今年运气好，拿了省一，评测还是第一，综合第二，有幸被组委会邀请去打了 TI 杯模拟系统专题/邀请赛（以下简称模邀）。但是非常遗憾，棋差一招，最后还是没有拿奖……感觉也没有什么办法，前期准备其实也没有很充分，菜就多练，只能说是……

比赛情况

先来说一下比赛情况叭，比赛时长约 40 h，从第一天早上 7:00 在检录处开始检录，一直到第二天晚上的 23:00。断网，通信设备也会被收走（不允许与外界交流，手机、平板一律上缴，会封在一个袋子里）。能带进去的东西只有你电脑中的资料、纸质材料和组委会官方认定的模块，其他的东西一律不能带进去，像串口屏之类的也不能带（组委会有说明）。但是，组委会不强制要求你一直待在实验室里，吃饭、上厕所什么的都不限制（当然，不同队伍之间交流肯定是不可能的），其中最关键的一点是，不限制你晚上休息的场地，你只要登记一下，就可以出实验室回酒店休息（当然，被封禁的通信设备是不可能拿回来的，但是如果……只能说限制得没有那么死，所以可以查阅方案并进行理论层面的验证。用大白话来讲就是，你要作弊，是拦不住的。不过我们基本上就是到点就睡了，头脑风暴真的太累了）

赛题选择

赛题的话一共是一道电源（A 题）、两道信号仪器（B 题和 C 题），以及一道测控题（D 题），主控必须选择用 TI 的开发板，相关型号也已提前通知。这个信息是组委会的老师在没有发赛题之前就告诉你的，所以可以在这个时间（公布赛题大致方向到正式拿到赛题之间），先想好自己重点看哪些题。作为一向只做信号和仪器仪表的题目的人，我们也是重点看了 B、C 两道题，但是在我冲出去的时候，已经没有能选 C 题的机会了（抢题真难绷），所以只能被调剂到 B 题了，要不然晚一点 B 题也没有了。

简单说一下题目详情，因为 B、C 两题看得比较多，所以会重点说明，其他题目略说：

  • A 题： 一道 UPS（不间断电源）。
  • D 题： 一道带角度补偿的电子秤。
  • C 题： 制作一个矢量电压表，输入两路信号（同频同相），要求装置能在 500 多 kHz 到 1.6 MHz 的频率范围内进行 90° 相移（1.6 MHz 约为 500 kHz 的三倍），可测其峰峰值、频率和相位（即高级锁相放大与矢量电压测量）。
  • B 题： 基于可见光通信的网络特性测试仪。待测网络为未知 RLC 线性网络，其上下限截止频率在 200 Hz 到 2 kHz 之间，具体要求如下：
    1. 信号源发端要求： 发端装置需产生正弦波测试信号，峰峰值 VppV_{\text{pp}} 在 1 V∼3 V1\ \mathrm{V} \sim 3\ \mathrm{V} 范围内可调，步进 ≤0.1 V\le 0.1\ \mathrm{V}；频率在 10 Hz∼20 kHz10\ \mathrm{Hz} \sim 20\ \mathrm{kHz} 范围内可调，步进 ≤10 Hz\le 10\ \mathrm{Hz}。
    2. 可见光通信与信号复原： 信号发生装置与信号接收装置之间不得有任何电气物理连接，仅允许使用可见光进行无线信号与数据通信（要求适应环境光干扰）。在发端产生 19 kHz∼20 kHz19\ \mathrm{kHz} \sim 20\ \mathrm{kHz} 的正弦信号时，接收端能够稳定复原并显示该正弦波信号，要求波形稳定无失真、无抖动、无漂移，并准确显示对应频率和峰峰值。
    3. 网络幅频与相频特性测试： 测试信号接入未知 RLC 网络后，接收端需能够定性/定量显示该网络的幅频特性曲线与相频特性曲线，并能自动标出/显示其上下限截止频率（−3 dB-3\ \mathrm{dB} 频点）坐标值。
    4. 冲激响应与极值统计： 发端向待测 RLC 网络施加冲激/阶跃激励信号，接收端要能实时测量并显示网络的冲激响应曲线，并自动统计并显示其非零极值点的个数。
    5. 其他约束： 接收端要求无复杂按键（一键启动/全自动测量）；赛题严格限制设计报告篇幅不超过两页（需极简排版并包含测试数据、原理与曲线图）。

方案构筑与理论支撑

核心架构与通信链路

在方案上，我们以 TI 的 MSPM0G3507 作为核心板，通过板载 DAC 生成测试与扫频信号，冲激信号则由板载的任意 I/O 生成阶跃信号。通信方式则是通过串口进行光信号通信，即利用串口产生的方波脉冲信号，驱动白色 LED 进行信号传输（这个方案的逻辑是，串口仅有一个写端 TX 和一个读端 RX，TX 生成方波信号，我们传输的也是这个方波信号，只要保证方波信号没有什么特别大的问题就可以了）；在收端则是通过光敏三极管与电源，直接将串口信号还原，然后送入单片机中进行处理。

在电路上，除了上述提到的内容外，还构筑了一个有 6 个按键的键盘，以及一个通过一路 I/O 控制信号导通的电路（用于决定光路传输的是正弦波处理后的方波，还是信号生成的相关信息）。

特定频率信号还原

要求 2 所涉及的信号仅需要在特定频率范围内还原，且只提出了频率方面的要求，所以在电路上，选择将生成的信号先通过比较电路整理成方波，再通过 LED 进行光通信；在收端进行过零比较、滞回比较和低通滤波，必要时进行放大，即可还原出一个同频锁相的信号（理论上来说，假设装置稳定，是不需要对信号进行锁相处理的，因为传输的光信号只有延迟；如果采用滤波的方式，只要保证所有模块电路都不会产生相位抖动即可）。

幅频特性测量与网络截止频率

幅频特性测量方案是通过扫频，同时通过光路建立串口通信，将生成的频率和幅度信息实时传输到另一块板子上，在收端复用光通信方波的整形电路，从而建立光通信；从未知网络中出来的信号，则要通过调理电路对信号进行抬升、衰减处理，然后用 MSPM0G3507 的 ADC 读取信号，必要时使用 FFT 做相关运算。

理论公式： 对于未知二阶 RLC 滤波网络，其传递函数为 H(s)=Y(s)X(s)H(s) = \frac{Y(s)}{X(s)}，频响函数为：

H(jω)=∣H(jω)∣ejφ(ω)=A(ω)ejφ(ω)H(j\omega) = |H(j\omega)| e^{j\varphi(\omega)} = A(\omega) e^{j\varphi(\omega)}

幅频特性（对数形式）：

A(ω)=20lg⁡(Vout(ω)Vin(ω))(dB)A(\omega) = 20 \lg \left( \frac{V_{\text{out}}(\omega)}{V_{\text{in}}(\omega)} \right) \quad (\mathrm{dB})

上下限截止频率（−3 dB-3\ \mathrm{dB} 频点 fL,fHf_L, f_H）判据：

A(fL)=A(fH)=Amax⁡−3.01 dBA(f_L) = A(f_H) = A_{\max} - 3.01\ \mathrm{dB}

相频特性测量

相频特性测量方案在通信部分与幅频特性测量方案差不多，而在处理部分，按原先计划，是将从未知网络中出来的信号做一次过零比较之后再进行相乘，然后经过一个低通滤波器，即可将相位信息转换为与相位差呈线性关系的直流量，最后再用第二路的 ADC 采集并进行相关运算。

理论公式： 设输入基准与未知网络输出的两路整形方波基波角频率均为 ω\omega、幅度为 ±Vm\pm V_m。经傅里叶展开后，方波相乘会包含各奇次谐波之间的乘积项：

v1(t)=4Vmπ∑n=1,3,…∞1nsin⁡(nωt)v_1(t) = \frac{4 V_m}{\pi} \sum_{n=1,3,\dots}^{\infty} \frac{1}{n} \sin(n\omega t)

v2(t)=4Vmπ∑n=1,3,…∞1nsin⁡(nωt+nΔφ)v_2(t) = \frac{4 V_m}{\pi} \sum_{n=1,3,\dots}^{\infty} \frac{1}{n} \sin(n\omega t + n\Delta\varphi)

经乘法器与低通滤波器（LPF）滤除交流项后，输出直流平均电压满足三角波式的线性鉴相关系：

VDC=Vm2(1−2π∣Δφ∣)(Δφ∈[−π,π])V_{\text{DC}} = V_m^2 \left( 1 - \frac{2}{\pi}|\Delta\varphi| \right) \quad (\Delta\varphi \in [-\pi, \pi])

同时，光信道及调理电路的群时延 τdelay\tau_{\text{delay}} 引入附加相移 Δφdelay=2πf⋅τdelay\Delta\varphi_{\text{delay}} = 2\pi f \cdot \tau_{\text{delay}}。

冲激响应与非零极值点提取

冲激响应部分计划做一个推挽电路，从而使阶跃信号的上升时间足够短（也就是压摆率足够大），然后再按照幅频特性测量的方式处理。非零极值点的计算没有什么技术含量，ADC 采进来就是一个数组，比较前后三个数据即可。

理论公式： 通过单位阶跃响应 s(t)s(t) 的微分求取冲激响应 h(t)h(t)：

h(t)=ds(t)dt=L−1{H(s)}h(t) = \frac{\mathrm{d}s(t)}{\mathrm{d}t} = \mathcal{L}^{-1}\{H(s)\}

对于二阶欠阻尼 RLC 振荡网络，其冲激响应为：

h(t)=Ke−αtsin⁡(ωdt+ϕ)h(t) = K e^{-\alpha t} \sin(\omega_d t + \phi)

非零极值点由导数零点及门限判定：

dh(t)dt=0且∣h(t)∣>Vth\frac{\mathrm{d}h(t)}{\mathrm{d}t} = 0 \quad \text{且} \quad |h(t)| > V_{\text{th}}

在离散采样序列 y[n]y[n] 中满足：

(y[n]−y[n−1])⋅(y[n+1]−y[n])<0且∣y[n]∣>ε(y[n] - y[n-1]) \cdot (y[n+1] - y[n]) < 0 \quad \text{且} \quad |y[n]| > \varepsilon

方案构筑问题复盘

乍一看，无论从电路还是单片机实现来看，这个方案本质上都没有什么特别大的难点。但是，从方案构思的角度来看，它应该存在比较严重的问题，最严重的问题应该在相频部分：

  1. 无法区分超前与滞后（符号死穴）： 方波相乘低通滤波后得到的直流输出是绝对值 ∣Δφ∣|\Delta\varphi| 的偶函数（即 VDC(Δφ)=VDC(−Δφ)V_{\text{DC}}(\Delta\varphi) = V_{\text{DC}}(-\Delta\varphi)）。对于 RLC 网络，容性超前（Δφ>0\Delta\varphi > 0）与感性滞后（Δφ<0\Delta\varphi < 0）输出的直流电平完全一样，单路乘法方案在数学上天然缺失了相位正负的判别能力，相频曲线在正负区间会直接折叠。
  2. 光信道时延带来的动态相移混淆： 可见光链路和模拟调理电路存在固定的时间延时 τdelay\tau_{\text{delay}}，在扫频时会产生随频率线性递增的相移 Δφdelay=2πf⋅τdelay\Delta\varphi_{\text{delay}} = 2\pi f \cdot \tau_{\text{delay}}。当总相移跨越鉴相线性区边界（0∘0^\circ 或 ±180∘\pm 180^\circ）时，直流电平会产生三角波折叠；由于第 1 点中绝对值符号丢失，在软件算法上根本无法进行逆向的延时减法补偿。
  3. 微弱信号过零抖动： 未知网络在截止频率外的阻带衰减较大，输出信号微弱且过零斜率极小。比较器在过零点极易受噪声扰动产生多次翻转的高频振荡，导致方波占空比失真，经过乘法低通滤波后的直流电平严重漂移。
  4. 低频场景下的策略失误： 本题最高频率仅 20 kHz20\ \mathrm{kHz}，本可以直接将两路整形方波送入单片机定时器，利用输入捕获测量上升沿时差 Δt\Delta t；或者使用双通道 ADC 同步采样，再在软件中计算。输入捕获天然能通过边沿到达的先后次序直接判断超前/滞后，且延时补偿是纯线性时差运算；采用“方波乘法器 + 模拟 LPF”属于用高频硬件鉴相思维做低频题，平白增加了硬件故障率并带来了无法解算相位的死穴。

也许是更优的选择？

在最后的优秀作品展出环节，我也看到了其他小组的方案，在这里按方案归纳并整理出一些值得参考与优化的部分：

参考方案一：电子科技大学

  • 光触发硬同步与双核定时器对齐： 发射端在扫频切换时，利用特定频率/特征光脉冲触发接收端；两端 MCU 借助片上高精度高频定时器进行时基对齐。
  • 全同步采样与插值 FFT 提取幅相： 依靠硬同步时基，接收端启动 ADC 同步双通道采样，采用插值 FFT 算法同时提取出未知网络的幅度与绝对相位差，彻底摆脱了硬件乘法鉴相的象限歧义与时延漂移。
  • 硬件 PWM 阶跃激励 + 软件差分求冲激： 冲激响应部分利用 MCU 产生极短上升沿的 PWM 阶跃信号注入 RLC 网络，在接收端对采集到的阶跃响应序列进行离散差分运算（h[n]=s[n]−s[n−1]h[n] = s[n] - s[n-1]），避免了窄脉冲硬件大电流冲击与压摆率饱和失真。

参考方案二：浙江大学

  • 全数字化特征提取与 Goertzel 算法加速相频： 放弃易出错的硬件鉴相器，双路信号调理后直接经片上双路同步 ADC 采集。针对扫频过程中每个已知的单频点，利用单点 DFT / Goertzel 算法替代全序列 FFT，运算开销骤降一个数量级，保证了极高的扫频刷新率与相位符号的绝对确定性，并结合过零点时差测量消除超前/滞后混淆。
  • 幅频/相频联合 IFFT 逆变换重构冲激响应： 在扫频过程中测出网络的完整频响函数 H(jω)=A(ω)ejφ(ω)H(j\omega) = A(\omega)e^{j\varphi(\omega)} 后，直接在软件算法中进行逆傅里叶变换（IFFT），数学重构出系统的单位冲激响应 h(t)h(t)。完全规避了硬件额外设计大电流、高压摆率脉冲发生电路带来的寄生参数和过冲振铃缺陷。

复盘分析

  • 个人准备不充分： 这是最关键的问题，前期没有针对矩阵键盘和代码编写进行训练，也没有对模拟电路及常用元器件的电路图做相应准备。特别是单片机部分，准备阶段我个人只用 AI 写了用户库，却完全没有考虑这些用户库该怎么调用；队友之间沟通也没有很到位，只是机械地写代码、测试、写代码、测试。另外，我用 AI 写的 APP API 库太踏马完善了，最后堆成了一座相当逆天的屎山，在赛场上其实大部分时间都在找屎山中的问题……
  • 策略与节奏失误： 赛题拿到之前其实压根没想过一定要做仪器题，所以拿到题后，A、D 两题其实也做了相应的分析，结果抢题的节奏就没把握好；整个 Day 1 的上午都在分析赛题，根本没有考虑要先进行测试，应该先做相应的测试，再一步一步想方案。Day 1 的进度太慢，导致 Day 2 根本没有对应的时间进行联调；而且我当时过于理想化，因为想着能大概率全做完，所以 Day 1 浪费了很多时间。我当时主要负责硬件，却没有考虑去看芯片的应用电路和内部结构图（之前都会老老实实看完的，可能也是受赛场影响太紧张的缘故），导致 Day 1 调试一个非常简单的过零比较电路都折腾了半天，最后才发现需要加一个上拉电阻。发现之后还在沾沾自喜，现在回想起来甚是羞愧……代码方面则浪费了半天时间在那个莫名其妙的 DDS 模块上面，最后发现还是用板载的 DAC 会更好一些（毕竟准备阶段对应的库函数都写好了）。
  • 执行速度不够： 大概是手脚不够快，也可能是没有特别紧张，导致完成的模块不多，也不够到位。

其实从结果的角度去看，完成第 1、2、4 问以及第 3 问的幅频部分并不难，相频可以放最后去做，没调通也无所谓，至少不会像现在这么狼狈，最后就只剩下一个成功参赛证明……

两届国赛都没有拿出很好的成绩，大概，这就是人生吧，也是充满了遗憾……大学毕业以后，应该也没有这种机会了，也不能再体会到这样公费旅游般的兴奋感了……

一些传承

从复盘分析当中可以看出来，我个人觉得我们这次失败的主要原因是因为前期准备不充分导致的。如果之后的学弟学妹们有参加这个比赛的机会的话，在准备阶段可以参考一下 下面的内容：

  • 代码方面： 因为是封闭式的比赛，所以在代码方面，首先要解决的事情是，你要有一个好用的、本地部署的AI模型，并且可以让他嵌入到Agent当中进行使用，这样的话，你们的代码压力会小很多，因为一只电赛队伍一般是三个人，按照一个硬件手一个软件手一个全能手的配置来看，至少要有两个人部署过AI；除此以外，就是前期的 MSPM0 的用户库，一定要自己进行手搓，重点跑的是：ADC、DAC、SPI、串口、I2C、按键GPIO、输入捕获、还有一个能够正常进行使用的不带存储介质的液晶显示屏（我个人在准备阶段的话，我们主要调的就是一个硬件I2C的OLED和一个SPI通信的3.5寸液晶屏，都要准备），特别是ADC和DAC。

  • 硬件方面： 从硬件的角度来看的话，拿到元件清单第一步先看，有没有电源相关的内容，不要指望一个直流稳压电源能够给所有的东西进行供电。像我们学校常用的 G3507 单片机，是用3.3V进行供电的，而一般情况下，我们都会选择使用 5V 或者 ±10V 进行供电使用（模邀赛题大多数情况下不限制电源的使用，但是只提供 2对 ，也就是 4根线 进行连接）。所以拿到赛题第一步，在硬件方面先做一个稳压电路用于解决单片机的供电需求。准备阶段的话重点要解决两件事：在自己电脑上安装几个离线的滤波器设计软件，如 Filter Solution、TI 的 Filter Pro（通常情况下这个用不到）；锻炼自己的焊接能力（比赛期间基本上就是蹲在桌子前面猛猛吸烟了），至少自己要会掌握在洞洞板上进行贴片元件的常规焊接操作。如果说还有什么的话，就是基础运放电路整理以及数电模电书多翻翻（特别是一些比较少见的数电常用芯片，基本上大家都不是很care这个东西，所以可以多看看，特别是cd4046这款锁相环芯片，最好基础电路去搭几个玩一下）。

  • 资源方面： 别听xiexie的，焊锡丝就直接带两卷新的过去，他给你们剪的那点到场肯定是不够用的；然后就是，一定一定一定要准备一个矩阵键盘，不要把时间浪费在这种控制界面上；往期赛题可以查看德州仪器校园计划的公众号，解法可以找找 复旦陈光梦老师 相关帖子，以及一些来自成电、南大的大佬的类似的blog。

写在最后

加油少年们！！未来属于你们！！！