江西省电子设计竞赛备赛全解析

江西省电子设计竞赛典型赛题解析与备赛策略

在每年的高校工科赛事中，电子设计竞赛始终是检验学生综合实践能力的“试金石”。而江西省大学生电子设计竞赛作为区域重要赛事之一，其命题风格既注重基础电路设计能力，又逐步向嵌入式系统、自动控制和智能感知等方向拓展。不少参赛团队在备赛过程中常感到无从下手：题目看似简单，实则对方案设计、硬件调试与系统集成有极高要求。

那么，如何从历年赛题中提炼出共性规律？哪些技术模块是高频考点？又该如何构建一个既能快速响应又能稳定发挥的备赛体系？

从真题看趋势：电源类题目的持续热度

回顾近几届江西省赛，直流稳压电源类题目频繁出现。例如某年本科组赛题要求设计“数控可调直流稳压电源”，输出电压范围0～15V连续可调，最大输出电流不低于1A，并具备过流保护功能。这类题目表面考察的是DC-DC变换技术，实则全面检验选手对模拟电路、数字控制与人机交互的整体把控。

很多初学者习惯直接采用LM317等线性稳压芯片实现，但这类方案在大电流下效率极低，发热严重，难以满足评分标准中的“效率≥60%”等隐含要求。真正高分方案往往基于Buck拓扑结构，使用MCU（如STM32F103C8T6）配合PID算法调节PWM占空比，实现闭环稳压控制。

// 示例：基于HAL库的PWM输出配置（用于驱动MOSFET）
void MX_TIM3_Init(void)
{
    TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};

    htim3.Instance = TIM3;
    htim3.Init.Prescaler = 72 - 1;           // 72MHz → 1MHz
    htim3.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
    htim3.Init.Period = 1000 - 1;            // 1kHz PWM频率
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1);

    sConfigOC.Pulse = 500;                   // 初始占空比50%
    sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
    HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim3, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);
}

关键不在代码本身，而在系统思维——你需要考虑反馈采样精度（是否使用差分放大）、ADC参考电压稳定性、负载突变时的动态响应速度等问题。比如，在实际测试中发现输出电压随负载加重而下降，这往往是反馈环路带宽不足或PID参数未优化所致。

建议备赛时搭建一个通用型数字电源平台：
- 主控：STM32最小系统板
- 驱动：IR2104半桥驱动芯片 + IRF540N MOSFET
- 滤波：LC低通滤波器（L=100μH, C=470μF）
- 反馈：INA198电流检测 + 分压电阻网络 + OP07精密运放调理

这样的平台不仅可以应对电源类题目，稍作修改还能用于恒流源、电池充电器等衍生应用。

信号测量题：不只是读个数那么简单

另一类高频题型是信号发生与测量，如“简易电阻、电容和电感测试仪”或“音频信号频谱分析仪”。这类题目最容易被低估——很多人以为只要用MCU内置ADC采集再显示就行，结果在现场测试环节因精度不足、抗干扰差而失分严重。

以RLC测量为例，常用方法有RC充放电法、交流桥路法和LC谐振法。其中，基于恒流源激励+ADC采样的方案最为实用。假设使用1kHz正弦波激励待测元件：

// 使用DDS芯片AD9833生成1kHz正弦信号
void AD9833_SetFrequency(uint32_t freq) {
    uint32_t FreqReg = (uint32_t)((float)freq * 4294967296.0 / 25000000.0);
    uint16_t FREQREG_LOW = FreqReg & 0x3FFF;
    uint16_t FREQREG_HIGH = (FreqReg >> 14) & 0x3FFF;

    digitalWrite(FSYNC_PIN, LOW);
    SPI_Write((FREQREG_LOW | 0x4000));      // 写低14位
    SPI_Write((FREQREG_HIGH | 0x4000));    // 写高14位
    digitalWrite(FSYNC_PIN, HIGH);
}

采集端则需注意：
- 输入信号必须经过阻抗匹配和幅值限幅
- 使用仪表放大器（如INA128）提升共模抑制比
- ADC采样率至少为信号频率的5倍以上（根据工程经验法则）

更进一步，若要实现自动量程切换，还需加入继电器或模拟开关矩阵，配合软件判别初始阻抗范围。这部分逻辑容易出错，建议在PCB设计阶段就预留多级分压/分流路径。

值得一提的是，近年来部分赛题已开始引入FFT分析需求，例如要求绘制输入信号的频谱图。此时不能再依赖简单的均方根计算，而应实现在嵌入式端运行轻量级FFT算法。

// 快速傅里叶变换简化版（适用于N=64点）
void FFT(Complex *x, int N) {
    // 倒位序排列
    for (int i = 0; i < N; i++) {
        int j = ReverseBits(i, log2(N));
        if (i < j) Swap(&x[i], &x[j]);
    }

    // 蝶形运算
    for (int s = 1; s <= log2(N); s++) {
        int m = 1 << s;
        double w_m = 2 * PI / m;
        for (int k = 0; k < N; k += m) {
            for (int j = 0; j < m/2; j++) {
                Complex w = { cos(w_m*j), -sin(w_m*j) };
                Complex t = Multiply(w, x[k+j+m/2]);
                Complex u = x[k+j];
                x[k+j] = Add(u, t);
                x[k+j+m/2] = Sub(u, t);
            }
        }
    }
}

当然，对于资源有限的MCU，推荐使用CMSIS-DSP库中的 arm_cfft_f32() 函数，效率更高且经过充分验证。

控制类项目：从循迹小车到自动追光系统

如果说电源和测量题偏重“静态性能”，那控制类题目则是对“动态响应”的全面考验。江西省赛曾多次出现“自动寻轨小车”、“光照强度追踪装置”等任务型题目，这类题目的核心不再是单一模块设计，而是系统的协同与决策逻辑。

以“基于光电传感器的自动循迹小车”为例，看似老套，但评分细则往往包含多个维度：
- 轨迹识别准确性（能否区分T型、十字交叉）
- 行驶平稳性（转弯是否抖动、越线）
- 最高速度限制下的稳定性
- 是否具备掉头/倒车等异常处理机制

硬件上建议采用四路红外反射式传感器（TCRT5000）构成阵列，布局时保持间距略小于黑线宽度（通常1.5cm），以便实现亚像素级定位。主控仍推荐STM32系列，利用其高级定时器输出互补PWM驱动L298N电机模块。

软件架构尤为关键。不要写成“if-else堆叠”的状态判断，而应抽象为状态机模型：

typedef enum {
    STATE_STRAIGHT,
    STATE_TURN_LEFT,
    STATE_TURN_RIGHT,
    STATE_STOP,
    STATE_U_TURN
} CarState;

CarState current_state = STATE_STRAIGHT;

void StateMachine_Update() {
    uint8_t sensor_val = ReadSensors();  // 返回8位状态码

    switch(current_state) {
        case STATE_STRAIGHT:
            if ((sensor_val & 0x0F) == 0x08) {        // 中间两路触发
                SetMotorSpeed(LEFT_MOTOR, BASE_SPEED);
                SetMotorSpeed(RIGHT_MOTOR, BASE_SPEED);
            } else if (sensor_val & 0x07) {           // 左偏
                current_state = STATE_TURN_LEFT;
            } else if (sensor_val & 0x70) {          // 右偏
                current_state = STATE_TURN_RIGHT;
            }
            break;

        case STATE_TURN_LEFT:
            SmoothTurn(LEFT_TURN_ANGLE);
            current_state = STATE_STRAIGHT;
            break;

        // 其他状态...
    }
}

这种结构清晰、易于扩展，后期加入超时保护、路径记忆等功能也更为方便。

此外，越来越多赛题鼓励创新加分项。例如在追光系统中加入太阳能充电管理，或在小车上增加OLED实时显示运行状态。这些细节虽小，却能显著拉开差距。

高频易忽略点：电磁兼容与供电稳定性

很多队伍在实验室调试一切正常，到了比赛现场接上统一提供的负载或电源后突然“罢工”，问题往往出在两个地方：电源噪声和地线干扰。

务必记住：数字电路和模拟电路的地要单点连接；长导线要当作天线看待；开关电源输出端必须加π型滤波（CLC）。示波器抓一下你的电源轨，如果看到超过200mV的纹波，就要警惕了。

一个实用技巧：在每个IC的VCC引脚旁放置0.1μF陶瓷电容，并在系统入口处并联一个2200μF电解电容作为储能。对于敏感模拟前端（如运放供电），可额外使用AMS1117-3.3进行二次稳压。

还有就是按键消抖。别再用delay(10)这种粗暴方式了，改用定时器扫描+状态机判断：

#define DEBOUNCE_TIME 20  // ms

uint32_t last_press_time = 0;
bool btn_state = false;

bool DebouncedReadButton() {
    bool raw = !digitalRead(BUTTON_PIN);  // 低电平有效
    uint32_t now = HAL_GetTick();

    if (raw != btn_state) {
        if ((now - last_press_time) > DEBOUNCE_TIME) {
            btn_state = raw;
            last_press_time = now;
        }
    }
    return btn_state;
}

构建你的“竞赛工具箱”

最后分享一点实战经验：高手之间的较量，拼的不是临时发挥，而是平时积累的“工具箱”。

建议每位参赛队员都建立一套标准化资源包，包括：
- 常用原理图符号与PCB封装库（尤其是贴片元件）
- 经过验证的驱动代码库（OLED、EEPROM、RTC、编码器等）
- 模块化测试程序模板（带串口调试输出）
- 精心排版的报告撰写框架（含图表规范）

更重要的是，定期组织全真模拟训练：随机抽取往届题目，限时完成方案设计、焊接调试与功能演示。只有经历过真正的“时间压迫”，才能在赛场上保持冷静。

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电子设计竞赛从来不是炫技场，而是工程素养的综合体现。它教会我们的不仅是“怎么做”，更是“为什么要这么做”。当你能在嘈杂环境中让一个微弱信号清晰呈现，能让一台设备在各种边界条件下可靠运行，那种成就感远超分数本身。

而这，也正是每一位工程师成长路上不可或缺的一课。