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发表于 2019-10-22 10:53:30
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“搬砖队”是朋友们为我们战队在国赛时取的名字，讲真，我也挺喜欢的。至于为什么会在代表武汉大学参加2019全国大学生电子设计竞赛时有这么一个名字，容我之后再讲。
我叫史金威，“搬砖队”的队友还包括了廖楚楚和刘山。楚楚动人，廖楚楚当然是位美女，其实刘山也是位长发飘飘的妹子，虽然她的名字常招致误解。不用羡慕我和两位妹子同组，干活时男人得多承担呢，不过她们其实都很强。刘山写软件的时候构思很快、有自己的想法；廖楚楚细心严谨，而且愿意承担写报告这份有点痛苦又很有挑战性的工作；而我则对电路应用和调试感兴趣。与此同时，我们三个人对彼此的专长都有所了解，不存在对另一个方向一点儿都不懂的情况，这样也可以互相做检查及备份。这个组合够完美吧。
我们这个团队可是2018年4月就已经敲定的。在一起的第一个项目是训练项目，做语音的采集与回放，记得当时由于要上课，所以我们只能在周末一起探讨，花了大概两三周时间完成，相比之下算是很快的。尽管不完美，但是指标也达到了要求。更重要的是，在这次合作中，无论是配合度还是完成度都非常好，我们明确了三人的分工，组合也就这么正式敲定了。之后我们陆续参加了校赛、省赛、FPGA创新设计邀请赛以及最终的国赛。校赛和省赛时题目涉及到单相逆变和交流转直流电，以前从来没接触过这方面知识，我们就是慢慢查资料、慢慢去了解、去学习理论知识，最终还是因为欠缺一些理论知识，有一些小遗憾，但却进一步磨合了团队，并培养了团队理论学习的方法论。接下来我要说的是我们在国赛中的四天三夜，这四天三夜对于身体来说是个煎熬，但我依然认为这是我大学期间最充实最有趣的四天三夜。
第一天白天 措手不及
这是开赛第一天，7:30会正式公布试题。7:00刚过，我们三个人就草草吃完早餐，坐在各自的电脑前一遍遍地刷新。7:30，当我们第一眼看到题目时，以为是下载错了，因为并没有看到电源类的题目。反复刷新，又在群里询问同学，才确定题目是是正确的。这时廖楚楚和刘山也都聚过来，盯着我的电脑一起看，一时间不知所措。一直以来，我们都是按照电源的方向来进行训练，师兄也告诉我电源方向更容易出成绩，“学电源，拿国一，保研美滋滋”。但现在……
几分钟后我们平静下来，毕竟还要继续比赛，就一道一道题目看，思考题目的大致方向。没有了我们主攻的电源类题目，我们便在C题、H题以及F题中徘徊。12：00，到了这个学校为了避免把过多时间浪费在选题上而建议的最晚提交时间，依旧没有结果。实在是太难选了，大家都不是很明确，而时间却在一分一秒地滑过。我们采取了排除法，看哪道题目更合适，甚至还做了一个小实验进行初步的可行性测试。14：00，讨论的结果是F题相对C题和H题可行度较高，而且时间也不允许我们再拖下去了，最终提交了题目。
在选题上花的时间比预计多，但我安慰自己磨刀不误砍柴工，立马开始工作就是。F题要求设计并制作纸张计数显示装置，两块平行极板（极板A、极板B）分别通过导线a和导线b连接到测量显示电路，装置可测量并显示置于极板A与极板B之间的纸张数量。
我来负责平行极板相关设计，包括电路以及固定极板的装置，然后把设计图纸交给学校进行加工，刘山撰写数据协议调试代码，廖楚楚进行测试和原理分析报告等。再次确认题目的要求后，大家每个人都就位了，感觉忙忙叨叨的，一个下午就这样过去了。
第一天夜晚 问题初现
18:00点左右，我们坐在一起吃晚饭，让我开心的是队友们一点也不紧张，简单聊了一下各自的情况和接下来的安排。楚楚和刘山还要调试，我已经做完极板装置的设计，就在一边看器件的datasheet，为设计硬件电路做准备。
我开始对纸张数量与极板间电容以及压紧程度进行较为全面的数据模型分析，并利用MATLAB结合FDC2214芯片手册提供的计算公式推导出电容量和纸张数量的大致关系表达式，验证了用FDC2214测量纸张的理论上的可行性。
这个晚上遇到的最大障碍就是测电容，因为数据在不断变化。但纸张数量测量的本质是测量两个极板间的电容，所以测量电路的精准是必须的。为了检验FDC2214测量系统的精准度，我们找来不同精度、稳定度的标称电容来测量，所得的结果不仅不稳定，还测不准，真令人沮丧。在这个时候放上纸张进行测试，测量电路本身就不稳定，再加上机械结构比较粗糙，结果自然也不太尽如人意。
这事放在没经验的队上没准心里就会很难受，但我们在一起磨合一年多了，也有些小经验。决定不死抠这个问题，等结构件完善了，再认真地测，初期还是要扎实基础，把理论公式推导好。
凌晨，我开始焊接硬件电路。夜真的很黑，但我的头脑很清醒，而且也必须清醒，我知道接下来每一个夜晚都会这样过。最终调试到凌晨4点多，实在撑不住了我才去睡。毕竟国赛本来就四天三夜，我们要珍惜每一天的时间。
第二天白天 走上正轨
早上七点就醒实在是对毅力的考验，醒来的时候头脑有些懵，显然是没睡够。当我醒来的时候刘山已经在干活了，我也不知道她是几点睡的。这天我们主要的工作是验证方案的可靠性，要确定好结构的设计，并把结构件搭好，把电路接起来就开始测，记录数据，放到MATLAB上计算，这样的工作对于我们的脑力也算是相对的放松。
其实对于比赛来说，验证这件事就是走个过场。为什么这么说？就这么短的时间，如果一开始的设计有较大的偏差，哪里还有时间较正，所以必须在最初的方案设计环节就要做到基本无误。选型当然很关键。
单片机我们选的是TI的MSP430F5529，这也是我们训练时就开始在用的产品，虽然看到题目时也考虑过包括TI的TIVA或其他品牌的MCU，但毕竟MSP430更熟悉一些，资源也够用，操作不会出现大bug。但在主控芯片方面，我们放弃了平时最熟的那些电源芯片，而是采用了从未用过的TI FDC2214。看上去这种做法有些冒险，但是赛前我曾经看过FDC2214的datasheet，并且在省赛时也见过别人用过这个器件做过手势识别，而且表现优异，因此我当时并没有多大的心理压力，觉得很稳妥。验证的结果也证明了我的选择很正确。
对于芯片选型，我这里还是要吹一波TI官网。学校曾经安排过一个培训，教我们如何从几大元器件公司官网找器件的datasheet、参考设计以及申请样片等。从我的比较来看，TI的参考资料是最全面的，申请样片也是最方便的，所以后来我自己就偏向于使用TI的芯片。还有从大三开始接触到TI大学计划的微信公众号，里面有很多文件，像电路信号的处理、PCB布局布线等方面的就给了我很多帮助。就在国赛前几天，我发现了全国大学生电子科技竞赛培训网，真有些相见恨晚，我用它来给自己补充基本的原理知识。在后来的综合测试时，我发现以前测试中有一些原理不太解释得通的地方就有豁然开朗的感觉。
这一天就这样不断地测测测，看着数据不断在变，也不知道为什么，心里就很愉悦。我们通过准确数值确定了校准的表达式，直到晚饭前有了一个初步的结果，最大测量数量到了35张，能够满足题目的基本要求和发挥要求（30张）。
第二天夜晚 梁上君子
整个国赛期间最欢乐的时刻出现了。
负责撰写报告的廖楚楚开动了。为了提高质量和数量，晚饭后我们还是在不断地调试，一直在想办法改善软件方案。我们用的是LCR电桥对电容变化进行测试，为了保证纸张测量的准确统一，需要用到一个固定的重物。正好实验室外面正在修路，晚上我们溜出去，偷偷搬来了几块修路师傅拆下的旧砖。用胶带绑在一起，紧紧地压在纸上面，这样电容就不会有大变化了。当然这个法子是我们头天就已经想好的，一时之间实在想不到合适的压紧方法和重物，就只好就地取材了。
体力活作为男子汉应该当仁不让啊，不过尴尬的是，这几块摞在一起的砖头还真是挺重的，我一个人弄太辛苦，还得女士帮忙。负责写报告的廖楚楚也会不时过来问问情况，帮忙搬搬砖头，说是怕我和刘山累着，不过我觉得她是看见我们搬砖时老在笑和调侃，心里痒痒，所以一定要掺和一下。我当时还想，如果一个全是女同学的小组做F题还真挺让人佩服的。
砖头在紧张的比赛中带给我们很多乐趣，我们就对别人说，我们来国赛是搬砖的。总决赛时，我还特别去关注了一下其他团队用什么来压紧纸张，什么电感、变压器、水晶柱子，甚至还有哑铃，但我感觉都没有我们独家用砖头来当“镇纸”有创意。
就在那个晚上，就在搬砖的欢笑声中，整体的软硬件框架已经完成。
第三天白天 波澜不惊
第三天的计划是要真正地搭建系统，优化固定极板装置了。我们通过改进布局来提高系统的抗干扰能力和测量纸张数量，并将题目要求的所有功能添加进测量系统。首先要确保满足大赛的规定，然后再做一些发挥，主要就是尽量把纸张测量数量做到更多。
在把题目要求的特殊功能添加进系统里时，遇到一些问题，为此我们在软硬件方面都进行了优化。其中硬件是优化极板，首先要把线弄得整齐些，然后再提交固定极板的亚克力板设计，做出来后再更换，就这样亚克力板的结构件也是来来回回重做了好几次，力求让作品更完美。软件方面主要是公式算法的改进。
在这个过程中，偶尔会在纸张的数量上出错，虽然不能立刻解决，但想着反正是尝试，索性就多做一次吧。会先检查是否是因为我们操作不当造成的，比如砖头压的位置如果不够在正中心的话，就可能会对测量会有影响，如果是这样的话立刻就改进。当然这是最简单的，更多的时候得从各个方面比如公式上去分析。
第三天夜晚 大局已定
这应该是很轻松的一晚，我们进一步优化校准采用的表达式，通过更多次的测量后，发现校准需要采用多次分段的方式才能拓宽测量范围，以1-25张为一段，到40页为一段，之后再细分几段，这样测量范围一下子从40多张扩展到60多张。
晚饭时，我和刘山显得很放松，因为接下来就是按部就班做事，而负责写报告的廖楚楚则有些焦虑。按照简单的方案来写，页数可能会达不到大赛的要求（8页）。她直接问我们有什么地方可写的，我就绞尽脑汁帮她“编”，刘山也在尽自己所能把软件部分用到的原理、公式都提供出来。按计划，那个晚上我们的报告需要基本成形，楚楚同学写一会儿、睡一会儿、再写一会儿、再睡一会儿……，也不知最终什么时候才真正踏实地睡下。
楚楚写报告的时候，我就专心于未解决的短路测量的功能，之前一直都没找到明确的特征来进行检测。我这个人的优点就是凡事都往好的地方去想，想着既然题目给出了这个要求，就肯定能做到。所以虽然第二天比赛就要结束了，我始终没有慌张，最后通过分析大量采样的数据来判断是否短路，问题解决后踏实地睡去。
第四天白天 突生波折
可能是过于放松了，早上醒来时竟然已经9点多了，真是该死，在这么紧张的比赛中我怎么能犯这种错误。
最后时刻的任务是继续优化软件、提高测量纸张数量，而此时需要做的是排除一些代码的bug，以避免测量不准的问题。由于我们的检测是通过无线控制的，而无线传输数据的协议是我写的，所以这些bug其实是由我造成的，所以也该由我解决。其实在第三天加进无线功能的时候我就已经察觉到了，只不过当时考虑的是整体完成之后再将这个问题和稳定性功能一起解决。
让我懊恼的是这个问题之前参赛时遇到过，但由于当时比赛的要求不严格，而且只是一个辅助功能，也就懒了，没当回事。没想到在国赛时再次遇到，而此时则必须要解决了。早知今日，何必当初呢。
18:00，确定了作品的最终形态；19:00，更换测量环境进行测量，也是为了检验产品的可靠性；20：00前，确定封箱了。我们测量的最大纸张数量可达到65张左右（测试现场准确的最大测量数量为55张）。我自认为作品还是挺精致的，没有太多杂乱的东西，比较干净，看起来很美观。就连亚克力的边，也是确认过足够光滑了才可以。
封箱后，我们坐下踏实地享用晚餐，国赛期间都是学校送来的餐厅做好的配餐，比食堂真的好吃很多。想到最后一次吃这么好的免费餐，还真是有点儿小遗憾。
我想说
我的四天三夜就这么过去了，我的小故事也分享完了，有些模糊也有些激动。国赛结束的那个晚上回到宿舍，躺在床上的感觉真的好舒服啊，终于不用再睡行军床了。我一直睡到第二天中午才醒来，后来听说那两个妹子更夸张，一直睡到快吃晚饭。
后来就是按部就班的国测了，我们也没了之前的紧张感。按照惯例，进入国测阶段只要不崩，就是国一没跑，所以对结果也是能够猜到的。但当我们最后拿到结果时，伙伴们依然非常的高兴，努力没有白费。
不过有个东西一直梗在心里很难受，就是那个通信协议bug的问题，因为这个问题浪费比赛时间，真的很不值。我想到这是个习惯问题，所以以后无论是平时学习，亦或是以后做科研，都要认真对待平时出现的问题，不要随意忽略问题，不要给自己留下隐患，要认真地、沉下心去分析，去解决问题，这样子才不至于留下太多的遗憾。
我想对学弟学妹们说，国赛这样的机会，真的不要错过。作为一个电子及相关专业的学生，没有这四天三夜，可能都不好意思跟别人打招呼。
项目报告分享：湖北赛区_F题_武汉大学_纸张计数显示装置设计报告
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