2023年电赛B题国赛作品：同轴电缆测量装置

        作品进国赛了，写一篇作品简介供大家参考。题目刚发出来，从A题按顺序往下看，到B这里就停住了，因为一开始定题目的方向就是往仪器仪表这里考虑，大体看下B题题目，认为这是道仪器仪表类，觉得还挺有意思，感觉和2019年C题线路负载及装置检测装置有点神似，只不过在2019年负载定性基础上加了负载定量功能，想着没有测量电感，测量电阻、电容都是可以利用基础知识实现，心里觉得这题有搞头。到了选题当天下午，才知道这题是道高频题，要在电缆装置始端发射高频信号，并接受反射回来的信号，通过对传播时间的处理求解电缆长度。让会FPGA的大佬试了一下，虽然能发射高频信号，但还要对反射回来的信号进行处理，况且队内三人没有会FPGA的，想着这个法子真的搞不来，在换题和继续搞下去之间一直徘徊，快选题时间截止的时候，队长忽然灵感一蹦：能不能用通过测量电缆的重量——测量一米电缆的重量和当前电缆的重量比较得出当前电缆的长度，当然就有很多疑问，比如电缆是等密度分布的吗，重力传感器的精度够不够，怎么去除多余装置的重量等等，上淘宝一搜相关的装置，问了店家相关问题，结果都和预期中一样完美，我们马上就定下了解题思路，选定了这道题。那么废话不多说，下面简述下我们的产品。

     一.长度检测

         用了普通的压力传感器模块，用32读取压力值，当然也可以在淘宝上买现成的重力传感器模块，便宜的精度也能达到0.1g，针对于题目中测量电缆长度的误差完全够用。流程就是将整个装置（未接电缆）放置称重装置上，摁下 去皮按键，提前录入一米长度电缆的重量，我们这里将电缆密度（电缆一米长度的重量）写死了，大家可以再设置一个按键让单片机学习不同电缆一米长度的重量，这样就能测量不同种电缆的长度，因为比赛时电缆自备，我们为了不出差错，直接把我们电缆一米长度的重量设置为了定变量，接入我们的电缆，单片机就能通过比较两端电缆的重力来算出电缆的长度了。

        二.负载定性

        既然题目中未要求电感测量，只有电容和电阻测量，根据电容隔直通交的特性，给回路一个直流信号，通过判断固定点的电位就能判断负载类型了，上图！

我们根据测量电阻的大小在回路中加了R标，（22Ω），给回路通一直流信号U0,简单分析下，如果电缆末端所接负载是电阻，根据串联分压，当RX取最大值时，有U2max，那么U2最大为30/（30+22）*U0（题目要求测量的最大电阻阻值为30Ω），这里肯定有小伙伴要问了，那么长的电缆没有电阻吗，不会对测量电阻产生误差吗，我们也是这样想的，但经过测量，我们发现即使长度为30米的电缆，电阻也仅仅只有1欧左右，对测量电阻的误差很小，当然大家也可以在最后测量值的基础上再减去1Ω，使得测量值更加准确；而当电缆末端接电容，回路短路，U2应该等于U0；为了防止系统微小误差影响最终结果，我们通过判断32ADC采集得到的U2和直流信号U0的比值来判断负载类型：当比值>0.9时，所接负载为电容，否则为电阻，到此负载类型判断功能就完成了，是不是特别简单，上原理图。

三.电阻测量 

        根据负载定性的电路，我们测出了U1和U2的值，根据串联回路电流相等，(U1-U2)/R标=U2/Rx，求得R标的大小。

四.电容测量

        电容测量我们用简单的555定时器RC振荡电路求得，这部分又像2019年F题纸张计数器 

 利用单片机采集OUT端方波的周期，根据公式T=ln2(R22+2*R23)*C,就可以求得电缆和负载电容的和了。这里应该也有小伙伴有疑问，电阻测量时我们没管电缆的阻值，这里是不是也可以忽略电缆的电容值，这么想就错了，我们通过测量发现电缆的电容值相对于题目中要求测得的电容值很大很大（大概是10倍左右），而这部分电容是电缆芯导线和地线产生的集成电容又无法消除，但我们发现这部分电容和负载电容是并联的关系，电容并联容值相加，我们就可以通过测量电缆和负载的总电容，再通过一开始长度检测时对空载的电缆进行电容检测，最后结果相减就是我们要求的电容值，经实际测量，求的的电容值在题目要求的误差之内，实现了电容测量功能。

 五.细节说明

      在回路调试时，我们发现各部分回路之间会相互影响，比如测量电阻时，如果仍给555定时器供电，U2、U1的值会偏离理想值；为防止各部分回路之间相互影响，我们用继电器实现可编程选择打开各部分电路，系统总共用了两个继电器，一个位于R标的前端用于负载定性和电阻测量功能的打开，另一个位于负载与555定时器的连接处，用于电容测量功能的打开。下面是我们系统的整体框架图，方便大家对系统理解透彻。

 最后附上一张系统的整体图（作品还在组委会，后期再附上细节图）

谢谢大家的观看。