2023年_B题：同轴电缆长度与终端负载检测装置

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任务要求

难度

2023_B题_同轴电缆长度与终端负载检测装置

一、任务

设计并制作一个同轴电缆长度与终端负载检测装置（以下简称“装置”），如图1所示。待测电缆始端通过电缆连接头与装置连接，电缆终端可开路或接入电阻、电容负载。设置“长度检测”和“负载检测”两个按键，用以选择和启动相应功能。负载电阻值范围：10Ω~30Ω，电容值范围：100pF~300pF。装置由不大于6V的单电源供电。

图 1 同轴电缆长度及终端负载检测装置示意图

二、要求
1. 基本要求
（1）装置能够显示工作状态、电缆长度、负载类型、负载参数，显示格式见表 1。

表1 装置显示格式

（2）电缆长度 1000cm≤L≤2000cm、终端开路，按“长度检测”键启动检测，装置能够检测并显示电缆长度 L，相对误差的绝对值不大于 5%，一次检测时间不超过 5s

（3）终端开路条件下完成电缆长度检测后，保持L不变，在终端接入电阻、电容中的一种负载，按“负载检测”键启动检测，装置能够正确判断并显示负载类型，一次检测时间不超过 5s。

2. 发挥部分
（1）提高电缆长度检测精度：电缆长度 1000cm≤L≤2000cm、终端开路，电缆长度检测相对误差的绝对值不大于 1%，一次检测时间不超过 5s。

（2）终端开路条件下完成长度检测后，保持 L 不变，在终端接入电阻、电容中的一种负载，按“负载检测”键启动检测，装置在正确判断负载类型的基础上检测并显示负载的电阻、电容值，相对误差的绝对值不大于 10%，一次检测时间不超过 5s。

（3）减小电缆长度检测盲区：终端开路时，在满足电缆长度检测相对误差的绝对值不大于 1%、一次检测时间不超过 5s 的条件下，减小能够检测的电缆长
度至 L≤100cm。

（4）其他。

三、说明
（1）装置应包括信号源和测量处理电路两部分。根据测量方法采用合适的激励信号，在电缆始端测量入射、反射等信号并进行处理，计算所需检测的参数。

（2）被测同轴电缆由参赛队自备并在参加测试时带入现场，事先需自行测量电缆总长度，至少一根电缆长度不小于2000cm。电缆始端所接插头类型自定，终端可在芯线和屏蔽层间方便地接入负载。电缆应允许盘绕，测试过程中除按指定长度截短电缆和接入指定负载外，不允许再改变电缆的其他状态。

（3）作品测评过程中，除按“长度检测”、“负载检测”一键启动相应功能外，不允许对装置进行其他任何调整和操作。

（4）题目中检测相对误差的绝对值𝛿 = |(测量值−实际值)/实际值 | × 100%，电阻、电容的实际值使用 LCR 测试仪测定。

（5）发挥部分（3）能检测的最小长度 L≤100cm 得满分，L≥1000cm 本项不得分。测试时由参赛队指定测试长度，在此长度附近测量并进行精度验证，电缆长度测量相对误差的绝对值不大于 1%、一次检测时间不超过 5s 认为满足要求，并认定该长度有效。

（6）作品中不得使用测距传感器及摄像头。

评审标准

参考答案

GPT-4o给出的设计方案：

一、设计方案

该设计方案用于测试和显示电缆长度及其终端负载特性，系统由测量模块、显示模块和传感通信模块组成。

二、设计步骤：

测量模块：
- 使用电桥和信号处理技术测量电缆长度和负载特性。
- 信号生成电路、信号接收和放大电路、A/D转换和数据处理电路。
显示模块：
- 数字显示屏显示电缆长度、负载特性、工作状态等信息。
- 提供简单的用户接口以进行操作。
控制和处理模块：
- 用于数据采集和信号处理的MCU。
- 使用LCR表或类似设备进行电缆电容、感性和电阻的判定。
- 采用自动测试程序，实现电缆长度和负载特性测试。

三、方案论证：

精度和效率：
- 使用高精度的仪器和传感器，保证电缆长度测量的精度在1%以内，快速响应时间不超过5秒。
- 负载判定采用精密测量方法，确保负载类型的判定准确率高。
电磁兼容性：
- 采用屏蔽和滤波技术，确保系统在电磁干扰下稳定工作。

四、重要指标理论分析

电缆长度测量精度：
- 采样频率及信号处理算法影响测量精度。
- 使用参考电缆参数进行校准，提高测量精度。
负载检测和判定：
- 通过LCR表测量电缆的电容、电感和电阻特性，判定负载类型。
- 数据处理算法对测量结果进行分析和判定。

五、主要电路设计要点

信号生成电路：
- 产生测量所需的信号，如方波或正弦波。
- 确保信号的频率和幅度稳定。
信号接收和放大电路：
- 接收经电缆传输后的信号，并进行放大处理，确保信号质量。
A/D转换和数据处理电路：
- 将模拟信号转换为数字信号，并输入MCU进行处理。

六、核心器件设计要点

MCU：
- 选择如MSP430系列的低功耗、高性能MCU。
- 要求具备足够的ADC通道和分辨率。
信号处理IC：
- 精确的信号放大和滤波，使用如OPA333精准运放。
显示模块：
- 使用OLED或LCD显示，需有良好的用户界面。

重要功能的C代码

如果我们选择采用MSP430来实现电缆长度和负载检测功能，可以使用以下C代码片段进行基本配置和数据处理：

#include <msp430.h>

void configureADC() {
    ADC10CTL1 = INCH_0 + ADC10DIV_3; // 输入通道A0，时钟分频器
    ADC10CTL0 = SREF_0 + ADC10SHT_3 + ADC10ON + ADC10IE; // 参考电压，采样时间，ADC使能和中断
}

void configureLCD() {
    // LCD配置代码，如初始化、清屏等
}

void main(void) {
    WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; // 停止看门狗定时器
    configureADC();
    configureLCD();
    __enable_interrupt(); // 使能全局中断

    while (1) {
        ADC10CTL0 |= ENC + ADC10SC; // 开始ADC转换
        __bis_SR_register(CPUOFF + GIE); // 进入低功耗模式
        int adc_result = ADC10MEM; // 读取ADC结果
        
        // 根据ADC结果计算长度或负载特性
        float cable_length = calculate_length(adc_result);
        display_length(cable_length);
    }
}

// ADC转换完成中断服务程序
#pragma vector=ADC10_VECTOR
__interrupt void ADC10_ISR(void) {
    __bic_SR_register_on_exit(CPUOFF); // 退出低功耗模式
}

float calculate_length(int adc_value) {
    // 根据校准公式计算电缆长度
    return (float)adc_value * CALIBRATION_FACTOR;
}

void display_length(float length) {
    // 显示长度值到LCD屏幕
    lcd_print(length);
}

本题目考察知识点：

电缆长度测量：
- 测量电缆长度，精度范围为1%。
- 长度范围要求在1000cm至20000cm之间。
电容负载检测：
- 检测电缆的电容负载，范围100pF至300pF。
- 测试精度要求小于10%。
负载类型判定：
- 判定电缆的负载类型，包括开路、中阻或电容连接。
- 使用自动识别和测量电路。
自动检测显示：
- 自动检测电缆长度及负载特性并显示结果。
- 界面友好，显示测试状态和结果。
快速响应时间：
- 测试和显示的响应时间需在5秒以内。
- 保证电缆测试的实时性和有效性。