1. 电流信号检测装置从理论到实践的精准测量在2018年TI杯大学生电子设计竞赛中A题电流信号检测装置要求参赛队伍设计一个能够精确测量交流电流信号的系统。这个题目看似简单实则包含了模拟电路设计、信号处理和嵌入式系统开发的多个技术难点。我当年带队参赛时首先遇到的挑战是如何处理微弱电流信号。常规的电流互感器在测量mA级电流时精度会显著下降我们最终选择了TI的INA系列高精度电流检测放大器。这里有个实用技巧在PCB布局时检测电阻的走线要尽量短且对称否则微小的寄生电阻都会导致测量误差。实测发现将检测电阻放在放大器正下方并用四线制接法能够将误差控制在0.5%以内。信号处理部分我们采用了TI的MSP432微控制器它的14位ADC配合内置的可编程增益放大器(PGA)特别适合这种应用。有个容易忽略的细节是采样时序的同步问题——如果采样点没有对准信号过零点会导致明显的相位误差。我们通过硬件触发采样解决了这个问题具体做法是利用比较器检测过零点产生中断信号触发ADC采样。2. 无线充电电动小车能量传输的智能控制C题无线充电电动小车可能是当年最具挑战性的题目之一。它要求设计一个能够自动对准充电线圈、实现高效能量传输的智能小车系统。这个题目完美结合了电力电子、自动控制和嵌入式开发三大技术领域。在无线充电部分我们测试了多种拓扑结构最终选择了串联-串联(SS)补偿网络。这种结构在耦合系数变化时表现更稳定特别适合小车这种需要移动充电的场景。关键参数是谐振频率的匹配——我们用TI的TPS系列MOSFET驱动器和CD4046锁相环实现了精确的频率跟踪实测传输效率达到了75%以上。小车的自动对准系统更有意思。我们尝试过红外、超声波等多种定位方案最后发现最简单的霍尔传感器阵列效果最好。在充电板四周布置多个霍尔元件当小车靠近时通过检测磁场强度变化就能确定偏移方向。这里有个实用技巧给霍尔传感器加上偏置磁铁可以显著提高检测距离我们用的钕磁铁让检测距离从5cm提升到了15cm。3. 手势识别装置人机交互的创新实践D题手势识别装置考察的是学生对新型人机交互技术的理解。我们尝试了基于红外、超声波和电容感应的多种方案最终选择了TI的FDC2214电容传感器方案。这个芯片可以检测极微小的电容变化特别适合手势识别应用。在实际调试中发现环境温度变化会导致基准电容漂移严重影响识别准确率。我们通过软件校准解决了这个问题——系统启动时会自动采集环境电容值作为基准之后的所有测量都是相对于这个基准的变化量。另一个实用技巧是在传感器周围添加接地屏蔽环这样可以有效抑制外部干扰。手势算法部分我们采用了简单的阈值判断结合状态机的方法。虽然不如机器学习算法智能但在有限的硬件资源下运行效率更高。比如向左滑动的判断逻辑是传感器1的数值先升高然后传感器2的数值升高最后传感器3的数值升高三个事件必须在500ms内顺序发生。4. 能量回馈装置电力电子的高级应用E题变流器负载试验中的能量回馈装置是面向电力电子专业的高难度题目。它要求将负载消耗的能量回馈到电网实现节能环保。我们采用了TI的C2000系列DSP作为主控配合三相全桥逆变器实现了这个功能。最大的技术难点是并网同步控制。我们使用软件锁相环(SPLL)跟踪电网电压相位确保逆变器输出与电网同步。这里有个重要细节在检测电网过零点时要加入数字滤波否则噪声会导致锁相抖动。我们测试发现二阶IIR滤波器在50Hz处设置一个窄带通效果最好。另一个挑战是防止孤岛效应。我们实现了主动频率偏移(AFD)保护算法——当检测到电网断电时会主动改变输出频率确保逆变器与电网断开。这个功能在调试时救了我们的设备好几次避免了因电网异常导致的设备损坏。