[分享] 2018 TI杯全国大学生电赛模拟邀请赛回顾及赛题解析

TI杯电赛模拟邀请赛进一步激发了同学们对电子设计实践与创新的兴趣。电赛结束后，不少同学仍在热烈讨论解题的各种方案与可能性，现在，我们将提供部分赛题解析作为参考，期待大家在此基础上不断精进，大胆创新。

先来看看本次竞赛都有哪些可选题目吧：

A题是TI杯获奖队所选择的赛题，本题要求设计并制作一台具有直流电压、交流电压和电阻测量功能的数字多用表。其中，A/D转换器要求使用ADS112C04芯片。

C题要求设计并制作简易直流电子负载。被测电源为输出电压可调的直流稳压电源，额定电压不小于30V，额定电流不小于2A。

而B题作为本文将要进行解析的赛题， 题目为：设计制作一套简易水箱装置。该装置由液位控制系统（包括水泵、液位高度显示）、上水箱、储水箱和一个扰动水源组成。（其中，上水箱是可观察及标识液位高度的容器，容积约2升，高度不小于200mm。储水箱容积大于4升，扰动水源水箱是容积为0.5升的塑料瓶，扰动水源通过瓶盖钻孔流入上水箱。上水箱的进水口联接水泵，由水泵控制进水量；上水箱的出水口设置在瓶口，并通过在瓶盖钻不同直径流出孔的方式实现输出水流量的改变，流出的水注入储水箱。液位控制系统使用 TI公司的FDC2214电容传感器评估板采集上水箱的液位信息，与MSP430/432配合组成一个电子控制系统，实现对上水箱的液位动态控制。）

下面，为你们准备的本届竞赛B题的关键点分析和方案参考，即将登场：

根据题目任务和要求的描述，我们可以了解本题是一个基于流量控制的闭环控制系统，系统框图如下图所示。输入为潜水泵的泵水量，该泵水量可控；输出为不同口径的出水口，该出水口已经确定，不可控；反馈参数为液位读数，由比赛组委会提供的基于FDC2214的液位测量模块，该反馈量反映了系统控制精度；外部扰动源为固定扰动源，不可控。

由上述分析，可以看到，完成本题的关键有3部分内容，1）水泵出水量控制 2）液位测量精度控制 3）控制算法；本解题方案侧重于介绍硬件设计方案，控制算法不做具体介绍。

1） 水泵出水量控制：给储水容器上水用的水泵由题目规定，水泵的参数中提到了电压工作范围、扬程、流量和功率和出水口口径；同时题目对上水时间和水位保持平衡的时间有指标要求，这表明如何控制水泵流量是本题的另一个关键点。

2） 液位测量精度控制：用于水位测量的传感器和电路已由题目指定（FDC2214和相应的电容传感器），在题目的要求中，不管是静止液位的测量和动态平衡的液位测量都要求“检测误差不大于2mm”，所以，如何合理应用指定的电路来精确且快速测量水位，是本题的一个关键点。

水泵出水量控制
a) 水泵的基本理解参数

水泵的种类非常多，一般由电机和泵两部分组成。根据题目给定水泵的参数：电压DC-12V（6V即可工作）；扬程300cm；流量240L/H；功率4.8W；口径8mm。 这里唯一可变的参数是电机的工作电压，表明它是一个电压控制的直流潜水泵。通常水泵的扬程，流量，都是指在它的额定工作点（功率）上的工作能力，而这个额定工作点一般也是在指定的最高额定电压时（12V）时的功率点。因为水泵的功率参数没有说明是输入功率还是输出功率，所以我们按直流水泵参数的惯例，认为它是输出功率。假设这个水泵的效率为75%。那么这个水泵的额定输入功率为4.8W/0.75 = 6.4W , 水泵的输入额定电流为6.4W / 12V = 0.53A。水泵工作在某个输出功率下，它的扬程和流量跟出水管差有关，出水管差就是水泵的出水口和管道的出水口之间的高度差。当出水口径指定，管差越小时，流量就越容易受到输出功率控制。因为水泵的效率基本恒定，输出功率和输入功率成正比关系； 而输入功率与输入电压成正比关系，因此无论驱动水泵的电机是哪种，基本电压总是加载到转子或者定子上，而转子或者定子在工作温度变化不大的时侯，其电阻（热态电阻）一般都是恒定的。因为水泵内的电机种类未知，不能贸然采用全桥或者半桥之类PWM驱动。

最佳方案是设计一个电压连续可调的程控电压源来控制，因此这道题分析到这里，我们了解到硬件设计的关键部分是要设计一个连续可调的电压源。

根据上述分析要合理控制水流量，还需要注意如下事项：

（1）合理安装泵的出水管，尽可能不要挤压到软管，导致管口径变小，减少管差（泵到上端软管出水口的高度差）， 同时要通过实验，了解泵与上容器之间的高度差对泵水量的影响。

（2）设计一个电压连续可调的电压源，输出电压5V~12V可调，输出电流可达600mA （比额定电流稍大，但不至于过大而损坏电机）。

b) 电压连续可调电压源的设计

说明：解题方案和思考很多，这里主要基于现场提供的TI芯片来进行设计。也欢迎更多的感兴趣的同学提供自己的解题思路。

现场提供的器件列表中有一颗DC-DC升压芯片：TPS61085。TPS61085是一片开关频率恒定的升压芯片。输入电压范围2.3V ~6V, 输出电压可调。其输出电流的能力也满足要求如下图所示。当输入电压越大，输出电流也越大，如果要达到水泵的额定工作点，设计时可选输入电压为5V.




考虑到现场提供了MSP430单片机, 具有PWM产生功能，所以最直接的方式选用PWM波加到TPS61085的使能端（EN）,调节PWM波的占空比，就可以调节输出电压的大小。

另外现场还提供了带内部DAC的MSP430FR2355 Launchpad，可以用单片机的DAC, 来产生一个可调的直流电压，配合运放和功率驱动管，也可以产生连续可调的输出电压。但这时侯要注意，DAC是否可以产生负压？如果不能，电压就只能在一个基准值上向一个方向变化。

另外利用PWM波控制软启动端的调节方式与控制使能端的方式是一样的，但PWM波的频率要更低，过高的频率可能导致开关时间短于软启动时间，芯片无法工作。

基于TPS61085的Boost电路设计图如下图所示。想进一步了解该芯片使用方法的同学可以用Webench进行仿真。 我们可以在www.ti.com 中找到TPS61085,然后点击右下角的webench设计界面。



基于Webench设计的原理图如下图所示：




液位测量精度控制

a) FDC2214电容传感器测液位基本原理分析

FDC2X1X系列芯片是多通道电容测量芯片，主要用于接近传感和液位测量。其结构框图如下图所示，每个测量通道由待测电容、外接的电感L和电容C，以及芯片内部的振荡电路驱动电路组成一个振荡电路。待测电容不同，则振荡频率fsensor不同。实际上FDC2214每个通道的AD转换后的数值量化结果DATAX,  体现的是这个通道参考频率fREFx和振荡频率fsensor的关系:





用于液位测量的电容极板被设计成细长条形，电容极板和大地形成电容，这个电容的值取决于极板的面积、极板与大地之间的介质、极板摆放的方式。当极板位置被固定后，电容值只取决介质。水的介电常数远大于空气的介电常数（80倍左右），电容极板很贴近水时，它的电容值随水位明显变化。当然，人体用手去接近电容极板时，电容值也会明显变化，因为人体也是介电常数很大的介质。 我们把随介质变化的电容极板产生的电容称为极板电容。  另外连接电容极板到FDC2214管脚的引线也会与大地形成电容。这个部分电容称为偏置电容（offset）。偏置电容会随引线的长短，位置而变化。

b) 快速精确测液位的问题

通过提供的工具，上水观测水位变化和电容值（待测电容值）的关系，很快就可以发现精确水位测量的以下几点：
（1） 水位不变化，拉动电容极板到电路之间的引线或者人体接近电容极板，都会导至电容发生变化。
（2） 当环境固定时（引线固定，人体或者其它导体没有接近）， 测量水位和电容的关系，发现不呈直接的线性关系。这是因为圆桶形的塑料容器在现场提供的固定方式下，一定会被挤压变形，导致相应位置上介质的厚度不一致。
（3） FDC2214的响应速度非常快，没有必要担心测量速度的问题。

c) 基于FDC2214的去环境干扰方法

（1） 观察提供的电容传感极板，会发现上面有三个通道的电容极板，两短一长，长极板是用来测量的极板，短的极板一高一低，当容器上水时，低位的短极板在水位之下，高位的短极板在水位之上。 环境因素导致的电容变化问题对三个极板都会共同作用，像电路中变化的共模信号，要去掉这个共模信号的影响，可以采用相减的方法。可以认为引线变化引入的电容变化，会同时作用到短极板和长极板上。人体接近引入的变化电容会同时作用到长极板和上端的短极板上（因为上端短极板有一粗根引线和测量极板平行，而极板部分与水位无关）。通过实测数据来验证这个想法。然后在计算时通过道通数据的相减，可以大大减少环境因素引入的干扰。

（2） 当环境因互引入的干扰被有效抑制之后，由于容器变形成的非线性关系，可以采用多点测量再做曲线拟合的方法进行标定。标定测量数据时，可以对容器变形的拐点附近多测一些数据。曲线拟合可以用多种方法，可以用Microsoft Excel, 或者Matlab等其它数学工具。拟合函数的选择要根据数据特点。因为是容器变形引入的，所以用多段折线可以精确拟合。拟合之后要用实测数据再验证过，确保精度是可靠的。

TI杯全国大学生电赛模拟邀请赛回顾及赛题解析

有没有全部的题目？

有啊，见附件，很全的ti联赛题目的。

好的谢谢下载下来学习学习

很有创意