2023年B题【同轴电缆长度与终端负载检测装置】皮皮虾队

一、团队介绍

团队3人在比赛时均为北京邮电大学电子工程学院大二学生，其中一人为电子科学与技术专业，两人为电子信息科学与技术专业。
比赛时，我们3人一人主要进行建模仿真和撰写报告，一人主要研究算法和编写代码，一人主要负责电路设计和硬件搭建。
团队成员主要获奖情况：
1. 2023年TI杯全国大学生电子设计竞赛全国一等奖；
2. 第十四届蓝桥杯大赛EDA设计与开发大学组全国一等奖第一名；
3. 2021-2022学年度国家奖学金。

二、题目要求

（一）任务

设计并制作一个同轴电缆长度与终端负载检测装置（以下简称“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：10Ω30Ω，电容值范围：100pF300pF。装置由不大于6V的单电源供电。

（二）要求

1.  基本要求

（1） 装置能够显示工作状态、电缆长度、负载类型、负载参数，显示格式见表1.
表1  装置显示格式

（2） 电缆长度 1000cm≤L≤2000cm、终端开路，按“长度检测”键启动检测，装置能够检测并显示电缆长度 L，相对误差的绝对值不大于 5%，一次检测时间不超过 5s。
（3） 终端开路条件下完成电缆长度检测后，保持 L 不变，在终端接入电阻、电容中的一种负载，按“负载检测”键启动检测，装置能够正确判断并显示负载类型，一次检测时间不超过 5s。

2.  发挥部分

（1） 提高电缆长度检测精度：电缆长度 1000cm≤L≤2000cm、终端开路，电缆长度检测相对误差的绝对值不大于 1%，一次检测时间不超过 5s。
（2）  终端开路条件下完成长度检测后，保持 L 不变，在终端接入电阻、电容中的一种负载，按“负载检测”键启动检测，装置在正确判断负载类型的基础上检测并显示负载的电阻、电容值，相对误差的绝对值不大于 10%，一次检测时间不超过 5s。
（3）  减小电缆长度检测盲区：终端开路时，在满足电缆长度检测相对误差的绝对值不大于 1%、一次检测时间不超过 5s 的条件下，减小能够检测的电缆长度至 L≤100cm。
（4）其他。

（三）说明

（1） 装置应包括信号源和测量处理电路两部分。根据测量方法采用合适的激励信号，在电缆始端测量入射、反射等信号并进行处理，计算所需检测的参数。
（2） 被测同轴电缆由参赛队自备并在参加测试时带入现场，事先需自行测量电缆总长度，至少一根电缆长度不小于2000cm。电缆始端所接插头类型自定，终端可在芯线和屏蔽层间方便地接入负载。电缆应允许盘绕，测试过程中除按指定长度截短电缆和接入指定负载外，不允许再改变电缆的其他状态。
（3） 作品测评过程中，除按“长度检测”、“负载检测”一键启动相应功能外，不允许对装置进行其他任何调整和操作。
（4） 题目中检测相对误差的绝对值𝛿 = |(测量值 - 实际值) / 实际值| x 100%，电阻、电容的实际值使用LCR 测试仪测定。
（5） 发挥部分（3）能检测的最小长度 L≤100cm 得满分，L≥1000cm 本项不得分。测试时由参赛队指定测试长度，在此长度附近测量并进行精度验证，电缆长度测量相对误差的绝对值不大于 1%、一次检测时间不超过 5s 认为满足要求，并认定该长度有效。
（6） 作品中不得使用测距传感器及摄像头。

三、设计摘要

本系统为同轴电缆长度与终端负载检测装置。利用同轴电缆分布参数均匀的特性，测量、计算、分析电缆长度和终端负载类型。通过利用同轴电缆的谐振频率与电缆长度的关系，实现长度检测功能，测量精度可达千分之五。终端负载检测功能通过分析电缆终端开路和接入负载情况下谐振频率与阻抗的关系，可精准检测终端负载类型、负载 1030Ω电阻阻值和 100300pF 电容容值。可见，本装置实现了同轴电缆长度与终端负载检测的功能。

四、题目分析

这一题的主要目标很明确：测量一段同轴电缆的长度，判断这段同轴电缆的终端负载类型并测量负载值，分别对应“长度检测”和“负载检测”两个按键。屏幕的显示格式在题目中已经规定好了，各项测量指标也很清晰。此外还有一些细节值得注意：
(1)    装置有且只有1个测量端口，这与2013年E题（简易频率特性测试仪）的双端口测量有所不同；
(2)    电缆长度检测是在终端开路情况下进行的，这与2019年C题（线路负载及故障检测装置）的短路距离检测有所不同；
(3)    在长度检测后，直接连接负载进行负载检测，中间不能有校准之类的流程，因此在检测负载时，必须依据刚刚测出的电缆长度来补偿掉电缆的影响，所以准确测出电缆长度是后续一切的前提；
(4)    终端接入负载的夹具对于电容值测量的影响很大，因此我们从最开始的实验，一直到测评和复测，都用的是同一个自制的鳄鱼夹线作为连接负载的夹具。
要想做好这道题，首先要对同轴电缆的特点有深入的理解。我们使用的电缆型号是SYU 75-5，它由4层构成，从内到外分别是内芯、PE绝缘层、屏蔽层和PVC护套，其中内芯和屏蔽层之间存在分布电容，整条电缆又有分布电感和分布电阻。电缆的R、L、C值与其长度基本呈线性关系，并且RLC均匀地分布于电缆的各处，因此一条同轴电缆传输线可以使用无穷多个无限小的RLC集总参数电路级联进行等效，这是我们仿真分析的基础。我们的电缆具有75欧的特性阻抗，查找类似型号的同轴电缆资料可知，其分布电容约55.8pF/m，那么可以计算得到其分布电感为314nH/m，与实际测量结果基本相符。基于上述理解，大致有以下几种解题思路：
(1)    时域反射法（TDR）：通过在电缆始端输入阶跃激励信号，并测量反射回波，可以分析出电缆长度和阻抗等特性，但对于题目要求的精度指标，测量电路的采样率大约需要达到几十GSa/s，对我们来说并不现实；
(2)    网络分析法：参照网络分析仪，测量电缆的反射参数S11，可以计算出电缆长度和终端阻抗；
(3)    电容法：在低频下，同轴电缆的分布电感可忽略不计，则其电容值与长度呈线性，由此将长度测量转化为电容测量，我们了解到有进入复测的队伍利用NE555，将这个电容值转化为RC振荡器的频率，通过测量频率很简洁地完成了任务。
我们采用的方法类似网络分析法，但又有所不同。由于比赛时对于S参数和网络分析仪的结构了解不多，我们选择将同轴电缆看作一个被测网络，其始端的内芯和屏蔽层分别为输入和输出端，仿真和实测其频率特性发现，它的阻抗随频率有周期性的变化，有多个“谐振点”，其中“第一谐振点”对应第一个阻抗极大值（实际上是1/2λ阻抗还原），“第一谐振点”对应频率和电缆长度的乘积是一个常数。利用这个特点，加上适当的校准措施，长度检测可以顺利解决。

对于终端负载类型的判断，因为加上夹具后，电缆高频下的幅度和相位特性都会受到较大影响，我们果断选择了交直流切换测量的方案，通过两个继电器构成两个单刀双掷开关，可将电缆接入交流或直流测量路径中，而直流测量则通过简单的电阻分压实现。我们使用的继电器就是常见的工频继电器模块，测试发现给它接入上百MHz的高频信号也没什么问题，挺令人惊讶的:D。这样一来，负载判断就变成了：终端开路的谐振频率下幅度小，就是开路；否则若直流下有信号就是电阻，直流下没信号就是电容。
既然用了交直流切换，那么电阻自然就可以直接用直流电阻分压来测量，经过预先校准后，按长度补偿掉电缆和夹具的内阻，负载电阻值测量相当精准稳定。
负载电容值的测量就没有那么顺利了，缺少了传输线相关的理论功底，我们没能将终端接入电容的频率特性简单地表示出来。但我们有很强的仿真功底，通过在MATLAB中进行传输线的阻抗建模，我们仿真得出了不同长度电缆接入不同容值电容后的第一谐振点频率，再通过两次二次拟合得到3个二项式系数。这样利用电缆长度通过二项式系数还原，得到3个新的二项式转换系数；再利用与长度测量同样的扫频法找到新的谐振频率，用3个新的转换系数对新的谐振频率进行还原，得到电容计算值；最后根据实际标定测量结果对电容计算值进行线性修正，得到实际的电容值。通过这样暴力的方法，我们成功在题目要求范围内满足了精度目标。

五、总体设计框图

六、硬件电路组成

装置的硬件部分由以下6个主要模块构成，整个装置使用5V单电源供电：
(1) 单片机主板，使用STM32F411CEU6核心板作为主控单片机，（使用成品核心板，并在万用板上焊接按钮和必要接口）；

单片机主板的PA3和PA6 ADC接口前焊接了电阻衰减网络，以便将被测信号限制在0~3.3V的动态范围内。
(2)  AD9954 DDS模块，作为交流扫频信号源，受单片机控制产生扫频正弦信号，（使用成品模块）；

(3) OPA690 电压跟随器，作为缓冲级，用于驱动后续的负载，（使用蚀刻法自制PCB）；

此缓冲级电路是在之前自制的双电源缓冲模块的基础上改进而成，将其2号脚从负电源改为接地，输入改为直接耦合，直接使用上级AD9954模块输出带有的直流偏置，从而实现5V单电源供电。模块的输出一直会连接在AD8302模块的一路输入上，保证其输出接入负载，从而避免自激振荡。
(4) 信号路径切换模块，具有BNC公头作为装置的测量接口，使用双路继电器模块实现交直流测量信号路径切换，（使用成品继电器模块，在万用板上焊接其余电路）；

(5) AD8302幅度相位检测模块，检测同轴线内芯输入和屏蔽层输出的信号，并将检测结果输出给单片机ADC，（使用成品模块）；

(6) 串口屏，作为显示屏来显示要求的测量结果，（使用成品串口屏）。

七、程序流程图

八、实物展示

九、注意事项

1. 测量时接口必须连接良好，接口松动会极大地影响测量精度；
2. 装置正常工作时需要约500mA的持续电流，峰值电流可达1A左右，电源需留有足够余量；
3. OPA690在单电源供电且输出开路时容易自激振荡，因此必须将其输出接入50欧或更小的负载电阻（AD8302模块输入端已具备），令其正常工作。

十、演示视频

【2023年电赛B题国一  同轴电缆长度与终端负载检测装置】 https://www.bilibili.com/video/BV1HV411P7y3/

十一、附件内容

附件一：STM32程序(CubeIDE工程)
附件二：串口屏工程文件