2023年B题【同轴电缆长度与终端负载检测装置】

一、团队介绍

获奖情况：2023年TI杯全国大学生电子设计竞赛国家级一等奖

学校信息：武汉大学

团队成员：胡志杰，武汉大学电子信息学院2020级本科生，通信工程专业；刘天时，武汉大学电子信息学院2020级本科生，电子信息工程专业；张贺翔，武汉大学电子信息学院2020级本科生，电子信息工程专业。

二、题目要求

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。

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。

（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。

发挥要求：

（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、设计摘要

系统以MSP430F6638单片机为控制核心，设计制作了同轴电缆长度与终端负载测量装置。系统使用5V单电源供电，由DDS模块、交流有效值检波模块、直流电压输出模块、A/D采样模块组成。单片机分别控制基于AD9910的DDS模块输出扫频信号和基于TLV5638的串行D/A输出直流电压。终端负载开路时DDS扫频，测量始端交流电压，其为极小值时计算得同轴电缆长度。根据交流、直流信号在不同类型负载中的传输特性，以及同轴线匹配阻抗与负载阻抗的分压关系，判断负载的类型并测量负载参数，同时在串口屏上显示。经测试，系统能测量100cm~2000cm的电缆长度，相对误差小于1%，测量10~30Ω的负载电阻，100pF~300pF的负载电容，相对误差均小于5%，满足题目要求。系统操作简单，稳定可靠，交互体验良好。

四、题目分析

题目要求测量同轴电缆的长度和终端负载，根据传输线理论，当终端开路时，线上的电压在线长为λ/4时取得极小值，故输入扫频信号，根据波速、信号频率与线长的关系计算得到电缆长度。终端接负载电阻时，根据电阻与匹配阻抗的分压关系即可测量负载电阻值。终端接负载电容时，此时ZL = -1/wCL，传输线的终端负载处反射系数的相位并不是0，而是介于0和π之间的任意值，终端出现的不是驻波电压的波腹和波节，其图形分布与偏移了一段距离的开路线相同。负载容抗可以由一段小于λ/4的开路线来等效，其长度为：

此时扫频测量得到电缆“新的”长度，其与实际长度的差值即为，再根据上式即可计算得到负载电容值。

五、总体设计框图

六、硬件电路组成

电源板（开源）

采用AD9910芯片构建DDS模块。AD9910集成1GSPS、14-bit DAC，能够输出高达400MHz的模拟信号。通过单片机向AD9910的寄存器中写入相应的控制字，使电缆长度检测时输出扫频信号以及终端负载检测时输出固定频率的正弦信号。

DDS模块原理图（开源）

采用串行D/A芯片TLV5638输出直流电压进行负载测量。TLV5638内置双12-bit电压输出DAC，具有低速、低功耗、高精度的特性。单片机控制TLV5638输出幅度1.5V的直流信号。

TLV5638模块原理图（开源）

采用RMS-DC芯片AD8361构建交流有效值检波模块。AD8361能检测平均响应功率，具备宽带高频检测的特性，内置三种工作模式，可输出线性响应直流电压，转换增益为7.5V/V_rms。使用交流有效值检波模块将同轴电缆始端的交流信号转换成直流信号便于后续测量。

交流有效值检波模块原理图（开源）

采用A/D转换芯片ADS1118设计A/D采样模块。ADS1118是具有内部可编程PGA,采样率860SPS的16-bit AD转换器，同时有低功耗的优点。使用ADS1118采集交流有效值检波模块输出的直流信号。

A/D转换模块原理图（开源）

七、程序流程图

八、实物展示

上图为实物展示，从①到⑧分别为：①电源板、②单片机MSP430F6638、③AD9910、④电压跟随器、⑤串口屏TJC8048X543_011、⑥电压跟随器、⑦AD8361、⑧ADS1118

九、注意事项

④后的继电器可以不加，项目制作过程中发现多余。按照源工程代码在上电后需要点击串口屏下方任意位置方可进入系统。

十、演示视频

见附件

十一、附件内容

附件一：工程代码

链接：附件一：工程代码

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附件二：演示视频

链接：附件二：演示视频

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