2021年A题-信号失真度测量装置+随便取对 - 嘉立创EDA开源硬件平台

## 前言 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，信号处理前端只使用了一块运放芯片TLV2316，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 成员全部来自中山大学，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。 ## 项目分析 根据[比赛题目](https://res.nuedc-training.com.cn/topic/2021/topic_31.html)，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。 ## 原理图电路设计 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。但由于本作品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电路设计 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。 ## 实物展示 ## 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 1、连接USB电源线和信号SMA线，启动函数信号发生器的输出。 2、手机打开蓝牙，与Bluetooth-Slave设备配对。 3、手机打开上位机APP，选择该设备，并点击“连接”，启动蓝牙监听。 4、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。 ## 程序设计 所有代码已打包，见附件dist.zip： * start53 - CCS工程内容，需要安装simplelink_msp432e4_sdk_4_20_00_12版本的开发工具包 * THDMeasure - Android Studio工程文件夹 * app-release.apk - 编译好的安卓APP上位机（显示结果、绘制图像） * 国赛有相频-修正.HMI - 串口屏设计文件 ## 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。积累了一定电子设计及单片机系统的应用经验。