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他们的国赛,好像过山车

2019-12-16 11:08
媒体报导
摘要:每个人都希望国赛(即 TI 杯2019全国大学生电子设计竞赛)赛场上一帆风顺,但是赛场总会给你出其不意的惊喜,也许是刷不出题时的焦急、也许是拿到题目时的茫然、也许是意见不统一时的妥协,也许是熬夜脑袋停转的无奈,更多时候是遇到一个难缠bug的焦头烂额。姚凯、曹梨

每个人都希望国赛(即 TI 杯2019全国大学生电子设计竞赛)赛场上一帆风顺,但是赛场总会给你出其不意的惊喜,也许是刷不出题时的焦急、也许是拿到题目时的茫然、也许是意见不统一时的妥协,也许是熬夜脑袋停转的无奈,更多时候是遇到一个难缠bug的焦头烂额。


姚凯、曹梨波、温兆亮,这三个来自哈尔滨工业大学(以下简称“哈工大”)电气工程及自动化学院的小伙伴,2019年3月22日,当学校要求国赛的参赛队员组队时,他们在一个专门为竞赛服务的创新基地群里遇见了。原本姚凯和他们俩人都认识,对彼此的脾气秉性和技术实力有所了解,所以自然而然就走到了一起。


左起:温兆亮、姚凯、曹梨波

从学期末6月20日开始,在距离国赛不到2个月的时间里,团队开始了相对之前较集中的训练,经过几轮几乎无休的模拟竞赛题后,三个人成了可以把后背交给彼此的人。姚凯负责硬件,团队里硬件问题交给他,他都可以处理得很好,而且焊工一级棒;温兆亮主要负责理论分析及仿真和报告的撰写,仿真、理论的强项,让队伍有了做更多理论尝试的可能;曹梨波负责软件,那是非常的靠谱,软件交到他手里,就不用担心后续了。按理说,这样没有短板的团队实力在参赛队伍中算是相当出众了。


然而即便如此,他们却在国赛的4天3夜,经历了过山车般的参赛历程,某几个时刻,甚至觉得会与国奖擦肩而过。现在回想起来,整个过程的刺激画面仍然历历在目。所幸的是,他们最终获得了国赛C题国家一等奖,这段历程反而成了他们最深的记忆。


难道是遇事不决就选C

选C,做惯了选择题的大家都会会心一笑,然而三位小伙伴并不是因为这个原因才选择了C题。“特别崩溃”,看到题目的一瞬间,他们的反应同此次国赛很多前期基于电源方向备赛的队伍并无二致,因为8道题目中没有一道是传统电源题。


强撑着打起精神来,在现有的题目中圈定了A、C、D三道题。其中A题是电动小车动态无线充电系统,C题是线路负载及故障检测装置,D题是简易电路特性测试仪,它们的共同之处是或多或少都可以用到电源的相关知识点。姚凯回忆起当时大家做判断时的考虑,感觉D题相对简单,可能会有很多人选,而且难以确定自己团队能否在众多队伍中脱颖而出;A题对于他们的难点在于手上没有现成的车模和充电硬件,而且要把功率、效率做得很好,并不容易。而C题比较新颖,相对其他题而言,没有一个固定的分类方向,“这样相当于我们和所有做C题的队伍都处于同一起跑线上”,而且他们猜测选择C题的队伍并不会太多。


即便事后回忆起来思路非常清晰,但当时三位仍然是在选题提交不能再拖下去时,才做出了最终决定。因为这个彼此尊重的团队中,做出任何决定都需要相互讨论、相互说服,直到反复论证后才做出选择。其实后来他们在和同学们的交谈中得知,在哈工大创新基地的62支参赛队伍中,只有四支队伍选择了C题,这和他们之前的判断相类似。


艰难的抉择

根据此次国赛专家组责任专家、北京大学信息科学技术学院教授王志军在赛题解答视频中分析,C题重点考察了学生对基本电容、电感、电阻元件的电路特性分析,同时结合人工智能大环境下,考察了学生设计敏捷系统,实现实时的自动监测。


事实上姚凯团队在整个赛程中先后一共尝试了两种方案:

方案1:通过在测量回路A端施加单一频率正弦波,B端经采样电阻接地,测量电压电流的幅值比与相位差判断元件类型并计算其值;通过测量某一频率下负载网络阻抗大小并与三种元件可能组成的八种负载网络理论阻抗比较确定负载类型;通过寻找短路回路电阻与短路故障点距离关系计算故障距离。此设计方法思路简单,电路结构简洁,但实际负载网络判断可靠性低,没有明显的区分特征,极易混淆,同时电压电流量级小采样很难把握精度,故障点距离测量误差较大。


方案2:利用数字电桥原理,待测回路A、B点接在电桥测量端。仍利用相角判断负载类型,伏安法测量元件值。判断网络结构时,通过特征点进行树状检索,对于模糊特征的节点,利用二分法寻找谐振点,通过谐振点特征判断。这加快了检测速度并提高了检测精度。短路故障点定位时,输出10kHz正弦波,利用推挽电路输出较大功率,利用电流闭环稳定负载电流为200mA,通过短路阻抗与短路故障点距离之间的线性关系定位。装置内带有二阶带通滤波器,可滤除题目所加的环境噪声。该方案具有很强的电流承受能力,对不同负载网络有很强的适应性。


其实这个过程并非一蹴而就,也经历了不少曲折。第一天,他们仨基于方案一在不断做前端的功率放大,利用手头的功率运算放大器搭建了不少实验电路,却没有实质性的进展。但在不断翻书、查资料的过程中,他们无意间收获了数字电桥电路。虽然以前从来没用到过数字电桥,但从理论上觉得这个结构很巧妙,所以当时就决定后端的处理采用数字电桥电路,也就是方案二,其与方案一的不同之处基本上就在于后端电路。


于是就这样搭着数字电桥、调着功率放大电路,时间一下子到了凌晨12点半,但是电路性能仍然没有达到预期。“当初选定C题之后只有一个大概方案,但是在实际动手的过程中才发现有更深层次的问题是开始没有想到的,”温兆亮如今想起来仍然心有余悸。“当时的心态特别差,感觉今年胜利没有希望了,就会有些质疑自己,那时不管是从心态上来说还是从结果上看来,都非常崩溃”,在国赛的第一天就遇到这样的事情,姚凯和队友们的心情可想而知。随着分析越深入,问题也越多,具体验证后又发现现有器件和电路结构使得整个电路性能满足不了原有方案的要求,这可难坏了小哥仨。到底故障的判断与检测到底该怎么做?于是仨人又聚在一起查资料、讨论方案,拿出大学课本,一点点回忆传统的电学知识、拓扑结构搭建等,最后所有的瓶颈都指向了功率运放的性能。


既然手头没有合适的现成器件,后面两天也避免不了熬夜,所以第一天晚上,在没有明确头绪的情况下,仨人怀揣着“罪恶感”睡觉了。


破局

在国赛紧张的四天三夜中,逛电子市场这事听上去不怎么靠谱,但由于手头的运放型号满足不了要求,于是在国赛的第二天上午,姚凯和温兆亮一起跑到哈工大正门对面的电子市场采购,然后反复验证功率、频率、输出波形等。可惜新的功率运放测试结果仍然不如人意,于是又一轮疯狂地翻书、查资料,突然发现了这样一个电路:最后决定尝试用运放结合三极管、二极管搭建的甲乙类互补功率放大电路试一试。但事情就是这么巧,大功率三极管他们手头也没有现成的,姚凯和温兆亮只能第二次去往电子市场。多亏哈工大在电子领域有着悠久传统,以至于电子市场都开到了校门口,他们才没有在采购上浪费太多时间。


在这次大赛中,姚凯团队主要使用了 TI 的控制板TM4C123G、运放LF357等零部件,占整个系统的50%以上。而在平时的教学和训练过程中,无论是学校老师还是自身,也都倾向于选择 TI 芯片。“TI 的器件比较可靠好用,而且操作起来也简单,资料好查。通过比较,我们发现 TI 官网提供的解决方案是最全面的,同时还有很多应用案例,这是其他公司所没有的,这也大大降低了我们项目和实验的开发难度,”曹梨波说。器件到手后,大家又忙着电路实现,最后在下午终于使得前端的功率放大电路性能基本满足方案要求,仨人长舒了一口气。


紧接着,温兆亮和姚凯就开始反复调试及验证模块,进行辅助电路比如采样结构的验证,好在这些方法以前做电源题目时都有所积累。他们的工作步骤是,第一天确定好结构之后,第二天将结构进行分解,搭建了若干个小电路,逐步验证每部分的工作状态,验证好小模块之后,才开始去调试整个系统。温兆亮觉得这种从模块到系统的方法学让他们的验证工作得以顺利进行,另外得益于大学模电课,在验证小模块时,通过简单电路配合一级运放的方式,实现的效果要比使用集成芯片好很多。


当姚凯和温兆亮两人紧张地调试模块时,曹梨波则在一旁有条不紊地搭建软件框架。相比姚、温两人的忙碌与紧张,他所做的就是做好自己的工作。起初调试模块期间没有产生数据时,他就自己模拟了很多数据,进行信号分析和网络结构分析。


在旁观者曹梨波的眼中,第二天的硬件搭建工作明显顺利得多,这也给了他十足的鼓励。其实第一天看到伙伴们方案还没有敲定时心里还是有些慌,尤其是无事可做的等待过程中。只是不能表现出来,关键是自己着急也没有用,“但最重要的是我相信我的队友们能够做出来的”,所以他就放心地进行模拟验证,等待主硬件系统的完善。“而到了第二天,在大家的工作进入正轨之后,哪怕是有一些困难,我也能看出整个项目的进度是一直在往前走的,写程序会踏实很多,”曹梨波说。


当所有模块评估好之后,已经是当晚九点多了,硬件二人组开始搭建电路板并且画板子,将所有的功能模块整合。曹梨波也开始测试功能函数。工作一直在有条不紊地推进着,直到凌晨三四点时实在扛不住了,他们才在桌子上趴了一会儿。


小插曲

但毕竟心里有事,五点多他们就又醒了,于是难得地看到了哈尔滨的清晨。经过一宿的奋战,早上把PCB画好,然后开始制板、焊接、调试。尽管功率放大的问题解决,让心情放松了不少,但后续发生的小插曲,又让团队成员捏了一把汗。


哈工大创新基地竞赛期间都是现场制板,他们制的第一版PCB有些腐蚀过度了,走线铜皮断断续续,几乎无法使用,所以又打印了第二版PCB。可能由于太着急了,发生了一件比较糗的事:学校制板使用的是蚀刻机,需要操作者打印出来PCB走线图,分上下两面放置在制板机上。当打样出来后,还要手工将上下两面的过孔打通,所以打样一次前前后后需要1个小时。正当姚凯团队拿到PCB板,把二百多个孔打通后才发现:呀,打印时的纸上下放反了,所有的电路和器件摆放都是镜像的。原本因熬夜脑袋就已经不太转得动的硬件小组,想想调试时还要区分正反镜像,立时有种崩溃感。颇有些大风大浪都过去了,却要在阴沟里翻船的感觉,只能进行第三次打样。由于模块众多,只能焊一部分,再验证一部分。而PCB板上下面是独立的,所有的过孔都需要人工将正反面连接起来,而且有些走线铜皮是在芯片底部的,所以很容易引起各种各样的问题,焊接稍微不注意和不仔细,解决起来都费时费力。当整块板的调试完成时,已经是晚上十点钟了。


与此同时,曹梨波一直在验证程序,把信号发生器直接接到开发的模块上进行测试,一方面是通过直接向RAM中写数据来测试,另一方面则是通过程序自动实现数据注入以自动测量结果。曹梨波颇为自豪的是,自己专门设计了一套人机交互界面持续观察变化,利用虚拟化的硬件实现虚拟验证平台。不过他也同样未能幸免地遇到了小插曲,主要是在数据结构方面,由于一次数据的存储量偏大,平台会出现交叉覆盖的情况,导致数据出错。只能重写了将近两百行代码,推翻了之前的数据存储方案。


就这样当第三天结束时,三人总算完成了整个板卡的验证,但是由于太多的小插曲耽误了整个进程,他们一夜无眠,始终在紧张地调试验证。凌晨两点,就在夜最黑的时候,团队第一次看到了希望。当时开始软硬件协同验证,尝试测量电阻、电容、电感的值,与预期的偏差并不太大。凌晨三点,初步联调完成。联调,算是最后的挑战了,暴露出不少软硬件的问题,但这也是必然。


姚凯介绍当时需要对采集信号进行相位检测,通过相位差值来判断电路性质。结果发现相位差在70度以下时相位值正常,70-90度之间时有1~2度的差异,也能接受,但相位差超过90度时,实际值和测量值的差别特别大。别无他法,只好从底层开始,从信号源头一点点排除,最后才发现是运放过零点的问题。这时已经来不及大修改,只好通过搭载外围电路并修改软件来修正偏差。最终封箱时,已经连续熬了2个晚上的仨人已没有太多的兴奋,只想美美地睡上一觉。


姚凯团队C题作品

玩的就是心跳

也许是命中注定就要经历各种波折,在经历了4天3夜的种种坎坷后,8月19日8:00-15:00的综合测评中,姚凯团队再次上演了跌宕起伏的大戏。从前期的不顺利,到后面的妥协,直到最后的一个半小时中甚至还推翻了现有的环形多谐振荡器电路。“当时时间那么短,我们还敢去验证,也是经过了慎重的考虑,在时间和条件允许下才这样做的,”姚凯表示,因为综合测评的题目是做四个模块的波形,彼此间互相联系,当前面的模块占用太多资源时,后面资源不够用了,导致第三个模块波形输出不是很好,所以才尝试了推翻现有的电路,重新回到最初尝试的那个方案去产生方波。


当时时间已所剩无几,但曹梨波当机立断投了赞成票,于是凭借着这份信任,迅速进行验证,没想到真的改善了很多。当时还有个小心思,想着如果第一个模块节省下来的资源可以满足需求,就能够以最快的速度为其他三个模块换上新方案;如果第一个模块测试不行,也可以迅速恢复原方案。不过时间依然很紧迫,一旦中途出现问题,就没有足够的解决时间。幸运的是,一切顺利。


“比赛前前后后的整个过程都十分刺激,由失去信心到坚持再到看到希望,这个过程不但让我们学到很多专业上的知识,同时更历练了我们的心态”,电赛带给姚凯的也许会让他受益终生。这也是小伙伴们的共同感受,曹梨波也提到这次电赛对他们而言,不管是心理上还是能力上都是一个巨大的磨炼,只有在不断解决问题的过程中才能有所成长,这种极具挫败感的过程就是最大的收获,“在这样一次特殊的、没有充分准备的题目下,我们这样背水一战,是人生非常难得的一次经历。”


的确,在限定的时间内完成一个复杂的设计,是对自我潜能的极度挖掘,会把自己逼到一种状态中,对提升心理素质是非常好的挑战。其实以后的工作中一定会遇到比这更加紧张的项目,国赛也算是对未来科研必经之路的一次预演。


“比赛意味着有很多的不确定性,我们也选择不了到底是顺风顺水还是艰难坎坷,”姚凯说得很直白,那么对于这段磨砺与挫折的国赛历程,曹梨波替大家做出的总结是,“如果可以再来一次的话,我们肯定会继续参加。”