2023年电赛综合测评B题国一方案

# 同轴电缆长度与终端负载检测装置 本装置可测量：同轴线缆的长度、终端电阻负载、终端电容负载。 主控使用梁山派开发板，代码开发环境为STM32CubeMX+CLion+OpenOCD。 长度测量采用TDR时域反射法，误差小于0.5cm；电阻负载测量使用分压法，误差小于0.1Ω；电容负载测量使用NE555振荡电路，误差小于1pF。 ## 一、题目要求 设计并制作一个同轴电缆长度与终端负载检测装置，如图1所示。待测电缆始端通过电缆连接头与装置连接，电缆终端可开路或接入电阻、电容负载。 设置“长度检测”和“负载检测”两个按键，用以选择和启动相应功能。负载电阻值范围 10Ω\~30Ω 电容值范围 100pF\~300pF。 装置由不大于6V的单电源供电。  基本要求 1. 10m ≤ 线缆长度 ≤ 20m，终端开路，测量长度，误差不大于 5% 2. 保持长度不变，终端接入电阻或电容负载，正确判断负载类型 发挥部分 1. 10m ≤ 线缆长度 ≤ 20m，终端开路，测量长度，误差不大于 1% 2. 保持长度不变，终端接入电阻或电容负载，正确判断负载类型并测量值，误差不大于 10% 3. 线缆长度 ≤ 1m，测量长度，误差不大于 1% ## 二、技术方案 线缆长度测量使用TDR时域反射法，电阻测量使用分压法，电容测量使用NE555振荡电路。 ```mermaid graph LR; A(梁山派) A--->B(单脉冲发生电路)-->F(测量长度) A--SPI-->C(GP22芯片)-->F A--ADC-->D(电阻分压电路)-->G(测量电阻) A--输入捕获-->E(NE555振荡电路)-->H(测量电容) I(串口屏显示) F-->I G-->I H-->I ``` 长度、电阻、电容的测量通过三路信号继电器来切换  ### 1. 长度测量 #### 1.1 原理 长度测量使用TDR时域反射法，其原理是：信号在传输线中阻抗反射变化的位置会发生反射。在本题中，同轴线缆终端开路，开路阻抗为无穷大。信号会在此处发生反射。 因此，我们可以产生一个窄脉冲输入传输线，这个窄脉冲到达传输线末端后会发生反射。如果在起始段放置一个示波器，则会看到两个脉冲。根据两个脉冲的间隔时间，便可求得同轴线缆的长度。设两个脉冲的上升沿间隔为 $T$ , 则线缆长度 $$L = 速度因子 * T * c / 2$$ 其中 $c$ 为光速。值得一提的是，同轴线缆中的光速小于真空中的光速，所以需要乘上一个“速度因子”。同轴线缆中这个值一般为69%。 #### 1.2 GP22芯片 接下来就是要解决如何准确测量脉冲时间差 $T$ ，这个值一般很小。对于10米的同轴线缆，这个值的数量级大约在 $100ns$。有一款叫做 TDC-GP22 的芯片可以实现微小时间差的测量。其核心原理是利用了信号通过逻辑门的延迟，并配合晶振进行更长时间的测量。其时间测量分辨率为 $90ps$，这个值对应约9mm的分辨率，但可以通过多次测量取平均来获取更高精度。  单片机与 GP22 芯片之间使用SPI通信，相关引脚如下： - SCK：SPI时钟，空闲时钟为低电平，数据在第二个时钟沿 - SO：从机发送、主机接收 - SI：从机接收、主机发送 - SSN：从选，低电平有效 - INT：中断引脚，低电平有效 - RTN：硬复位引脚，低电平有效 SPI读写时序如下：  使用GP22测量的流程如下： 1. 芯片复位：硬复位为拉低RTN引脚，软复位为SPI发送0x50 2. 复位后配置寄存器决定运行模式，该芯片的寄存器功能较多，具体功能可阅读数据手册。我的配置如下，这个配置可实现：检测start和stop引脚上第一个的脉冲，计算stop-start的时间差。计算完成后会通过IO中断的方式通知单片机。 | 地址 | 寄存器值 | | ---- | -------- | | 0x80 | 0x009420 | | 0x81 | 0x010100 | | 0x82 | 0xE00000 | | 0x83 | 0x080000 | | 0x84 | 0x200000 | | 0x85 | 0x080000 | 3. 发送 0x70 启动测量。 4. 等待RTN中断引脚变低，表示测量完成。 5. 发送 0xB0 读取测量结果，会收到一个32bit的数据，这是一个定点小数。高16bit为整数部分，低16bit为小数部分。 6. 将读取到的数值除以4MHz(晶振的频率)，即可得到测量的结果，单位为秒。 相关代码可查看工程文件中的：`User/tdc.c` 文件，这个文件实现了GP22芯片的驱动（软件SPI）。 #### 1.3 数据处理与标定 GP22芯片测量时间的分辨率仅有 $90ps$，对应长度分辨率约为 $9 mm$ ，已经基本满足题目的要求。我们使用了测量100次取平均的方法，最终精度优于 $5mm$。 对装置的标定也是必不可少的，误差主要的来源是线缆的速度因子不准确。我们使用多种已知长度的线缆进行标定，并拟合曲线，最终测得： 同轴线缆中的光速约为： $2.01546 * 10^8 \ m/s$ 速度因子约为： $67.2285 \%$ 需要说明的是，不同厂家生产的同轴线缆速度因子所有差异。例如我买来两家10米的线缆，用其中一根标定后，另一根在10米的时候会累计2~3cm的误差。但同一家同一批买来的线缆，速度因子基本一致。 标定的代码位于工程文件的：`User/getL.c` 文件 ### 电阻测量 #### 1. 原理  电阻测量使用分压法，使用定值电阻和同轴线缆串联接入 $3.3V$，通过ADC测量分压计算阻值。 $$\frac{v}{R_x} = \frac{3.3V - v}{R}$$ 其中 $R_x$ 为目标电阻。 $v$ 为ADC测量的分压， $R$ 为定值电阻，我们选取的值为 $58.5 Ω$ （LCR测试仪实测值）。 值得注意的是，这里测得的目标电阻为同轴线缆本身的电阻和终端负载的串联电阻。由于同轴线缆电阻分布均匀，可以根据之前求得的长度计算同轴线缆本身的电阻。 #### 2. ADC采集程序 我们使用单片机内部ADC电压，相关代码如下（程序使用HAL库编写）： ```c // 获得单次ADC测量的原始值 uint16_t getADC() { HAL_ADC_Start(&hadc1); HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 50); // 等待转换完成，50为最大等待时间，单位为ms if (HAL_IS_BIT_SET(HAL_ADC_GetState(&hadc1), HAL_ADC_STATE_REG_EOC)) { uint16_t ADC_Value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1); return ADC_Value; } else { return 0; } } ``` 这个函数获取的是ADC测量的原始值，这是一个介于0~4096之间的值。如果使用默认的3.3V参考电压，换算成电压的公式为： $$v = 3.3 * \frac{value}{4096}$$ 其中 $v$ 为换算后的电压 $value$ 为 ADC 的原始值。 相关代码可查看工程文件中的：`User/getR.c` 文件 #### 1.3 数据处理与标定 为了避免偶然误差，我们最初使用了测量100次的平均结果。为了达到最好的效果，我们也进行了充分的标定。 需要标定的项目有三个： - ADC的测量误差 - 电阻测量的误差 - 线缆的寄生电阻随长度的关系 我们通过大量的数据拟合发现，以上三种均具有很好的线性度，所以最终采用一次函数拟合。 - ADC测量纠正函数，这里发现误差不是很大 $$y = 1.0072 x - 0.0007$$ - 电阻测量纠正函数 $$y = 0.8615 x - 0.1298$$ 这里误差较大的原因可能是：分压电阻在焊上之前测量值是 $58.5Ω$，焊上后再测量大概是 $51Ω$，这两个值的比值在 $0.87$ 左右，和上面的 $0.8615$ 很接近。我们猜测是第一次测量的时候接触不是很好，产生了误差。 - 线缆寄生电阻(Ω)随长度(m)的关系 $$y = 0.14x + 0.0328$$ 这意味着平均每1米的同轴线缆，会有约 $0.14Ω$ 的寄生电阻。后面的常数项 $0.0328Ω$ 可能是由于接头处电阻导致的。 标定的代码位于工程文件的：`User/getR.c` 文件 ### 电容测量 #### 1. 原理 电容测量使