2019年电赛方案-C题线路负载及故障检测装置（湖南理工学院）

我们是来自湖南理工学院的龙淑群、邓星峰、胡赟，在2019年电赛中选择C题，并获得国一。感谢达尔闻邀请，在这里分享我们的方案及心得体会，希望帮助更多参加电赛的同学。

作品演示视频↓↓↓

C题要求

设计并制作线路负载及故障检测装置。检测装置只通过两个连接端子与根导线。 导线上 A、B两点距离各自两点距离各自连接端子约5cm ，远端 30cm范围内为连接负载和故障区域。

系统主要器件及方案框图

根据电阻、电容、电感及其组成网络的频率特性，拟采用扫频测量、机器学习等方法进行设计。系统主要由扫频信号源模块、幅值检测模块、恒流源模块、ADC 采样电路和显示模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。下面分别对各重要功能模块进行方案论证。

1、主控器件的比较与选择

方案一：采用AT89S52 等51 单片机作为装置的控制器。51 单片机功耗低，体积小，成本也相对较低，但片内资源少，存储容量小，运行速度慢。

方案二：微控制器采用MSP430 系列的是16bit 的微控制器。该芯片突出优势是功耗低，但片内资源有限。

方案三：采用STM32F407 等ARM 芯片作为主控芯片，该芯片是一款32 位、时钟频率可达168MHz 超低功耗MCU，存储容量大，片上外设集成度高，处理速度快，适合用于复杂算法以及大规模实时系统的控制核心。

综上三种方案，8 位和16 位的单片机难以满足本项目的高性能要求，故本次设计选用低成本、高性能的方案三。

2、扫频信号源的论证与选择

方案一：使用AD9833 芯片。AD9833 是ADI 公司生产的一款低功耗,可编程任意波形发生器芯片,输出频率与相位均可程控调节。

方案二：采用AD9958 双通道DDS 芯片。AD9958 最高时钟频率能达到500MHz，且频率分辨率高，输出频率、相位和幅度均可实现程控，完全能满足本题的要求。

由于AD9833 输出频率范围仅为0MHz－12.5MHz，为了确保实现设计要求，频率输出需留足设计裕量，故本设计采用方案二。

3、幅值检测模块的论证与选择

方案一：使用运放OPA656 搭建峰值检波电路，实时采集放大器输出信号，但电路对元器件的要求较高，设计复杂，调试难度较大，不予采用。

方案二：AD637 峰值检波。AD637 需要±5V 电源供电，检测装置要求只能使用单5V 供电，需另设计电路将单5V 转化为±5V，增加了设计成本，所以不予采用。

方案三：AD8361 峰值检波。AD8361 采用+2.7V~+5.5V 供电，符合题目单5V 供电要求。其频带范围DC-2.5GHz，单5V 供电增益为7.5，方便检测低频、小幅值信号。

综合上述器件特点与供电要求等，本装置选用方案三。

4、ADC 的论证与选择

方案一：ADS1271。ADS1271 为24 位双通道ADC 芯片，具有低噪声、低温失调漂移等高精度性能，但是由于电路设计需要多路ADC 采样通道，故不选择此方案。

方案二：ADS1256。采用专用ADC 芯片ADS1256。该芯片为24 位8 通道ADC，具有极高的精度且I/O 口资源丰富，且可使用差分式测量消除共模干扰，提高稳定性。

由于电路需要多路电压采样，所以选择方案二。

5、系统总体框图

基于上述各模块方案论证，系统总体方案如图1 所示。继电器1 用于切换直流与交流电压（AD9958）输出，继电器2 和3 用于切换恒流源输出。利用ADS1256 三路ADC分别采集负载端直流电压、交流电压真有效值（AD8361）、恒流源电压（短路时使用），两路跟随器将ADC 与负载进行隔离，减少采样电路对测量的干扰。单片机DA 控制恒流源稳定输出，从而测量短路故障时导线上的微弱压降。

图1 系统总体方案框图

测量分析的理论

1、元件值测量分析。电阻、电容和电感三种元件在不同频率下所表现出的特性不同，电阻的阻抗几乎不受频率影响，电容的阻抗随频率的增加阻抗越来越小，电感的阻抗随频率的增加越来越大。因此可将元件串联一个基准电阻进行分压，加真有效值和高精度ADC 通过测取分压大小，以此计算元件值的大小。

2、网络结构识别分析。电阻、电容、电感3 个元件中，任选2~3 个元件串联或并联组成RC 串联、RL 串联、LC 串联、RC 并联、RL 并联、LC 并联、RLC 串联和RLC并联8 种网络结构。电感对低频（包括直流）表现为低阻，对高频表现为高阻。电容对低频（包括直流）表现为高阻，对高频表现为低阻。因此可结合RLC 元件在交直流下的特性区分8 种网络结构。

3、网络故障点定位分析。导线所用网线铜芯有一个微小电阻。通过给导线加一个恒流源，差分放大并采集导线上的微弱压降，通过测量拟合电压与短路点的距离的函数关系可精准确定故障点的位置。在A 点和在B 点加扫频信号，目的是模拟环境噪声。由于导线上的微弱电压信号经差分放大器放大，共模噪声被抑制，不影响信号的采集。

4、元件值的计算

（1）电阻的计算

设串入基准电阻为R1，待测电阻为R2，直流电压为Ui，测得分压电阻分压为U0，待测电阻为：

（2）电容的计算

设串入的基准电阻为R3,待测电容为C，对电路进行扫频，当分得的幅值为输入信号的（根号2分之2）倍时，记下频率f，此时电容的阻抗的绝对值等于基准电阻，即：

（3）电感的计算

电感的计算较为复杂，具体原因是电感存在一个内阻RS，也应该在考虑的范围之内，设输入的基准电阻仍然为R3，通过一个继电器切换恒流源将电感内阻RS 测出来，设输入交流信号为Vi，电感值大小为L，则电感分压V0 满足:

部分硬件电路设计1、扫频信号源

系统扫频信号源采用AD 公司的DDS 芯片AD9958 为核心，首先对AD9958 进行初始化，设置所需主频。然后，AD9958 写入频率控制字、相位控制字、幅度控制字和通道选择控制，以差分方式输出所需频率信号。这里只使用其中一路信号作为扫频源。

图2 扫频源电路

2、AD8361 真有效值检测

AD8361 对输入信号的有效值有7.5 倍增益，实际使用时需要对输入信号进行分压（R16、R18 分压）并加电容C21 进行隔直，为避免R16、R18、C21 以及芯片的输入电阻225Ω构成的高通滤波器对整个系统的测量造成影响，改变电容值的大小使滤波器截止频率降至300Hz 以下，最终确定如图3 所示电路。

图3 真有效值测量电路

程序设计及流程图

1、主程序设计思路

总体上将系统软件分为学习模式、元器件值测量模式、负载网络识别与故障定位模式。学习模式主要是校准负载短路距离与电压的关系，并存储相关参数。元器件测试基于电阻、电容、电感的特性，采用直流加扫频的混合方法区分、测量元件值。网络识别与故障定位模式主要是完成负载开路、短路与网络类型判断。相关重要子程序流程参见后续内容。

2、元件值测试子程序流程图

3、负载状态判断子程序流程图

4、负载网络结构识别子程序流程图

负载网络的类型识别基于负载的幅频特性，采用先直流后扫频的两步法来实现。

5、故障测距子程序流程

由于故障测距是采用恒流源和欧姆定律，程序相对简单，受篇幅限制不再赘述。但需要说明的是考虑短路电阻很小，恒流源需要间歇输出，避免长时间过流发热。

测试方案与结果

1、测试方案

基于模块化思路对硬件模块、软件子程序、系统联调的思路进行测试。确保每一个硬件模块在较小的误差范围内完成相关功能，同样每一个子程序进行严格测试。最后进行系统联调，确保整体性能优秀。测试时严格按试题限定的条件和要求开展。

2、测试仪器

高精密电桥仪LCR821、数字示波器DS2302A、函数信号发生器DG4202、数字万用表DM3058。

3、测试结果及分析

（1）基本部分测试结果

基本部分的负载开路、短路能有效识别并通过LCD 显示屏和LED 灯指示、报警，电阻、电容、电感值测量部分数据记录，以及8 种负载网络类型识别的结果均满足题目要求。

（2）发挥部分测试结果

情况一：AB 点无干扰。情况二：由信号发生器产生扫频信号（方波，峰峰值5V，均值0，线性方式，初始频率和终止频率分别为100Hz 和1kHz，扫描时间为100ms），并接入A 点。情况三：在保留A 点输入上述方波的基础上，再由另一台信号发生器产生扫频信号（初始频率和终止频率分别为1MHz 和10MHz，其它与情况二相同），并接入B 点。三种情况下，短路故障点与A 点（或B 点）的距离测试结果见下表。

（3）测试分析与结论

根据上述测试数据，电阻、电容、电感测试相对误差的绝对值均小于5%，且单个元件的测试均能在2.5s 内完成；可检测由给定电阻、电容和电感3 个元件中，任意2~3个元件串联或者并联组成负载的网络结构，最长耗时不超过3s；在有无干扰的情况下，短路故障点距离测量误差小于0.5cm。由此可以得出以下结论：本装置符合基础部分、发挥部分的全部要求，且各项测量误差、测量耗时性能优于指标要求。

最后，给来年想要参加全国电赛的同学分享一些小小心得：

一、坚持和积累很重要

大一大二提前自学电路、模电等硬件相关专业理论课程同时开始了解基本元器件、芯片、焊接技术及使用AD软件设计制作PCB板等与工程应用相关的专业实践技能。后来就跟随老师一起做了一些大大小小的项目，参赛与实验室的项目培训对于专业能力的培养是相辅相成的。

二、合理安排时间及保持良好的心态 

竞赛需要在四天三晚内完成作品，有的同学前期浪费太多时间到后面就越慌张，后期可能睡眠有些不足，就容易犯糊涂，这个时候调试作品也可能会越调越糟糕甚至完全崩盘。我们在竞赛的心态上可以佛系一点，不要定太高的目标给自己施加压力，但行动上必须务实一点，尽快完成系统的搭建实现模块联调，不要拖拖拉拉浪费时间，做好的本分的事情拿奖就是水到渠成。另外：感觉撑不住了一定要睡一小会，合理休息不是浪费时间，带着思维混乱的状态苦撑是大忌。

三、养成规范操作的习惯

因操作不规范造成作品损坏而错失大奖太可惜了，我们在平时就应该养成好习惯：拿取及运输作品的时候要轻拿轻放、上电前先测试电源是否短路、调试时避免带电操作造成作品损坏、演示作品时注意动作幅度不要过大等等。

能够取得一个不错的成绩还是挺开心的，感谢父母，感谢湖南理工学院，感谢我的导师陈松老师，感谢队友的共同努力及实验室的小伙伴们平时在学习上和生活上给我的帮助。

达尔闻将每周更新电赛优秀作品方案解析，请持续关注。

如果你也想分享你的作品，欢迎投稿！

国奖出炉！2019年全国大学生电子设计竞赛获奖名单(初评)公布（点击查看）

在电赛器件公布之际，达尔闻就为大家准备猜题及关心的问题整理：

电赛猜题直播回看：

www.bilibili.com/video/av61721215

电赛猜题文字版：猜题人要点总结！全国电赛器件清单对比，9万+直播在看

电赛题目公布：19电赛赛题正式公布！准备好了么？是时候验证猜题了

同学们最关心的问题整理：2019年电赛最全各类题目细节问题解答汇总

关于电赛的测评部分，达尔闻邀请了国一选手以及西电的同学第一时间分享测评过程及综测解析：

总测评现场，达尔闻现场采访了参与测评的同学：观看采访

达尔闻为参加电赛的同学们准备了以下课程：