2019年10月22日 | 国赛“搬砖队”的四天三夜

“搬砖队”是朋友们为我们战队在国赛时取的名字，讲真，我也挺喜欢的。至于为什么会在代表武汉大学参加2019全国大学生电子设计竞赛时有这么一个名字，容我之后再讲。
 
我叫史金威，“搬砖队”的队友还包括了廖楚楚和刘山。楚楚动人，廖楚楚当然是位美女，其实刘山也是位长发飘飘的妹子，虽然她的名字常招致误解。不用羡慕我和两位妹子同组，干活时男人得多承担呢，不过她们其实都很强。刘山写软件的时候构思很快、有自己的想法；廖楚楚细心严谨，而且愿意承担写报告这份有点痛苦又很有挑战性的工作；而我则对电路应用和调试感兴趣。与此同时，我们三个人对彼此的专长都有所了解，不存在对另一个方向一点儿都不懂的情况，这样也可以互相做检查及备份。这个组合够完美吧。

左起：廖楚楚、史金威、刘山
 

我们这个团队可是2018年4月就已经敲定的。在一起的第一个项目是训练项目，做语音的采集与回放，记得当时由于要上课，所以我们只能在周末一起探讨，花了大概两三周时间完成，相比之下算是很快的。尽管不完美，但是指标也达到了要求。更重要的是，在这次合作中，无论是配合度还是完成度都非常好，我们明确了三人的分工，组合也就这么正式敲定了。
 
之后我们陆续参加了校赛、省赛、FPGA创新设计邀请赛以及最终的国赛。校赛和省赛时题目涉及到单相逆变和交流转直流电，以前从来没接触过这方面知识，我们就是慢慢查资料、慢慢去了解、去学习理论知识，最终还是因为欠缺一些理论知识，有一些小遗憾，但却进一步磨合了团队，并培养了团队理论学习的方法论。
 
接下来我要说的是我们在国赛中的四天三夜，这四天三夜对于身体来说是个煎熬，但我依然认为这是我大学期间最充实最有趣的四天三夜。
 
第一天白天 措手不及
 
这是开赛第一天，7:30会正式公布试题。7:00刚过，我们三个人就草草吃完早餐，坐在各自的电脑前一遍遍地刷新。7:30，当我们第一眼看到题目时，以为是下载错了，因为并没有看到电源类的题目。反复刷新，又在群里询问同学，才确定题目是是正确的。这时廖楚楚和刘山也都聚过来，盯着我的电脑一起看，一时间不知所措。一直以来，我们都是按照电源的方向来进行训练，师兄也告诉我电源方向更容易出成绩，“学电源，拿国一，保研美滋滋”。但现在……
 
几分钟后我们平静下来，毕竟还要继续比赛，就一道一道题目看，思考题目的大致方向。没有了我们主攻的电源类题目，我们便在C题、H题以及F题中徘徊。12：00，到了这个学校为了避免把过多时间浪费在选题上而建议的最晚提交时间，依旧没有结果。实在是太难选了，大家都不是很明确，而时间却在一分一秒地滑过。我们采取了排除法，看哪道题目更合适，甚至还做了一个小实验进行初步的可行性测试。14：00，讨论的结果是F题相对C题和H题可行度较高，而且时间也不允许我们再拖下去了，最终提交了题目。
 
在选题上花的时间比预计多，但我安慰自己磨刀不误砍柴工，立马开始工作就是。F题要求设计并制作纸张计数显示装置，两块平行极板（极板A、极板B）分别通过导线a和导线b连接到测量显示电路，装置可测量并显示置于极板A与极板B之间的纸张数量。
 
我来负责平行极板相关设计，包括电路以及固定极板的装置，然后把设计图纸交给学校进行加工，刘山撰写数据协议调试代码，廖楚楚进行测试和原理分析报告等。再次确认题目的要求后，大家每个人都就位了，感觉忙忙叨叨的，一个下午就这样过去了。

平行极板
 

第一天夜晚 问题初现
 
18:00点左右，我们坐在一起吃晚饭，让我开心的是队友们一点也不紧张，简单聊了一下各自的情况和接下来的安排。楚楚和刘山还要调试，我已经做完极板装置的设计，就在一边看器件的datasheet，为设计硬件电路做准备。
 
我开始对纸张数量与极板间电容以及压紧程度进行较为全面的数据模型分析，并利用MATLAB结合FDC2214芯片手册提供的计算公式推导出电容量和纸张数量的大致关系表达式，验证了用FDC2214测量纸张的理论上的可行性。
 
这个晚上遇到的最大障碍就是测电容，因为数据在不断变化。但纸张数量测量的本质是测量两个极板间的电容，所以测量电路的精准是必须的。为了检验FDC2214测量系统的精准度，我们找来不同精度、稳定度的标称电容来测量，所得的结果不仅不稳定，还测不准，真令人沮丧。在这个时候放上纸张进行测试，测量电路本身就不稳定，再加上机械结构比较粗糙，结果自然也不太尽如人意。
 
这事放在没经验的队上没准心里就会很难受，但我们在一起磨合一年多了，也有些小经验。决定不死抠这个问题，等结构件完善了，再认真地测，初期还是要扎实基础，把理论公式推导好。
 
凌晨，我开始焊接硬件电路。夜真的很黑，但我的头脑很清醒，而且也必须清醒，我知道接下来每一个夜晚都会这样过。最终调试到凌晨4点多，实在撑不住了我才去睡。毕竟国赛本来就四天三夜，我们要珍惜每一天的时间。
 
第二天白天 走上正轨
 
早上七点就醒实在是对毅力的考验，醒来的时候头脑有些懵，显然是没睡够。当我醒来的时候刘山已经在干活了，我也不知道她是几点睡的。这天我们主要的工作是验证方案的可靠性，要确定好结构的设计，并把结构件搭好，把电路接起来就开始测，记录数据，放到MATLAB上计算，这样的工作对于我们的脑力也算是相对的放松。
 
其实对于比赛来说，验证这件事就是走个过场。为什么这么说？就这么短的时间，如果一开始的设计有较大的偏差，哪里还有时间较正，所以必须在最初的方案设计环节就要做到基本无误。选型当然很关键。
 
单片机我们选的是TI的MSP430F5529，这也是我们训练时就开始在用的产品，虽然看到题目时也考虑过包括TI的TIVA或其他品牌的MCU，但毕竟MSP430更熟悉一些，资源也够用，操作不会出现大bug。但在电容测量方案上，我们选用了从未用过的TI FDC2214。看上去这种做法有些冒险，但是赛前我曾经看过FDC2214的datasheet，并且在省赛时也见过别人用过这个器件做过手势识别，而且表现优异，因此我当时并没有多大的心理压力，觉得很稳妥。验证的结果也证明了我的选择很正确。
 
对于芯片选型，我这里还是要吹一波TI官网。学校曾经安排过一个培训，教我们如何从几大元器件公司官网找器件的datasheet、参考设计以及申请样片等。从我的比较来看，TI的参考资料是最全面的，申请样片也是最方便的，所以后来我自己就偏向于使用TI的芯片。还有从大三开始接触到TI大学计划的微信公众号，里面有很多文件，像电路信号的处理、PCB布局布线等方面的就给了我很多帮助。就在国赛前几天，我发现了全国大学生电子科技竞赛培训网，真有些相见恨晚，我用它来给自己补充基本的原理知识。在后来的综合测试时，我发现以前测试中有一些原理不太解释得通的地方就有豁然开朗的感觉。
 
这一天就这样不断地测测测，看着数据不断在变，也不知道为什么，心里就很愉悦。我们通过准确数值确定了校准的表达式，直到晚饭前有了一个初步的结果，最大测量数量到了35张，能够满足题目的基本要求和发挥要求（30张）。

硬件电路

 
 
第二天夜晚 梁上君子
 
整个国赛期间最欢乐的时刻出现了。
 
负责撰写报告的廖楚楚开动了。为了提高质量和数量，晚饭后我们还是在不断地调试，一直在想办法改善软件方案。我们用的是LCR电桥对电容变化进行测试，为了保证纸张测量的准确统一，需要用到一个固定的重物。正好实验室外面正在修路，晚上我们溜出去，偷偷搬来了几块修路师傅拆下的旧砖。用胶带绑在一起，紧紧地压在纸上面，这样电容就不会有大变化了。当然这个法子是我们头天就已经想好的，一时之间实在想不到合适的压紧方法和重物，就只好就地取材了。
 
体力活作为男子汉应该当仁不让啊，不过尴尬的是，这几块摞在一起的砖头还真是挺重的，我一个人弄太辛苦，还得女士帮忙。负责写报告的廖楚楚也会不时过来问问情况，帮忙搬搬砖头，说是怕我和刘山累着，不过我觉得她是看见我们搬砖时老在笑和调侃，心里痒痒，所以一定要掺和一下。我当时还想，如果一个全是女同学的小组做F题还真挺让人佩服的。
 
砖头在紧张的比赛中带给我们很多乐趣，我们就对别人说，我们来国赛是搬砖的。总决赛时，我还特别去关注了一下其他团队用什么来压紧纸张，什么电感、变压器、水晶柱子，甚至还有哑铃，但我感觉都没有我们独家用砖头来当“镇纸”有创意。
 
就在那个晚上，就在搬砖的欢笑声中，整体的软硬件框架已经完成。

 
砖头特写