< 第 8 届全国信息技术应 用水平大赛专项赛 > “ RIGOL 杯”电子系统设计大赛 A 组竞赛选题

1. <第8届全国信息技术应用水平大赛专项赛> “RIGOL杯”电子系统设计大赛A组竞赛选题

2. 目录 • 分布式温室环境监测与控制系统 • 手机电池容量检测仪 • 晶体管特性图示仪 • 高清数字电视测试信号发生器 • 室内路径记录仪 • 幅频响应测试仪

3. 1. 分布式温室环境监测与控制系统 引言 多点、分布式测试在工业、农业生产中非常常见。 工业方面，比较常见的如批量、老化测试，为了提高工作效率和节约人力成本，需要提供多点测试的自动化测试设备。 农业方面，随着农业生物技术的研究与发展，对各种自动化测试设备和系统的需求日趋增加。温室设施的自动检测和控制技术能为作物创造良好的生长环境，同时温室内的高温、高湿作业环境，又需要作业的自动化技术。针对温室环境的自动控制技术、智能管理技术、温室群管理技术正在逐步得到应用，并正向无人化方向发展。

4. 1. 分布式温室环境监测与控制系统 应用举例 M300连接温度传感器

5. 1. 分布式温室环境监测与控制系统 应用举例

6. 1. 分布式温室环境监测与控制系统 设计一套包括至少4个（并具有可扩展采样点数量的能力）位于温室当中不同位置的采样点，和一个中央控制显示单元的分布式温室环境监测与控制系统，能够实现对温室当中空气和土壤的温湿度进行监控和记录，并根据用户所设置的环境条件要求进行相应温室内相关区域的温湿度调节。 设计目标

7. 1. 分布式温室环境监测与控制系统 • 中央控制显示单元所采集的数据，能够以某种方式上传到网络服务器（例如APRS-IS）上，供用户远程进行查看 • 中央控制显示单元能够接收手机短信方式对系统参数设置进行修改，或者直接控制对应的执行机构，并通过短信反馈修改或执行的结果 基本要求 • 采样点需要采样的环境变量至少包括：土壤的温度、土壤的湿度、空气温度、空气湿度 • 采样点通过无线方式与中央控制显示单元进行通讯，采用可再生能源进行系统供电，并能24小时连续工作 • 中央控制显示单元能够连续记录至少1,000,000个数据采样点，每个测量数据认为是一个数据采样点，数据采样点之间的最快采样间隔不得低于500ms，最慢采样间隔大于10分钟，并在意外掉电24小时之内能够保持这些数据，所采样的数据可以通过有线或者无线的方式下载到计算机当中进行显示和简单的数据分析，数据能够通过分辨率不小于VGA的LCD进行显示 • 中央控制显示单元能够控制不少于16台风扇，16个喷淋灌溉阀门和16个电动控制电动卷帘机构，以220V灯泡代表相应的执行机构 扩展要求

8. 1. 分布式温室环境监测与控制系统 • 至少4个环境变量并且可扩展：温湿度传感器的选择，单片机中ADC通道数的选择 • 无线方式：Zigbee无线通信方式的应用 • 可再生能源供电：太阳能电池板、风力、水力的应用 • 24小时连续工作：电源管理模块的设计 • 1,000,000个数据、不得低于500ms、大于10分钟：单片机中ADC的选择和采样数据处理 • 意外掉电：非易失数据存储管理、单片机外围存储器的选择 • 有线或者无线方式下载：单片机与PC的通信方式：USB或LAN、蓝牙 • 分辨率不小于VGA：选择分辨率大于640x480的LCD，考虑单片机的驱动能力 • 16x3执行机构：单片机端口扩展 • 220V灯泡为执行机构：强弱电隔离处理，光电耦合等技术的应用 • 数据上传网络：英特网技术，开源资源的应用（例如APRS-IS） • 短信控制和反馈：GSM模块的短信应用 要点分析

9. 1. 分布式温室环境监测与控制系统 参考框图 数据采集单元

10. 1. 分布式温室环境监测与控制系统 参考框图 中央控制单元

11. 1. 分布式温室环境监测与控制系统 验证方法 基础： 1.现场对土壤的温、湿度进行采样，LCD观察数据 2.调节采样间隔，观察变化 3.断电后再上电，看之前的数据是否消失 4.使用灯泡代替相应的执行机构，控制电灯开关 扩展： 1.上相应的网站，看数据是否传上 2.发短信进行控制

12. 1. 分布式温室环境监测与控制系统 Q&A

13. 2. 手机电池容量检测仪 引言 电池性能的重要性能指标之一是电池容量，它表示在一定条件下（放电率、温度、终止电压等）电池放出的电量，通常以安培·小时为单位（简称，以A.H表示） 但对于不同电压的电池，不能单纯用安时来代表容量，比如一块12V 20AH的电池，一块15V20AH的电池，都是20AH，供给相同功率负载，设备都能正常工作，但持续时间是不一样的，所以标准容量应该以功为单位。

14. 2. 手机电池容量检测仪 背景知识 标称电压：电池在常温下的典型工作电压。 终止电压：电池放电或充电时，所规定的最低放电电压或最高的充电电压。 电池放电倍率C：用来表示电池充放电时电流大小的比率，即倍率。如1200mAh的电池，0.2C表示240mA（1200mAh的0.2倍率），1C表示1200mA（1200mAh的1倍率）。 1C,2C,0.2C是电池放电速率:表示放电快慢的一种量度。所用的容量1小时放电完毕，称为1C放电；5小时放电完毕，则称为1/5=0.2C放电。一般可以通过不同的放电电流来检测电池的容量。对于24AH电池来说，2c放电电流为48A，0.5C放电电流为12A。

15. 2. 手机电池容量检测仪 背景知识 第一阶段：恒流阶段，电压较低，充电电流保持不变 第二阶段：恒压阶段：电压升到终止电压后，进入恒压模式（充电电压波动应控制在1%以内） 第三阶段：涓流阶段：电流下降到某一阶段后，进入涓流充电阶段

16. 2. 手机电池容量检测仪 背景知识 放电电流不能过大，过大会导致内部发热，导致电池永久性损坏 电池电压不能低于放电终止电压，若仍继续放电，会产生过放现象，会照成电池永久性损坏。

17. 2. 手机电池容量检测仪 设计目标 设计一套手机电池容量检测仪，能够对至少一个手机电池进行自动充放电控制，并通过若干个充放电周期测量其实际容量。

18. 2. 手机电池容量检测仪 • 能够对铁锂电池组等其他类型的新型电池组进行充放电以及容量测试，电池组容量不小于4200mAh • 能够实现1C及以上的快速充放电能力 • 通过软件能够设置并精确控制充放电电流的能力 • 根据电池容量和电池最佳充放电曲线自动选择并控制充放电电流的大小 基本要求 能够对标称电压3.7V，容量不小于4200mAh的锂离子电池或电池组进行充放电，充放电能力不小于0.3C 考虑锂电池对于充放电截止电压的敏感性，测量和控制过程当中，电压精度要求达到1mV，电流精度要求达到1mA 充放电切换开关不能使用机械开关，包括继电器等机械切换类开关 通过一个分辨率不小于VGA的LCD显示屏显示当前的充放电实时状态，以及历史充放电记录曲线，计算并显示测量完成后的手机电池容量，能够用计算机下载并显示被测手机电池的充放电特性曲线数据。考虑充放电时间要求，验证充放电过程的时候，可以采用经过时间剪辑的视频方式展现各个单元的工作状态，采用数采系统或带数采功能的高精度数字万用表获得的性能测试结果曲线验证实际性能与过程 能够选择预先设置的电池类型，或者进行手动数值设置，确定充电以及放电截止电压选择点 扩展要求

19. 2. 手机电池容量检测仪 • 0.3C ：要求电流大小为0.3C×4200mAh = 1.26A • 电压精度要求达到1mV，电流精度要求达到1mA：要求采集放电电压和电流的ADC位数大于等于16-bit，并选择尽量小的采样电阻；要求控制充电电压和电流DAC位数大于等于14-bit • 不能使用机械开关：使用电子式开关 • 分辨率不小于VGA：选择分辨率大于640x480的LCD，考虑单片机的驱动能力 • 计算机下载并显示：单片机与PC通信，文档结果呈现 • 数采系统或带数采功能：高精度数字万用表（DM3058/DM3068）或数采系统（M300）的使用 • 1C及以上的快速充放电能力：要求电流大小为1C×4200mAh = 4.2A，大电流/大功率电源电路设计 • 精确控制充放电电流：需设计电压/电流输出与比较均可调的高精度电源电路 • 自动选择并控制充放电电流：智能系统设计 要点分析

20. 2. 手机电池容量检测仪 参考框图

21. 2. 手机电池容量检测仪 验证方法 验证充放电过程的时候，可以采用经过时间剪辑的视频方式展现各个单元的工作状态，采用数采系统或带数采功能的高精度数字万用表获得的性能测试结果曲线验证实际性能与过程。

22. 2. 手机电池容量检测仪 Q&A

23. 3. 晶体管特性图示仪 引言 1947年12月23日，美国新泽西州墨累山的贝尔实验室里，3位科学家——巴丁博士、布菜顿博士和肖克莱利博士在紧张而又有条不紊地做着实验。他们在导体电路中正在进行用半导体晶体管把声音信号放大的实验。3位科学家惊奇地发现，在他们发明的器件中通过的一部分微量电流，竟然可以控制另一部分流过的大得多的电流，因而产生了放大效应。这个器件，就是在科技史上具有划时代意义的成果——晶体管。3位科学家因此共同荣获了1956年诺贝尔物理学奖。 晶体管促进并带来了“固态革命”，进而推动了全球范围内的半导体电子工业。作为主要部件，它及时、普遍地首先在通讯工具方面得到应用，并产生了巨大的经济效益。由于晶体管彻底改变了电子线路的结构，集成电路以及大规模集成电路应运而生，这样制造像高速电子计算机之类的高精密装置就变成了现实 。

24. 3. 晶体管特性图示仪 背景知识 严格意义上讲，晶体管泛指一切以半导体材料为基础的单一元件，包括各种半导体材料制成的二极管、三极管、场效应管、可控硅等。晶体管有时多指晶体三极管。 晶体管主要分为两大类：双极性晶体管（BJT）和场效应晶体管（FET）。 BJT又分NPN型和PNP型。

25. 3. 晶体管特性图示仪 背景知识 晶体三极管特性曲线分为输入特性和输出特性 ，描述各电极之间电压、电流的关系，用于对晶体管的性能、参数和晶体管电路的分析估算。 以NPN 型三极管的共射特性曲线为例

26. 3. 晶体管特性图示仪 背景知识 晶体管输出特性：需测量的两个物理量是晶体管的集电极电流Ic和集电极电压Vce，它们的扫描信号分别是阶梯波和锯齿波 晶体管输入特性：需测量的两个物理量是晶体管的基极电流Ib和基极电压Vbe，输入采用三角波扫描信号

27. 3. 晶体管特性图示仪 设计目标 设计一个晶体管特性图示仪，能够对Bipolar型的晶体三极管进行I-V特性曲线测试注：主要测试输出特性曲线

28. 3. 晶体管特性图示仪 • 所测的的晶体管特性曲线能够通过一个分辨率不小于VGA的LCD进行显示，并且对应的特性曲线能够通过可调整的自动光标进行读数 • 被测晶体管类型包括NPN型和PNP型，基极阶梯电流范围从100uA到10mA分档自动可调，集电极电压从2V到20V分档自动可调，当前测试设置参数能够在LCD屏幕上显示出来 • 在某一特定测量设置条件下，晶体管特性曲线的扫描阶梯不小于10个 • 经过校准后，各个测试点的电压和电流测试准确度不劣于当前测量档位满量程的2% • 能够在U盘上存储当前测试结果的数据或图片 基本要求 扩展要求 • 能够计算并显示当前被测晶体三极管的β（Ic/Ib） • 利用简化晶体管电路应用模型，根据输入的相关应用条件，能够自动求得并显示被测晶体管的最佳静态工作点的位置 • 能够进行MOSFET的特性曲线测试和读数，并计算显示其Gm（跨导） • 基极阶梯电流范围扩展到10uA到100mA，集电极电压扩展到2V到200V

29. 3. 晶体管特性图示仪 • 分辨率不小于VGA：选择分辨率大于640x480的LCD，考虑单片机的驱动能力 • 自动光标读数：通过软件进行处理 • 基极阶梯电流和集电极电压分档自动可调：可编程恒压/恒流源 • 准确度不劣于当前测量档位满量程的2%：需要10-bit的ADC • 在U盘上存储：扩展出USBHost接口，支持U盘存储 • 扩展要求：小电流或大电压的精密电路设计，智能系统设计 要点分析

30. 3. 晶体管特性图示仪 参考框图

31. 3. 晶体管特性图示仪 验证方法 将测试结果与通用测量仪器测试结果做比较： 信号源：CH1输出阶梯信号，CH2输出正弦信号 示波器：使用X-Y模式 NPN型BJT输出特性曲线 PNP型BJT输出特性曲线 DUT N沟道MOSFET P沟道MOSFET

32. 3. 晶体管特性图示仪 Q&A

33. 4. 高清数字电视测试信号发生器 引言 目前，全国广播电视行业中正在全面进行大范围的模拟电视向数字电视、高清晰度电视、交互式电视的转换工作，多种类型的高清晰度电视机也在生成上市。对数字电视测试信号发生器的需求也扩大。 High Definition Television，即“高清晰度电视”，它采用了数字信号传输，即从电视节目的采集、制作到传输，以及到用户终端的接收全部实现数字化。

34. 4. 高清数字电视测试信号发生器 背景知识 常见的视频标准： NTSC、PAL和SECAM、HDTV • NTSC：场频为每秒60场，帧频为每秒30帧。电视扫描线为525行，偶场在前，奇场在后 • PAL：帧频为每秒25帧，电视扫描线为625线，奇场在前，偶场在后。 • SECAM：帧频为每秒25帧，扫描线625行，隔行扫描。 • HDTV：HDTV有480P、576P、720P、1080P、1080I五种显示格式。 • 其中I表示 隔行扫描，英文全称是 interlace，P表示逐行扫描英文全称是 progressive。

35. 4. 高清数字电视测试信号发生器 背景知识 GB2097-1997《彩色电视广播测试图》是目前广泛用于模拟彩色电视广播工程中的国家标准。 这种测试图综合了彩色电视测量中使用的主要测试信号，包括格子信号、圆信号、亮度多波群信号或扫频信号、阶梯波信号、彩条信号、肤色及各种特殊的色块信号等等，这正是该测试图应用得如此广泛主要原因。

36. 4. 高清数字电视测试信号发生器 设计目标 设计一个高清数字电视测试信号发生器，能够产生测试高清数字电视所需要的标准分量信号，输入到被测电视当中能够进行正确的显示。

37. 4. 高清数字电视测试信号发生器 • 该信号发生器能够发生YPrPb标准的数字电视分量信号，覆盖480p，576p，720p，1080i和1080p的各个信号标准，所产生的数字电视信号符合各个信号的标准电平要求，信号分辨力不小于10bit • 能够通过一个不小于VGA分辨率的LCD屏幕显示当前测试参数设置，并预览所产生的信号图形，例如彩条、棋盘、标准电视信号测试图形等 • 能够通过计算机下载一个新的TIFF格式的测试信号图形，并通过高清数字电视测试信号发生器产生，在LCD屏幕上能够预览新下载的测试信号图形，计算机的文件下载速度不得低于1Mbps 基本要求 扩展要求 • 能够产生PAL、NTSC、SECAM格式的标清电视复合信号，通过CVBS端子或者S端子输出 • 能够产生符合VESA标准的VGA信号，具备多个标准模式，最高输出信号分辨率不低于1920x1080@50Hz，并通过计算机显示器显示出来 • 所产生的电视信号幅度，其信号幅度+/-50%可调，步进不大于5%

38. 4. 高清数字电视测试信号发生器 要点分析 • 各种标准的视频信号：使用专有芯片，Video encoder，ADV7340，多制式视频编码器，可以产生要求中的各种信号，包括扩展中的信号 • YPrPb标准：三个分量，3个DAC • 分辨率不小于VGA：选择分辨率大于640x480的LCD，考虑单片机的驱动能力 • 计算机下载一个新的TIFF格式： • 文件下载速度不得低于1Mbps：只能用USB和LAN了，232不行 • 电视信号幅度可调：可变增益放大器8370，AD8330

39. 4. 高清数字电视测试信号发生器 参考框图

40. 4. 高清数字电视测试信号发生器 验证方法 基础： • LCD预览产生的信号 • 通过电视机显示输出信号 • LCD预览tiff格式图片 扩展： PAL、NTSL、SECAM使用示波器进行信号观察 VGA信号使用计算机进行显示

41. 4. 高清数字电视测试信号发生器 Q&A

42. 5.室内路径记录仪 引言 GPS定位技术 • 室内不能定位 • 民用精度10m左右 室内导航技术精度1m以内 大型商场快速找到指定商家、卫生间、出口 家长用来跟踪小孩的位置

43. 5.室内路径记录仪 背景知识 本题涉及领域为“室内导航”。该领域已有的技术主要有惯性导航、超声波定位、无线电应答定位、 激光三维扫描、计算机视觉追踪、GPS信号转发等。题目要求不依赖卫星导航系统，因此可以在除“GPS信号转发”外的其它方法中选择一种来解答本题。 惯性导航（inertial navigation）是依据牛顿惯性原理，利用陀螺仪和加速度计这两种惯性敏感器，通过测量运载体本身的加速度和角速度，经过积分和运算得到速度和位置，从而达到对运载体导航定位的目的。

44. 5.室内路径记录仪 设计目标 设计一个室内路径记录仪，不依赖卫星导航系统，以一个初始点为原点，实时记录和显示在室内行动的轨迹。

45. 5.室内路径记录仪 基本要求 • 以一节5号电池供电。 • LCD显示的轨迹更新间隔时间短于1秒。 • 通过无线通信，将采集到的信息实时上传到PC。 • 显示和记录姿态角，气压信息。 • 温度测量10%误差响应时间小于5s。 • 数据能够直接写入SD卡，并能够从PC直接读取。 • 能够在不超速的情况下，经过>10s并且>20米并且两次回到原点途中2次高度下降1米并抬升至原高度的运动路径后，第二次回到原点后所记录的坐标偏离原点的半径不超过1米。 • 在原点为坐标参照，每隔≤0.2s以(X,Y,Z)格式记录一个当前所处坐标位置。同时记录采样数据的日期和时间。能够记录的数据点数不小于1000点。 • 测量并记录温度，温度测量范围>200 ℃。 • 通过不小于VGA分辨率的LCD显示所经过的三维轨迹。在同一个LCD上实时显示当前的日期、时间、坐标，速度，温度，所经过路径的长度，以及从出发开始所经过的时间。 • 监控当前的速度，当线速度超过2m/s时通过声音告警。 • 能够做到显示的轨迹和实际运动轨迹形状基本一致。 • 系统仅以电池供电。 扩展要求

46. 5.室内路径记录仪 要点分析 • 原点为坐标参照：在原点复位坐标，开始移动后根据原点记录坐标变化 • 温度测量范围>200 ℃：不能用现成的数字温度传感器，需要另外搭建传感器电路，例如用铂电阻 • 分辨率不小于VGA：选择分辨率大于640x480的LCD，考虑单片机的驱动能力 • 扩展要求增加了姿态角：增加了导航数据融合的复杂度，同时对导航精度有了定量的要求，因此需要在硬件性能和软件算法两方面进一步努力，以提高导航精度。 • 增加气压传感器：没有明显增加系统的难度，只是对基础数据结构有影响。做基础部分时可以在基础信息数据结构中预先留下气压数据的位置，以便扩充至扩展部分。 • SD卡：FAT或FAT32文件系统格式，可以用PC上的软件如txt或excel打开即可。 • 电源管理模块：扩展要求和基本要求对电源管理模块的要求差异很大，扩展要求中电源管理模块的输入电压更低，而且对整机的功耗以及电源效率也提出了更高要求。如果希望实现扩展要求，从设计之初就要做通盘的能效规划。

47. 5.室内路径记录仪 参考框图

48. 5.室内路径记录仪 路径验证方法 原点 1.在室内画一个“8”字形的路径，每个圆直径3m（注意：决赛评审不一定是8字） 2.在原点放一个凳子，将记录仪复位，以原点为初始坐标点 3.手持记录仪沿着“8”字形行走，中途两次要将记录仪进行垂直方向0.5~1m的移动 4.最后回到原点放回凳子，将此时记录的坐标与原点进行比较，要求误差<1m

49. 5.室内路径记录仪 温度响应验证方法 热水 空气 1.测量环境温度 2.测量放到热水里直到温度误差在10%时的时间（注意做防水保护）

50. 5.室内路径记录仪 Q&A