高效实战及电赛训练(1)- 进阶之路

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2020年9月14日 11时24分

新一学年开学在即,多半年都没进过实验室的同学们要疯狂滴补“动手实战”;

 

推迟了几个月的全国大学生电子设计竞赛(今年是省赛)还有一个多月就开赛,不少同学都在为大学四年最重要的一个赛事冲刺;

 

正巧今天TI发布了今年省赛的器件清单:

 

1. 摄像头

2. 二维云台

3. 功率管(200V以上,5~10A)

4. 自耦变压器(100VA及以上)

5. 隔离变压器(100VA及以上)

6. 四轮电动小车(投影尺寸不大于250×250mm,质量不大于1.5kg)

7. 多旋翼飞行器(最大轴距不大于420mm)

8. MSP430/MSP432处理器模块(或Launchpad)

9. 红外传感器(20℃~50℃)

10. 温度传感器LMT70

11. 模拟前端芯片ADS1292

12. 运算放大器

13. ADC

14. DAC

 

还有需要准备的测试仪器:

1. 功率分析仪(电参数测试仪)

2. 五位半万用表

3. 心电信号模拟器

4. 温度计(量程50℃,精度1℃)

5. 体温表

6. 手持式激光测距仪/5米卷尺

 

相信多数同学都已经能猜测出来决赛是什么题目了,有足够的时间来准备应对了。

 

当然每年都要考察多个技术领域的国赛难度就要高很多了。备赛的团队只能选择自己擅长的领域集中火力去准备。

 

不过从培养综合的知识/技能结构上来讲,苏老师还是希望同学们能够都训练一下,这样才有机会距离心目中的全栈大神更近一点。

 

接下来我们“电子森林”就聊一聊与实战和电赛相关的那些事儿,围绕着电赛考题涉及的技术内容,我初步规划了30次的实战及电赛训练串讲,从今天开始陆续推出,敬请大家关注。

 

今天先来讲讲与电子技术技能实战和备战电赛的高效进阶之路经,这与我们多数高校当前的教学体系是有冲突的,传统的高校教学方式强调的是先有理论知识,再动手加强,但苏老师认为,理论之前应该让同学们先动手实践体会,有了这些感性的认识,对理论的理解也就更直观、深刻、高效。

 

就如同人的成长,刚出生的娃都是先体验生活(连话都听不懂,更别谈家长的说教),基于他们的体验,家长再讲道理,这些道理才有用。

高效实战及电赛训练(1)- 进阶之路插图

 

第一步: 学会带娃 – 掌握单片机编程

 

所以在学习电路之前,也即对于刚上大学的同学们,可以先让他们通过一个简单的电子系统获得初步的体验,比如给他们一个单片机系统,让他们像带娃一样地安排这个单片机系统的吃喝拉撒,对外界(按键、传感器)如何反应,进行哪些处理(逻辑判断、算法分析),然后通过屏幕(LED、LCD等)给出一些“表情”、通过“蜂鸣器”给出一个语音“答复”、或是通过一个“马达”执行一个动作,如果有陌生人突然敲门(中断)该如何反应等。

 

你用指令教他啥,他就去做啥,他就像你自己要照顾的孩子,你来安排他的一切,你跟他的沟通需要他听得懂的“语言”(C、Python等)。

 

这个阶段你不需要数电、模电的基础,你可以学会跟机器(一个对世界还懵懂的幼儿)进行沟通,让他听话,在这个过程中,你知道一个系统是如何工作的 – 如何响应外界的电信号(按键、开关、传感器)、如何用电信号把要做的事情通过合适的方式去执行(显示、播放声音、驱动舵机),至于程序、算法,那其实就是你脑子里的逻辑判断而已。

 

第二步: 学会带一群娃 – 用好FPGA

 

假想有一天你做了幼儿园的老师,你要带一个班的学生进行一次集体活动,你需要让每一个学生在某个时间点都做好自己的事情(时序逻辑),你还需要学生和学生之间在指定的时间点进行配合,你需要“管理”他们,安排每一个孩子的任务(一个个的模块 – Module)、并协调好他们之间相互的配合(模块和模块之间通过端口信号的参数传递), 在某个时间、某中状态下,某某某该做某件事情。

 

这种多个个体并行执行任务,并相互之间互相配合,需要非常好的管理能力,这也就是FPGA和单片机MCU编程最大的区别 – 你可以把MCU看成是单兵作战,即便处理器跑得很快、外挂资源很丰富,也只是一个个体在高速运转,而FPGA则是团队协同。所以能够玩转FPGA的将来一定会是个好的管理者。

 

高效实战及电赛训练(1)- 进阶之路插图(1)

MCU/单片机

 

在这个阶段你可能正在学习数字电路 – 组合逻辑、时序逻辑、状态机等等,各种寄存器/触发器、存储器、状态机等概念在用一个FPGA做一个简单的任务调度的过程中都会变得非常直观、深刻。

 

高效实战及电赛训练(1)- 进阶之路插图(2)

FPGA

 

所以先学数字电路再动手做实验的方式学习效率是非常低的。学习理论的时候无法理解概念,动手做实验的时候根本不知道那些神奇的事件是如何发生的。

 

完成了单片机和FPGA的学习,你就有了完整的“数字系统”和“自动控制系统”的理论基础了,也就能够天上飞(无人机)、地上跑(智能车)了,算法这东西无外乎y=f(x)的因果关系 – 逻辑、计算,我们只要活着,每天脑子里都在盘算各种得、失,用自己日常的逻辑把“机器”要做的事情想清楚,也就是“算法”、“自动控制”了。

 

高效实战及电赛训练(1)- 进阶之路插图(3)

 

第三步:自己造个娃 – 在FPGA上做个处理器!

 

现在大学最坑的是很多高校(985高校)的微机原理课程还在用8086/8088,都20多年前的老古董了。为什么不自己设计一个处理器呢?

 

你已经能够通过数字逻辑搭建各种逻辑功能模块了并且能够组织不同的模块间协同工作,像搭积木一样把它们组合起来,再用它们能够懂的指令(在学习单片机系统的时候你已经掌握了)来调度他们,它们也就成了一个有“灵魂”的个体(能执行你指令的处理器),按照通用的协议扩展上需要的总线/接口、存储器等就可以构成一个完整的系统。大学四年,每个学生都应该在FPGA上设计一款处理器,这样才算掌握了数字“系统”,乃至“自控系统”。

 

这两年,RISC-V是个上佳的处理器选择 – 免费、开源、精简指令集、灵活支持异构系统,为什么不试试呢?

 

在这个阶段你可能还没有学习模拟电路,因为还不需要,那学会了模电又能做啥呢?

 

第四步:洞察世界 – 模电帮你深刻感知

 

数字系统,就像每天坐在家里刷着手机、叫着外卖的你我,跟外界的连接也仅仅是“总线”、IO,打交道的都是非黑即白的“0”和“1”,获取的信息也都是调理好的、正好满足我们胃口的数据。而世界是复杂的,是连续的、是充满狂风暴雨的,我们对这个真实的世界进行感知和表征,就需要模拟电路在外面来采集、加工,并转换为我们能理解的数据(经过A/D变换)以合适的方式呈现给我们。

 

在这个阶段你需要掌握对如何表征“物、事”的电信号的幅度进行放大或衰减,对其频率分量进行筛选,通过对这些信号的幅度和频率的测量来对客观世界的属性进行认知,正如示波器观察时域的波形、频谱仪观察信号的频率分量,它们都是经过了模拟链路对被测的电信号进行处理、量化后得到的结果。

 

虽然“测试测量仪器”并非高校的典型专业课程,但“人人都应该DIY一个示波器”却是对理解器件特性、模拟电路、数字系统最好的方式,这也是为什么测量仪器在每次的电赛中比重很大的一个原因。

 

高效实战及电赛训练(1)- 进阶之路插图(4)

 

第五步:消化良好、精力充沛 – 电源是电路的后勤保障

 

电源之于电子产品,就像“胃”之于人体,要让每一个部件吃饱,有足够的能量去做该做的事情,供应不足或局部过载都会导致系统的稳定性出问题。这部分在高校的电路教程中很少细讲,但却是电子产品中非常关键的部件,影响到整个系统的性能、乃至功能,以及长期的稳定性和可靠性。

 

消化系统将食物转换为每个器官需要的能量需要多个环节的配合,同样220V的交流电能、存储在电池里的化学能要变成电子系统上每个器件需要的5V、3.3V、1.2V等不同电压需要的电流也需要不同的转换方式的有机配合。

 

第六步:跨越时空而连接 – 为通信而生的高频/射频技术

 

个体和个体之间跨越空间的连接需要用到通信技术,尤其是无线通信技术。这就像我们从A城市到遥远的B城市乘坐飞机一样,需要“高空”飞行,因此在地球上面的高空可以容纳很多航线,高频/射频电路就是为了我们的信号能够通过一个个划定的“航线”上从A点尽可能无失真地到达B点。信号的调制、变频、带通滤波、功率放大、低噪声接收、解调等概念其实都是为了信号的有效长距离传输、避免沿途的各种干扰以及临近航道的碰撞而采取的措施。

 

电子系统就像我们人体,理解好我们自己的行为也就能够处理好电子系统,从我们自身成长的路经来认知电子系统的构成原理和设计方式,在每个环节都能够通过亲手的培育来深刻体会其中的玄妙。

 

电子技术跟我们如此之近,如此之美妙!

 

让我们一起来探索。

 

 

本文转载自微信公众号“电子森林”

高效实战及电赛训练(1)- 进阶之路插图(5)

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