2014年大学生电子设计竞赛心得与啸叫抑制

2014年大学生电子设计竞赛心得与啸叫抑

制（D题）方案解析前言Hi,大家好，我是师头，电子信息工程专业，目前从事机器人硬件研发工作。我以前作为参赛选手参加过几次电赛，工作中也算积累了一些经验，这次作为外援参赛，能够在十多个小时里就搞定这道题，也是比我预期的要快不少，在这里就跟大家分享一下这次比赛的一些心得，工科男的思维比较发散，不要太在意某些细节问题。首先来探讨一下这次的几道题目吧，其他省份的题目我不太清楚，浙江省这边分别是：四旋翼飞行器（A题）、金属物体探测定位器（B题）、锁定放大器（C题）、音频功率放大器及啸叫抑制设计（D题）、电能无线传输装置（E题）。A题一道道来看吧，先说说A题，平时有玩过四旋翼的，估计很多会选这题，TI比去年瑞萨好一些，至少不指定主控型号了，大家用arduino、STM32、430的应该都有，自稳定一般都可以实现，用加速度计+陀螺仪测量姿态，用PID进行调节。难点在于定高和定点，定高一般有两种思路，用超声波和气压计，这两种其实都可以实现，但是气压计精度比较差，一般10-5cm，还会受旋翼气流干扰，但是好处是能稳定的读取到距离数据（有误差）用超声波就比较蛋疼了，虽然这货精度很高到1mm,但是有时候会收不到回波，导致没数据输出，尤其是距离稍微远点的时候。定点就比较复杂了，同样是两种方案，一种是用加速度计，加速度计进行积分，可以获得速度，再对速度进行积分，就可以获得运动距离，原理上是这样没错啦，但是大家飞机上用的MEMS传感器精度实在是太差了，一个0.1m/s的加速度测量误差，结果就导致飞机一秒偏5cm，二秒就会偏20cm，五秒会跑偏125cm；第二种方案是用光流传感器，这个方案我实践过，效果还是不错的，结合超声波测距，基本上1.5m定高定点是完全ok的，传感器是网上买的ADNS3080，实际上就是个光学鼠标引擎+镜头。上面说的这么多，估计大家实际也就是做到定高，定点大多还是靠微调机身的倾角，让飞机不至于大幅度的跑偏，坚持5秒也就够了。毕竟比赛的时间有限，四旋翼的题目明年估计还会有，瑞萨承包了国赛到2019年，大家现在就可以开始准备用瑞萨的芯片搞飞机了。B题B题是金属探测，要求是探测器自动进入，然后搜索，定位到硬币，这题其实就是TI在推广自己电感传感器吧。。。首先是在进入区任意方向任意位置进入，这就够蛋疼了，本来还想用惯导（AHRS）+里程计做航位推算来实现，结果后面来了句不能用其他传感器，我就蛋疼了，也不知道你们最后是怎么做的，反正我是看到这里就直接PASS了。跳过自动进入这个要求，搜索定位其实是比较简单的，假设从左上角直着进去，在区域里面搜索电感值突变的区域，然后进行精确定位。搜索定位的逻辑有好几种，这里就说一下最简单有效的平行搜索+扇形搜索（马航也是这么找的），首先在没有目标的时候，先在区域内做平行搜索，前进50cm、右转90度、前进5cm、右转90度、前进50cm、左转90度。。。这样可以找到一个大致的硬币位置，然后用扇形搜索，确定一个大致方向，然后前进1cm、原地转±30度，查找这个过程中数据的最大值存在数组中的位置相对中位差多少，就是偏哪个方向，然后就往这个方向转这么多角度，然后再前进1cm，再搜索±30度，直到这次的最大值比前一次的要小，就向后退5mm,再慢慢搜索，找到大于、等于、前上一次最大值的位置并停下。C题c题是锁定放大器，典型的模电题，看了半天我也看不到到底要求有哪些。。一步步按要求来作，感觉不难，运放、移相器、带通滤波、相敏检波还有blablabla。。。我模电学的一般，也没啥经验，就不在这里误人子弟了。D题D题也就是大家拿到资料里面的题目，也是本文的重点。首先看题目首先分为三部分：功率放大、啸叫检测、啸叫抑制。功率放大指定了功放新型号为TPA3112,这个功放确实是挺好的，你们可以看看淘宝上卖的25W功放，排开那些装盒子里看不到电路板的不说，那些裸板大部分都会带一个很大的散热片对吧。这是因为这些功放的关键器件是大功率三极管，大家知道，三极管放大的时候，输出的信号幅度肯定是小于供电电压的，那这些小于电源的这部分电压哪里去了？都是被三极管作为热量发散掉了，所以就需要这么大的一块散热片来进行散热！再看看TPA3112上，只有一个SOP的芯片，根本看不到散热片，使用的时候也基本不会发热，这是因为功放芯片采用了CMOS工艺，工作的时候是通过PWM控制输出电压大小，也就是说，如果输出6V电压，芯片就会使用50%的PWM波进行调试，开的时候是完全打开，MOS阻抗极小，关的时候完全关闭，基本没有电流。这样芯片就不会发热，电流相比三极管也减小了一半，效率提高了1倍。通过英文PDF的Figure14,可以算出功放板在5W时候的效率大约是87%，这完全满足题目＞80%的要求。关于效率还是要多说几句，虽然功放板的效率是87%，整个系统还要算上运放、处理器的功耗，这部分的供电是通过12V转换的，这里的电源效率其实也很重要，如果你用LM7805这样的线性稳压，那么就像前面说的三极管一样,多出来的7V电压都用来发热了，效率可想而知，要想达到80%的效率几乎不可能，这里推荐大家使用LM2596这样的开关稳压芯片，通过PWM控制输出电压，效率几乎可以＞90%,这样一来才能实现整个系统效率的最大化。功率放大光有功放还不够，还要前级的拾音器电路，方案里面已经给了个很详细的原理图了，典型的反向放大电路，驻极体通过一个上拉电阻充电，有声音就会对输出电压产生微弱的变化，通过C1隔直电容，去掉上拉电阻的直流偏置，然后输入到功放，通过R5/R2确定放大倍数，这里设置了500倍。R3、R4可以调节运放的输出基准电平，一般是分压到电源电压的一半，但是实际情况往往是运放有一定的限幅失真，所以最大的幅度未必是3V,可能只有2.5V,所以这里建议在R3、R4（换成1K）中间也加一个500K电位器，不去掉两端电阻是防止转电位器的时候转到两边极限，使运放引脚直接接电源或者直接接地（这样应该会坏掉吧，我也没试过，一般都会在可变电阻上串一个1K,防止短路）。这样可以调节运放输出的基准电平电压，通过示波器可以把基准电平调节到输出信号上下限的中间，实现运放放大倍数的最佳利用。RlRl,R3,R4=10KR2=1KR5=500K电位器Cl=0.1|jFIC1=LM358双运放MIC二麦克风说完了基本电路就是核心的啸叫检测和啸叫抑制了，首先是啸叫检测，啸叫检测我看大家用的方法各种各样，有人用输入捕获什么的，进行频率测量，虽然这不失为一个办法，但是难度和效果是不成正比的。最好的方法是用傅里叶变换，学过数字信号处理的同学应该会很清楚原理，没学过的我简单解释一下，傅里叶变换是将时域信号转换成频域信号的一个过程，通俗的说就是信号按照一定时间间隔采样进来，通过傅里叶变换，能得到这段信号里面各个频率的分量。通过下面两张GIF来形象解释一下这个问题吧，第一张图中每个圆都以各自的幅度和频率进行运动，右边就是各种信号叠加后的波形，单频是正弦波，但是多种频率合成后，就变成了像方一样的信号（这里几个信号的频率是成整数倍，如果各种频率混杂就会变成混乱的波形）。

第二张图类似一个方波的波形（时域信号），经过分解，可以分解成数个频率信号的叠加，以频率作为X轴，进行延伸，信号幅度对应Y轴距离，就形成了一张新的图（频域信号），这就是傅里叶变换之后的结果。（GIF在WORD里动不起来，文件夹里有原图可以看）通过傅里叶变换可以获得信号的辐频图，如果这时候产生了啸叫，图现在辐频图上的结果就是某个频率会有一个很高的尖峰，差不多就是下面这样。F面这张是一段人声的辐频图，各个频率的幅度分布就比较平均，大约200-1000HZ。通过检测所有频率中幅度的最大值，可以认定为是啸叫的频率，如果要做的好一些，可以再判断一下该频率的幅值与20-2000HZ之间的平均幅值的关系，如果大于平均幅度数倍甚至数十倍，肯定就是啸叫了，如果相差较小就不是啸叫了。再说说啸叫抑制，啸叫抑制可以通过一个陷波器，将啸叫频点的信号进行衰减，而其他频率信号可以通过。在本方案中我使用了FIR滤波器对信号进行滤波，但是这里碰到了一个问题，针对不同的信号频率进行衰减，需要使用不同的参数对滤波器进行初始化，而这个参数需要通过Matlab进行生成，在生成这些参数的过程中遇到了各种蛋疼的BUG,卡了我两三个小时，然后我就改用固定频率的低通滤波器进滤波，在代码里我设置了一个81阶低通滤波器，截止频率是2000hz，这也比我们分析出来的人声的基本分布范围要大，因为有些乐器的频率会高一些，如果到1K乐器就可能听不到了。有人说我用固定的低通滤波器完全可以用硬件实现，这里就问问这些同学，81阶低通滤波器，你是准备要焊162个电容电阻么？思路理清楚了，说说核心板代码的大致结构。首先是AD采样，这里设置了40kHz的定时器中断进行采样，40kHz是因为人耳能听到的声音是20kHz，根据香农采样定理，采样率至少是信号频率的两倍。AD采样需要一定的时间，我们不可能让处理器在这里死等，浪费了时间，所以使用DMA进行数据存储，AD采样完了以后，自动会触发DMA控制器，将AD采样结果的数据存到我们指定的数组里去，当完成1024次采样以后，就会触发一次DMA中断，DMA中断里面我们就把数组拷贝到另一个数组里，最为FFT计算的数据输入，并重新初始化DMA，让他进行下一轮1024个点采样。DMA中断中会对采样的标志位进行置位，这样主程序就知道已经完成一次采样了，于是就对这些数据进行FFT（快速傅里叶变换）运算，获得频域信号输出到运算结果的数组中，对这个数据进行最大值查找，并将最大值对应的频率和幅度通过串口输出，这样就完成了啸叫检测的功能。完成FFT之后，就要对信号进行FIR滤波，把AD采样的原始数据输出FIR滤波器，从输出数组中获取滤波后的数据，同样通过40kHZ的定时器，把滤波后的数据通过DA输出到功放板，就完成了啸叫抑制的功能。然后就是题目的一些其他指标，其中要求输出功率为5W,这里通过Plimit引脚的电压进行控制功放的输出，通过在功放板接地端串联一个采样电阻进行电流采样，通过AD采集采样电阻的电压值，结合PDF的Figurel4可以计算出整个功放板的输出功率。—+12VPlimit功率控制TPA3112信号输入接DA输出I-U/0.1Q I接AD采样0.1QXGND本题作品视频地址/vshow/idXNzUOODg2MDgw.htmlE题这题我没有去看过，没啥发言权，有做出来的同学似乎不少，欢迎补充吧。结语电赛也结束了，相继有小伙伴来报喜，目前知道至少江苏有个一等奖，这是对我方案最大的肯定。有人说我卖方案趁机敛财，他说的这么有道理，我竟无言以对。。。这次卖了十几个方案，我确实小赚一笔，你羡慕嫉妒恨