2019年全國大學生電子設計競賽試題 電賽C題 分析與總結
線路負載及故障檢測裝置【本科組】
一、題目任務
設計並製作線路負載及故障檢測裝置，示意圖如圖1所示。.
檢測裝置只通過兩個連接端子與兩根導線連接。導線上A、B兩點距離各自連接端子約5cm，遠端30cm範圍內爲連接負載和故障區域。
負載由電阻(額定功率0.25W)、電容(耐壓16V)和電感(額定電流50mA)3個元件中任意2~3個元件串聯或者並聯組成。其中電阻值範圍: 2000- 2kQ2,電容值範圍: 200nF~2uF， 電感值範圍: 100μH~ 1mH。
檢測裝置由5V單電源供電，能實時檢測和顯示負載網絡結構，負載開路、短路故障報警，以及短路故障點位置測量。響應時間不大於5s。
1.基本要求
(1) 具有負載開路和短路故障分別指示的報警功能。
(2)測試現場給出電阻、電容和電感3個元件，分別測量每個元件值並穩定顯示，相對誤差的絕對值不大於5%。每個元件測量時間不大於5s。
(3) 可檢測由給定電阻、電容和電感3個元件中，任意2~3個元件串聯或者並聯組成負載的網絡結構。
2.發揮部分
兩根導線上的短路故障點與各自的A點或B點距離相等。
(1) 測量短路故障點與A點(或B點)的距離並穩定顯示，誤差的絕對值不大於1.0cm。
(2) 由信號發生器產生掃頻信號1 (信號參數見說明(3)，信號發生器的“地”與電源“地”相連)，其輸出端串接1pF電容後，接入導線上A點處(見圖1所示)，用於模擬環境噪聲。測量短路故障點與A點(或B點)的距離並穩定顯示，誤差的絕對值不大於1.0cm。
(3) 在發揮部分(2)的基礎上，由另一臺信號發生器產生掃頻信號2 (信號參數見說明(3))， 其輸出端串接1pF電容後，接入導線上B點處(見圖1所示)。測量短路故障點與A點(或B點)的距離並穩定顯示，誤差的絕對值不大於1.0cm。
(4) 其他。
二、題目分析與思路
選題思路
我們分析題目可以看出這是一道測量類題目，在選擇題目時我們團隊思考了很久，當時瞭解到在我們學校數十隻隊伍裏，僅有極少比例的隊伍有意向選擇C題，而且之前對測量題有一些心得，感覺這道題沒有太多難點，我們最終確定選擇這道題目。殊不知，平靜的湖面下暗流翻湧。事後來看，這道題目的難度相對而言確實更大。
首先分析基礎部分
1.對於開路或短路的情況，我們作出檢測電壓的電路即可，控制LED燈實現報警功能。
2.電阻的測量應該不會有什麼問題，對於電容和電感，我們的思路是測量其相位。我們知道電容會使電壓相位滯後，而電感則超前。我們程序產生DDS，用正弦波，設計兩個過零比較器電路，分別探測輸入和輸出的邊沿變化。通過邊沿觸發stm32的定時器中斷，計算其時間差從而得到相位的變化。這個要求就有不少難度了，主要是在電路設計上，會有很大的工作量，而且對精度的要求很高。程序難點則在於需要同時捕捉兩次邊沿變化，並計算差值。
3.最難的在於第三點，變成了一個黑箱模型。大家可以計算一下，由於是串聯或並聯，會有多少種可能性，還好後來官方對題目進行細節性解答：不考慮混聯的情況。（後附鏈接可下載，官方全題目發佈及解答，內容很多很詳細）
我們才具體計算出了一共11種連接方式的特性。其中如果是CL相關的電路，我們就需要分別產生兩種不同頻率，才能夠區分其相位關係。而這11種可能性的判斷對於程序而言是一個巨大的考驗，需要很大的計算量，stm32單片機性能也有些喫緊，還好我們使用的是F429系列，計算力足夠，如果用FPGA會更好一些。
我們分別將11種情況列出，並找到了解決方案。突然發現一個隱藏的大問題，由於電容值、電感值給定的範圍。（大家可以自行計算一下）我們需要的頻率很高，在stm32的ADC突然出現了無法正常識別的情況，這又是一個新的挑戰。
發揮部分思路
我們知道，在超高頻率時，線路會呈現出容性和感性。所以出現短路點時，也就像一個線圈，存在電感，我們便可以測量。然而這樣的高頻難度太大，實在是時間和能力有限。。。
由於當時時間緊迫，我們在收集大量資料後決定戰略性放棄，做好基礎部分就好。
總結
題目看似簡單，實則在分析計算中蘊含很多難點，需要RLC電路分析的知識，需要使用複雜的全橋電路，程序的定時器中斷也是一大考驗。尤其是在深入研究計算後，發現其涉及到高頻領域，此前對高頻準備不足，從而臨時選擇了一個備選方案，最終取得了還算滿意的結果。事後在比賽測試現場，我們觀察到選擇C題的隊伍確實極少，和預測的情況一致。
資料鏈接
下附收集的2019年電子設計大賽電賽題目及解析報告全套資料
https://download.csdn.net/download/smart_99/12126338