永攀高峰:三个男孩的冠军之路

2020-12-15 13:27
媒体报导
摘要:回忆起参与TI杯省级大学生电子设计竞赛(后文简称“TI杯”)长达四天三夜的“肝题”经历,方晓源感叹从未发现自己竟然拥有那么大的“熬夜”潜力。

“比赛的时候大家真的太投入了,我从来不知道自己居然可以一直坐在电脑面前挺那么长时间。但当时真的不觉得很累,熬一熬就过去了。我感觉人的潜能真的非常大。”


回忆起参与TI杯省级大学生电子竞赛(后文简称“TI杯”)长达“四天三夜的“肝题”经历,方晓源感叹从未发现自己竟然拥有那么大的“熬夜”潜力。因为全身心地投入在比赛中,外界的一切干扰或是身体机能的匮乏似乎都不能对他们产生丝毫影响。尽管比赛中承受了超高工程量的负担,遭受了滤波不稳定的困扰,但正如尼采所说:“凡不能毁灭我的,必使我强大。”当历尽艰辛,方晓源团队终于明白这句话的真正含义。


备赛:劳逸结合乐趣多

方晓源、李骁、程维越这三个大男孩是来自南京信息工程大学长望学院的大三学生。三人通过竞赛培训相识,因为经常坐在一起听课,慢慢就互相熟悉,后来便相约组成队伍参与“TI杯”。一开始上竞赛课,三人都是一张白纸,组队之后,他们开始考虑三个人应该各自负责哪个领域。因为李骁、程维越电路设计感兴趣,而方晓源更擅长编程,所以他们很快便清楚了自己努力的方向。在长达一年的校内电赛培训中,他们三人一直坚持上课,并在暑假期间参与了集训,重点提升自己将在比赛中应用到的能力。


方晓源团队成员与工程实验中心庄建军主任(左一)和指导老师徐伟(右一)的合影


在参与校内的培训课程时,培训老师会教他们一些理论方面的课程,例如单片机或者一些电路设计方面的小知识。暑假参与集训时,他们的指导老师徐伟老师会定期给他们出题。同时,徐老师还会给他们提供很多硬件模块和相关资料,让他们去调试,调出效果后,再利用这些模块去实现一定功能,做成一个个小作品。回忆起培训的过程,三位同学表示非常享受完成一个个小工程的那种成就感。其中的单片机实验(按键控制灯光、数码管),以及制作简易的计算器、闹钟之类的小作品都为他们的备赛过程带来不少乐趣,也为他们建立了“夺冠”的信心。

如果你以为在实验室进行电子设计就是他们仅有的业余爱好的话,那就大错特错了。这三位阳光大男孩在学习和备赛之余,也是运动场上的健将,他们喜欢跑步、健身以及打篮球,希望保证自己在提升学业水平之余也能拥有一个强健的体魄来应对未来的挑战。他们将备赛时间、学习时间以及休闲时间安排得井井有条、毫不冲突,在“TI杯”到来之际以最饱满的姿态迎接这四天三夜的挑战。


参赛:稳扎稳打破坎坷

“TI杯”比赛终于如期而至。

方晓源团队的选题和分工原则就是“快准狠”。选择题目那一刻,方晓源团队考虑到之前调过的一些模块跟A题比较契合,于是他们在老师的鼓励下,迅速作出了决断——选A题。A题要求设计“无线运动传感器节点”。该作品需要能够稳定采集和记录使用者的心电信息、体表温度和运动信息。生活中,它的应用范围很广,功能上类似于运动手环,可以测量出佩戴者的步数和心率。团队迅速针对A题形成了思路并进行任务分解:该题一共要完四个功能,第一是心率检测,第二是温度测量,第三是测步距,最后是无线终端,即需要将数据在手机上显示出来。选完题目后,他们的团队就按照赛前的计划分工高效地运转起来。方晓源负责编程,另外两位同学负责硬件的搭建以及电路的设计。


方晓源团队A题“无线运动传感器节点”作品


心率检测部分是设计中最大的难题。因为芯片收集到的信号不稳定,加上赛场环境杂波非常多,所以需要进行滤波处理。方晓源团队在进行测试时,发现在人员密度低的地方波形特别清楚,而在人员密度高的地方干扰特别大。他们的策略是从软、硬件两个方面入手,分别进行难点突破。因为人体心电频谱主要分布在0-100Hz,因此需要制作低通滤波器,使得低于截止频率的信号通过,但高于截止频率的信号不能通过。硬件上,他们先查阅了TI芯片ADS1292的技术文档,根据其中提示在硬件层面进行了滤波。软件方面,他们先设计了数字滤波器,再将计算出的系数导入微控单元进行软件滤波。最后将软硬件两种滤波方式结合,解决了环境杂波的影响。


另一个难题出现在如何实现多种功能集成的问题上。这次的题目需要完成的功能比较多,不同功能一起运行的时候,**同时启动的不同程序会占用有限的单片机资源,采样率也会因此受到影响而下降,导致采样数据的遗漏,最终无法形成准确的波形。为了解决这个问题,他们采用了模块化的设计,分模块实现不同的功能。只要测量步距和心率监测不同时进行,这个问题就得到了解决。


另外,值得一提的是,在这次的“TI杯”中,方晓源团队主要是基于TI 的高性能模拟前端芯片ADS1292采集心电信号,使用ADS1115实现温度模块的模数转换。谈及在设计中对TI设备的偏好,方晓源说:“我使用TI芯片的原因有两个,一是因为它的技术手册特别清晰易懂,二是它的器件功耗都很低,感觉用起来比较顺手。而且我也经常逛TI官(ti.com.cn),在上面寻找解决方案并下载技术资料和对应的程序。比如这次比赛中使用的ADS1292,在技术手册里就有一些参考方案。在测量心率方面,手册中刚好提供了一个检测阈值的方案。该方案分为两部分,第一部分是计算阈值,第二部分是检测阈值是否可行。我们采用了第一部分提供的公式与方法,从而很好地解决了测量心率的难题。”


此外,在这次比赛过程中,巧妙地运用优化算法也带给方晓源团队很大的帮助。他们发现,如果不对数据做进一步的优化,而将计算结果直接呈现到屏幕上的话,存在上下浮动和偏差较大的情况。其实这时候,如果在原来采集的数据上多嵌套一个优化算法,会比直接把原始的数据呈现在终端上更为准确。而这些优化算法一方面来源于团队本身对数据的理解,另一方面来源于广泛的文献资料。队长方晓源强调:“我们致胜的关键是我们除了运用最基础的原始算法之外,还给它增加了嵌套的优化算法,简单来说就是首先过滤出去杂波数据,然后将在一定范围内波动的数据进行平均。这一套优化算法让我们的作品实现了更高的精度,帮助我们最后脱颖而出。”


当被问及对这次比赛获奖是否有所预期时,方晓源说:“我们组在培训期间一直都不是最顶尖的,我们也觉得能获奖就算有收获了,即便是省三我们也非常满意。但是到了比赛最后提交作品的时候,我对我们的作品信心大增,因为我们出来的各项指标都非常的好。这次拿到省一我觉得是‘意料之外,情理之中’的事。”


参赛过程中的团队成员


完赛:胜而不骄再接再厉

这次比赛,让三个大男孩充分体会到了“实践出真知”这一道理。“感觉这四天三夜的比赛,我们从实际操作当中学到的知识,比在课堂上一个月学的知识还要多得多。”比如在数据处理方面,在课堂上成员们只是学了一些理论,但是在比赛中为了完成比赛任务他们快速地学习数据处理的知识,通过优化数据算法来过滤杂波影响,提高数据精度。这样快速消化知识并直接应用到比赛中,既解决了困扰他们的问题,也让他们的学习技能节节攀升。这次比赛的经历让成员们相信,在未来的学习中,多实践一些,多参加一些比赛,将会学到更多东西。


在电子设计领域,三个男孩通过三年的努力从“一张白纸”变成“电赛”冠军,但他们对新知识的追求从未停止。相信对电子设计领域的好奇将促使着他们一步一步向上登攀。因为,他们知道,成长的道路上没有平坦的大道,只有不畏劳苦沿着陡峭山路攀登的人,才有希望达到光辉的顶点。