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2025-04-02
发表了主题帖：国电赛赛程与选题建议-写给小白与新手【25年全国大学生电子设计竞赛】

本帖最后由火辣西米秀于 2025-4-2 08:16 编辑国电赛赛程与选题建议-写给小白与新手【25年全国大学生电子设计竞赛】
2025-04-01
发表了主题帖：电赛控制类该怎么准备？看看往届赛题分析吧

自2011年起，国赛至少出现两道控制类赛题，它们分别是本期就来分析一下除此之外的控制类赛题 01 2011 - B题基于自由摆的平板控制系统赛题分析其设计要点是： 02 2013 - C题简易旋转倒立摆及控制装置赛题分析其设计要点是： 03 2015 - B题风力摆控制系统赛题分析风力摆装置机械结构部分主要直流风机、激光笔摆杆、万向节和支架组成。使用直流风机驱动摆杆做不同形式的运动，使激光笔在地面画出相应轨迹.在运动过程中，风力摆空间姿态由测量模块检测，反馈回主控制器，经过控制算法的数据处理之后输出 PWM信号到驱动模块，进而驱动风力摆运动。此题是四旋翼飞行器的简化版。可以采用 MEMS工艺三维角度传感器、高精度惯性导航模块等传感器，或者采用摄像头检测风力摆的运动姿态，包括三维位置及运动趋势;采用高性能单片机/嵌入式处理器/FPGA进行信息处理、运动建模、算法控制;通过各风扇间的协调控制，实现风力摆的各种运动轨迹。其设计要点是： 04 2017 - B题滚球控制系统赛题分析这是一个经典的运动控制项目，小球在平板上的运动方向及速度，取决于重力及平板对小球支撑力。平板中心是一个固定在万向节上的定高支撑点，另有两个由直线型电机。滚球控制系统作为双输入双输出非线性系统，具有强耦合性、无约束欠驱动性、视觉滞后等特性，数学模型复杂。系统实现涉及机械设计、非线性动力学建模、自动控制算法应用、运动轨迹规划、视觉伺服控制应用等诸多领域，需要应用非线性系统分析与控制的相关理论知识。需要运用传感器及检测技术、信号放大、模数信号转换、数据显示、参数设定、反馈控制、PID控制及参数设定等相关知识与技术方法。并涉及测量仪器精度、线性度，硬件及软件反馈，仪器设备标定及抗干扰等工程概念与方法。其设计要点是： 05 2019 - A题电动小车动态无线充电系统赛题分析其设计要点是： 06 2019 - J题模拟电磁曲射炮赛题分析不只是电赛，控制类的设计在未来也会成为主流，并应用于身边的方方面面。我们做控制类题目应当需要哪些准备工作呢？小编为大家总结了以下内容： 1、电源模块：常用的电源稳压模块12V,9V,5V,3.3V和双电源±5V, ±12V 可调升压电源模块 2、最小系统：确定一种比赛用的单片机，C51，AVR，FPGA，STM32，TI处理器（MSP432, TIVA, C2000, MSP430）等，做一个最小系统，引岀所以端口。 3、驱动模块：此属于控制类题必备的模块，常用的L298，L297,，UNL2003, UNL2803 等。 4、信号处理模块：信号处理模块主要把一模拟信号转为开关量。把一些信号转为其他信号（把正弦波转为方波），电压比较器（LM393, LM339），信号放大（常用运放 TL082，TL084） 5、AD，DA 模块：现在高级一点的单片机都带有AD，DA模块也需要准备一些。 AD, DA模块能在一些传感器场合中用到。 6、传感器模块：（准备阶段的重点）循迹光耦（一般是黑线）也可以借鉴飞思卡尔智能车大赛，循导线（带有一定频率的导线）驱光模块（光敏电阻或者光敏二极管）霍尔传感器接近开关（探测金属）超声波传感器（测距，避障）红外（无线遥控，避障）角度传感器加速度传感器湿度传感器烟雾传感器，温度传感器，颜色传感器 7、声控模块，语音播放模块，录音模块 8、单片机外接人机模块：数码管显示，液晶显示，LED灯，蜂鸣器，矩阵键盘，独立键盘。 9、无线模块（无线串口模块，NRF905，CC1100等选择一种）。 10、电机类（减速电机，步进电机，测速电机）
2025-03-28
发表了主题帖：【2022电赛D题】用点手段搞出40M的混沌信号

【2022电赛D题】用点手段搞出40M的混沌信号
2025-03-27
发表了主题帖： 2023年电赛D题国奖信号调制方式识别与参数估计装置-电赛D题作品解析：

本帖最后由火辣西米秀于 2025-3-27 08:43 编辑 2023年电赛D题国奖信号调制方式识别与参数估计装置团队介绍奖项全国一等奖学校浙江大学团队硬框野怼作者i c e （负责硬件）Shen（负责软件）Ying（负责FPGA和其他）题目要求设计摘要题目分析一、AM、ASK解调方案一：采用无源二极管检波二极管检波只需要极少量无源器件即可完成解调，但是对小信号的解调，存在较为严重的失真。方案二：采用有效值检波采用ADL5511真有效值检波芯片，可以直接实现包络检波输出。其电路简单，易于调试，只需要改变输出的电容电阻即可完成解调。方案三：采用FPGA包络检波FPGA实现包络检波可以有效减少谐波失真，且在后级加滤波器即可完成检波。其难度过高，外围复杂。综合以上三种方案。考虑到竞赛时间与解调难度等因素。选择方案二二、FM、FSK解调方案一：采用模拟PLL解调使用NE564宽带PLL解调方案，NE564对于宽带信号具有很好的解调效果，但是题目要求的调制度在1~5之间，带宽较窄。方案二：采用立体声调频解调芯片使用RDA5820高集成度立体声解调芯片。但是其仅支持65~115MHz的FM解调，因此使用混频器将2MHz信号上变频到100MHz。由于调制度过小，使用OP37将信号放大50倍，后使用低通滤波器滤波，效果较好。方案三：采用数字解调使用FPGA对信号进行直采，使用相干解调调整参数完成解调，DAC输出。但是，其难度较高。综合以上三种方案。考虑到该题信号调制度与解调难度。选择方案二三、PSK解调方案一：采用模拟解调使用PLL进行载波恢复，后依靠恢复的载波进行模拟相干解调。该方案难度较高，调试难度大。方案二：采用数字解调将PSK信号放大后传入FPGA中，对PSK信号使用数字非相干解调。该方案易调试，且难度相对于方案一较低。综合以上两种方案。方案二更加快速迅捷、难度更低。选择方案二四、信号识别和参数计算方案一：采用分析解调信号采用分析解调信号的方法，将信号进行解调，最终通过各个解调电路的输出信号进行判断。如将ASK和AM信号解调后通过判断方波还是正弦波即可判断。方案二：采用时域分析和频域分析采用时域分析和频域分析混合分析。同时考虑频率和时域特征，从而判断出6种信号类型并进行相关参数。方案简单，易于操作。综合以上两种方案。考虑到整个装置的功耗，以及识别准确度和参数计算准确度。选择方案二五、混频电路设计方案一：采用无源混频方案使用mini-circuits的ADE-1无源混频芯片，可实现10MHz~1GHz信号的混频，但是由于内部是二极管混频，谐波失真较为严重。方案二：采用AD835四象限有源混频方案250MHz电压输出4象限乘法器AD835，高输入阻抗不用进行阻抗匹配，电路简单，易于调试，且效果较好。综合以上两种方案。为了减少谐波干扰。选择方案二总体框架设计本系统基于MSP432对信号调制度进行测试，并搭建硬件电路用于AM/FM解调，使用FPGA对ASK、FSK、PSK信号进行解调，总体框图如图1所示。输入信号分为两路：一路用于信号类型识别和参数计算，另一路用于信号解调。第一路：采用超外差方式使用OPA847放大信号，MSP单片机控制DDS输出1.95MHz信号；再使用乘法器AD835将输入信号下变频到50kHz；后使用100kHz滤波器滤除高频分量；将信号抬升后使用单片机内置ADC采样，在内部实现信号类型的识别和相关参数的测量。第二路：分路解调方案由单片机控制继电器，选择不同的通路，来对不同类型的信号进行解调。若为AM、ASK信号，采用包络检波的方式。若为PSK信号，送入FPGA非相干解调。若为FM、FSK信号，使用DDS输出98MHz的本征信号将2MHz信号抬升至100MHz。使用立体声芯片RDA5820扫频后解调出FM与FSK信号，使用OP37将信号放大后再使用5kHz低通巴特沃兹滤波器去除高频分量。同时判断出的FSK信号通过高速比较器将滤除高频分量的方波重新转化为完整的方波。硬件电路组成在硬件设计中，该装置使用AM包络检波芯片（ADL5511）、FM解调芯片（RDA5820）、高速比较器（TLV3501）、有源乘法器（AD835）等一系列器件。除此以外，利用OPA847、THS3001等高速运算放大器制作的反向比例放大器也被使用其中。以下是较为重要的电路的说明。一、AD835混频电路混频电路主要使用模拟乘法器AD835，只需要极少的外部器件就可以达到250MHz的带宽。具体设计如图3所示。此处将X2、Y2、Z接地，得到W=X1Y1的混频输出，后级接滤波器即可完成上下变频。满足题目对上下变频的要求。二、ADL5511包络检波电路 AM、ASK包络检波主要使用ADL5511模块，其外部电路简单，能实现DC至6GHz包络和真有效值检波输出。该题使用该芯片只需要配置最基础的电容电阻即可完成包络检波的效果。满足题目对AM、ASK解调的要求。三、RDA5820立体声解调FM解调电路 RDA5820是一款集成度很高的FM解调芯片，如图4所示，本系统仅使用其立体声解调功能。RDA5820仅支持65MHz~115MHz的FM信号解调，调制信号仅支持25kHz以下，满足题目要求。程序流程图本系统由MSP432单片机控制。首先初次化，然后对调制度进行测量，由MSP432控制继电器实现合并输出。调制方式的判断基于6个信号的时域频域输出：通过测量峰值判断是否为AM信号。通过测量平坦度判断是不是ASK信号。通过频域信息，分别判断CW、PSK、FSK、FM信号。通过频谱峰值之间的间距，计算信号的基波频率。通过信号的频谱峰值计算调制度。根据不同的输入信号类型，导通相应的解调通路，完成解调。一、调制方式识别时域区别法通过时域可以区分AM、ASK信号和其他信号。 AM信号因为峰峰值大于100mVpp而区别于其他五种信号。 ASK信号在时域上的0码元处为0，因此可以通过时域上的平坦度测试而区别于其他五种信号。频域区别法通过频域可以进一步区分CW、FM、FSK、PSK信号。 CW的频谱只有一个主峰。FM的频谱经下变频后中心频率为50kHz，且50kHz处有主峰，侧峰间隔为调制信号频率。 FSK的频谱经下变频后中心频率为 kHz，侧峰间隔为二进制码速率的一半。 PSK的频谱经下变频后中心频率为50kHz，且50kHz处无主峰，侧峰间隔为二进制码速率。二、参数估计原理 AM 通过频谱测量相关参数，主峰和侧峰间隔即为信号频率，两个侧峰幅度相加除以主峰幅度即为调幅系数。 FM 通过频谱测量相关参数，主峰和第一个侧峰间隔即为信号频率F。通过计算98%频谱能量的有效带宽B，计算调频系数。由此初测得到的大致参数后，再由Bessel函数进行修正，得到精确的值。 ASK 通过频谱测量相关参数，频谱主峰的间隔为二进制码速率的一半。 FSK 通过频谱测量相关参数，频谱呈对称结构，假设中心频率为 kHz，转换为原始的频率差为 kHz，侧峰间隔为二进制码速率。 PSK 通过频谱测量相关参数，频谱主峰的间隔为二进制码速率。
2025-03-26
发表了主题帖： 2023电子设计竞赛 C题电容电感测量装置国一

本帖最后由火辣西米秀于 2025-3-26 08:21 编辑描述一、团队介绍团队有三名成员，来自西安交通大学，有幸在本次比赛中获得国一。二、题目要求一、任务基于 TI 公司的 MCU，设计并制作电感及其品质因数 Q、电容及其损耗角正切 D 的测量装置。被测元件接入，一键启动后，在规定时间内自动完成测量。测量装置要提供专用于监测测试频率的信号输出接口，用于实时监测装置的测试频率，如图 1 所示。二、要求基本要求完成电容量及其损耗角正切 D 的测量。（1）电容量测量范围：1nF～100nF，测量相对误差的绝对值不大于 5%。（2）电容 D 值测量范围：0.005～1，测量相对误差的绝对值不大于 5%。（3）在 1kHz～100kHz 范围内，自定某一固定测量频率。（4）测量时间不大于 1 秒。发挥部分完成电感量及其品质因数 Q 的测量。（1）电感量测量范围：10μH～100μH，测量相对误差的绝对值不大于 5%。（2）电感 Q 值测量范围：1～200，测量相对误差的绝对值不大于 5%。（3）装置可分别在不高于 2MHz 和不低于 20MHz 的两个频率范围内测量，测量频率自定。（4）测量时间不大于 5 秒。（5）其他。三、说明（1）本测量显示装置的所有处理器必须使用 TI 公司的 MCU（具体型号不限），否则视为违规，不予测试。（2）参赛队需要自备商用测量仪器，简称自备测量仪器，以便校准自制测量装置。测评时，以自备测量仪器的测量值作为标准值计算测量误差。（3）建议自制测量装置的测试频率与自备测量仪器的一致。（4）可用并联或串联电阻的方式构成等效阻抗元件，校准自制测量装置的参数。三、设计摘要本装置利用伏安法实现了对电容以及电感的测量。装置由 DDS 信号发生、驱动电路、核心待测电路、信号调理电路、TM4C123 核心控制模块、串口屏显示模块构成。DDS 产生固定频率测试信号，在对输入和输出核心待测电路两端口电压信号的调理后，将信号送入 MCU 内置的 ADC 模块，通过时域互相关的方法得到两路信号的幅度和相位信息，进而反推电容值或电感值。对于寄生电容引入的误差，我们采用平均和标定的方法进行校准。经过测试，本装置能够测量 1nF100nF 的电容以及 10𝜇𝐻100𝜇𝐻的电感，及其对应的 D 值或者 Q 值，且测量时间及测量精度满足题目要求。四、题目分析伏安法是利用测试信号经过被测网络后幅度的损失和相位的移动，来计算网络阻抗的方法。对于理想电容元件，我们将其等效为一个复阻抗，即：其中，𝑍为电抗值，𝑗为虚数单位，𝜔为角频率，𝐶为电容值。Q 值定义为一个周期内，储能元件存储和能量和损耗的能量之比，将实际电容或电感等效为理想储能元件与一等效电阻的串联，由于串联下电流相同，因此对于电容，Q 值定义为：其中，𝜔为角频率，𝑅为等效电阻值，𝐶为电容值。伏安法测量优点在于电路简单，参数容易计算，且不会受到频率限制。五、总体设计框图六、硬件电路组成
2025-03-24
发表了主题帖： 2021电赛丨A题-信号失真度测量装置

本帖最后由火辣西米秀于 2025-3-25 08:33 编辑本次给大家带来中山大学队在2021年全国电赛A题获得全国二等奖的作品 2021年大学生电子设计竞赛因为疫情延期到11月。由于团队成员已经全部保研，也为了给低年级同学展现坚持不懈的精神，我们按照推迟后的时间，抱着平常的心态在4天3夜的时限内完成了比赛，获得了国二等奖。我们希望这个有TI单片机、有简单安卓上位机的项目能够为对这方面有需求的人提供帮助。本系统结构十分简单，除了通用蓝牙模块、串口屏、可以免费申请的MSP432E401Y开发板以外，只需要连接一根USB接头的5V供电线和一根SMA信号输入线，信号处理前端则使用了一块运放芯片TLV2316，足矣能够完成赛题要求的参数指标，自制成本低，适合仿制、复现。团队介绍团队成员均来自中山大学，参赛时均为2018级本科四年级学生。其中2名为光电信息科学与工程专业，1名为电子科学与技术专业。工程介绍此信号失真度测量装置由MSP432E401Y、运放增益模块、5V稳压电源、串口屏幕显示、蓝牙模块组成。测量装置提取信号频谱中的谐波信息，并计算得到信号各次谐波的归一化幅值以及信号的总谐波失真度。项目分析根据比赛题目，本信号失真度测量系统的基础要求是能够对基频为1kHz、幅值300mV-600mV、理论THD为3%-50%、最高五次的谐波信号进行采样和THD分析、显示；扩展要求对基频为1kHz-100kHz、幅值30mV-600mV、最高五次的谐波进行THD分析，单周期时域信号复现等处理和显示。赛题要求了用于信号失真度测量的主控制器和数据采集器必须使用 TI 公司的 MCU 及其片内 ADC，不能使用任何数据采集的外设。因此使用TI系列芯片作为主控，如MSP430，MSP432系列。开发板的芯片功耗极低且调度和计算功能强大，如MSP系列芯片内置TI RTOS与FPU单元加速浮点运算功能。开发平台有与Arduino类似的Energia，以及CCS，为了提升ADC处理效率，这里选择使用CCS进行单片机编程。赛题扩展部分要求了能对基频为100kHz的五次谐波进行分析，即500kHz的采样，根据奈奎斯特采样定率，需要使用至少1Msps的ADC进行采样。同时由于系统需要进行DFT计算分析信号，对计算性能有一定要求。因此我们选择MSP432E401Y，主频高达120MHz，拥有最大2Msps、12bit的ADC，SRAM高达256KB，符合赛题要求。系统框图如下所示：硬件上，采用约三倍的运放增益，对输入的谐波信号进行放大。MSP432的ADC最大输入为3.3V，12位精度。本系统使用约三倍的预增益，能够实现对于30mV~600mV的信号的完整采样。使用定时器控制ADC的采样速率，并使用DMA对ADC采样进行了加速，保证了采样时刻的准确性。通过串口屏和蓝牙将测量结果显示出来。软件上，对每次测量，系统首先以250kHz的频率预采样确定基频，满足对1-100kHz基频的采样要求。系统实际的最大采样率为1-2MHz，对于基频100kHz五次谐波即500kHz时，使用最大2M信号完全可以满足信号复现。因此以基频的20倍即20f0为采样率进行采样。因为基频是谐波信号中能量最高的部分，可由DFT的结果预估得到谐波基频f0。根据基频选择合适的采样率后，再计算DFT对频谱分析，得到基频f0，分别在2f0，3f0，4f0，5f0附近进行简单的峰值寻找，即可得到各个频率成分。电路设计我们采用立创EDA设计了输入信号放大电路。放大芯片采用实验室现有的TLV2316芯片，其单位增益带宽为10MHz足以满足此题要求，其低噪声、低偏置特性能够确保输入信号的质量。我们只设计并使用了增益约三倍的同向比例放大，将信号源输入的信号放大之后直接接入单片机的ADC进行采集。由于MSP432的ADC最大输入为3.3V，12位精度，本系统使用约三倍的预增益，并且将运放的电源电压限定为单片机开发板输出的3.3V单电源，以在保护单片机的同时实现30mV~600mV的信号的完整采样。（电路留有用于连接示波器观察的调试端口）使用电路如下：对于串口屏和蓝牙，使用74HC00与非门芯片将模块5V的输出电平转换为单片机所需的3.3V输入。但由于本设计中仅有单片机单向地向串口屏和蓝牙发送数据，并未涉及到数据接收，而串口屏和蓝牙的5V输入逻辑可以兼容单片机的3.3V逻辑输出；因此实际上并未使用到这里设计的电平转换功能，仿制时完全可以不制作这部分电路，只需断开单片机的RX即可。这种单向输出的设计还可支持热插拔，不影响单片机的测量。电路如下： PCB设计基于上述电路设计的信号前端PCB如下，其中左侧为输入SMA插座，右侧分别为用于观察的放大后和放大前的SMA插座（测试时不接）：设计的串口转接板PCB如下：由于实验室快速制版采用热转印+腐蚀液的方法进行，我们只设计了一层单面板，且尽量保证信号线的连通，对于实在无法连接的电源或者地走线，在制版结束后进行手动飞线来保证电路的完整性。作品装配按照上述实物图，直接将腐蚀、焊接完成的2块电路板插接在单片机开发板上即可，连接稳定可靠。测试时，只需连接一根USB电源线和SMA信号输入线。测试流程连接USB电源线和信号SMA线，启动函数信号发生器的输出。手机打开蓝牙，与Bluetooth-Slave设备配对。手机打开上位机APP，选择该设备，并点击“连接”，启动蓝牙监听。改变函数信号发生器的信号，观察串口屏和手机上的显示。测试结果对于基频为1kHz、峰峰值为400mV，1-5次谐波比例为1:0:0.20:0:0.15的低频信号，理论总谐波失真为25%，测量结果为25.37%，误差小于5%。对于基频为50kHz、峰峰值为200mV，1-5次谐波比例为1:0:0:0.15:0.08的信号，理论总谐波失真为17%，测量结果为16.32%，误差小于3%。对于基频为100kHz、峰峰值为40mV，1-5次谐波比例为1:0:0:0:0.1的信号，理论总谐波失真为10%，测量结果为10.00%，误差小于3%。综上，在信号具体数值指标上能够满足赛题要求。总结在本次全国大学生电子设计竞赛的备赛与比赛中，团队独立完成了系统软硬件部分的设计，以及相应方案的测试和完善，完成了赛题，同时也积累了一定电子设计及单片机系统的应用经验。
发表了主题帖：全方位介绍一种RH5串并联混合人形机器人的设计原理

本帖最后由火辣西米秀于 2025-3-24 09:21 编辑人形机器人被设计成类似于人体和/或人类行为。仿人机器人需要刚性结构和良好的质量分布来完成高动态任务。通过在设计中利用并联运动机构 (PKM) 可以轻松实现这些特性，因为与串行机器人相比，它们提供更高的刚度、精度和有效负载能力。然而，大多数现有的双足机器人设计都是基于串行运动链。串并联混合设计结合了串联和并联拓扑的优点，通常用于重型机械领域，例如起重机、挖掘机臂等。此类设计最近也引起了工业界和学术界机器人研究人员的注意。例如，LOLA人形机器人在膝关节中具有空间滑块曲柄机构，在踝关节中具有二自由度（DOF）旋转并联机构。类似地，AILA 人形机器人的腕部、颈部和躯干关节采用并联结构。此外，由 NASA 约翰逊航天中心建造的 NASA VALKYRIE 人形机器人的设计也遵循类似的设计理念，在其腕关节、躯干关节和踝关节上采用 PKM 模块。DLR 的两款扭矩控制人形机器人 TORO PAL Robotics 的 TALOS主要包含串行运动链，但在脚踝处利用简单的平行四边形连杆来产生俯仰运动。这种混合设计的动机是实现轻量化和紧凑的机器人，同时增强刚度和动态特性。然而，人形设计的评估仍然很重要，因为它需要利用系统全部动力学的全身轨迹优化技术。轨迹优化（TO）是一种数值优化技术，旨在找到一个状态控制序列，该序列局部最小化成本函数并满足一组约束。基于简化质心动力学的 TO 已成为腿式机器人社区中的一种流行方法。然而，类内运动的跟踪需要瞬时反馈线性化，其中通常求解具有任务空间动力学的二次程序。虽然基于简化动力学模型的TO已显示出很好的实验结果，但事实证明，全身TO可以产生更有效的运动，且力和影响更小。为此，我们专注于一种可行性驱动的 DDP 变体，称为 Box-FDDP，以有效计算动态全身运动，如下图 1 所示。然而，使用这些求解器生成的轨迹通常需要额外的稳定控制器来重现另一个模拟器或真实机器人中的行为。图1.RH5人形机器人在携带两根5公斤重的杆时执行动态行走动作 RH5作为一种新颖的串并联混合人形机器人，具有轻量级模块化设计、高刚度和出色的动态性能，本文介绍的的算法利用这种机器人可以执行重型任务和动态运动。通过在 Box-FDDP 算法的帮助下生成高动态运动来评估 RH5 的功能。同时，提出了一种接触稳定性软约束DDP轨迹优化方法，该方法可生成物理上一致的步行轨迹。本文详细介绍了 RH5 人形机器人的机械设计、电子设计和处理架构、机器人设计评估等。 01、机械设计该机器人的设计比例接近人类。该机器人具有34个自由度，如图2所示。图2:RH5人形机器人的驱动和形态(S:球形.R:旋转,P:棱形,U:通用) 该机器人绕XZ平面对称，其总重量和高度分别为62.5 kg和2m。RH5机器人采用串并联混合驱动，可减轻重量并提高结构刚度和动态特性。下面，我们描述腿部、躯干、头部和手臂的驱动原理和设计。 1、驱动原理：我们使用串联排列的旋转执行器来增加运动范围。然而，对于运动范围较小的关节，我们利用并联运动学的优势。其中，包括非线性传动比、并行执行器力的叠加、更高的关节刚度和最佳质量分布，以减少机器人四肢的惯性。我们使用高扭矩无刷直流(BLDC)电机和谐波传动齿轮，用于串联链条中直接旋转驱动的关节。我们在三自由度肩关节、躯干（偏航）、髋关节（偏航、滚动）、肘部和腕部（滚动）中使用这种类型的驱动单元。头部关节由市售伺服驱动器驱动，并行驱动概念是使用由高扭矩BLDC电机与滚珠丝杠组成的线性驱动单元来实现的。我们根据此设计驱动 RH5 机器人的髋关节（俯仰）、身体关节（俯仰、横滚）以及膝关节和踝关节。商业线性驱动单元用于驱动手腕，并联机构的非线性传动得到了优化和利用，特别是在用于机车四肢向前运动（髋部俯仰、膝部、踝部俯仰）的关节中。选择出现最高扭矩的关节角度，根据步态模式预期的要求使其处于最高扭矩的范围内。在接近关节运动范围(ROM)的极限时，可用扭矩会降低，有利于更高的速度。在下肢使用高度集成的2-SPRR+1U并联机构，使得踝关节设计的性能优于类似人形机器人的踝关节，其重量几乎是其一半。下表中显示了广义坐标中的 ROM、速度和扭矩限制。请注意，对于并联机构，最大速度和扭矩取决于配置。表I：RH5人形机器人在其独立关节空间中的ROM（机器人固定时的广义坐标） 2、腿部控制：机器人的两条腿结构相同，遵循Spherical-Revolute-Universal（SRU）运动学设计。每条腿都有一个3DOF髋关节（通过2DOF串联机构和1-RRPR机构实现），1 DOF膝关节（1-RRPR机构）和2 DOF踝关节（2-SPRR+1U机构）。髋关节的旋转轴相交于一点，该点大约位于机器人总高度的一半（930 毫米）处。两个髋关节之间的距离为220毫米，为了调整可用的运动范围，第一关节轴相对于机器人的 XY 平面倾斜 15 度。大腿和小腿的长度几乎相同，分别为 410 毫米和 420 毫米，大腿和小腿通过膝关节连接，踝关节有两个相交于同一点的旋转轴，轴线交点位于地面接触面上方100 mm 处。通过 4个接触点与地面接触，这些接触点跨越面积为80mm X 200mm的支撑多边形。一条腿的总质量为9.8千克，其中6.2千克分配给大腿和髋关节，2.3千克分配给小腿，1.3千克分配给脚。 3、躯干和头部：我们使用具有3DOF（2-SPU+1U单元）的球形身体关节来扩展身体ROM，这意味着更复杂的行走模式的实现，机器人的改进平衡，以及更大的操纵空间。关节轴的交点位于脚接触区域上方 1140 毫米的高度，重量为 4.8 公斤。身体关节承载着躯干，其中包含机器人的大部分电子设备和电池，并充当机器人四肢之间的连接结构，躯干总重21公斤。该机器人还有一个头部，用作成像和声学感知的传感器载体。这包括 3 DOF 的关节，关节轴的交点位于足部接触区域上方 1800 mm 的高度处。头部重3.3公斤，包括激光扫描仪、立体摄像机、麦克风、红外摄像机和一些处理单元。 4、手臂：机器人配备有两个机械手。每个机械手包括一个 3 DOF 肩关节、一个 1 DOF 肘部、一个 3 DOF 手腕（通过与 2-SPU+1U 机构串联的旋转执行器实现）和一个1 DOF欠驱动夹具。肩关节轴线的交点在右肩和左肩之间的距离为640mm，第一轴相对于机器人的XZ平面向前倾斜14度，以增加躯干前方的操作区域。上臂和下臂的长度分别为355毫米和386毫米。上臂和下臂通过肘关节连接，手腕的三个关节轴也形成公共交点。末端执行器是一个自适应三指夹具，其各个手指同时被驱动。包括夹具在内的上臂和下臂重量分别为 3.6 kg 和 3.3 kg。 02、电子器件单元设计和处理架构 RH5 人形机器人采用混合控制方法，结合了用于低级电机控制的本地控制回路和用于高级控制的中央控制器，如图 3 所示。图3:RH5 机器人的电子和控制单元 1、分散式执行器级控制器特别是，每个单独的执行器都由放置在执行器附近的专用电子设备控制。在硬件方面，这种模块化方法有利于布线工作，因为共享电源线足以与中央控制器进行数字通信。各个电子器件由一个或两个电机驱动器板、一个基于Xilinx Spartan 6 现场可编程网格阵列(FPGA) 的处理板以及一个连接传感器和通信线路板组成。此外，控制级的硬件结构允许分散的低级控制，从而实现低延迟的本地控制循环。这些本地控制器被实现为电机电流、速度和位置的级联反馈控制器，其运行频率分别为 32 KHz、4 KHz 和 1 KHz。此外，本地控制器还提供与高层控制器的前馈连接。这允许前馈速度和电机电流，因此可以局部限制反馈量以实现所需的顺从行为。请注意，关节位置和速度可以在独立关节空间和执行器空间之间进行局部映射，如果绝对位置传感器测量独立关节位置，则初始化电机增量编码器位置偏移也需要这样做。 2、中高级控制中央电子设备基于FPGA/ARM 的混合系统在通过以太网连接的执行器、传感器和中央控制单元PC之间转换路由状态和命令消息。为了最大化传输到中央控制单元 PC 的数据包，同时保证传输延迟的上限，我们实现了一个例程来将翻译层与命令消息同步。在控制PC上，使用机器人中间件ROCK。该框架内的软件组件充当驱动程序，处理执行器设置和交换数据。它还为高级控制中实现的软件组件提供了与机器人无关的接口。驱动器组件以 1 kHz 的频率周期性运行，导致往返时间为 1 ms。 03、使用 DDP 进行分析和控制这里介绍轨迹优化方法并概述仿真和控制架构。 1、接触稳定性软约束 DDP 轨迹优化问题的表述可看成将具有离散时间动态的系统视为可以将其建模为通用函数 f，在给定控制u∈Rm的情况下，描述状态x∈Rn从时间i到i+1的演化。轨迹的总成本J可以写为从初始状态x0开始，并沿着有限时间范围应用控制序列u的运行成本ι和最终成本ιf之和：优化的一个离散时间点（即节点）的成本ι取决于分配的权重αc和相应的成本项Φc，如下所示：因此，我们将通用最优控制问题写为：其中，完整轨迹X ,U是状态序列X={x0,x1, ...,xN }和控制输入U ={u0,u1, ..., uN − 1}满足方程(1)和系统动力学，u和分别是系统的扭矩下限和上限。解决方程(4)的轨迹优化问题,我们使用 Box-FDDP 算法，该算法在开源库 CROCODDYL中公开可用。Box-FDDP 算法凭借其直接-间接混合方法可以计算高动态运动。系统动力学方面采用浮基系统的动力学方程为：其中，M是广义惯性矩阵，h(q,v)是偏置力，q∈SE(3)×Rn是广义坐标，v是切向量，S是具有执行器力τ的执行器选择矩阵，Jci是接触框架ci和λi位置处的雅可比行列式，其作用在接触连杆i上的接触扳手。刚性接触约束中，接触可以表示为运动方程的运动学约束方程(6)，其对应的约束方程式如下：为了在加速空间中表达完整的接触约束φ(q)=0，可以对其进行两次微分。因此，接触条件可以看作一阶微分代数方程，其中 Jc = Jc1···Jck 可以作为f接触雅可比行列式的堆栈。最后，多接触动力学可以表示为：后面，我们通过等式中的成本惩罚来考虑轨迹优化问题的约束（4）。成本项可以包含等式或不等式约束，如下所述。在等式约束的情况下，任意任务可以表示为二次调节项：其中，f(t)和fref分别是实际特征和参考特征。DDP算法利用这些调节函数的导数，即计算成本函数的雅可比行列式和海森行列式。对CoM 跟踪 (ΦCoM) 和左右脚姿势 (Φfoot) 的跟踪都使用等式约束。对于物理一致的轨迹优化同样重要的是考虑边界，例如机器人限制和稳定性约束。这些不平等约束也可以作为惩罚项包括在内。为此，我们使用有界二次项：其中，r 是类似于等式的残差向量（方程9) ， r 和分别是下限和上限。在我们的工作范围内，我们定义了关节位置和速度限制（Φjoints）、摩擦锥约束（Φfriction）和压力中心（ΦCoP）的不等式约束。除了所描述的任务和物理一致性约束之外，我们还优化了扭矩（Φtorques）的最小化并规范了机器人姿势（Φposture）。接触稳定性是指腿式系统轨迹优化的一个关键目标是确保机器人平衡运动，防止机器人滑动和跌倒。我们通过应用接触扳手锥体的概念来确保机器人的稳定性，而不是广泛接受的零力矩点准则。请注意，后一种方法由于假设摩擦力足够高且存在一个平面接触面而受到限制；相反，前者也适用于多触点OC。为此，我们在方程 1 的 OC 公式中对 6D 表面接触进行建模。(4) 对接触力的单侧性、合力的库仑摩擦力以及接触的每只脚的支撑区域内的压力中心 (CoP) 使用如下专用的不等式约束：在等式中(11)中， µ 表示静摩擦系数，并对空间摩擦锥进行建模，cx和cy表示CoP相对于矩形机器人脚的尺寸X和Y的位置。这种运动规划方法就是我们所说的接触稳定性软约束 DDP。 2、仿真和控制架构我们使用PyBullet模拟器中的PD控制器以及真实系统上的关节空间，稳定实时的进行在线跟踪，并使用所提出的轨迹优化方法来规划对应的运动，如下图 4 所示。在下文中，详细介绍了所涉及的内容提供组件。图4:模拟和实验流程接触稳定性软约束 DDP 方法计算固有的平衡运动，并在适当的文件中简洁地捕获这些运动。该轨迹文件包含最佳状态轨迹 X*、OC 输入 U* 以及生成的接触扳手 F*ext作用于足部。使用三次样条将轨迹插值至 1 kHz，以确保平滑度。计划的运动是基于树型机器人模型计算的。对于动态实时控制，这个简化模型足以满足。尽管精度有所降低，但还是很有效的。尽管如此，问题仍然是将结果从独立关节空间转换到驱动空间。使用模块化软件框架 HyRoDyn（混合机器人动力学）来映射为序列化机器人模型生成的轨迹，以计算各个线性执行器的力，低级执行器控制器补偿与参考轨迹的偏差。与仿真Pipeline类似，这种实时控制方法使用位置、速度的级联反馈和附加的电流控制环路。 04、机器人设计评估通过执行各种复杂的动作来评估 RH5 人形设计。其动机是为未来的设计迭代形成决策基础，使我们能够执行此类任务。 1、动态步行变体我们研究高速动态步行步态的有效运动。为此，我们应用了所提出的接触稳定性软约束 DDP 方法，其中每只脚的 CoP 受到约束。通过这种方式，求解器能够找到最佳的动态 CoM 移位以及所请求的接触稳定性约束。图5:使用接触稳定性软约束 DDP 计算的动态步行步态图 5 显示这种方法产生动态平衡的步行运动，其中每只脚（交叉）接触的 CoP 保持在预定义的范围内。该运动本质上是平衡的，因为双脚（LF、RF）的 CoP（十字）保持在 50% 脚覆盖（虚线）的所需 CoP 区域内。按照我们的运动规划方法，我们经常观察到，对于大于 0.35 m/s 的步行速度，需要使用预定义的 CoM 轨迹初始化求解器，以便找到可行的解决方案。 a) 负重行走（5kg 杠）：我们评估了 RH5 机器人在每只手携带 5kg 铝重物的情况下以 0.35 m/s 的速度执行动态行走步态的能力（见图 1）。由于每只脚的 CoP 的不平等约束，会出现自然的 CoM 变化。图6.在机器人速度和扭矩限制内(虚线)每只手各负5kg重量的动态行走步态的最佳解决方案而图 6 则显示了找到的最佳解决方案在关节位置和速度限制以及扭矩限制内。 b) 高速行走（1 m/s）：为了分析 RH5 人形机器人的极限，我们成功地以预定义的 CoM 轨迹以 1 m/s 的速度进行了快速动态行走步态。同样对于这种动态行走步态，OC 求解器在机器人极限内找到了可行的解决方案，证明了 RH5 机器人设计的多功能性。 2、负重下蹲对于快速动态行走，我们分析了预定义 CoM 范围为 20 厘米的动态下蹲运动序列（见图 7）。我们还发现关节位置、速度和扭矩限制得到满足。图7.每只手握5公斤铝棒蹲下 3、跳跃变体我们通过执行高动态跳跃来分析系统设计的局限性。 a) 垂直跳跃：虽然RH5机器人是为步行运动而不是高动态运动而设计的，但在关节位置、速度和扭矩的有效范围内可以进行1厘米高度的垂直跳跃。对于 10 厘米跳跃的情况，关节位置和扭矩限制在容限范围内。然而，起飞时的速度峰值分别超过身体俯仰和膝关节的极限的两倍和四倍。这个效果是可信的，因为膝盖和躯干摆动对于跳跃都是至关重要的。我们采用了一种启发式方法，通过逐步扩展关键关节限制，直到找到可行的解决方案来确定最小的设计改进。对于 10 厘米垂直跳跃，我们发现通过仅将机器人的膝关节速度限制缩放 3 倍即可找到最佳解决方案。 b) 跳过多个障碍物：最后，研究了更具挑战性的越过障碍物的跳跃序列（见图8）。图8.具有挑战性的跳跃障碍序列由于人形机器人不是为此类任务而设计的，因此必须像垂直跳跃任务一样调整关节速度和扭矩限制中提供的有关 OC 问题的公式化、使用的优化约束、提取的设计指南和视频的更多详细信息。我们使用关节空间 PD 控制器证明了 PyBullet 模拟器中优化动态行走运动的稳定性。图 9 监测了不受控浮动底座的优化运动。图9.动态行走步态的关节水平控制产生的浮动底座运动可以看出，浮动底座在 x 和 y 方向上偏差约 ± 10 mm，在 z 方向上偏差约 + 5 mm。由于所提出的接触稳定性软约束 DDP 方法，运动结果是本质上平衡的。因此，本文介绍的轨迹不需要专用的在线稳定器来生成物理一致的运动。 05、总结本文介绍了一种新型串并联混合人形机器人RH5的设计和分析，该机器人具有轻量化设计和良好的动态特性。我们看到使用基于 DDP 的全身 TO 来评估人形机器人的能力具有巨大的潜力。所提出的规划方法可以有效地为 RH5 人形机器人生成物理一致的运动。未来的工作包括在线稳定实验，解决内部闭环任务以及 DDP 公式中的接触所施加的完整约束，最终确保以通过真实的系统实现繁重的任务。
2025-03-22
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本帖最后由火辣西米秀于 2025-3-22 19:36 编辑
发表了主题帖：国一开源 [2023电赛D题]信号调制方式识别与参数估计

本帖最后由火辣西米秀于 2025-3-24 08:34 编辑简介：本系统由FPGA及信号输入放大电路和ADC，以及信号输出的DAC和串口屏构成。该系统能够对AM、FM、2ASK、2FSK或2PSK进行解调并自动识别调制方式及参数测量。描述一、团队介绍我们团队来自华中科技大学电工电子科技创新中心，本次以全指标通过获得了D题全国一等奖。二、题目要求设计制作可对信号发生器输出信号Um进行调制方式识别与参数估计的装置（以下简称为装置）。装置既能显示调制方式识别与参数估计的结果，也能输出解调信号 Uo 供示波器观测波形。装置与测量仪器组成的系统框图如图 1 所示。本次我们的系统可完成上述所有指标的测量，并且可在一秒钟内完成、信号解调、自动识别六种调制方式（CW、AM、FM、ASK、FSK、PSK）、调制参数测量。并可对题目要求的调制参数范围进行扩展。三、设计摘要本系统实现了信号调制方式识别与参数估计功能。该系统由FPGA及其外围电路构成，外围电路包括信号输入放大电路和ADC，以及信号输出的DAC和串口屏。该系统能够在2MHz、100mVpp的载波下，对AM、FM、2ASK、2FSK或2PSK进行解调，并对解调信号进行特征提取，根据不同的特征参数对输入信号的调制方式进行判定，实现了对五种调制方式以及连续载波的自动识别，同时依据解调信号的峰峰值与调制度的线性关系实现了信号的调制参数的估计，并最终显示识别和测量结果、输出解调波形。关键词：模拟调制；数字调制；调制方式识别；调制参数测量四、题目分析理论推导部分详见附件。 4.1 角度调制信号解调方案方案一：非相干解调。方案二：相干解调。方案选择：窄带FM非相干解调如鉴频器解调的抗噪声性能与调制度的立方成正比[2]，因此在调制度下降至1附近时系统的抗噪声能力迅速下降；而相干解调对噪声抑制能力更强。本题中调制度最低为1，且需要对信号进行精确的测量，对噪声较为敏感，因此FM解调选择方案二，且该方案对2FSK和2PSK具有普适性，故均采用相干解调。 4.2 调制参数测量方案方案一：通过调制信号测量。方案二：通过基带信号测量。方案选择：方案一中AM调制度与信号幅值呈线性关系，容易测量，但得到FM的调制度和2FSK的键控系数需要对信号频谱进行分析，其实现较为复杂，且测量精度受制于频率分辨率。方案二中AM解调信号的幅值与调制度呈正比，且FM与2FSK解调信号的幅值也与其调制度或键控系数成正比（分析计算详见下文），故统一测量解调信号的幅值即可计算出调制参数。方案二线性度好，测量和计算简单，因此选择方案二。 4.3 调制方式识别方案方案一：提取输入信号特征。方案二：提取解调信号特征。方案比较：对于输入的调制信号的识别可以通过若干特征参数来判决[3]，对于题目中的五种调制方式及连续载波的判决，需要测量并计算幅值、相位、瞬时频率等参数，而相位、瞬时频率等参数测量难度高且精度低。而不同调制方式的信号经过不同的解调后有不同特征，且主要表现在幅值上，通过计算每一种解调输出有效值和峰峰值足以识别这几种调制方式。因此选择方案二。五、总体设计框图该系统的框图如上图所示。输入信号经过前端放大至后由ADC采集进入FPGA，在FPGA中，将信号分为三路，第一路是通过包络检波的方式对AM和2ASK信号进行解调，第二路则通过将信号延时1/4载波周期后与原信号相乘的方式解调FM和2FSK信号，第三路通过将信号延时1/2载波周期后与原信号相乘，将2PSK转换为脉冲，经过T´触发器得到2PSK解调信号。三路解调并行处理，同时输出结果，只有与输入信号调制方式相匹配的解调通道产生有效输出，据此可以判断输入信号调制方式并测量调制参数。判决调制类型后选择对应通道的解调信号作为输出信号，经过放大后即可由DAC输出；同时将调制方式及参数发送至串口屏显示。六、硬件电路组成 6. 电路设计 6.1 前端信号放大图3为对输入信号进行放大的同相放大电路。信号的输入阻抗与输出阻抗均被调整为50Ω。当信号源设置为50Ω负载，为100mV时，要在ADC输入端产生的信号，需要将信号放大至20倍；信号频率为2MHz，因此放大器GBW应大于40MHz，OPA656可以满足要求。 6.2 DAC输出重构滤波图4为DAC输出端的重构滤波器。图 4 DAC输出端重构滤波器电路基带信号输出的DAC采用DAC8831，在1MHz的采样率下工作。DAC输出端后的重构滤波器转折频率设置为250kHz，传输函数采用四阶巴特沃斯形式，在1M处可以提供-50dB的衰减并在通带内提供良好的增益平坦度，能够使输出信号更平滑。 6.3 ADC设计 ADC使用65MSPS 14Bit的LTC2248，ADC驱动器为ADA4937，0dB增益。详细图见下方嘉立创工程。 6.4 DAC设计 DAC使用轨到轨输出、四通道、16位nanoDAC AD5664，输出缓冲为OPA1688，0dB增益。详细图见下方嘉立创工程。七、程序流程图本系统信号的解调、调制方式识别和参数测量均由FPGA完成，FPGA选用的是内部资源较多的ZYNQ XC7Z035开发板。图5为其PL模块框图，图6为PS程序流程图。 ADC采集进入FPGA的信号在PL端经过三路并行的解调后得到解调结果，将所有解调结果以此进行有效值检测、峰峰值检测和频率检测，检测结果通过AXI总线传至PS端处理。当PS读取到一定数量的数据后便进行一次调制方式识别，识别逻辑详见图2。在确定调制方式后，继续根据测量数据计算调制参数，并将结果打印至串口屏。同时PS将调制方式识别结果传回PL，用于控制多路选择器将对应解调信号输出。源代码及FPGA工程详见附件。八、实物展示九、注意事项 FPGA由于比赛时间比较紧，工程并没有做优化，整体比较大（约3G，Vivado的锅，我不背），附件是传不上去了，我会传到百度网盘里。十、演示视频放在下方附件里了，由于大小限制，只能调到了2倍速，可能语音有些不清晰。十一、附件内容附件1：FPGA工程（百度网盘，提取码1145）https://pan.baidu.com/s/1tqZ0ZmCj2zn33-KizOJK3Q 附件2：演示视频附件3：理论分析设计图 ltc2248 ad5664 7035底板原理图 PCB BOM BOM下载在立创商城下单 No Quantity Device Designator Footprint Value Manufacturer Part Manufacturer Supplier Part Supplier 1 1 ADA4932-1YCPZ-RL U1 LFCSP-16_L3.0-W3.0-P0.50-BL-EP1.3 ADA4932-1YCPZ-RL ADI(亚德诺) C654329 LCSC 2 1 LTC2246IUH#TRPBF U2 QFN-32_L5.0-W5.0-P0.50-TL-EP3.5 LTC2248IUH#TRPBF ADI(亚德诺)/LINEAR C679669 LCSC 3 1 TPS7A2030PDBVR U3 TSOT-23-5_L2.9-W1.6-P0.95-LS2.8-BR TPS7A2030PDBVR TI(德州仪器) C963429 LCSC 4 1 TPS7A2033PDBVR U4 SOT-23-5_L2.9-W1.6-P0.95-LS2.8-BR TPS7A2033PDBVR TI(德州仪器) C2862740 LCSC 5 1 NFM18CC223R1C3D L4 FILTER-SMD_3P-L1.6-W0.8-L_NFM18CC223R1C3D NFM18CC223R1C3D muRata(村田) C98102 LCSC 6 4 GCM1555C1H200JA16D C2,C1,C3,C4 C0402 4.7uF GCM1555C1H200JA16D muRata(村田) LCSC 7 1 GCM1555C1H200JA16D C5 C0402 100nF GCM1555C1H200JA16D muRata(村田) LCSC 8 4 0402WGF5100TCE R1,R2,R3,R4 R0402 510Ω 0402WGF5100TCE UNI-ROYAL(厚声) C25123 LCSC 9 1 0402WGF5100TCE R5 R0402 51Ω 0402WGF5100TCE UNI-ROYAL(厚声) LCSC 10 3 0402WGF5100TCE R6,R7,R8 R0402 24Ω 0402WGF5100TCE UNI-ROYAL(厚声) LCSC 11 1 GCM155R71C104KA40D C6 C0402 100nF GCM155R71C104KA40D muRata(村田) C126523 LCSC 12 1 GCM155R71C104KA40D C7 C0402 2.2uF GCM155R71C104KA40D muRata(村田) C126523 LCSC 13 1 GCM155R71C104KA40D C8 C0402 12pF GCM155R71C104KA40D muRata(村田) LCSC 14 5 GCM155R71C104KA40D C9,C13,C15,C16,C17 C0402 100nF GCM155R71C104KA40D muRata(村田) LCSC 15 1 GCM155R71C104KA40D C10 C0402 2.2uF GCM155R71C104KA40D muRata(村田) LCSC 16 2 GCM155R71C104KA40D C11,C12 C0402 1uF GCM155R71C104KA40D muRata(村田) LCSC 17 1 0402WGF5100TCE R9 R0402 10kΩ 0402WGF5100TCE UNI-ROYAL(厚声) LCSC 18 1 0402WGF5100TCE R10 R0402 1kΩ 0402WGF5100TCE UNI-ROYAL(厚声) LCSC 19 1 0402WGF5100TCE R11 R0402 2kΩ 0402WGF5100TCE UNI-ROYAL(厚声) LCSC 20 1 KT-0603R LED1 LED0603-RD BLUE KENTO C2286 LCSC 21 1 KT-0603R LED2 LED0603-RD RED KENTO C2286 LCSC 22 2 0402WGF5100TCE R12,R13 R0402 20kΩ 0402WGF5100TCE UNI-ROYAL(厚声) LCSC 23 2 DZ254W-22-12-69 H1,H3 HDR-TH_12P-P2.54-H-M-R2-C6-S2.54-W12.5 DZ254W-22-12-69 DEALON(德艺隆) C2935938 LCSC 24 1 0402WGF5100TCE R14 R0402 33Ω 0402WGF5100TCE UNI-ROYAL(厚声) LCSC 25 7 2D02WGJ0330TCE RN1,RN2,RN3,RN4,RN5,RN6,RN7 RES-ARRAY-SMD_0402-4P-L1.0-W1.0-BL 33Ω 2D02WGJ0330TCE UNI-ROYAL(厚声) C425335 LCSC 26 1 KH-SMA-KE5.4 RF1 SMA-TH_KH-SMA-KE-Z KH-SMA-KE5.4 kinghelm(金航标) C5123111 LCSC 27 1 M2510V-02P CN1 CONN-TH_M2510V-02P M2510V-02P XFCN(台湾兴飞) C2764790 LCSC 收起
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本帖最后由火辣西米秀于 2025-3-29 14:50 编辑本文目录 1、电动小车动态无线充电系统 2、巡线机器人 3、线路负载及故障检测装置 4、简易电路特性测试仪 5、基于互联网的信号传输系统系统巡线机器人线路负载及故障检测装置简易电路特性测试仪基于互联网的信号传输系统
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本帖最后由火辣西米秀于 2025-3-22 10:51 编辑下面是全国大学生电子设计竞赛的获奖攻略一、比赛简介全国大学生电子设计竞赛是由教育部高等学校电子信息类专业教学指导委员会主办的全国性比赛，旨在促进大学生电子信息类专业教育和人才培养，推动科学技术创新和成果转化。竞赛面向全国各高校本科生和研究生，分为初赛、复赛和决赛三个阶段。参赛选手需提交符合竞赛主题的电子设计方案，并经过评审后晋级到下一轮比赛。竞赛主题设置多样化，包括但不限于通信、控制、计算机、集成电路、传感器、嵌入式系统等领域的电子信息技术。竞赛要求参赛选手结合实际问题进行创新性的设计，并完成相关的硬件和软件开发工作。参加全国大学生电子设计竞赛对学生具有积极的意义。首先，它可以促进学生将课堂上学习的知识应用到实践中，提高他们的综合能力和实践能力；其次，它可以锻炼学生的创新能力和团队协作精神，培养学生的领导才能和组织能力；最后，它还可以为学生今后的职业规划和发展提供有益的参考和帮助。二、备赛建议参加全国大学生电子设计竞赛需要做好充分的准备，以下是一些建议： 1、提前了解竞赛规则和评审标准在准备之前，要仔细阅读竞赛的规则和评审标准，了解竞赛的要求和重点，明确自己的目标和方向。 2、选择适合自己的竞赛主题根据自己的兴趣和专业背景，选择适合自己的竞赛主题。同时，要结合实际问题进行创新性的设计，注重解决实际问题的能力。 3、组建良好的团队电子设计竞赛通常需要组成一个团队来完成项目，所以要选取志同道合、能力互补的队友，建立良好的团队氛围和合作机制。 4、确定项目计划和时间表为了保证完成任务，需要制定详细的项目计划和时间表。在开展项目过程中，要及时跟踪进度，调整计划和时间表。 5、充分使用资源和工具在设计过程中，可以充分利用学校和社会提供的资源和设备，如实验室设备、软件工具等。同时，可以参考一些已经成功的设计方案，借鉴或改进其中的理念和技术。 6、注重项目文档和演示在项目完成之后，要做好完整的项目文档，并准备充分的演示材料。这对于评委了解项目内容和评审结果都是十分关键的。总之，全国大学生电子设计竞赛需要注重团队协作、创新设计、实际问题解决等方面的能力，需要有系统性的计划和执行。只有认真准备和努力实践，才能在竞赛中取得好成绩。三、学习资料推荐 1、《全国大学生电子设计竞赛指南》该指南由教育部高等学校电子信息类专业教学指导委员会编写，包含了竞赛的基本信息、报名流程、比赛规则、评审方法等内容，对于参加竞赛的选手有很大的帮助。 2、《电子技术应用实例精选》该书是由清华大学出版社出版的一本电子技术应用实例集合，包含了多个方面的电子技术应用案例，如数字电路、模拟电路、嵌入式系统等。这些实例可以为参赛者提供宝贵的参考和启发。 3、《电子装置设计的基本方法》该书由美国电子学会出版，讲述了电子装置设计的基本方法和技巧，包括了问题分析、需求确定、硬件和软件设计、测试和验证等方面的知识。对于电子设计初学者和参赛者都具有较强的参考价值。 4、竞赛官网参赛者可以在全国大学生电子设计竞赛的官网上了解比赛的最新信息和资讯，包括竞赛主题、报名截止日期、比赛时间地点等。同时，官网还提供了历年比赛获奖项目的信息，可以为参赛者提供实例和借鉴。 5、电子技术类论文库参赛者可以在学校或网络上查找相关的电子技术论文库，以了解最前沿的电子技术研究进展和应用实践。这些论文可以为参赛者提供理论指导和技术支持。 6、开源社区开源社区是一个开放的技术交流平台，拥有大量的电子设计相关开源项目和资源。例如GitHub和GitLab等平台，可以提供各种框架、工具和代码库供参赛者学习和使用。 7、电子技术论坛网络上有很多电子技术的论坛和社区，例如电子工程世界论坛、EasyEDA论坛等，这些论坛提供了大量的电子技术交流和分享的机会，可以为参赛者提供启示和帮助。四、比赛规则全国大学生电子设计竞赛的比赛规则如下： 1、比赛阶段竞赛分为初赛、复赛和决赛三个阶段，每个阶段都有不同的任务和要求。 2、参赛对象参赛对象为全国各高校本科生和研究生。 3、参赛作品参赛作品必须符合竞赛主题，完成相应的硬件和软件开发工作，并在规定时间内提交相应的文档和演示材料。 4、评审标准评审标准包括方案创新性、技术难度、实用性、完整性、可操作性等方面。评审委员会将根据这些标准进行综合评估。 5、奖项设置竞赛设一、二、三等奖及优秀奖等多个奖项，获得者将获得荣誉证书和奖金。 6、竞赛纪律参赛者必须严格遵守竞赛纪律，不得抄袭他人作品或谋取不正当利益。如有违反，将取消参赛资格或取消获奖资格。 7、其他规定竞赛主办方有权根据竞赛情况和需要进行调整或变更，具体的规定和要求以主办方公布的信息为准。
2025-03-21
发表了主题帖：电子院TI杯模拟邀请赛经验分享：B题全国一等奖（周润华、陈雄宇、顾开颜）

本帖最后由火辣西米秀于 2025-3-21 07:49 编辑一、竞赛感想很荣幸获得2024年全国大学生电子设计竞赛模拟电子系统设计专题赛（TI杯）全国一等奖。今年的模拟邀请赛决赛在杭州电子科技大学举办，共有110所大学的158支精英队伍参赛，仅有13队获得一等奖。能够在这场激烈竞争中获得一等奖，不仅是我们团队实力的展现，也是北邮在此项竞赛中取得的一次突破。我们为自己和北邮感到无比自豪。（一）选题本次模拟邀请赛的竞赛时间为8月27日8:00~8月28日23:00，在这两天一夜的时间内，我们需要选定题目，并完成所选题目对应系统的制作与调测。8月27日8:00左右，在吃完早饭并上交手机后，我们收到了纸质赛题，开始读题和选题环节。模拟邀请赛在选题上的独特之处，一是不允许同一学校的两支队伍选择同一题目，二是每道题目有选题上限（这次是48队），因此我们在快速审题的过程中，也在与学弟们（北邮另一支参赛队）交流选题意向。今年的模拟邀请赛共有4道题目：A题偏向仪器仪表类，需要制作运放芯片的测试装置，测量未知运放的单位增益带宽、压摆率和静态功耗等参数；B题偏向芯片应用类，需要使用指定芯片和其余必要芯片制作恒功率输出的D类功放，达成规定的增益和输出功率等指标；C题偏向控制类，需要测量周期信号和猝发信号的重要参数，并控制云台用激光笔在紫外线感光纸上绘制信号波形；D题偏向电力电子类，需要制作高压高效率的同步降压转换器，实现对光伏系统供电伏安特性曲线的模拟。学弟们很快选定了C题，我们队考虑到A题2MHz正弦信号产生方式尚不明确（选题时不公布器件清单），1mW的静态功耗测量有难度；D题相关电路实践较少，95%转换效率的难度未知，因此决定选择B题，具有自动音量控制功能的D类音频功率放大器。在后续的制作过程中，我们越发觉得B题适合自己团队，B题的硬件与软件工作量相当，对于我们2人硬件1人软件，且有很多代码积累的配置很合适。（二）制作选定题目后，我们就进场开始了系统制作。由于B题的功放芯片电路十分重要，我们3人首先一起阅读它的数据手册并设计电路，在器件领到后就开始了功放的焊接。在第一天午饭后，我们就完成了D类功放电路的制作，以及确定了前级压控增益放大器的基本设计。但是第一天下午调试VCA810压控放大器的过程则没有那么顺利。首先尝试的面包板测试电路性能较差，噪声大、可用动态范围小，花了一段时间确认电路设计无误，我们决定用焊接方式制作压控放大器模块来改善性能。后面我们一人制作压控放大器和单片机转接板，一人编写单片机程序，一人撰写报告，并且轮流休息，在第二天上午10点左右完成了第一版方案的制作。第一套作品基本能满足题目全部要求，但是增益40dB和输出功率2W这两条测试指标不能同时实现，并且小信号时，放大器的噪声较大。这时我们认为剩余时间还较多，于是决定制作第二套作品，既作为备份，又可通过改进关键位置的焊接方式来提升性能。由于第二套作品的主要工作是硬件焊接，我们把分工变为了两人焊接制作和完善报告，一人编程加入波形显示和频谱显示等其它发挥功能。有些可惜的是第二套作品最终并没有完成，在焊接结束后，第二套作品经过长时间调试也无法正常工作。在8月29日下午的测评环节，我们使用第一套作品，果然因为无法同时达到题目增益和功率的两条要求，只好降低一些输出功率进行测评。但此外的测评指标我们的作品都能很好地满足，因此分数脱颖而出，获得了一等奖，并且参加了8月30日的优秀作品展览。（三）总结与去年的全国电设相比，这次模拟邀请赛虽然时间更加紧凑且是全封闭的环境，但我们的制作进度反而更加符合预期，硬件和软件都是按模块有序地快速推进，从而能够提早完成主体功能。这要归功于我们赛前全面的准备，一方面，我们练习和分析了许多往年赛题，积累了大量相关知识，使得我们在遇到新题目时，能够快速确定可行的方案并付诸实践；另一方面，我们在备赛练习时也遇到了各种各样的问题，这让我们对于自己团队的优势和弱点有了更清晰的了解，因此在这次比赛中，我们能很快确认B题所具有的依据芯片手册制作、软硬件工作量相当等特点，恰好是我们团队的优势所在。总的来说，我们很高兴能有机会参加大学生电子设计竞赛，几次参加电赛的经历，让我们开阔了眼界，提升了团队协作、电路设计和程序开发能力，也有了系统化的设计思想，这些是比最终奖项更珍贵的收获，也是一直维持我们不断前进的动力源泉。欢迎学弟学妹们也加入到电赛中，一起感受电路设计的魅力！二、赛题解析题目：具有自动音量控制功能的D类音频功率放大器（B题）（一）系统架构设计本题需要制作一个带有AGC功能的D类功放，因此系统的主体部分是一个AGC环路，即检测输出功率，将其与设定功率比较后，调节系统中放大器的增益，实现反馈控制，使得输出功率达到设定值。题目要求使用TPA2000D1作为核心芯片制作功放，那么系统的输出级就基本固定了。但是这个功放芯片的增益只有4个离散的值可控，最大增益为23.5dB，为了达到平滑的功率控制以及题目40dB增益的要求，还需要增加一个可变增益放大器。对于AGC环路中的检波与可变增益放大，题目没有过多的限制，我们在比赛时主要有两种想法：一种是使用全数字（软件）的方案，即用单片机的ADC对输入信号采样，乘上一个增益系数后再用DAC输出，这个增益系数则由输出功率与设定功率对比的反馈值来进行控制；另一种则是硬件与软件结合的方案，即在系统中加入一个压控放大器芯片，单片机检测输出功率并生成控制量，由DAC输出压控增益电压来控制放大器的增益。对于第一种全数字方案，我们抽空完成了程控增益放大器的软件编写与测试，但考虑到这一方案代码量较大，且小信号时的信噪比较低，并没有采用。第二种方案则能较好地平衡软硬件的工作量，很适合我们团队，因此选择了它，下面是我们最终使用的系统架构图。（二）硬件部分硬件部分主要由TPA2000D1功放和VCA810压控放大器两个芯片构成。D类功放的电路与手册参考设计基本一致。这款芯片在我们的仿真软件中无法找到。因此在比赛时，我们选择了Tina-TI软件中相近型号的一款D类功放TPA2005D1进行仿真。主要验证了它本身的差分输出是PWM信号，为了得到无失真的输出，需要加入LC低通滤波器将高频分量滤除。压控放大器部分的VCA810芯片需要的控制电压是-2~0V，与单片机DAC可输出的0~3.3V电压不符，需要电平移位，好在VCA810能够在Multisim软件中找到，于是我们也对它进行了仿真。为了尽可能节省芯片，我们仅使用3个电阻实现了无源电平移位，将单片机输出的0~3.3V与负电源按比例相加，从而转换到VCA810所需的-2~0V。（三）单片机部分单片机部分主要实现输出功率检测、增益控制电压产生和交互等逻辑。由于输出端的负载是固定的4Ω电阻，对功率的检测可转化为对电压的检测。这里D类功放的输出是差分信号，其共模电压大约是芯片电源电压的一半，换句话说，功放芯片的同相和反相输出其实仅有正电压，这很利于单片机的采样，只需要电阻分压衰减后，使用两路ADC采样，相减即为负载实际的差分电压。有效值的计算方式是一个重点，这里我们有省赛制作单项功率分析仪的经验，于是直接调用相同的代码，使用时域积分的方式计算信号的真有效值，这样的算法十分稳定准确，并且对于方波和三角波等波形也能正确计算有效值，因此题目最后一问的不同波形功率测量就不需要做更多处理了。测得真有效值后，即可计算出4Ω负载上的实际功率，再将其与设定值对比，生成控制电压输出到VCA810就能完成闭环。由于VCA810的控制电压与增益的对数呈线性，实际功率与设定功率的误差应先相除再取对数来计算，这样的误差值就代表了增益的误差分贝值，会利于控制算法的调节。对于控制算法，在误差较大时使用比例控制实现快速收敛，而为了避免比例控制造成振荡，我们选择在误差较小时使用步进控制（即每次仅调节±1）。这样一来，比例控制参数kp只需要使用估算的大致值，即可实现很好的控制效果，有效地避开了常规PID耗时的调参环节。功率检测、增益控制和交互等实际上是相对独立的几个任务，我们虽然使用的是裸机编程，但参考了实时操作系统的调度思路。具体来说，我们基于系统时间对各个任务进行调度，每个任务仅在其对应时刻运行，从而实现简易的并行化，并使用全局结构体实现任务间的数据共享。这样的程序架构极大地节约了我们的编程时间。三、模拟邀请赛备赛建议适应变化：模拟邀请赛的比赛时间在北京电设之后，两场比赛时间相隔不足一个月。二者虽在考察的技能方面有很多相似之处，但由于比赛形式不同，比赛时的策略和技巧会略有差异。因此，在充分休息后，需要尽快投入模拟邀请赛的真题练习，找到适合团队的工作模式和策略；重视真题：真题练习可以更直接地反映出团队的优势与劣势，也会比其他题目更有针对性。赛前对真题练习做出总结，比赛选题、做题时可凭借经验扬长避短。比如，我们在练习的过程中发现，需要应用陌生芯片的真题，往往是在数据手册典型应用电路基础上进行微调（甚至照抄）。恰好我们比较擅长阅读数据手册，比赛时便选择了需要仔细阅读数据手册的题目，收获了不错的效果；多与队友、同学和老师交流：多交流、多讨论不仅有利于技术问题的解决，还可以让团队氛围更融洽，心态更稳定、更轻松，提高工作效率和幸福指数；在备赛时广泛尝试：备赛练习是成本最低的试错机会。在练习时可以尝试一切无原则性错误的天马行空的想法。比如，赛前我们尝试了马克笔手画电路，蚀刻制板。此法看似抽象，实际尝试后发现因为省去了画PCB、打印、热转印的过程，效率更高。以后的比赛如果允许使用蚀刻法，大家也可尝试此法；仿真能力：熟练使用Multisim、Tina-TI等电路仿真软件；电路设计：熟练使用Filter Solutions、Analog Engineer’s Calculator等电路设计软件，精准快速地得到所需参数。必要时使用MATLAB进行参数计算与数据处理；流程图绘制：熟练使用离线框图绘制软件，如draw.io；保持整洁：比赛的全过程中，注意定时整理桌面，保持工位整洁，物资分类码放整齐，以便寻找；放平心态：比赛时务必按时吃饭，疲劳时注意休息，劳逸结合才能在40小时的比赛中完成更大的工作量；谨言慎行：赛场上周围队伍均为外校代表队，讨论关键问题及对接进度时注意音量，以免引起不必要的关注。同样地，如果在赛场上听到其他队伍进度较快也不要因此有压力，保持好自己的节奏。四、致谢我们衷心感谢崔岩松老师的悉心指导。崔老师精心安排的培训内容在实战中提升了我们电路设计与问题解决的综合能力，让我们能够在比赛中有条不紊地步步推进。感谢一同备赛与比赛的同学们的支持与陪伴，让我们在面对挑战时积极讨论，相互激励，共同进步。感谢学校EE实创创新实践基地，为我们提供了优越的备赛场地和先进的仪器设备。期待电子院在未来比赛中再创佳绩！
2025-03-20
发表了主题帖：电池管理系统BMS被动均衡原理详细讲解

本帖最后由火辣西米秀于 2025-3-20 08:10 编辑在锂电池管理系统中，电池的均衡功能是非常重要的一环，因为它能够确保每个电池单元的电压保持在一个合理的范围内，避免过充或过放，从而延长电池组的寿命和提高安全性。这里我们主要探讨被动均衡的原理，以及它在具体电路设计中的实现方式。 1. 电池均衡的概念锂电池组通常由多个电池单元串联组成。由于制造工艺差异和使用过程中的不同因素，各个电池单元的容量、内阻和充放电特性都会有所不同，这会导致在长期使用中，电池组中的单个电池电压发生偏差。如果不对这些电压偏差进行纠正，可能会导致某些电池过充或过放，从而损坏整个电池组。电池均衡技术通过调整电池电压，使得每个电池单元的电压保持在一致的水平上。均衡可以分为被动均衡和主动均衡两种方式。 2. 被动均衡的原理被动均衡（Passive Balancing）是一种相对简单且成本较低的电池均衡方式。它的原理是在电池组中的某些电池电压过高时，通过连接一个电阻，将多余的能量以热量的形式耗散掉，使这些电池的电压降低，从而达到均衡的目的。电路工作原理：电阻放电：在被动均衡电路中，通常在每个电池单元上并联一个电阻。通过控制电路（如MOSFET开关），当检测到某个电池的电压高于设定值时，开关导通，电阻开始放电，将该电池的多余电能以热能的形式释放出来，使电压降低。电压检测：控制电路会持续监测每个电池单元的电压，一旦某个电池的电压回到正常范围（通常是均衡电压），控制电路会关闭该电阻的放电回路，停止耗能。内部均衡与外部均衡：内部均衡是指在电池管理芯片（如TI的BQ76940或BQ76952）内部实现的均衡功能，通常通过内置的MOSFET和电阻进行；外部均衡则需要外部的MOSFET和电阻来完成，通常能够支持更大的均衡电流。 3. 被动均衡的优缺点优点：成本低：被动均衡电路设计简单，主要元件为电阻和控制开关，成本低廉。电路简单：相较于主动均衡，被动均衡的电路实现更简单，容易集成到电池管理系统中。缺点：能量损耗大：被动均衡的主要缺点是效率低，因为电能被直接转化为热能，浪费掉了。均衡速度慢：被动均衡的均衡电流通常较小，因此均衡速度较慢，特别是在电池组中电压差异较大时。热管理：由于被动均衡过程中会产生热量，需要考虑热管理问题，避免元件过热。 4. 被动均衡电路设计中的考虑在设计被动均衡电路时，需要考虑以下几点： MOSFET的选择：在选择用于开关控制的MOSFET时，必须确保其导通电阻足够小，以减少能量损耗。同时，MOSFET的耐压要高于电池组中最高单体电压，避免击穿。均衡电阻的选择：电阻的阻值决定了均衡电流的大小，需要在效率和均衡速度之间找到平衡。电阻功率要足够大，以承受均衡过程中产生的热量。热管理：均衡电路产生的热量需要有效散热，避免温度过高影响电路稳定性或损坏元件。设计中可以使用散热片或在PCB布局中增加散热通道。短路和保护措施：在设计外部均衡时，必须考虑在电池包短路或其他故障情况下的保护机制，如增加熔断器或设计检测电路，以确保电路和电池组的安全。 5. 被动均衡的应用场景被动均衡通常适用于容量较小、电压精度要求较高但对能量效率要求不高的应用场景，如电动工具、电动自行车、小型储能系统等。这类应用中的电池组规模相对较小，电池单元数目不多，被动均衡能够在合理的时间范围内完成均衡。 6. 总结被动均衡是一种简单有效的电池电压均衡技术，尽管存在能量损耗和均衡速度慢的缺点，但在许多应用场景中仍然被广泛采用。通过合理的电路设计和热管理，可以在保障电池组安全的前提下，延长电池组的寿命，提升系统的可靠性。理解被动均衡的工作原理以及设计中的关键点，对于开发可靠、高效的电池管理系统至关重要。为了更好地理解被动均衡的工作原理及其应用，以下将通过具体的电路示例来详细说明其设计和实现过程。案例一：四节锂电池串联组的被动均衡设计假设我们有一个由四节锂电池串联组成的电池组，每节电池的标称电压为3.7V，满电电压为4.2V。我们的目标是设计一个被动均衡电路，以确保每节电池在充电过程中的电压不超过4.2V。 1. 电路元件选择电阻选择：假设我们希望每个电池单元在充满电时能够通过被动均衡消耗多余的能量。我们选择一个100Ω的电阻来进行均衡，这意味着当电池电压为4.2V时，电阻上的电流为： I = \frac{V}{R} = \frac{4.2V}{100\Omega} = 42mAI=RV=100Ω4.2V=42mA这个电流虽然不大，但对于一个小型电池组来说，足以在充电过程中逐步消除电压差异。 MOSFET选择：我们选择一个N沟道MOSFET（如IRLZ44N），其导通电阻（R_ds(on)）很低，约为0.02Ω，能够承受至少10A的电流，耐压为60V，足够在我们的电池组中使用。控制电路：控制电路通常由电池管理系统（BMS）芯片负责。这个芯片会监控每个电池单元的电压，当检测到某个电池的电压超过设定的均衡电压（如4.2V）时，芯片会触发MOSFET导通，使电阻与电池单元并联，从而开始均衡过程。 2. 电路工作原理说明在这个四节锂电池组的被动均衡电路中，每个电池单元的电压通过BMS芯片进行监控。下面是电路的工作步骤：电池组开始充电：当电池组开始充电时，四节电池的电压逐渐升高。假设初始状态下，所有电池电压为3.6V。监控电压：随着充电过程的进行，某些电池的电压可能会上升得更快。例如，第1节电池的电压在达到4.2V时，而其他电池电压仍然低于4.2V。均衡启动：当第1节电池电压达到4.2V时，BMS芯片检测到电压过高，触发第1节电池的MOSFET开关导通，使100Ω电阻与电池并联。这时，第1节电池中的电能通过电阻以热能形式消耗掉，电压开始降低。均衡结束：当第1节电池的电压降低至4.15V左右时（假设设置的均衡停止电压），BMS芯片关闭MOSFET开关，停止均衡操作。其他电池均衡：类似的，当其他电池电压也达到4.2V时，相应的均衡电路会启动，确保每节电池的电压保持在安全范围内。 3. 具体数值计算和分析 4. 实际应用中的优化在实际应用中，均衡电路可以进一步优化，例如：增加均衡电流：如果希望加快均衡速度，可以选择更低阻值的电阻，例如50Ω，这会增加均衡电流，但同时也需要考虑散热问题。均衡电压设定：可以通过调节BMS芯片的均衡电压设定值来决定何时开始和停止均衡，通常均衡电压设定略低于满电压4.2V，例如4.18V，以防止电池在充电完成后出现过充。均衡过程的管理： BMS芯片可以通过多种策略管理均衡过程，如仅在充电后期启动均衡，或者根据电池温度、内阻等因素动态调整均衡策略。案例二：电动自行车电池组的被动均衡假设我们有一个用于电动自行车的锂电池组，包含12节电池串联，总电压为48V（每节标称电压为4V）。在这种场景下，被动均衡的设计需要处理更多的电池单元，但基本原理相同。 1. 电路设计选择适合的MOSFET和电阻，每节电池均采用类似上例的均衡电路设计。由于电动自行车电池组容量较大，可能需要提高均衡电流，例如使用47Ω电阻以提高均衡速度。 2. 工作过程充电过程：当电池组充电到接近满电时，某些电池的电压可能率先超过4.0V，BMS芯片启动均衡，防止过充。均衡启动：随着充电继续进行，均衡电路在不同电池单元上交替工作，确保整个电池组的电压保持一致。 3. 热管理由于电动自行车电池组的功率较大，均衡电流较高，因此需要良好的散热设计，可能需要采用散热片或强制风冷以维持元件温度在安全范围内。总结通过以上两个具体的电路实例，可以看到被动均衡电路在不同应用中的设计和实现方式。虽然被动均衡在能量利用效率和均衡速度上存在局限，但它的电路简单、成本低廉，适合于多种电池管理系统中。通过合理的设计和优化，被动均衡能够有效提升电池组的安全性和使用寿命。
发表了主题帖： 24电赛H题完赛资料开源，思想开源-(1)硬件讲解

本帖最后由火辣西米秀于 2025-3-20 08:10 编辑在2024年全国电子竞赛的H题目中，我们团队采用了CW32F030C8T6作为核心控制芯片，设计并完成了一款功能完备的智能小车。以下是我们的硬件配置及其功能特性的详细介绍： 1.硬件概述与组成主控板与电源供应小车采用电池供电，主控板集成在顶部，一块主板搞定接口电路。设有便捷的电源总开关，方便操作控制。底盘结构底盘装配有万向轮，确保灵活的转向能力。配备两个带编码器的7.4伏电机，支持精确的运动控制，可以实现速度闭环功能，及累计路径计算功能。传感器与模块配备了一个5咱检测的寻迹模块，用于精确的路径跟踪，方便在黑线上按线行驶。整合了GY901S 9轴传感器，用于准确的角度感知，方便在固定位置转到固定角度，以便调整方向后实现直行功能。调试与工具使用为了便捷的调试和开发，我们采用了创芯工坊的无线调试器。这一工具使得团队可以远程下载代码，避免了频繁的连接电脑，极大地提高了调试效率和时间利用率。 2.设计特点与功能模块化设计主板设计考虑了竞赛环境中的易损性和维修需求。各个功能模块均为插拔式设计，例如CW32的MCU核心板、电机驱动模块（TB6611）和电源模块，方便了现场的快速更换和维修，同时减少了对整体架构的干扰。用户交互与控制设计了人机接口，如按键和显示屏。可设计多功能菜单系统，支持通过按键切换不同的运行模式和参数校准。特别设计的启动/停止按键和指示灯，用于显示当前状态和提供即时反馈。声光提示小车配备了蜂鸣器和指示灯，用于声音和光的提示，增强了用户体验和可视化反馈。 3.硬件原理图如下： END
2025-03-19
发表了主题帖：电子院北京电赛经验分享：B题一等奖（苑洪皓、余克宇、陈壮） ...

本帖最后由火辣西米秀于 2025-3-19 08:15 编辑（本文由参赛队供稿）一、竞赛感想 2024年北京市大学生电子设计竞赛，由北京市大学生电子竞赛组委会组织举办，是对于电子信息类本科生含金量很高的一项竞赛，今年吸引了全市600多支队伍参加。作为60个获得市赛一等奖的队伍之一，我们倍感荣幸。在电赛初期，由于主要练习题目为信号类赛题，所以在选题时经过了多方面极其慎重的考虑。由于考虑到C题的系统难度较大，和H题材料暂时缺失，再结合现有的单片机基础和硬件能力后，我们最终选择了仪器仪表题B题。在暑假的备赛期间，由于起步较晚与基础水平一般，我们总是落后一步，但我们尽可能在电赛培训的过程中不断学习新模块的用法，不断温习专业基础知识。在遇到瓶颈与困难时我们总能团结在一起，互相鼓励，互相推动，而不至于停滞不前。从一开始连元件都认不全，万用板焊不好，到最后能够熟练焊接使用各模块；从没接触M0单片机从头学起，到能够熟练使用FFT等高级算法。我们在电赛期间培养耐心，提升能力，积累经验。同时，在四天三夜的比赛中，我们有着明确的团队分工。三人一人主要进行电路仿真和撰写报告，一人主要研究单片机算法和编写代码，一人主要负责电路原理和硬件制作。高效明确的分工安排能够有效减少重叠无效工作，在一个人取得阶段性进展后，快速将新功能加入到系统中进行测试，有效地提升了工作效率。二、备赛建议电赛需要每一位队员愿意投入时间、金钱和精力。正所谓一分耕耘一分收获。电赛作为团队竞赛，应当不断与队友、同学、老师交流，获取经验与新的思路方法。明晰自己在软件及硬件方面的优势，做好明确的分工。在负责自己工作的同时，也需要对其他部分略有了解，防止出现联调的无法对接。知识储备：负责程序的同学应当熟练掌握模电和数电知识，C语言或python语言编程，（VHDL/Verilog语言），仿真的同学尽可能熟练使用MATLAB，multisim，filter solution进行建模仿真及数据处理。负责硬件的同学则需要掌握PCB知识，熟练焊接贴片与万用板等电路，能自行搭建电路实现功能等能力。模块准备：准备常用的电路模块，尽量避免在比赛过程中制作模块占用宝贵的比赛时间；算法准备：提前编写好常用的数据处理算法函数，为比赛过程节省时间；报告准备：保存一到两份可以直接使用的报告模板。赛题练习：认真练习几道往年的电赛真题，在做真题的过程中，既能巩固先前学会的理论知识、锻炼实践能力，还能更加熟悉电赛题目的难度和风格。做题过程中也可以顺便准备模块，对需要准备哪些模块也有更深入的了解；比赛期间：（1）在比赛前一天一定要整理好工作位置，保证比赛过程中工作区整洁，避免将时间浪费在找东西上；（2）赛前一天可以和队友准备备用工具，备份代码和一些突发问题的应急处理方案，这些会帮助团队以更平稳的心态完成比赛。三、赛题解析赛题展示：赛题大致分析： 1. 首先，看到220V的强电转弱电部分，我们主要考虑了两种采样方案：方案一：采用ZMCT103C系列小型集成器件，与ZMPT101B系列集成互感器进行采样，集成器件包括运放芯片。方案二：采用电流电压互感器TV1013和TA0913进行制板，随后直接进行交流电压和电流信号的采样，通过互感原理实现信号隔离和采样，适用于高电流和高压的应用环境。以上两种方案与赛题要求，方案二更加适合。由于方案一的模块我们事先并不了解，并且使用手册的工作电压无法达到，即使达到了放大倍数过大，ADC无法正常准确采集电压，故采用电流电压互感器进行交流信号的采样。 2. 供电方案选择：由于题目要求不能使用已有的电压源，我们考虑了单，双电源方案。双电源设计复杂性和成本相对较高，同时很容易超出题目要求的50mW功率。而单电源方案设计和实施更加简便，适用于大多数应用场景，通过一定的电平转换和分压跟随措施，确保信号采集过程中供电的精度和系统的稳定性，从而满足需求。而单电源我们使用万用板焊接了一个电压跟随器，为了保证分压稳定的同时降低功率。 3. 屏幕显示与选择：由于题目50mW的功率要求，若直接使用X5系列串口屏的功率过大，无法达到这道题要求，扣分较多。最终我们采用墨水屏作为基波及谐波的电压、电流，THD、功率等参数的显示模块。因为墨水屏的内容的显示不需要内部照明作为背光，并且其图像内容的保持不需要电力供应，图像的刷新有极小的功耗。 4. 代码分析：本项目的采用时域和频域上测量计算，第一，二问在时域上测量，第三问在频域上测量。第一问：对电流和电压的测量，本组在时域进行测量，用单片机的计时器对ADC进行定时采样的触发，并DMA每次连续转运512个ADC采样值，用下公式计算出电流和电压（x为ADC采样值）第二问：对于每个采样点，将信号的幅值进行平方运算，接着求和后取平均值，得到有功功率（P）视在功率（AP），AP=原电压有效值*原电流有效值（根据第一问的电流电压）随后用公式：PF=P/AP计算出功率因数。第三问：将512个ADC采样值进行傅里叶变化（FFT），得到频谱，找到其基波（50Hz）和其谐波（100Hz，150Hz，200Hz…）的峰峰值大小，后把峰峰值大小/(2√2)得到有效值，后把各谐波有效乘上系数得到原电流的各谐波的有效值。随后用以下公式计算THD：（I1是电流信号的基波有效值。I2,I3,…,In是第2次及以上谐波的有效值。）四、致谢十分感谢崔岩松老师的悉心指导，老师安排的培训内容提升了我们在电路系统设计方面的综合能力，感谢一同备赛和比赛的学长和同学们给我们的许多帮助！也感谢学校EE实创创新实践基地提供备赛场地，电路元件和仪器设备。
2025-03-18
发表了主题帖： 24电赛H题解题杂谈和开源工程说明

本帖最后由火辣西米秀于 2025-3-31 08:30 编辑文章末尾提供了开源工程的链接审题和解题思路下面进入正题，先审题目： 2024年电赛H题要求完成自动行驶小车的设计。题目所给出的场地图示是被拉开的两个半圆。共分为四个小问，难度逐级递增。第一问只是简单的走直线，第二问走全程圈，第三问是走8字，第四问在第三问的基础上，走四圈8字。如下图所示：稍加整理，由于电赛在封箱后无法在更改小车。现场也不允许烧录程序，无线调试也是不允许的赛场都不让带手机进去，所以需要同一套程序来跑四问代码，每问题目的逻辑代码切换需要通过按键来完成。在硬件上我们用了四个按键，配置连接的单片机引脚为GPIO上拉输入模式。队友用洞洞板做了一块小板子，焊了四个按键并引出了vcc和gnd电平的接口。题目开头就是一击要求你采用TI的MCU来完成题目设计（其实也没有那么吃惊，在赛前隐约就是有直觉有点猜到了H题会限制MCU，不限制MCU的话赛前干嘛要出推荐的参赛芯片呢，而且推荐的M0系列是23年暑期才上市的基于M33内核的产品，新的不能在新了，电赛控制题又是每年参赛队伍数最多的赛题，而且M0芯片并不适合电源题，高频题这种，TI作为赞助商要推广自家芯片，控制题就是首当其冲的）没有认真备赛，赛前倒是用STM32把小车的底层库搭完了（文末同开源，无代码注释），但是最基础的TI芯片的外设库例程我都没有跑完，3天速通一颗陌生的M0芯片，压力确实不小。最要命的是这个芯片在网上还找不到资源，出了问题搜不到解决方案啊。我又不是什么真大佬，能捧着TI官方详实的英文技术手册啃。另一个题目要求是小车的尺寸宽度限制在15cm，长度限制在25cm，这意味着没有办法上大电机。赛题要求划到最后，是个重击。禁止小车使用摄像头。这个要求直接把小队的视觉大佬给ban下场了。视觉组直接下班。这道电赛题目用视觉能降低不少难度，ban掉视觉意味着只能使用灰度和陀螺仪的方案。陀螺仪在寻找方向上面发挥了非常重要的作用，几乎没有能替代陀螺仪的方案。一个稳定的，没有数据漂移的陀螺仪是你能够完成赛题的核心。硬件组成和引脚分配 TI的芯片拥有自己的DL库（类似stm32的HAL库）同时提供了图形化配置工具sysconfig。与STM32类似，DL库同样是面象过程开发的逻辑（ESP32是面向对象开发的）。 TI M0与STM32同是ARM架构，内核代码极为接近。但作为刚上市的芯片，网上资料约为0。不过因为电赛推荐芯片的缘故，有淘宝厂家出了核心板和对应的拓展板，提供了较为完整的例程。立创开发板也推出了M0系列的核心板。在代码编写的过程中，要用一些外设功能，不知道对应的函数名时，我就会去厂家提供的例程里面翻，看例程里有没有示例。硬件上我们直接采用了德研电科的M0G3507核心板，在赛前我们绘制并打样了核心板转接板，留出了一些串口和i2c接口，留出了屏幕位置和与小车底板的安装孔位。小车底盘和电机从淘宝轮趣科技采购，四驱编码器电机（编码器在我的程序中没有用到，但使用编码器是后期程序改进的重要方向）。电机驱动板采用轮趣的四路TB6612带稳压板驱动，型号是D24A，在硬件接线图中有给出小车与电机驱动板的接线。陀螺仪采用维特的WT61-TTL，在使用程序前需要通过维特自己的上位机配置陀螺仪返回的参数，只勾选返回x,y,z轴3组数据即可（有勾选其余的数据将导致程序解析不出偏航角数据），回传速率至少在200hz以上，视具体的陀螺仪来定，回传速率越快越好。理论上程序适配多种维特陀螺仪（只需要配置返回x,y,z轴3组数据即可）陀螺仪数据稳定性也是越高越好（越贵越好），这里推荐维特HWT101（需要手动改程序，这个陀螺仪只能返回Z轴数据，不过是真的非常稳定），我们所选用的WT61在小车跑到第三四圈时会有不稳定的陀螺仪数据漂移出现。小车所选用的8路灰度传感器，是从往届的电赛器材找出来用的，没有找到购买链接，不过也可以用感为的8路灰度模块来替代，当灰度模块的某路通道扫到高电平时，该通道将返回高电平，灰度模块选购注意选择数字量。由于自己的程序框架的设计要求，当小车在圆弧区时，应使至少一路灰度返回高电平（改动这个等于需要改整个程序框架，建议可以自制一个），后面会展开来讲。 PWM输出输出通道，分别绑定电机驱动板中A，B，C，D四个接口。面向小车前方，左上角第一个电机标记为1，左下为2，右上为4，右下为3。电机驱动板接口定义与电机的对应关系为： 1——A,2——B,3——C,4——D 小车的硬件部分引脚定义如下：引脚端口 PA0 板载LED FL1（左前电机） PA26 FL2（左前电机） PB24 FR1（右前电机） PB9 FR2（右前电机） PA27 BL1（左后电机） PB3 BL2（左后电机） PA17 BR1（右后电机） PA24 BR2（右后电机） PA18 FSTBY（电机驱动使能） PB19 BSTBY（无用） PB13 SCLOLED（屏幕） PA31 SDAOLED（屏幕） PA28 AD0（灰度通道） PB20 AD1 PB11 AD2 PB18 AD3 PB13 AD4 PA16 AD5 PA14 AD6 PA12 AD7 PB15 LIGHT（LED） PA10 BEEP（蜂鸣器） PA11 陀螺仪位置式PID所选定的PID参数（需要根据实际情况整定）： KP 32*0.6=19.2 T=17.7/15=1.18 KI 32.54 KD 2.832 各题的程序逻辑第一题的程序逻辑就是小车直线行驶，只要小车直线跑的不要太歪，第一题很容易实现。在我们的代码中，可以看到runandrun(float a)函数，该函数是直线行驶函数，传入的参数是一个绝对角度。这里对绝对角度做出说明：小车上电时陀螺仪将会复位，小车初始化获取当前的偏航角为0°，陀螺仪解析出来的偏航角数据为绝对角度，范围在-180°—180°之间,小车右转绝对角度减小，小车左转绝对角度增大。当角度增大超过180时会突变为-180° 有关的角度处理程序示例如下，可以对某个角度做加减角度，然后转换为绝对角度 z1=z;z1temp=z1- 180;//z是起始偏航角，也是A->B的方向；z1temp是C->D的方向，与z反向 if (z1temp < -180)//数据处理，类似的程序能够保证计算出来的角度是绝对角度，由陀螺仪处理得到的角度范围是-180~180。 { z1temp = z1temp + 360; } else if (z1temp > 180) { z1temp = z1temp - 360; } 陀螺仪位置式PID算法代码如下： /*位置式PID *float set_angle:设定的目标角度 current_angle:当前的角度返回输出目标占空比，左轮占空比-输出值；右轮占空比+输出值*/ int16_t Location_Pid_PWM(float set_angle, float current_angle) { static float bias, pwm, integral_bias, last_bias; bias = set_angle - current_angle; if (bias < -180) { bias = bias + 360; } else if (bias > 180) { bias = bias - 360; } integral_bias += bias; pwm = Position_KP * bias + Position_KI * integral_bias + Position_KD * (bias - last_bias); last_bias = bias; if (pwm > 3199) // PWM { pwm = 3199; } else if (pwm < (0 - 3199)) { pwm = 0 - 3199; } return (int16_t)((pwm / 3199.0f) * 100.0f + 0.5f); } 直线行驶程序 void runandrun(float ztest)//按指定的绝对角度进行直线行驶 { SpeedL=20-Location_Pid_PWM(ztest,z); SpeedR=20+Location_Pid_PWM(ztest,z); Set_Speed(0, SpeedL); Set_Speed(1, SpeedR); } 陀螺仪串口数据获取和处理 //串口2中断，陀螺仪 void UART_WIT_INST_IRQHandler(void) { switch( DL_UART_getPendingInterrupt(UART_WIT_INST) ) { case DL_UART_IIDX_RX: uart_data =DL_UART_Main_receiveData(UART_WIT_INST); if(uart_data==0x55)buff_zhizhen=0; rxBuffer[buff_zhizhen]=uart_data; buff_zhizhen++; if(buff_zhizhen==BUFFER_SIZE){buff_zhizhen=0;} break; default: break; } } void uart_deal(void){//更新陀螺仪数据 if (rxBuffer[0] == 0x55 && rxBuffer[1] == 0x53) { Roll = (int16_t)((rxBuffer[3] << 8) | rxBuffer[2]); Pitch = (int16_t)((rxBuffer[5] << 8) | rxBuffer[4]); Yaw = (int16_t)((rxBuffer[7] << 8) | rxBuffer[6]); x=(float)Roll/32768*180; y=(float)Pitch/32768*180; z=(float)Yaw/32768*180; } } 第二题的题目要求是跑全程，引入了圆弧区。程序里编写了黑线寻迹程序，根据黑线与小车中心的偏差来改变左右两边轮子的差速。在我的程序框架中，节点的变化（有白地进入圆弧区，由圆弧区离开进入白地区）主要由圆弧区与白地区的切换检测来实现。每次蜂鸣器鸣后程序内置的节点（beep_flag_num）就会增加。判断小车是不是处于圆弧区主要是读取灰度数据，判断小车是不是在黑线上，每一路灰度通道都没有扫到黑线的话，认为小车在白地区；否则的话，则认为在圆弧区。但是这个会带来一个问题，如果你的灰度通道间距很大的话，黑线刚好在两路灰度通道的中间，导致小车虽然压在黑线上，但是灰度返回值均为0，即程序判断小车在白地区。为修复这个BUG，在程序上当小车在扫不到黑线时，会控制小车向前移动一段时间，如若仍然扫不到线，并且陀螺仪返回偏航角与AB、CD的水平角度夹角小于18°时（即小车已经快寻迹完半圆，处于快出圆弧区或者已经出圆弧区的状态，出圆弧时小车偏航角与AB、CD水平角度接近），才会判定小车离开圆弧区，节点加一。主程序循环与第二题的逻辑程序参考如下： while (1) { OLED_Refresh();//屏幕数据刷新 HD_Read();//获取灰度数据 uart_deal();//更新陀螺仪数据 switch (flag) { case 0: HD_MOTO0();//测试程序，调试使用 //HD_MOTO(); break; case 1: HD_MOTO1();//第一题的程序 break; case 2: HD_MOTO2();//第二题的程序 break; case 3: HD_MOTO3();//第三题的程序 break; case 4: HD_MOTO4();//第四题的程序 break; default: break; } } void HD_MOTO2(void) { if(HD[0]==0 && HD[1]==0 && HD[2]==0 && HD[3]==0 && HD[4]==0 && HD[5]==0 && HD[6]==0 && HD[7]==0 && runflag==0){//小车扫不到线且在白地 if(beep_flag_num==0){ uart_deal(); runandrun(z1-2);//按z1角度直线行驶，A->B,并对陀螺仪漂移的问题进行修正 HD_Read(); oled_show(); } if(beep_flag_num==2){ uart_deal(); runandrun(z1temp-2);//按z1temp角度直线行驶，C->D，并对陀螺仪漂移的问题进行修正 HD_Read(); oled_show(); } } if(HD[0]==1 || HD[1]==1 || HD[2]==1 || HD[3]==1 || HD[4]==1 || HD[5]==1 || HD[6]==1 || HD[7]==1 && runflag==0){//扫到黑线，且之前处于白地 SpeedL=10; SpeedR=10; Set_Speed(0, SpeedL); Set_Speed(1, SpeedR); delay_ms(3);//由于给定的PWM太小，上面的几句程序几乎不起作用，视跑车情况进行更改 if(HD[0]==1 || HD[1]==1 || HD[2]==1 || HD[3]==1 || HD[4]==1 || HD[5]==1 || HD[6]==1 || HD[7]==1 && runflag==0){//按一定速度前移一段，仍然扫到线判定为进入圆弧区 runflag=1; beep_flag=1; moto_off(); beep_ctrl();//声光提示 beep_flag_num++;//增加记录的蜂鸣器鸣叫次数，每次鸣叫都是一个节点 while(runflag){ HD_MOTO();//巡线程序 uart_deal(); oled_show();} if(runflag==0){ beep_flag=1; moto_off(); beep_ctrl();//声光提示 beep_flag_num++; } } } if(beep_flag_num==4)flag=5;//程序退出 } 第三题的程序要求小车跑八字，相对与第二题来说，需要小车进行固定角度的转向，并沿直线行驶。小车在上电初始化时会获取当前的偏航角的数据记为z，后续所有的需要转向的角度，都通过z值进行计算。 float z1temp;//存储C->D的角度 float zACtemp;//AC转向的角度 float zBDtemp;//BD转向的角度 uint8_t ACflag=0;//标识小车走AC线还是BD线的标记，根据该标记确定小车出圆弧区后是左转还是右转 uint8_t BDflag=0;//标识小车走AC线还是BD线的标记，根据该标记确定小车出圆弧区后是左转还是右转 uint8_t turnLflag=0;//小车在走AC、BD线进圆弧区时会进行强制转向（到指定通道的灰度返回1时结束转向），这个标记用于标记转向方向 uint8_t turnRflag=0;//小车在走AC、BD线进圆弧区时会进行强制转向（到指定通道的灰度扫到黑线时结束转向），这个标记用于标记转向方向 void goAtoC(){//右转 if(ACflag==0){ /* do{ uart_deal(); SpeedL=-Location_Pid_PWM(z1,z); SpeedR=Location_Pid_PWM(z1,z); Set_Speed(0, SpeedL); Set_Speed(1, SpeedR); }while(absfloat(absz(z1,z))>3);*/ do{ uart_deal(); if(absfloat(absz(zACtemp,z))>=20){ SpeedL=30; SpeedR=-30; Set_Speed(0, SpeedL); Set_Speed(1, SpeedR); }else if((absfloat(absz(zACtemp,z))>10)&&(absfloat(absz(zACtemp,z))<20)){ SpeedL=25; SpeedR=-25; Set_Speed(0, SpeedL); Set_Speed(1, SpeedR); }else{ SpeedL=20; SpeedR=-20; Set_Speed(0, SpeedL); Set_Speed(1, SpeedR); } }while(absfloat(absz(zACtemp,z))>3); } ACflag=1; } void goBtoD(void){//左转 if(BDflag==0){ /*do{ uart_deal(); SpeedL=-Location_Pid_PWM(z1temp,z); SpeedR=Location_Pid_PWM(z1temp,z); Set_Speed(0, SpeedL); Set_Speed(1, SpeedR); oled_show(); }while(absfloat(absz(z1temp,z))>3);*/ do{ uart_deal(); if(absfloat(absz(zBDtemp,z))>=20){ SpeedL=-30; SpeedR=30; Set_Speed(0, SpeedL); Set_Speed(1, SpeedR); }else if((absfloat(absz(zBDtemp,z))>10)&&(absfloat(absz(zBDtemp,z))<20)){ SpeedL=-25; SpeedR=25; Set_Speed(0, SpeedL); Set_Speed(1, SpeedR); }else{ SpeedL=-20; SpeedR=20; Set_Speed(0, SpeedL); Set_Speed(1, SpeedR); } }while(absfloat(absz(zBDtemp,z))>3); } BDflag=1; } float absz(float a,float b){////偏航轴差计算，计算两个角度差值的绝对值 float c = a - b; if (c < -180) { c = c + 360; } else if (c > 180) { c = c - 360; } return c; } float absfloat(float a)//对浮点数取绝对值 { return (a >= 0) ? a : -a; } 第三题逻辑程序如下： void HD_MOTO3(void) { if(HD[0]==0 && HD[1]==0 && HD[2]==0 && HD[3]==0 && HD[4]==0 && HD[5]==0 && HD[6]==0 && HD[7]==0 && runflag==0){ if(beep_flag_num==0){ uart_deal(); goAtoC();//转向 runandrun(zACtemp+1.5);//按AC角度直线行驶，A->C，并对陀螺仪漂移的问题进行修正 turnLflag=1; //turnRflag=0; HD_Read(); oled_show(); } if(beep_flag_num==2){ uart_deal(); goBtoD();//转向 runandrun(zBDtemp-3.2);//按BD角度直线行驶，B->D，并对陀螺仪漂移的问题进行修正 turnRflag=1; //turnLflag=0; HD_Read(); oled_show(); } } if(HD[0]==1 || HD[1]==1 || HD[2]==1 || HD[3]==1 || HD[4]==1 || HD[5]==1 || HD[6]==1 || HD[7]==1 && runflag==0){ SpeedL=10; SpeedR=10; Set_Speed(0, SpeedL); Set_Speed(1, SpeedR); delay_ms(3); HD_Read(); if(HD[0]==1 || HD[1]==1 || HD[2]==1 || HD[3]==1 || HD[4]==1 || HD[5]==1 || HD[6]==1 || HD[7]==1 && runflag==0){ ACflag=0;//由白地扫线进入黑地 BDflag=0; runflag=1; beep_flag=1; moto_off();//停车 beep_ctrl();//鸣叫 beep_flag_num++; if(turnLflag==1){//根据节点选择强制左转还是右转以避免小车冲线导致的踩不到黑线 while(HD[0]==0 || HD[1]==0 || HD[2]==0){ HD_Read(); if(HD[5]==1)break; SpeedL=-40; SpeedR=50; Set_Speed(0, SpeedL); Set_Speed(1, SpeedR); } turnLflag=0; } if(turnRflag==1){ while(HD[5]==0 || HD[6]==0 || HD[7]==0){ HD_Read(); if(HD[2]==1)break; SpeedL=50; SpeedR=-40; Set_Speed(0, SpeedL); Set_Speed(1, SpeedR); } turnRflag=0; } while(runflag){//循环寻迹，来到白地时跳出 HD_MOTO_T3();//给第三题单独写的小车寻迹程序，实则是为了调试第四题时，不影响第三题已经实现的小车效果做出的选择 uart_deal();//偏航角更新 oled_show();} if(runflag==0){ beep_flag=1; moto_off();//停车 beep_ctrl();//鸣叫 beep_flag_num++;//增加节点 } } } if(beep_flag_num==4)flag=5;//程序退出 } 在我们的逻辑框架下，第四题代码与第三题几乎完全相同，这里不对第四题代码做展示。第四题需要跑四圈，需要处理的节点转向更多，同时因为我们所用的陀螺仪存在漂移，第三四圈时，我们通过程序对后面几圈小车转向的角度进行修正。如果你仔细阅读前面的代码可以发现，我们在每题的子程序HD_MOTOx（x=？表示？题目的代码）中跑的几乎都是if语句，需要在main主程序里嵌入while再嵌入HD_MOTO();，另外小车在圆弧区寻迹时代码卡在while循环里，导致屏幕无法刷新，这是一个BUG，影响不大没有修复。接下来说说遗憾的地方。这套逻辑程序非常依赖灰度通道的间距。我们小车上面采用的8灰度无法保证小车能够在圆弧区时能够100%踩到黑线，即使我们做了一定的补丁程序，但是仍然会有小概率出问题。电赛现场第四题因为小车刚进圆弧区后没有踩到黑线，直接导致程序逻辑节点（程序以白地和圆弧区的切换作为一个节点或者说以每次蜂鸣器需要鸣叫时节点加一，程序根据节点beep_flag_num来判断小车运行的状态节点）后移，蜂鸣器哔哔叫了几次，然后小车只跑了3圈就停了，想来十分十分可惜。另外一个需要在意的地方是小车陀螺仪，小车陀螺仪会存在数据偏移，这是陀螺仪本身带来的误差。这个偏移并不是固定的偏移值而是一个存在变化的参量。在程序设计时，我虽然对第三四圈的转向角度进行了人为修正。但是小车实跑的次数测试的并不够，程序调试仍然过于保守，这导致电赛比赛现场我们小车跑到第三圈半的时候，转向B—>D时没有踩到黑线，小车出界。电赛赛场每道赛题提供两次的测试机会，我们第四题因为上述问题没有完成，评委老师只记录了完成3圈，不满四圈的不计时。越想越可惜，一等奖就这么丢了。 DEBUG 还是DEBUG 在电赛做题的三天时间里，一路遇到了非常非常多的问题。拿到灰度模块后，我首先想的是配置8路ADC进行电压采集，在STM32中使用HAL库调用有关的函数十分简单，但是TI M0G3507我没有在网上搜到有关的多通道ADC采集的有关示例，所有能找到的有关的代码都是关于ADC单通道采集电压的。摸索了好久也没解决。鼓捣半天才发现手上的灰度模块返回的量是数字量（高低电平）而不是模拟量，不需要使用ADC功能。只需要用读取GPIO引脚的高低电平状态就可以了。获取灰度的数据最开始我的做法是定义一个数组，然后直接调用DL_GPIO_readPins()函数给数组赋值。然后将灰度状态位打印到OLED屏幕上进行调试。从OLED显示的数值中我发现程序采集到的灰度的状态为不对，检查下才发下DL_GPIO_readPins()返回的是一个16进制数，当引脚采集到低电平时返回0x00，于是修改程序为if(DL_GPIO_readPins(GPIO_HD_AD0_PORT, GPIO_HD_AD0_PIN)==0){HD[0]=0;}else{HD[0]=1;}成功解决了采集灰度数据错误的问题。然而然而，灰度模块仍然存在问题，我发现第二路灰度模块始终返回1（即高电平数据），8路灰度板上有硬件电路能够做显示，当通道返回高电平时，相应通道的指示LED灯将亮起。我发现灰度板上第二路灰度通道始终常亮，当我拔出该路通道的接线时，LED灯熄灭。这非常奇怪，芯片的8路读取灰度数据的引脚我是统一配置的，但出现了其他通道数据正常，但该路通道数据不对的情况，我们的第一反应就是灰度板坏了。但是抽象的是我们单独给灰度板供电，测量灰度各通道的功能，发现灰度板子的第二路通道功能完全正常。最后我们更换了连接第二路灰度通道的GPIO引脚，问题得到了解决。根据我们的测试，该M0芯片最小系统板我们原先用来连接灰度第二路的那个GPIO引脚的输入检测功能不正常（忘记是哪个GPIO口了）总之这个问题非常奇怪，可能是最小系统板的硬件电路问题。我没有在网上搜到相关的结果。搞完灰度模块，写完寻迹代码，后面就是配陀螺仪了，只要能获取正确的陀螺仪返回数值，赛题就完成了一半。我们使用的是维特的陀螺仪，问维特客服要到模块资料，打开维特给的STM32的示例程序，尝试根据厂家给的SDK做TI芯片的适配和移植，研究折腾了好久，然后花了好久时间结果失败了。维特给的SDK包与STM32的基础库函数绑定的很深，而自己对TI的库函数的摸索不够。写了半天写的很麻烦，最后就放弃了该方案，直接根据维特给出的手册，使用上位机配置陀螺仪返回的数据，根据数据格式手动写串口解析函数。通过串口助手可以很方便地看到陀螺仪返回的数据值，但是TI单片机串口2接收到的数据返回却是乱码，这仍然是非常非常奇怪，我也检查了时钟配置，但是找不出原因所在。参考网络例程，我将串口2的波特率改为9600时，串口2接收到的数据正常了。但当我将波特率改为115200时，串口接收乱码。（单片机的串口接收波特率和陀螺仪返回数据的波特率我是始终保持一致的）网上一搜也是没有任何头绪，有关的资料十分贫瘠。陀螺仪数据能读取到了，串口中断正常了，偏航角数据能解析了，接下来就是写根据陀螺仪数据来进行转向的程序。有关小车转向我们采用了基于绝对角度的位置式PID闭环算法。该PID算法是从一份STM32三轮小车直线行驶的工程中移植出来的，移植的过程十分顺利。PID算法传入的参数是设定的角度，算法以设定的角度为目标值，不断读取当前的偏航角数据并进行PID计算，输出的数据为一个占空比数值。将占空比数值加减到左右两个轮子的基础占空比上，就可以实现小车以指定角度进行实现行驶的功能。我也单独写了基于PID算法进行的转向程序，尽管PID参数进行了整定，但是使用PID进行转向代码仍然存在问题。经过测试发现，当小车转向角度小于90°时，小车可以进行较为精准的转向，在较短时间内可以完成误差约为2°转向。但是当小车需要转钝角时，小车转向会过猛，一下子就会转过目标角度，然后在目标角度附近进行震荡甚至是原地开始转圈，这个BUG应该是代码原因。同时我们还出现了单独调用PID转向转的好好的，结果移植进逻辑程序跑车时，在需要转向的时候小车猛转圈，这个BUG暂时没有被修正。因此转向程序我们更换了逻辑，采用do while结构，分段式差速转向。在小车当前角度与目标角度差值过大时，小车转向差速会大一点，随着小车偏航角逐渐逼近目标角度，两轮差速会减小直至达到目标角度。基于陀螺仪绝对角度的位置式PID参数整定的过程极为麻烦，几乎就是整定了一个通宵，从刚开始的凭感觉凑，凑到后面凑不出来开始上网搜查资料，细致地学习了解PID各个参数的含义解释。无论是P过大还是I过大都会导致小车乱转一通。由于算法会给小车不断地增加控制轮子转速的占空比参数，错误的PID参数下的小车通常会加速到最快地转速然后疯狂地转啊转，车轮子外皮都摩滑了。最后是根据网络给出的通用PID整定方法，经过及时测量震荡周期等等方式，通过一次次的反复实验，确立了大致的P和I值。纸面的理论与直接的应用还是存在非常大的差异的，可能存在没有被考虑进去的误差，自己第一次通过实践计算得到的PID数值，在测试时仍让会让小车有震荡情况产生。具体的I值是在实际测试中被确定下来的。在这个过程中，自己对PID算法的理解是在不断加深的，对各个参数的产生的作用也有了非常直观的理解。这份经验也许可以为我以后的自动控制原理课程打下一份基础。综上，我已经有了小车循迹代码，指定角度转向代码，直线行驶代码（能够进行前进角度修正，防止小车在直行时跑歪）。所有的底层函数均已搭建完毕，后面就是组合逻辑代码，完成赛题要求，搭建完大概逻辑框架此时大概还有2天的时间能够拿来跑车。接下来的活就是反反复复地跑，反反复复地测试去找出小车的问题。在这期间我们改了很多很多遍圆弧循迹的程序，反复地改差速，改延时，不断地引入if判断调整，处理细节问题。在我们测试跑车的时候，我们发现小车在跑8字进圆弧区时，在灰度模块已经踩到黑线的情况下，由于停车惯性，小车前冲导致后续灰度模块没有踩到线，小车会向前冲而不是进入圆弧巡线。因此我们引入了强制转向的代码，如果小车是从A点移动到C点，则强制小车左转直到第7路灰度通道踩到黑线后进入寻迹程序；如果小车是从B点移动到D点，则强制小车右转直到第2路灰度通道踩到黑线后进入寻迹程序。有关的差速等参数都是反复实验才得到确定的。另一个出现的意外情况是小车轮子打滑。由于小车体积的限制，我们所用的电机轴和轮子之间的连接并又有螺丝做固定，而是简单的插接，紧靠摩擦力固定电机轴和轮子。在测试过程中轮子打滑（其表现为电机在转动，但是轮子不动）不是突然出现的，而是慢慢出现，一点点恶化的，所以在很长的调试时间里，并没有发现这个情况。电机轴可能转动了5圈，实际只带了轮子转了3圈，电机轴在轮子的套筒里打滑。由于根本没有考虑到会有这方面的情况发生，我在发现小车运行状态不符合预期的时候，首先都是怀疑程序存在问题，然后越改程序发现小车跑的越糟糕。接着怀疑是电池没电小车跑不动，结果给电池充满电后，发现情况更糟糕了。一遍一遍重复发现车子跑不出自己要的效果而且越跑越糟糕的这个过程是极为折磨的，我们花费了将近一个通宵的时间才将问题定位，在将小车电机轴与轮子的连接处用502胶水粘住之后，小车的运行状态终于正常了。解决这个问题花的时间过久直接导致我们没有足够的时间做代码的改进和小车的提速工作。先前我在做陀螺仪位置环PID整定参数时，小车会暴力地乱转，整定PID参数时，为后面小车轮子出现打滑的情况埋下了祸根。在一些细节方面，因为题目要求小车的投影要覆盖A、B、C、D四点，所以就做了个小尾翼，人为拉长小车长度以让小车拥有更大的投影面积。在我的算法框架，小车的起始放置位置极为重要，起始小车放歪会导致后续转向的角度全都会出现问题（因为程序写的是固定角度转向而不是转固定角度），我们使用了激光定位，小型的激光安装在车上，并可以通过独立的按键进行控制，在放置小车时，通过光点相对地图黑线的位置来确定小车的放置位置。四道赛题都反复测试完成了，对小车进行打胶固定，然后封箱，贴上封条。封箱之后无法再改动小车。完赛后身心俱疲，先睡个结实，等待后几天的现场评测。装小车的箱子由学校送到比赛现场。现场评审在现场现在报到室报道，到号时带上学生证件和身份证去取装车的箱子，取完箱子到评测地点，开箱，10分钟调试计时。评审现场我们仍然延续了做题期间调试的磕磕绊绊，取出小车，放到赛场上开始测试程序，结果小车跑一步就停了，检查发现灰度返回数据有问题。在校调试跟比赛现场的光线肯定有差异，问题按理说不是很大，拧下灰度板上面的电位器就OK了。但是，当我上手拧电位器的时候直接汗流浃背了。第三路灰度通道我根本拧不到一个合适的位置，往左往右拧都试过了，该通道的返回值要不就是高电平要么就是低电平，没有办法去做读取黑线的功能。拧了2分钟直接心灰意冷，如果灰度模块存在问题，那么几天的努力就都没了，这是在学校里根本没有出现过的情况，估摸是路上颠坏了。不过最后还是在队友的努力下，反复拧第三路通道的电位器找到了一个合适的能够让灰度模块正常工作的位置。然后就是紧张地测试四题代码，确定了下小车的起始摆放位置。评审前第四题我们跑了两次4圈，全都正常没有问题。因为灰度模块的有路通道不太稳定，怕小车磕碰啥的，也不敢多测，提前结束了测试环节，喊评委过来评测了。碰巧是上午组的最后一组，整个场的所有评委都过来看我们的车，压力是真大QAQ。评测的结果已有在上文提及，完成了前三题。一次由于陀螺仪偏移、一次由于小车入圆弧区时没有踩到黑线的原因没有跑完第四题的第四圈。小车进入圆弧区后执行寻迹程序，小概率会踩不到黑线的情况（黑线卡在两路灰度通道中间）。该程序BUG直接牵扯到了算法架构上，不怎么好改，硬件上的修正很简单，减少每路灰度通道之间的间距即可。灰度板的制作并不复杂，准备电赛控制题可以在赛前自制灰度板。陀螺仪偏移的问题很难从陀螺仪软件算法上解决，可以加钱上更好的硬件。不过我也在网上看到有用MPU6050跑8字的小车了，十分佩服。另一个解决方案是配置芯片的定时器编码器功能，读取小车编码器的双相数据，对小车轮子的转动圈数进行计数，并通过轮子的直径计算小车行驶的距离。引入一个判断条件，由于AC和BD长度是定长的，通过里程计数据可以在小车行驶指定距离后，小车仍然没有采集到黑线的情况下，要求小车进行强制性的转向，可以防止小车的转向误差带来的小车出线的问题。关于MCU的问题，本题限制使用TI的MCU作为小车主控，但是相当多的灰度模块，陀螺仪，串口屏等模块上面同样存在MCU芯片。带有MCU的灰度拥有自动调光等功能，带有MCU的陀螺仪自带软件滤波等等功能。有一些比较早开始评审的赛区严查MCU，小车上只能出现TI的MCU，出现其他的MCU视为违规，结果有一半多的小车被判定违规。江苏赛区并没有审查该项，只是检查了小车的主控芯片和测量了小车的长宽。电赛是大学的一次非常难忘的经历，上文的内容几乎包含了我在做H题时遇到的全部的问题，本文也是对我的这份电赛开源工程的一份具体说明。写下本文为自己拷一个备份，也希望可以帮助后来的人，也欢迎您就关于硬件、算法，芯片外设配置等方面写下评论。作者链接开源工程连接：http://gitee.com/weigo6/2024-H B站演示视频：https://www.bilibili.com/video/BV1Y34negErn/?share_source=copy_web&vd_source=e1f402bb1259ade7a114fbc0678d04fb
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本帖最后由火辣西米秀于 2025-3-18 08:26 编辑随着机器人技术不断进步，电池作为自主系统的核心动力源显得至关重要。就像电动汽车一样，电池管理系统（BMS）在其中扮演着重要角色，保证能源有效利用并保护电池免受潜在危险。本文, 我们将深入探讨BMS在机器人技术中的关键作用，展示其优势和应用。对于机器人的电池管理系统（BMS）的技术发展，借鉴在电动汽车上的应用，可追溯到丰田HEV车型上对镍氢电池的管理。与管理锂电池不同由于镍氢电池具有一致性高、安全性好、且单体电压偏低（1.0~1.7V）的特点，所以镍氢电池的BMS通常不需要均衡功能，不需要控制接触器，也不需要对每节电池进行电压采集（可6节电池串联作为一个整体进行电压监控）。虽然镍氢电池BMS硬件功能相对简单，但由于镍氢电池的记忆效应以及电压外特性与SOC对应关系复杂，所以难点在于如何估算SOC以及如何控制和调整充放电区间，避免电池迅速衰减。随着锂电池技术的应用，动力电池系统能量密度更高，容量更大，运行时间更长，对BMS的功能也提出了新的要求。从拓扑架构上看BMS根据不同项目需求分为了集中式（Centralized）和分布式（Distributed）两类。（BMS的主从一体集中式与分布式架构）集中式BMS架构集中式BMS具有成本低、结构紧凑、可靠性高的优点，一般常见于容量低、总压低、电池系统体积小的场景中，如电动工具、机器人（搬运机器人、助力机器人）、IOT智能家居（扫地机器人、电动吸尘器）、电动叉车、电动低速车（电动自行车、电动摩托、电动观光车、电动巡逻车、电动高尔夫球车等）、轻混合动力汽车。集中式架构的BMS硬件可分为高压区域和低压区域。高压区域负责进行单体电池电压的采集、系统总压的采集、绝缘电阻的监测。低压区域包括了供电电路、CPU电路、CAN通信电路、控制电路等。随着乘用车动力电池系统不断向高容量、高总压、大体积的方面发展，在插电式混动、纯电动车型上主要还是采用分布式架构的BMS。分布式BMS架构分布式的BMS架构能较好的实现模块级（Module）和系统级（Pack）的分级管理。由从控单元CSC负责对Module中的单体进行电压检测、温度检测、均衡管理（有的会有独立出CSU模块单元）以及相应的诊断工作；由高压管理单元（HVU）负责对Pack的电池总压、母线总压、绝缘电阻等状态进行监测（母线电流可由霍尔传感器或分流器进行采集）；且CSC和HVU将分析后的数据发送至主控单元BMU（Battery Manangement Unit），由BMU进行电池系统BSE(Battery State Estimate)评估、电系统状态检测、接触器管理、热管理、运行管理、充电管理、诊断管理、以及执行对内外通信网络的管理。目前主流的量产电动车型普遍采用了分布式的BMS架构，如BMW i3/i8/X1，Tesla Model S/X，GM Volt/Bolt，BYD 秦/唐，荣威 e550/e950/eRX5等等。分布式BMS架构的优势在于可以根据不同的电池系统串并联设计进行高效的配置，BMS连接到电池之间的线束距离更短、更均匀、可靠性更高，同时也可以支持体积更大的电池系统设计（如MW级储能系统）。分布式BMS成为主流应用方案的另一个原因在于其更好的满足了动力电池系统模块设计的趋势。随着动力电池系统在汽车领域广泛的应用和产量规模的攀升，统一标准的电池Module在业内逐渐提上议程。若没有标准Module作为产业化推进的支撑，则老款电动车型在使用若干年后将遭遇无电池备件可换的尴尬局面、从车用领域退役下来的动力电池将面临无法得到有效梯次利用的境地。而标准化的Module需要将电池管理系统的部分功能（单体状态采集和管理）与电池进行高度集成，从而实现空间利用率高、可靠性高、通用性强的要求。因此从控单元CSC已经逐渐成为标准Module中不可或缺的关键部件之一。 BMS的核心功能 1、电芯监控技术 1）单体电池电压采集； 2）单体电池温度采集； 3）电池组电流检测；温度的准确测量对于电池组工作状态也相当重要，包括单个电池的温度测量和电池组散热液体温度监测。这需要合理设置好温度传感器的位置和使用个数，与BMS控制模块形成良好的配合。电池组散热液体温度的监控重点在于入口和出口出的流体温度，其监测精度的选择与单体电池类似。（CSC从控与电池接线） 2、SOC（荷电状态）技术：简单来说就是电池还剩下多少电 SOC是BMS中最重要的参数，因为其它一切都是以SOC为基础的，所以它的精度和鲁棒性（也叫纠错能力）极其重要。如果没有精确的SOC，再多的保护功能也无法使BMS正常工作，因为电池会经常处于被保护状态，更无法延长电池的寿命。 SOC的估算精度精度越高，对于相同容量的电池，可以使电动车有更高的续航里程。高精度的SOC估算可以使电池组发挥最大的效能。 3、均衡技术被动均衡一般采用电阻放热（电容载体）的方式将高容量电池“多出的电量”进行释放，从而达到均衡的目的，电路简单可靠，成本较低，但是电池效率也较低。主动均衡充电时将多余电量转移至高容量电芯，放电时将多余电量转移至低容量电芯，可提高使用效率，但是成本更高，电路复杂，可靠性低。未来随着电芯的一致性的提高，对被动均衡的需求可能会降低。 BMS均衡设计（被动均衡） BMS均衡设计（主动均衡） BMS软件架构 1、高低压管理一般正常上电时，会由VCU通过硬线或CAN信号的12V/24V来唤醒BMS，待BMS完成自检及进入待机后VCU发送上高压指令，BMS控制闭合继电器完成上高压。下电时VCU发送下高压指令后再断开唤醒12V。下电状态插枪充电时可通过CP或A+信号唤醒。 2、充电管理 (1)慢充慢充是由交流充电桩(或220V电源)通过车载充电机将交流转化为直流给电池充电，充电桩规格一般有16A、32A和64A，也可通过家用电源进行充电。可通过CC或CP信号唤醒BMS，但应保证充电结束后能正常休眠。交流充电流程比较简单，按照国标详细规定开发即可。 (2)快充快充是由直流充电桩输出直流给电池充电，可实现1C甚至更高倍率充电，一般45min可充进80%电量。通过充电桩的辅助电源A+信号唤醒，国标中快充流程比较复杂，同时存在2011和2015两个版本，而且充电桩生产厂家对于国标流程未明确的技术细节理解不同也给车辆充电适配性造成极大的挑战，因此快充适配性是衡量BMS产品性能的一项关键指标。 3、估算功能 (1)SOP(StateOfPower)主要是通过温度和SOC查表得到当前电池的可用充放电功率，VCU根据发送的功率值决定当前整车如何使用。需要兼顾考虑释放电池能力和对电池性能进行保护，比如在达到截止电压前进行部分功率限制，当然这会对整车驾驶感受产生一定影响。 (2)SOH(StateOfHealth)主要表征当前电池的健康状态，为0-100%之间数值，一般认为低于80%以后电池便不可再用。可以用电池容量或内阻变化来表示，用容量时即通过电池运行过程数据估算出当前电池的实际容量，与额定容量的比值即为SOH。准确的SOH会提高电池衰减时其他模块的估算精度。（电池不同SOH状态下的应用） (3)SOC(StateOfCharge)属于BMS核心控制算法，表征当前的剩余容量状态，主要通过安时积分法和EKF(扩展卡尔曼滤波)算法，并结合修正策略(如开路电压修正，充满修正，充电末端修正，不同温度及SOH下的容量修正等)。安时积分法在保证电流采集精度条件下比较可靠，但鲁棒性不强，由于存在误差累计必须结合修正策略，而EKF鲁棒性较强，但算法比较复杂，实现难度大。国内主流厂家一般常温可以做到精度6%以内，在高低温和电池衰减时的估算是难点（估算不准容易造成预计可行使里程跟实际可用里程不符，在高速行使中是非常危险的）。 (4)SOE(StateOfEnergy)算法国内厂家现在开发的不多，或采用较为简单的算法，查表得到当前状态下剩余能量与最大可用能量的比值。该功能主要用于剩余续航里程估算。 4、故障诊断针对电池的不同表现情况，区分为不同的故障等级，并且在不同故障等级情况下BMS和VCU都会采取不同的处理措施，警告，限功率或直接切断高压。故障包括数据采集及合理性故障、电气故障(传感器和执行器)、通讯故障及电池状态故障等。 5、均衡控制均衡功能是为了消除在电池使用过程中产生的电池单体不一致性，根据木桶短板效应，充电和放电时都是性能最差的单体先达到截止条件，其他的单体还有一部分能力并未释放出来，造成电池浪费。均衡包括主动均衡和被动均衡，主动均衡是能量从多的单体向少的单体转移，不会造成能量损失，但是结构复杂，成本较高，对于电器元件要求也较高，相对来说被动均衡结构简单，成本也低了很多，只是能量会以热量的形式散发浪费掉，一般最大均衡电流在100mA左右，现在国内很多厂家采用被动均衡也都能实现较好的均衡效果。
2025-03-17
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本帖最后由火辣西米秀于 2025-3-21 07:51 编辑 2025年全国大学生电子设计竞赛关于竞赛含金量全国大学生电子设计竞赛作为教育部与工业和信息化部联合发起的大学生学科竞赛，是一场面向广大在校本专科生的重要群众性科技活动。自 1994 年创立以来，全国大学生电子设计竞赛规模持续扩大，每年约有 4 万名学生踊跃参与，已然成为国内规模最大、覆盖范围最广、影响力十足的大学生电子设计竞赛。对于有志于保研、考研或者出国留学的学生来说，参加这项赛事更是有着诸多明显优势。参赛对象电气工程、电子、通信工程、微电子以及其它相关学科专业保研、考研、出国留学的同学参赛方式以高校为参赛单位，参赛学校应成立电子竞赛工作领导小组。每支参赛队由三名学生组成，具有正式学籍的全日制在校本、专科生均有资格报名参赛，由一到两名指导老师带领。赛程安排报名时间: 2025年5月31日截止竞赛时间: 7月30日(周三)8:00至8月2日(周六)20:00 奖项设置全国奖只设一、二等奖，获奖队数量不超过全国实际参赛队总数的8%，其中一等奖和二等奖的比例采取“三七开”，即全国一等奖数量不超过全国实际参赛队总数的2.4%，全国二等奖数量不超过全国实际参赛队总数的5.6%。官方文件需要的小伙伴可以点击下方链接下载哦~ 附件1 2025年全国大学生电子设计竞赛命题原则及征题要求 - 盖章.pdf 附件2 2025年全国大学生电子设计竞赛进度安排- 盖章.pdf
发表了主题帖：大学最具含金量的电子设计竞赛盘点，赶紧码住！

本帖最后由火辣西米秀于 2025-3-18 08:26 编辑在大学期间，参加各类竞赛不仅能丰富我们的大学生活，还能提升专业技能、锻炼实践能力，为未来的职业发展打下坚实的基础。今天，为大家吐血整理了大学期间最值得赌一把的八大电子类竞赛。赶紧收藏，转发给需要的同学。（ps.文末给大家放了30个电子设计大赛的链接网址） 01-TI 杯全国大学生电子设计竞赛（NUEDC）官方网址：https://www.nuedctraining.com.cn/ （一）竞赛背景与宗旨由全国大学生电子设计竞赛组委会主办，德州仪器（上海）赞助，是教育部倡导的大学生学科竞赛之一。旨在推动高等学校促进信息与电子类学科课程体系和课程内容的改革。（二）竞赛时间每两年举办一届，如 2024 年举办相关赛事活动（包含专题赛、赛区赛等）。（三）竞赛内容与形式 1.内容广泛：涉及模拟电子系统、数字电路、高频电路、通信电路、仪器仪表电路、电源电路等各类电子系统设计与制作。2021 年 TI 杯赛题包括照度稳定可调 LED 台灯、周期信号波形识别及参数测量装置、具有发电功能的储能小车、用电器分析识别装置等，具体题目涵盖多种实际应用场景。 2.形式规范：以小组为单位参赛，各参赛队在规定时间内完成作品设计、制作与调试，提交设计报告，并参加现场测试与答辩。（四）奖项设置设有 TI 杯、一等奖、二等奖、三等奖等不同等级奖项，对获奖团队和个人给予表彰与奖励。（五）参赛要求与对象普通高等学校全日制在校本科或专科生均可报名参加，鼓励不同专业学生跨学科组队参赛。（六）官方支持 1.举办 TIMSPM0MCU 教师培训会等活动，为参赛师生提供技术培训与指导。 2.竞赛官方网站提供丰富培训资料，如培训视频（涵盖测控类、电源类、无人机、高频类、通信类、仪器仪表类等多方面）、电子书（如《有源滤波器设计范例 V4.0》《集成运算放大器电路设计技术手册》等）以及往届赛题解析等，助力参赛选手备赛。 02-蓝桥杯全国软件和信息技术专业人才大赛官方网址：https://dasai.lanqiao.cn/ （一）竞赛背景与宗旨由工业和信息化部人才交流中心主办，旨在促进软件和信息领域专业技术人才培养，提升高校毕业生就业竞争力。（二）竞赛时间每年举办一届，个人赛（软件类、电子类）、视觉艺术设计赛、专项赛、项目实战赛、数字科技创新赛（青少年创意编程组）等赛事时间安排各异，具体时间可关注官网通知。（三）竞赛内容与形式 1.软件类赛题：涵盖多种编程语言和算法，考查选手编程能力与算法设计水平。 2.电子类赛题：涉及电路设计、嵌入式系统开发等内容，检验选手硬件设计与软件开发综合能力。 3.视觉艺术设计赛：注重创意设计与视觉表现。 4.专项赛、项目实战赛和数字科技创新赛：针对不同领域和应用场景设置赛题。竞赛形式包括个人赛和团队赛，个人赛选手独立完成比赛任务，团队赛以小组形式协作参赛，选手需在规定时间内完成赛题解答或作品设计，并提交相关代码、文档或作品，部分赛事环节可能包含现场演示与答辩。（四）奖项设置各赛项分别设置一、二、三等奖及优秀奖，获奖选手将获得荣誉证书、奖金（部分赛项）或奖品，优秀获奖选手还可能获得企业实习、就业推荐机会以及升学加分等激励。（五）参赛要求与对象面向全国高校在校学生，包括本科生、研究生及高职高专学生，不同赛项对参赛选手专业和学历层次可能有特定要求，具体以各赛项通知为准。（六）官方支持 1.大赛官网提供赛事资讯、历年真题、在线教程等学习资源。 2.部分赛区或赛项会举办师资培训会、赛前集训营等活动，帮助参赛选手提升技能、熟悉赛制与赛题。 3.大赛官方合作伙伴和企业支持单位也为参赛选手提供技术指导、学习平台及就业资源对接等服务。 03-挑战杯全国大学生课外学术科技作品竞赛官方网址：https://www.tiaozhanbei.net/ 官方微信公众号：创青春（一）竞赛背景与宗旨由共青团中央、中国科协、教育部和全国学联共同主办，被誉为当代大学生科技创新的“奥林匹克”。旨在引导和激励高校学生实事求是、刻苦钻研、勇于创新、多出成果、提高素质，培养学生创新精神和实践能力，促进高校学生课外学术科技活动蓬勃开展，发现和培养一批在学术科技上有作为、有潜力的优秀人才。（二）竞赛时间每两年举办一届，奇数年份举办“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛（简称“大挑”），偶数年份举办“挑战杯”中国大学生创业计划竞赛（简称“小挑”）。偶数年”小挑”参考意义不大，主要看“大挑”。（三）竞赛内容与形式 1. 竞赛作品分类：竞赛作品分为自然科学类学术论文、哲学社会科学类社会调查报告和学术论文、科技发明制作三类。 2.要求与特点：参赛作品需围绕某一学术课题或社会热点问题开展深入研究与实践，具备科学性、先进性和实用性，能够体现学生创新思维和实践能力。 3.竞赛流程：竞赛一般分为校级初赛、省级复赛和全国决赛三个阶段。参赛团队首先在校内进行申报和选拔，通过校级评审的作品推荐参加省级比赛；省级复赛评选出优秀作品晋级全国决赛；全国决赛通过现场展示、答辩等环节确定最终获奖作品。 ps.电子类同学重点关注科技发明制作类项目，项目分为A类和B类两个组别。 A类项目通常要求具备较高的科技含量和较大的研发制作投入； B类则聚焦于投入较少但能够有效解决生产技术问题或提高社会生活便利度的小型发明与创新制作，侧重考核作品的应用价值和转化前景。（四）奖项设置设有特等奖、一等奖、二等奖、三等奖等不同等级奖项，对获奖团队和个人给予荣誉证书、奖金及其他奖励，部分获奖作品还可能获得成果转化、创业孵化等支持机会。（五）参赛要求与对象普通高等学校在校学生（含研究生）均可申报作品参赛，参赛作品以学生为主完成，每个团队人数一般不超过 10 人，指导教师人数不超过 3 人。（六）官方支持 1.各高校通常会组织校内培训、讲座、经验分享会等活动，帮助参赛学生提升科研能力、选题水平和作品质量。 2.部分地区或高校会邀请专家对参赛作品进行指导和点评，助力作品完善与优化。 3.竞赛官方网站及相关媒体平台会发布竞赛资讯、优秀作品案例等资源，供参赛学生参考学习。 04-全国大学生智能汽车竞赛官方网址：http://www.smartcarrace.com/ （一）竞赛背景与宗旨以智能汽车为竞赛平台，涵盖自动控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多学科专业知识，旨在加强大学生实践、创新能力和团队精神培养，促进高等教育教学改革，推动高校科技创新活动开展，为优秀人才脱颖而出创造条件。（二）竞赛时间每年举办一届，如 2025 年赛事安排为 1 月 1 日赛题公布，6 月 15 日网络报名开始，7 月网络报名结束，8 月分赛区比赛，9 月全国总决赛（具体时间以当年实际通知为准）。（三）竞赛内容与形式 1.内容丰富多样：竞赛内容涉及智能汽车硬件设计、软件算法开发、系统调试与优化等方面，赛题方向包括电磁、光电、视觉等不同技术路线，以及竞速、越野、信标、创意等多种比赛组别。 2.举例说明：缩微电磁组要求自制车模在室内缩微电磁赛道运行两周，车模运行电源来自储能法拉电容，需自制无线充电发射与接收电路；极速光电组使用四轮车模在室内 PVC 赛道运行一周，允许自行增加指示路标，赛道元素包括路障、环岛、坡道等；独轮信标组使用独轮车模完成发光信标的检测与压过，信标灯发射红光和红外光，车模中途倒伏后允许从发车区重新开始。 3. 竞赛形式：以团队为单位参赛，每队人数一般为 3 人，各参赛队在规定时间内完成智能汽车制作与调试，并参加分赛区比赛和全国总决赛，比赛过程包括现场竞速、任务完成情况考核、技术方案答辩等环节。（四）奖项设置分赛区比赛和全国总决赛分别设有一等奖、二等奖、三等奖等不同等级奖项，对获奖团队颁发荣誉证书、奖金（部分奖项）或奖品，优秀团队还可能获得企业实习、技术支持或合作机会等奖励。（五）参赛要求与对象普通高等学校全日制在校本科生、专科生及研究生均可报名参赛，参赛学生需具备一定电子、控制、计算机等相关专业知识和实践动手能力，鼓励跨学科、跨专业组队参赛。（六）官方支持 1. 竞赛官方网站提供丰富技术资料，如指定芯片技术规格（如 Ai8051U、STC32G12K128 等芯片详细信息）、各赛组比赛细则、信标系统技术规格等。 2.举办技术研讨会、赛前培训等活动，邀请企业技术专家和高校教师为参赛队伍提供技术指导和培训。 3.部分赞助商为参赛队伍提供技术支持、芯片样片申请、开发工具及设备等资源，助力参赛队伍备赛。 05-全国大学生机器人大赛（CURC）官方网址：www.cnrobocon.net （一）竞赛背景与宗旨由共青团中央、全国学联、深圳市人民政府联合主办，旨在推动机器人技术发展，培养大学生创新能力、团队协作精神和工程实践能力，促进高校机器人学科建设与人才培养，加强国内外高校之间交流与合作。（二）竞赛时间每年举办一届，比赛时间通常集中在暑期，具体日期根据当年赛程安排而定，一般会提前数月发布通知公布详细时间节点。（三）竞赛内容与形式 1.竞赛内容：竞赛内容围绕机器人研发与竞技展开，要求参赛队伍设计、制作具有特定功能的机器人，并在规定场地和规则下完成相应任务挑战。赛题主题每年更新，涉及机器人在工业生产、生活服务、应急救援、文化娱乐等多个领域应用场景。 2.竞赛形式：以团队为单位参赛，每支参赛队伍人数一般在 5 - 10 人之间，包括机械设计、电子电路、编程控制、策略规划等不同专业背景学生。比赛过程分为初赛、复赛和决赛三个阶段，初赛主要通过提交技术方案和演示视频进行评审筛选；复赛和决赛为现场比赛，参赛队伍在规定场地和时间内完成机器人调试与任务挑战，评委根据机器人性能、任务完成情况、团队协作等方面进行综合评分。（四）奖项设置设有一等奖、二等奖、三等奖以及单项奖、优秀组织奖等多个奖项类别，对获奖团队和个人颁发荣誉证书、奖杯及奖金（部分奖项），优秀获奖团队还有机会获得企业技术支持、实习机会以及参加国际机器人赛事交流机会等。（五）参赛要求与对象全国普通高等学校（含港澳台地区高校）在校学生均可报名参赛，参赛队伍需以学校为单位组队，鼓励不同专业、不同年级学生跨学科组队，共同完成机器人项目研发与竞赛任务。（六）官方支持 1.大赛官方网站提供历年比赛资料、技术文档、规则解读等信息资源，供参赛队伍学习参考。 2.举办赛前培训营、线上讲座等活动，邀请专家学者和企业工程师为参赛学生进行机器人技术培训、赛题分析与策略指导。 3. 部分赞助商和合作伙伴为参赛队伍提供机器人零部件、开发工具、测试设备等物资支持以及技术咨询服务，帮助参赛队伍提升竞赛水平。 06-全国大学生集成电路创新创业大赛官方网址：http://univ.ciciec.com/ （一）竞赛背景与宗旨由工业和信息化部人才交流中心主办，是集成电路领域规模大、档次高的全国性高校赛事，旨在深化产教融合，促进集成电路产业人才培养，推动高校集成电路相关专业教学改革，为集成电路产业发展提供人才支撑，同时为高校学生提供展示创新能力和实践成果平台，促进产学研用协同创新与合作。（二）竞赛时间每年举办一届，一般于 3 月 - 4 月启动报名，5 月 - 7 月进行初赛和分赛区决赛，8 月举办全国总决赛，具体时间安排每年可能会略有调整，以当年赛事通知为准。（三）竞赛内容与形式 1.竞赛内容丰富：竞赛内容紧密结合集成电路产业发展需求，涵盖集成电路设计、制造、测试、封装、应用等全产业链环节，设置多个赛题方向，如数字电路设计、模拟电路设计、射频电路设计、集成电路制造工艺优化、芯片测试与验证、系统应用创新等。 2.赛题特色：赛题由数十家行业重要企业冠名出题，体现产业前沿技术和实际应用场景。 3.竞赛形式多样：竞赛形式包括主赛项、职业技能赛项和创新创业成果赛项，面向本硕博、中高职不同层次人才。参赛团队根据赛题要求，在规定时间内完成作品设计、开发与优化，并提交相关设计文档、代码、实物作品等参赛材料。比赛过程包括初赛评审（主要依据提交材料进行书面评审）、分赛区决赛（可能包含现场演示、答辩等环节）和全国总决赛（综合考查作品创新性、技术难度、应用价值以及团队展示与答辩表现等）。（四）奖项设置总奖金额超过一百万元，设有特等奖、一等奖、二等奖、三等奖以及各类专项奖，如最佳创新奖、最佳应用奖、最佳团队奖等。获奖团队将获得奖金、荣誉证书、奖杯，还可获得企业实习、就业推荐、项目孵化等机会，部分优秀成果有机会在产业界得到进一步推广和应用。（五）参赛要求与对象全国高校在校学生（含本专科生、研究生）以及职业院校学生均可报名参赛，鼓励不同专业背景学生跨学科组队，每支参赛队伍人数一般不超过 5 人（具体人数要求可能因赛项而异），需配备指导教师（指导教师人数根据赛项规定）。参赛团队需遵守竞赛规则，诚信参赛，保证参赛作品原创性和独立性。（六）官方支持 1.竞赛官方网站提供丰富赛事资讯、赛题解读、技术资料下载等资源，帮助参赛团队了解竞赛要求和行业动态。 2.举办赛前培训、线上讲座、企业技术分享会等活动，邀请行业专家、企业工程师和高校教师为参赛学生提供专业知识培训、技术指导和竞赛经验分享。 3.部分支持单位和企业为参赛团队提供集成电路设计软件、芯片测试设备、开发板等硬件资源支持以及技术咨询服务，助力参赛团队完成作品开发。 07-全国大学生嵌入式芯片与系统设计竞赛 FPGA 创新设计赛道官方网址：http://www.fpgachina.cn/ （一）竞赛背景与宗旨由中国电子教育学会主办，旨在推动高校嵌入式芯片与系统相关课程教学内容更新，促进高校与企业之间产学研用深度融合，培养学生创新实践能力、工程实践能力和团队协作精神，为我国嵌入式芯片与系统领域发展选拔和储备优秀人才。（二）竞赛时间每年举办一届，2024 年竞赛报名时间为 8 月 30 日—9 月 25 日 18 点，作品准备阶段为 9 月—11 月 12 日，初赛评审于 11 月 12 日 18 点截止，决赛时间为 11 月 29 日—12 月 1 日。（三）竞赛内容与形式 1.竞赛内容：竞赛内容主要围绕嵌入式芯片与系统设计，聚焦 FPGA 创新应用，赛题方向涉及 FPGA 在数据处理、通信、图像处理、人工智能加速等多个领域应用。 2.竞赛形式：竞赛形式分为初赛和决赛两个阶段。初赛阶段，参赛队伍提交作品设计文档、源代码等材料，由竞赛组委会组织专家进行评审；决赛阶段，入围队伍需到现场参加考核，包括基础设计能力考核（如现场编程、电路设计等）、专家质询（针对作品设计思路、技术实现、创新点等进行提问和解答）以及实物演示（展示作品功能和性能）。参赛队伍以小组形式参赛，每组人数一般为 3—5 人，需明确团队成员分工，共同完成竞赛任务。（四）奖项设置设置一等奖、二等奖、三等奖若干名，对获奖团队颁发荣誉证书、奖金（部分奖项）或奖品，获奖团队成员还将获得竞赛组委会提供相关荣誉证明，优秀获奖作品有机会在相关学术会议、技术展览上展示，促进成果推广与交流，部分团队可能获得企业实习、就业推荐或项目合作机会。（五）参赛要求与对象全国普通高等学校全日制在校本科生、研究生均可报名参赛，参赛学生需具备一定数字电路、嵌入式系统、FPGA 开发等相关知识和技能，能够熟练使用相关开发工具和设计语言（如 Verilog、VHDL 等）。参赛队伍需按照竞赛要求完成报名注册、组队、选题等流程，在规定时间内提交参赛作品，并遵守竞赛规则和评审标准。（六）官方支持 1.竞赛组织方在赛前举办赞助商赛前技术培训、在线答疑活动，邀请企业技术专家和高校教师为参赛学生讲解 FPGA 技术发展趋势、赛题难点解析、设计方法与技巧等内容，帮助学生快速上手竞赛平台和工具。 2.组织师资研讨会，促进高校教师之间教学经验交流与分享，提升指导教师水平，为参赛队伍提供更好指导。 3.竞赛官方网站提供竞赛通知、作品上传要求、往届竞赛回顾等资料，方便参赛队伍获取信息，同时运营单位南京集成电路培训基地为参赛学生提供实践平台和技术支持，助力学生完成作品开发与优化。 08-华为ICT大赛官方网址：https://e.huawei.com/cn/talent/ictacademy//ictcontest?compId=85131949 （一）竞赛背景与宗旨华为 ICT 大赛由华为公司主办，旨在为全球高校学生提供一个展示 ICT 技术水平和实践能力的平台，推动高校 ICT 人才培养模式创新，促进学生全面发展，提升学生就业竞争力，同时加强华为与高校之间合作，共同探索 ICT 人才培养新模式，为行业发展培养更多优秀人才。（二）竞赛时间每年举办一届，通常分为多个阶段，包括报名、初赛、复赛和决赛，具体时间安排因地区和赛道而异，一般在每年下半年启动报名，初赛、复赛和决赛在数月内依次进行，整个赛事持续约 3—4 个月时间，详细时间节点可关注华为 ICT 大赛官方网站发布信息。（三）竞赛内容与形式 1.竞赛内容广泛：竞赛内容涵盖云计算、大数据、物联网、人工智能、网络技术等 ICT 领域前沿技术和应用场景，设置多个赛道和赛项，如网络赛道、云赛道、计算赛道等，每个赛道下又细分不同赛项，以满足不同专业和技术方向学生参赛需求。 2.竞赛形式多样：竞赛形式多样化，包括理论考试、实践操作、案例分析、现场答辩等环节。初赛阶段一般采用线上理论考试和实践操作相结合的方式，考查学生对 ICT 基础知识和基本技能的掌握程度；复赛和决赛则更加注重综合能力和创新应用能力的考核，通常在指定场地进行现场比赛，参赛队伍需要在规定时间内完成复杂的项目任务，并向评委展示项目成果，进行现场答辩，阐述项目设计思路、技术实现方案以及创新点等内容。参赛团队以小组形式参赛，每组人数根据赛项要求而定，一般在 2—5 人左右，团队成员需具备不同专业技能，相互协作完成竞赛任务。（四）奖项设置奖项丰富且具有吸引力，设有全球总决赛一等奖、二等奖、三等奖以及区域赛一等奖、二等奖、三等奖等多个奖项级别，获奖团队和个人将获得荣誉证书、奖杯、奖金（奖金数额因奖项级别而异），以及华为认证考试券、实习就业推荐机会、华为技术培训资源等奖励。优秀获奖团队还有机会参与华为技术交流活动和项目实践，提升技术水平和行业视野，部分表现突出的学生有机会直接加入华为公司或其合作伙伴企业，开启职业生涯。（五）参赛要求与对象面向全球高校在校学生，包括本科生、研究生以及专科生等不同层次学历的学生，参赛学生需对ICT技术有浓厚兴趣，并具备一定的相关知识基础和实践能力，不同赛道和赛项对参赛学生专业背景可能有一定倾向性，但鼓励跨专业学生组队参赛，以促进学科交叉融合和创新思维碰撞。参赛队伍需按照大赛官方规定的流程进行报名注册、选择赛道赛项，并在比赛过程中遵守竞赛规则和评审标准，诚信参赛，确保竞赛公平、公正、公开进行。（六）官方支持 1.赛前，可通过华为ICT学院平台发布丰富的学习资料，包括在线课程、实验手册、技术文档、案例分析等，覆盖竞赛涉及的各个技术领域，帮助学生系统学习和掌握相关知识技能。 2.举办线上线下技术讲座、培训研讨会等活动，邀请华为资深技术专家和行业精英为学生解读竞赛赛题、分享前沿技术趋势和实际项目经验，解答学生在备赛过程中遇到的问题。 3.华为还为参赛队伍提供免费的云计算、网络等实验环境资源，以及部分华为设备和软件的使用权，方便学生进行实践操作和项目开发，提高竞赛水平和实践能力。在比赛过程中，安排专业的技术支持团队随时为参赛学生提供技术咨询和故障排除服务，确保比赛顺利进行。这八大电赛各具特色，无论是在竞赛内容的专业性、竞赛形式的多样性，还是在奖项设置的吸引力和培训支持的全面性方面，都为大学生提供了难得的锻炼机会和展示平台。同学们可以根据自己的兴趣爱好、专业特长和未来职业规划，选择适合自己的竞赛积极参与，在竞赛中不断提升自己的综合素质和能力，为未来的发展打下坚实的基础。
发表了主题帖：机器人电池管理：如何打造高效、安全的锂电池管理系统BMS

电池管理系统架构电池管理系统（BMS）通常由多个功能模块组成，包括截止场效应晶体管（FETs）、燃料监测器、电池单元电压监测器、电池单元电压均衡器、实时钟、温度监测器和状态机（见图1）。市面上有多种类型的BMS集成电路（IC）。解释说明截止场效应晶体管（FETs）：用于控制电流的流动，保护电池不受过度充电或过度放电的影响。通过开关FETs，可以断开电池与负载或充电器的连接，从而防止电池损坏。燃料监测器：用于测量电池的电量状态（SOC），即电池剩余的电量。这有助于提供准确的电量信息，确保电池不会因过度放电而损坏。电池单元电压监测器：监测每个电池单元的电压，确保它们在安全的工作范围内。这可以及时检测到任何单元电压异常，以防止电池损坏。电池单元电压均衡器：用于平衡电池单元之间的电压差异。通过均衡功能，可以确保所有电池单元的电压保持一致，从而优化电池的整体性能和寿命。实时钟：提供准确的时间信息，以便系统能够跟踪电池的充电和放电周期，进行定时的维护和监测。温度监测器：测量电池单元的温度，防止过热。温度监测器可以检测到电池的异常温升，从而触发保护措施，防止热失控和安全隐患。状态机：负责控制系统的逻辑状态和操作。状态机根据电池的当前状态（如充电、放电、保护模式等）执行相应的操作，以确保系统正常运行。这些功能模块协同工作，确保电池管理系统能够准确监控和管理电池的状态，提供可靠的性能和安全保障。功能模块组合及其技术分析功能模块的组合方式差异很大，从简单的模拟前端（如ISL94208，提供均衡和监测功能，需要微控制器）到独立的集成解决方案（如ISL94203，能够自主运行）。接下来，我们将分析每个模块的目的和技术，以及各自的优缺点。截止FETs和FET驱动器 FET驱动器功能模块负责电池组与负载和充电器之间的连接和隔离。FET驱动器的行为基于电池单元电压测量、电流测量以及实时检测电路的结果。图2展示了两种不同类型的FET连接方式：图2A 显示了最少数量连接的单一连接方式，该方式将电池组的工作模式限制为充电、放电或休眠。这种方式中，电流流动方向和特定实时测试的行为决定了设备的状态。图2B 显示了允许同时充电和放电的双端连接方式。这种连接方式提供了更多的操作灵活性，但需要更多的连接和更复杂的控制逻辑。技术分析简单模拟前端：优点：设计简单、成本较低，适用于基本的电池管理功能。缺点：需要外部微控制器来管理，可能限制了系统的集成度和功能扩展性。独立集成解决方案：优点：集成度高、运行自主，不需要外部微控制器，能够提供更高的系统集成度和更强的功能。缺点：可能成本较高，设计复杂度增加。通过了解这些模块的目的和技术，可以根据具体的应用需求选择合适的BMS设计，以实现最佳的电池管理效果。功能模块及其技术解析截止FETs和FET驱动器 ISL94203 配备了一个通道监视器（CHMON），用于监测截止FETs右侧的电压。如果充电器连接到电池组，而电池组与充电器隔离，那么注入电池组的电流将导致电压上升至充电器的最大供电电压。CHMON上的电压水平达到阈值，从而使BMS设备知道有充电器连接。为了确定负载连接，通过向负载注入电流来检查负载的存在。如果注入电流时引脚电压没有显著上升，说明负载存在。这时，FET驱动器的DFET会打开。图2B中的连接方案允许电池组在充电时同时运行。 FET驱动器可以设计为连接到电池组的高侧或低侧：高侧连接：需要一个充电泵驱动器来激活NMOS FETs。高侧驱动器提供了一个稳固的地参考，适用于其他电路。使用高侧驱动器时，虽然可以提供稳定的地参考，但需要额外的充电泵，可能会增加成本和复杂性。低侧连接：某些集成解决方案中使用低侧FET驱动器以降低成本，因为它们不需要充电泵，也不需要高电压器件，这减少了芯片的面积。然而，低侧FETs会使电池组的地连接浮动，使其更容易受到噪声的影响，从而可能影响某些IC的性能。燃料计/电流测量燃料计功能块跟踪电池组中的电荷流入和流出。电荷是电流和时间的乘积。在设计燃料计时可以使用多种不同的方法：电流传感放大器和嵌入式低分辨率ADC：这种方法通过电流传感放大器放大信号，适用于高共模环境，从而实现更高分辨率的测量。尽管这种设计技术牺牲了动态范围，但在一些应用中依然有效。高分辨率ADC或昂贵的燃料计IC：高分辨率ADC提供了较大的动态范围，但牺牲了速度。如果电池连接到不稳定的负载，如电动车，慢速ADC可能会遗漏高幅度和高频率的电流峰值。对于不稳定的负载，使用具有电流传感放大器前端的逐次逼近寄存器（SAR）ADC可能更为理想。测量误差会影响电池电荷的整体误差，长期测量误差会导致显著的电池电量状态错误。16位分辨率和50 µV或更小的偏移量对于充电测量是足够的。电池单元电压和延长电池寿命监测电池组中每个单元的电压对于确定其整体健康状况至关重要。所有电池单元都有一个操作电压窗口，充电/放电应在此窗口内进行，以确保电池的正常运行和寿命。对于使用锂化学电池的应用，操作电压通常在2.5V到4.2V之间（具体范围取决于化学成分）。在电压范围之外操作电池会显著减少电池的使用寿命，并可能使其变得无用。电池单元以串联和并联的方式连接形成电池组。并联连接增加了电池组的电流驱动能力，而串联连接则增加了整体电压。由于电池单元的性能分布，随着每个单元在充电和放电之间循环，其充电和放电速率会发生变化，这导致电池组内的电池单元之间存在分布差异。为了确定电池组是否充满，可以监测每个单元的电压直到设定电压水平。第一个达到电压限制的电池单元会触发电池组充满的限制。如果电池组中有一个较弱的单元，可能会导致较弱的单元最先达到限制，从而阻止其他单元完全充电。为了提高电池组每次充电的ON时间，可以采取以下两种方法：在充电周期中减慢对较弱单元的充电速度：通过将一个旁路FET与限流电阻连接到电池单元（图3A），从充电电流较高的单元中分流电流，减缓较弱单元的充电速度。这样，其他电池单元能够赶上，实现电池组充电容量的最大化。主动均衡：在放电周期中，通过从强电池单元窃取电荷并将其提供给弱电池单元（图3B），实现主动均衡。这种方法在电池组充电和放电时都有助于平衡各单元的电荷，从而延长电池组的使用寿命。其他功能模块及其技术解析主动均衡第二种方法是通过在放电周期中实现充电位移方案来平衡电池组。这种方法通过感应耦合或电容存储，从强电池单元（alpha单元）获取电荷，并将储存的电荷注入到最弱的电池单元中。这样可以延缓最弱电池单元达到放电极限的时间，这种方法被称为主动均衡（见图3B）。温度监测现代电池在保持恒定电压的同时能够提供大量电流，这可能导致电池过热，进而引发火灾。电池中使用的化学品非常易燃，如果电池受到锐物刺穿，也可能引发火灾。温度测量不仅用于安全，还可以帮助确定是否适合充电或放电电池。温度传感器用于监测每个电池单元在能源存储系统（ESS）应用中，或在较小、便携的应用中监测电池单元组。常用的温度传感器是由内部ADC电压参考供电的热敏电阻。内部电压参考有助于减少由于环境温度变化而导致的温度读数不准确的问题。状态机或算法大多数BMS系统需要微控制器（MCU）或现场可编程门阵列（FPGA）来管理来自传感电路的信息，然后根据接收到的信息做出决策。在某些设备中，如ISL94203，数字编码的算法可以实现单芯片的独立解决方案。独立解决方案在与MCU配合时也很有价值，因为独立方案的状态机可以释放MCU的时钟周期和内存空间。其他BMS功能模块其他功能模块可能包括电池认证、实时钟（RTC）、内存和串联链路（daisy chain）：电池认证：防止BMS电子系统连接到第三方电池组，确保系统安全性。实时钟（RTC）和内存：用于黑匣子应用——RTC用于时间戳，内存用于存储数据。这可以让用户在灾难性事件发生前了解电池组的行为。电压参考/稳压器：用于为BMS系统周围的外围电路供电。串联链路：用于简化堆叠设备之间的连接。串联链路模块取代了光耦合器或其他电平转换电路的需求，简化了系统设计。更多BMS资料分享：电池管理基础电荷泵电源以及在BMS上面的应用解析BMS：电池管理系统的基础功能与应用电池管理系统（BMS）架构详细解析：原理与器件选型指南 BMS电池管理系统