[赛题讨论] 国赛,如果注定遇到你

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查看: 70回复: 2 发表于 2019-11-28 16:59:19   只看该作者

一支赛前1个月临时组队的团队可以取得怎样的成绩?面对难易程度不同的题目,怎样选?邓茜、陈琳、吴晓杰这三位来自华中科技大学的同学给出的答案如下:2019 TI杯全国大学生电子设计竞赛(以下简称“国赛”)一等奖;选难题。


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左起:陈琳、邓茜、吴晓杰

这三位同时也是不折不扣的“肝”神,只不过熬夜不是玩游戏,而是熬夜“肝”题,在短短的一个月中,通过每周一道模拟训练题,让一个临时团队达到了最佳状态。

仓促组队与有备而来
2019年8月7日早7:30,国赛的题目如期下发。邓茜团队之前已经有了明确的分工,其中邓茜主要负责硬件工作,电路设计焊接与调试,制作PCB;陈琳主要负责模拟电路部分的设计与搭建,并参与整体系统方案的制定;吴晓杰则定位在程序员,负责写FPGA代码、控制程序、交互界面等。鉴于团队中2人负责硬件、1人负责软件,所以当时在D题 (简易电路特性测试仪)、F题(纸张计数显示装置)和G题(双路语音同传的无线收发系统设计)之间犹豫。国赛的题目其实考虑到了不同方向,参赛学生一般都会根据自己的知识结构进行选择,但这个来自于华中科技大学光电学院集成电路设计与集成系统专业的团队,平时学习的是IC设计,并没有通讯、电源等这些特别明确的方向,说得好听些,选什么都可以;说得不好听,选什么都是二把刀。

“选难题更容易脱颖而出吧”,吴晓杰这样解释他们最终为什么会选择了偏难的G题。本届国赛本科组实际参赛队是13823支,G题获国一的只有38支,而D题、F题等都有200支左右。评奖是按比例的,由此可见愿意选G题的队伍并不多。

G题是一道高频硬件题目,主要的难点和考察知识点有两个,一个是双路音频要同时调制到一个载频上,另一个是在载频漂移条件下如何保证正常接收。一位已经毕业多年且在射频领域工作多年的工程师感慨道:“题目最具挑战性的主要在硬件方面,无论难度还是工作量都很大。”“做收发信机要有设备仪表和扎实的基本功,否则在这4天的时间里面很难做出来。只要做射频的人,出去面试第一个问题就是问:做过收发信机么?”

做这样一道题,是需要底气的。陈琳,2016级集成电路专业卓越班排名第一的女学霸,成绩好之外,能力也超强,曾获得过TI杯2018年湖北省大学生电子设计竞赛F题省一等奖以及全国大学生集成电路创新创业大赛华中赛区三等奖等多项荣誉。当她被同专业2017级的学弟吴晓杰和学妹邓茜临时拉着参加TI杯2019年全国大学生电子设计竞赛时,心里还是有些打鼓的,当年在实验室认识吴晓杰时,他还在当助管打杂。但大二暑假那次的省赛让她意犹未尽,希望能在国赛赛场上证明自己,可惜队里的其他队员有别的安排而无法参赛。正巧吴晓杰和邓茜的团队中有一位同学退出,吴晓杰非常了解这位厉害的师姐,于是抱着试试看的心态发出了邀请。虽说队伍成形了,可内心还是比较忐忑,毕竟是临时组队。但仅仅经过一道训练题的磨合之后,大家的心都放下了,小组配合从未遇到任何问题,效率也非常高。陈琳发现吴晓杰是一个完美主义者,善于分析问题、发现问题,由他确定方案最放心;而邓茜做事认真负责,一丝不苟,电路做得很漂亮。

赛前训练收获的并不仅是队伍的磨合。正如三位同学在“全国大学生电子设计竞赛培训网”上所分享的报告所述,他们作品的系统由信号采集模块、调制发射模块、接收解调模块、信号恢复模块四部分组成。这其中就充分利用了之前对这些模块的技术了解与储备,包括频分复用,滤波器,数字信号处理,FM调制等。而这源于那一个月的集中训练,当时参赛学生们掌握了大部分的模块技术,包括变频器、混频器、低噪生放大器、AD/DA等,这些模块在大赛中都可以直接使用。比如邓茜团队在这次大赛用到的TI  I2S音频AD/DA,正是之前训练时开发红外光通信用的器件。

当然模块只是一部分。无线收发系统相当于需要做发射机和接收机两个系统,总共需要制作3个ADC、3个DAC和许多混频电路、信号调理电路、解调电路以及天线匹配等,这些都属于高频电路,难度相当大。但对于三位来说幸运的是,这些恰好他们都曾接触过。华中科技大学对国赛有系统的支持,从设置专门的国赛培训实验室(电工基地),到辅导老师和助教团队给予的培训与指导,为参赛成员积累了专业知识和过硬的基础。电工基地对基础或专业没有限制,但是会进行三轮考核,通过考核之后就会在实验室拥有自己专门的工作台。针对大一学生,老师会进行模拟电路、数字电路的基础课程培训,从大二开始,则会开设控制、信号处理及电力电子等相关方向的专业课程,并安排历年国赛真题训练。尤其是赛前1个月的4次集中模拟训练,每周老师都会安排一道往年的真题或者自己出的模拟题,流程和国赛完全一致。

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邓茜团队所在的华中科技大学国赛培训实验室

其实作为集成电路专业的学生,他们平时接触射频领域并不多,但通过真题训练,帮他们补上了这一环。在采访中,三位均不约而同地提到要特别感谢基地的王贞炎老师,是他在备赛期间一直给予耐心细致的教导,才使得他们迅速提高技术水平。而之后在国赛的那四天三夜,堪称是所有之前学习效果和知识储备的检验。

过于平淡的赛场
题目确定后,团队就开始梳理设计思路,对每部分的功能实现进行比较和选择。决定发射端用FPGA在数字域实现频率混合和FM调制到中频,上变频与发射部分由模拟电路实现;接收端下变频和解调由模拟电路实现,再由FPGA恢复两路信号。据陈琳介绍,方案里发射机采用超外差调制的方案,使用FPGA调制后经过外部上变频达到要求频率,优势在于非常方便调节中心频率,只需要ADC采集控制电平,写好对应的控制程序,映射到中心频率即可。而接收机部分采用下变频后使用锁相环进行解调,使用锁相环解调能够在中心频率漂移时实时跟随,这样就不需要复杂的跟随算法,同时达到良好的解调效果。这样的设计使得作品在赛题发挥部分表现不俗,同时也成为整体方案的一个亮点。

整个方案需要涉及到通信原理、模拟电子技术基础、数字电子技术基础,其中锁相环解调模块对于团队来说是全新的知识点,以前从未调过,不过还是有赖于之前训练打下的扎实的基本功和积累,所以对理论基础、电路原理都清楚,调试时没有遇到困难。

虽说团队技术上有一定积累,但射频要处理的细节问题很多。比如当时只要用探头接输出波形,就会把射频信号耦合进去,造成波形失真。于是对输出端口进行改造,更换连接器,以解决干扰出现问题。而在无线通信距离方面,G题要求无线通信距离不小于2米,但他们发现有时把距离拉得更远一些(比如3米时),接收到的信号反而会更好。尽管整体看上去很顺利,但是每个细节的失误都有可能导致整个结果的不一致。当时临近封箱时发现有个模块的AD突然不工作了,万幸可以临时更换一片。只有在赛前打好扎实的基础和积累,在比赛中遇到问题才不至于慌张,可以按部就班地进行分析。

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邓茜团队国赛作品

在作品封箱之前,三个人把所有的指标都测了一遍,最终测试结果显示:FM 载波频率以及峰值频偏测试结果均满足题目要求的,误差主要来源于晶振产生的频率偏差;在300Hz~3.4kHz的语音频率范围内双路信号均能无失真地恢复出来;5 秒内手动调节在300kHz的载波偏移下, 能够不失真的传输信号并恢复出来;将控制电平接入三角波,最大能在约1400kHz 的频率漂移范围下恢复信号。所有指标都符合题目要求,然后默默地封好包装,就好像做了一次实测题,并没有感到和平时有什么不同。

偶然必然
在比赛以及后面的三轮测试中,三位同学都感觉到对电路的基本原理与设计的掌握非常重要,做好电子设计很难,基础真的是非常重要,要靠平时一点一滴的积累。在整个比赛以及备赛的这一段时间中,最大的收获就是掌握了扎实的理论基础与实践动手能力,还有不怕困难坚持到底的勇气。通过自己的双手把作品做出来的时候,获得了巨大的成就感;体会到了团队合作的魅力,队伍一条心就可以克服所有困难。

这一切就像是赛后陈琳总结的,如果用一个词形容国赛的感受,应该是“厚积薄发”。平时在电工基地的实践培训极大提高了自己的动手能力,动手做出作品的过程收获了极大的成就感。而且通过实践对课程原理会有更加深入的了解,电赛就是一个检验自己基础知识和实践能力的绝佳平台。“精益求精”则是邓茜对国赛的感受,一个作品不能仅仅是做出来就可以了,还需要知道它为什么要这样设计、它的原理是怎样的、如何更好地提升作品的各项性能等等。对于国赛,吴晓杰体会到的“脚踏实地”,他更关注技术,对于作品中留有些许遗憾的部分,还希望能够再提升。

从偶然的组队到必然的获胜,三位同学由内而外展现出来的是一种自信,从日常基础知识培训,到赛前突击准备,再到正式比赛时的有条不紊,一切收获也确实都来源于平时的积累。

好的结果也离不开平时对TI的了解。三位同学在校期间,经常申请TI样片,并去官网查询使用手册,设计电路,画板子,测试电路等,逐渐对TI芯片从陌生到熟悉再到热爱,并且也会经常浏览全国大学生电子设计竞赛培训网,参考上面的培训资料和课程讲解。

相对于其他电赛题目,G题稍显枯燥,也没法拿出特别有意思的产品展示,但是陈琳表示,能够把自己所学,在一个集中点上全部实现,比如滤波器究竟是怎么设计出来的,怎么给运放搭配外围电路,都是非常有意思的。

这个三人小团队培训时候经常要刷夜,每个人的分工不同,如果一个人的进度慢了,其他人会陪着集体刷夜。“当电路一直调不出,程序一直有bug时,人会感到焦虑,但是想到队友们都在一起努力,都会热心帮助你,哪怕是在旁边陪着你刷夜,陪着你肝,这都是支持与鼓励。”陈琳说道。吴晓杰也表示,队友们的硬件调试发现问题后,他也会以软件调试的思路出发,通过软硬件协同寻找问题所在。

就这样,邓茜、陈琳、吴晓杰他们三人一起刷夜,直到国赛的最终。在年轻时,有人能陪着这样一起刷有意义的夜,也不啻是一种幸福吧。

设计作品链接:https://bbs.nuedc-training.com.cn/thread-946-1-1.html

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