intern langsamer mit z.B. 1 MHz laufen, auch bei 3 V oder so. Besser wird ist 16 MHz Quarz aber auch nicht.

Die Induktionsschleife könnte aber ein Problem werden. Die ist ohnehin wegen der Störausstrahlungen nicht so ganz EMV konform, und je schneller man sendet desto schlimmer wird es. Teile in der Empfängerspule werden auch den Empfang stören oder zumindest beeinflussen. Die Induktionsschleife ist halt im Prinzip Funk, und da gibt es nun mal Regeln, und Eigenbau ohne Amateuerfunk-Lizenz ist ein Problem. Im Prinzip frei ist der Frequenzbereich unter 10 kHz, aber da müsste man schon sicher sein, dass man nicht zu viele Oberwellen produziert, also gerade nicht mit Schnellem An/Aus, sondern mit einem reinen Sinus arbeiten. Es wird sicher keiner was sagen wenn man sich die TV Zeilenfrequenz (15,... kHz) aussucht, die schwirrt ohnehin überall herum.

Hi Bessiwessi,

danke schonmal für die Tips. Krieg ich eine sinusförmige Ansteuerung der Induktionsschleife über PWM hin indem ich den duty-cycle moduliere und kann ich die Leistungsstufe (MosFet) der Schaltung aus dem RN-Wissen beibehalten? Oder gibt es eine einfachere Möglichkeit einen Sinus zu erzeugen?

Für die Erzeugung eines Sinus Signals gibt es verschiedene Möglichkeiten. Das PWM Signal Modulieren und dann ein Tiefpassfilter wäre eine Möglichkeit - halt so etwas wie Software DDS mit dem PWM als DA Wandler-Ersatz. Bei 10 kHz ist das Verfahren aber eher schlecht, weil die PWM Frequenz nicht besonders hoch ist. Mit einem echten DA Wandler (und sei es auch nur eine R2R Kette) ist das aber durchaus eine Möglichkeit. Allerdings ist der µC damit auch weitgehend beschäftigt.

Einfacher wäre da ein Rechecksignal bei 10 kHz zu erzeugen und dann direkt per Filter höherer Ordnung (Tiefpass oder Bandpass) die Oberwellen zu unterdrücken. Man kann einen Sinus aber auch rein analog z.B. per Wien-Brücken Oszillator erzeugen. Die Leistungsendstufe müsste man aber ändern, da sollte es was lineares (z.B: ein Audio Verstärker wie TDA2005) sein - erzeugt aber auch deutlich Wärme.

Es wäre ggf. auch zu überlegen die "Sendespule" in Resonanz zu betreiben - das spart an Leistung und gibt auch nochmal eine Unterdrückung von Oberwellen. Da die Spule eine relativ starke Dämpfung (durch den Widerstand) haben wird, hält sich der Gewinn aber auch in Grenzen.

Mhh, irgendwie hab ich schon geahnt, dass es doch etwas komplizierter wird. Da alles am 1. Juli incl. 120 Empfängern fertig sein sollte, würde ich das mit der Sinusgeschichte erstmal nach hinten schieben und mich auf die Empfängerschaltung konzentrieren, da hier die Zeit wegen der Herstellung drängt.
Daher die Frage: muss die im RN-Wissen dargestellte Empfängerschaltung für den Betrieb mit der Sinus-gesteuerten Induktionsschleife modifiziert werden oder funktioniert sie sowohl mit Rechteck als auch mit Sinus?
Und überhaupt, muss ich die Empfängerspule modifizieren, damit sie mit den von mir angestrebten höheren Frequenzen arbeiten kann?

Wenn man das Signal auf einer Frequenz sendet, sollte auch der Empfänger angepasst werden. Der Empfänger sollte nur auf einen schmalen Frequenzbereich von z.B. 100 - 500 Hz um die Sendefrequenz ansprechen. Der Einfachste Fall wäre die Empfangsantenne als Schwingkreis aufzubauen und nur damit die Freuquenz zu selektieren. Leider wird aber die Resoananzfrequenz zur Metallteile in der Nähe der Antenne beeinflußt - wie stark müßte man nachmessen / probieren. Die Alternative wäre ein selectiver (hohe Güte) aktiver Filter mit einem Operationsverstärker - bei so niedriger Frequenz keine so schlechte Wahl - man bräuchte aber wohl einen Abgleich oder Kondensatoren mit 1% (oder weniger) Tolleranz.

Wenn man es lieber digital mag, könnte man auch den µC einen Teil der Filterfunktion übernehmen lassen. Fürs grobe sollte aber weiter ein analoger Fitler da sein. Im Prinzip sollten 10 kHz noch in dem Bereich liegen den man mit dem internen AD Wandler erfassen kann. Die Detektion könnte dann z.B. der Goertzel Algorithmus leisten. Dafür wird der µC aber wohl um die 5 mA Strom brauchen, weil der µC die ganze Zeit aktive rechnen müßte. Der Vorteil wäre aber, dass man die Frequenz nicht einzeln einstellen muss, außerdem hat man so auch gleich die Amplitudendetektion mit erledigt. Man könnte auch man Google Fragen nach Empfängern für den sehr niederfrequenten Bereich.

Leider sind Sender und Empfänger Teil nicht wirklich unabhängig zu entwickeln. Mit dem Empfänger anzufangen ist aber keine so schleche Idee, denn da kommt man wohl relativ nahe an das Machbare heran, so das Verbesserungen nur noch bei der Empfängerspule zu erwarten sind. Den Sender muss man dann so stark machen, dass es reicht. Ob das dann 100 mA oder 10 A an Strom werden ist so einfachen nicht leicht abzusehen. Da muss man dann ggf. die Schleife etwas breiter machen für mehr Signal, wenn es zu knapp wird. Durch die Frequenz selektion sollte das Verfahren mit einer Frequenz aber eher empfindlicher als die einfache Induktionsschleife werden.

Zitat:

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Zitat von paule

Mhh, irgendwie hab ich schon geahnt, dass es doch etwas komplizierter wird. Da alles am 1. Juli incl. 120 Empfängern fertig sein sollte, würde ich das mit der Sinusgeschichte erstmal nach hinten schieben und mich auf die Empfängerschaltung konzentrieren, da hier die Zeit wegen der Herstellung drängt.
Daher die Frage: muss die im RN-Wissen dargestellte Empfängerschaltung für den Betrieb mit der Sinus-gesteuerten Induktionsschleife modifiziert werden oder funktioniert sie sowohl mit Rechteck als auch mit Sinus?
Und überhaupt, muss ich die Empfängerspule modifizieren, damit sie mit den von mir angestrebten höheren Frequenzen arbeiten kann?

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Wieso 120 Empfänger einer reicht (wenn der die Sender auseinander halten kann). Lese einmal das RFID Wiki.
Für Torsteuerungen gibt es auch Lesegeräte welche RFID Karten aus dem Auto heraus lesen können. OK die sind gut 1 m² groß, was für Sportveranstaltungen aber sicher keine Rolle spielt. Solche Geräte sind wahrscheinlich ziemlich teuer, aber für den Hersteller bei Sportveranstaltungen auch "beste Werbung"....Da könnte etwas zu machen sein. :-)

Aber auch einfach die Technik an sich ausnutzen/Kopieren macht Sinn. Allerdings ist euer/Dein Zeitrahmen mehr als knapp bemessen wenn Du den 1.6.2011 meinst.12/13 wäre für ein sicheres nicht anfechtbares System OK.

Gruß Richard

Zitat:

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Wieso 120 Empfänger einer reicht (wenn der die Sender auseinander halten kann).

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Da haben wir uns wohl mißverstanden, Deine Empfänger sind meine Sender ;)
An RFID hatte ich auch schon gedacht, das ist ja soweit ich weiß z.B. auch beim Championchip-System im Einsatz. Ich weiß nicht genug darüber, um wirklich beurteilen zu können, ob es die Lösung zu kaufen gibt, die ich benötige. Entweder scheinen die Lese-Schleifen ziemlich klein oder ziemlich groß zu sein, sodass keine genaue Zeitnahme möglich ist. Und dazu kommt, dass ich gern was basteln will und fertige RFID-System wirklich echt teuer sind. Was das Sponsoring angeht: unser Verein ist wohl zu klein, wir haben keine Werbeflächen usw...

Mit dem Zeitplan hast Du natürlich recht -obwohl ich den 1.7. meinte - das ist wohl eher überambitioniert.

Was meinst du mit "Ausnutzen/Kopieren"? Ich könnte mir vorstellen, die Tags zu kaufen und das Lesegerät zu basteln, doch das übersteigt momentan wohl meine Fähigkeiten...

@ BessiWessi
vielen Dank für den ausführlichen Kommentar. Warum genau muss ich denn bei höherer Frequenz (also z.B. 10 kHz) einen Filter einsetzen und bei der einfachen Induktionsschleife nicht? Die einfache Schleife basiert ja im Prinzip darauf, dass der Empfänger einfach nur "merkt" dass er sich in der Schleife befindet. Ich habe die RN-Wissen Schaltung so verstanden, dass ein Strom in der Spule induziert wird. Damit dieser nicht gleich wieder weg ist, wird damit eine Kondensator aufgeladen. Und damit Spule und Kondensator nicht anfangen zu schwingen, gibt es noch den Widerstand, über den sich der Kondensator entladen kann, statt den Strom zurück durch die Spule fließen zu lassen. Solange nun der Kondensator geladen ist, kann dessen Spannung durch den OP verstärkt und detektiert werden.

Meine Idee war ja nun, die Frequenz des Senders zu erhöhen, damit das ganze System ein bisschen genauer wird. Wieso muss ich nun aber das Signal filtern bei einer höheren Frequenz? Ist die Welt schon so voll damit, dass ich Mühe habe, mein Signal zu erkennen?

Vielen Dank schonmal euch beiden!

Ein Filterung des Signals ist nicht unbedingt nötig, aber es reduziert die Gefahr, das die Schaltung versehentlich auf ein Störsignal anspricht. Bei der Induktionsschleife wie im RN Wissen ist das nicht so schlimm, das Nächste Signal kommt z.B. 1/10 s Später und kann den Fehler korrigieren. Bei der Zeitnahmen ist das zu erwartende Signal beim drüber fahren nur kurz und kann nicht so einfach von einer Störung unterschieden werden. Mit dem Filter sind Störungen weniger wahrscheinlich, und man kann mit einem kleineren Sendesignal auskommen. Ich würde den Vorschlag mit dem Digitalen Filter vorziehen - das sollte eine gute Empfindlichkeit geben, kommt ohne Abgleich aus, und ist auch nicht so aufwendig. Als Filter sollte ein Kondensator an der Spule und ein aktiver Filter 2. Ordnung ( mit 1 OP) reichen. Die Schaltung wird also nicht wesentlich aufwendiger als die für die Begrenzungsschleife. Wegen der Rechenleistung müsste man aber ggf. auf einen Mega48 als µC zurückgreifen - mit einem Tiny.. könnte es knapp werden.
Nur der µC hat mehr zu tun. Das mit dem Stromverbrauch ist nicht so kritisch: selbst bei 20 mA Stromverbrauch und 8 Stunden Zeit, wären das nur 160 mAh - vermutlich reichen unter 5-10 mA.

Schon so sehe ich eine gewisse Gefahr von falsch erkannten Signalen, so dass man ggf. das Sende Signal noch etwas komplizierter machen müsste um es wirklich zuverlässig zu bekommen - da sehe ich noch 2 Möglichkeiten die man ggf. noch als Reserve hat, wenn es so noch nicht geht: 1) auf 2 Frequenzen senden (z.B. 8 kHz + 10 kHz, ähnlich wie bei Telefon Wahlverfahren) 2) zwei ggf. auch größere Schleifen mit wechselndem Vorzeichen im Signal.

Ich sehe es auch so, das es von der Zeit sehr knapp wird, denn wegen der Zuverlässigkeit wird man kaum einen ausführlichen Test herum kommen. Erst dann kann man mehr als vielleicht 2-3 Module zu bauen. Ein erster Test wäre eine Sende-Schleife mit geringer Leistung und dann man probieren wie viel Signal man an einer Spule so empfängt, damit man ein Gefühl für die Größenordnung bekommt.

Noch einmal zu DFID, es gibt aktive Tags mit beachtlicher Reichweite, beim Stöbern bin ich auf ein Projekt von CCC Caos Computer Club gestoßen wo das genauer (auch Hartware) beschrieben wird.

Gruß Richard

@ Besserwessi
Ok, das werd ich mal probieren.
1. Als Sender würde ich den von dir vorgeschlagenen TDA2005 nehmen, habe dazu diese Schaltung gefunden:
Anhang 18764
Das Sinus-Signal würde ich zunächst mit Audacity im PC erzeugen und dann einfach den Verstärker an die Soundkarte anschließen.

2. Ich wickle mir eine Empfängerspule und gucke mal mit dem Oszilloskop, was da so raus kommt. Was muss ich denn bei der Spule beachten? Muss sie meine Sendefrequenz als Resonanzfrequenz haben? Oder stellt man das in Zusammenhang mit dem Kondensator ein?

3. Der aktive Filter muss gebaut werden. Ich habe mal im RN-Wissen die Filter-Seite durchgelesen, leider ist mir nicht ganz klar, welchen der vorgestellten Filter ich wählen sollte. Da muss ich wohl noch mal ein bisschen googlen...

Die Soundkarte als Signalquelle für Tests ist Ok. Die Verstärkerschaltung könnte gehen, ist aber eher schon zu aufwendig. Die gezeigte Brückenschaltung braucht man eher nicht, weil die Sende Spule (bzw. Schleife) wohl eher Niederohmig sein wird, und ein Auskoppel-elko bei 5-10 kHz auch kein Problem ist. Da würde auch schon der TDA2003 reichen, oder halt die Hälfte vom TDA2005. Als Schutz für den Verstärker ggf. erstmal noch einen Widerstand von z.B. 5 Ohm in Reihen zu Spule falls die Spule nicht schon genug Widerstand hat.

Als Empfängerspule könnte man erstmal eine vorhandene Spule, z.B. von einer Induktivität oder so nutzen. Das zu erwartende Signal wird etwa proportional zu Fläche und Zahl der Windungen sein. Eventuell auch eine Rahmenantenne für den LW/MW Bereich von der Stereoanlage ausleihen - das ist auch nur eine Spule mit etwa 5x10 cm² Fläche. Wenn der Platz knapp ist, ginge auch ein Ferritestab, ähnlich wie bei den DCF77 Antennen für mehr Signal. Die Resonanzfrequenz stellt man durch einen zusätzlichen Kondensator parallel zur Spule ein - es geht aber auch erstmal ohne. In Resonanz kann man ggf. nochmal etwa das 2-5 fache an Signal erwarten.

Die passende Filter Form wird wohl ein Bandpaß in der Multifeedback Form sein. Mit der Güte Q würde ich nicht über etwa 5-10 gehen, damit man mit 5% Toleranz bei den Kondensatoren auskommt. Für den Anfang reicht wohl auch ein Verstärker mit begrenzter Bandbreite (2 Kondensatoren am einfachen OP Verstärker, einmal parallel, einmal in Reihe zum den Widerständen).