GZ029 智能電子產品設計與開發賽題第4套

2023年全國職業院校技能大賽高職組

“GZ029智能電子產品設計與開發”賽項賽卷四

題目：模擬工業傳送帶物品檢測系統的設計與開發

1 競賽任務

在智能電視機上播放工業傳送帶傳輸物品視頻，模擬工業傳送帶物品檢測系統（以下簡稱物品檢測系統）通過攝像模塊觀察檢測傳送帶上傳輸的物品，當發現符合指定特征的物品時，語音播報示意，并同時用云臺控制激光筆照射在所發現的物品上。

按賽題要求，學習所發的技術資料，利用現場配備的元器件、模塊、設備、器材，以及自帶的部分電路模塊，完成物品檢測系統的系統配置、電路設計、軟件仿真、制板安裝、電路焊接、故障修復、微處理器應用軟件設計、軟硬件調試、系統測試等工作，完成這一智能系統的設計與開發。競賽期間所有需要提交的文件根據現場要求命名，存放到指定目錄。

1. 根據本賽題及所給U盤中的技術資料，分析物品檢測系統的工作原理和功能要求。
2. 系統中有一指定功能電路，U盤文件確定了功能及性能指標要求；利用電路仿真軟件（Multisim、Pspise、Proteus或國產相關軟件等）完成電路設計，包括器件選型及參數設置。
3. 利用電路仿真軟件（Multisim、Pspise、Proteus或國產相關軟件等）進行指定功能電路的仿真運行，并使用軟件中的虛擬儀器實現對指功能電路的信號特征（波形、頻率、幅度）進行測量。
4. 根據1.2-1.3的設計要求，結合U盤提供的印刷電路板設計約束條件1，利用嘉立創EDA或Altium Designer軟件，以電路板布局1繪制指定功能電路的印刷電路板圖，生成符合規范要求的印制線路板Gerber工程文件，存儲在U盤中。
5. 根據賽題提供的某處理器控制板的紙質原理圖，在相應軟件中繪制原理圖，并按照印刷電路板約束條件要求2，將其繪制成印制電路板，并可以進行三維展示，其中元器件2需由參賽隊生成3D模型；PCB圖文件及三維展示截圖存放在U盤中。
6. 典型電路分析及故障排除。裁判長現場抽取某典型功能電路板（故障電路板4），參賽隊員根據原理圖分析其功能及性能指標，測量分析電路板中存在故障，完成對電路板的故障維修任務；撰寫描述故障現象、成因分析、維修方法的電子文檔，保存到U盤，并用微處理器主控板對修復的電路進行測試，并在LCD顯示器上顯示測試結果。
7. 在次日競賽中，將加工完成的指定功能電路的印制線路板交付參賽隊，參賽隊完成指定功能電路板的安裝、焊接、調試。
8. 改造現場提供的激光筆，使之通斷可控；激光筆固定在云臺上，激光筆最前端到智能電視機屏幕垂直距離50±2cm內，系統控制云臺用激光筆光束指向某幾個指定的位置；位置可通過鍵盤設置。
9. 根據系統要求，在現場提供的簡易機箱中，安裝固定構成系統所需的各個電路板、電源模塊、接線排等部件，攝像模塊與云臺無需安裝在機箱內；完成各電路、模塊間的電源、信號連接；機箱適當位置可安裝橡膠底腳。

1.10完成STM32、GD32或STC等系列單片機的應用軟件設計，使物品檢測系統達到規定的功能要求。在智能電視機播放的視頻中，采用1號背景色、4號物品組合。在播放視頻時，系統檢測符合2號形狀、4號顏色條件特征的物品；發現特征物品時，以語音播報、激光筆指示等方式展示檢測結果。模擬工業傳送帶的視頻有靜止、低速和高速度三種不同難度狀態。所編寫的軟件代碼需保存到U盤中。

1.11系統工作時，需要在系統內的LCD顯示器上顯示檢測到的物品信息，顯示信息滿屏后自動向上滾動。

1.12物品檢測系統以RS-485通信方式（通信協議在U盤中提供）向運維系統發送檢測結果。物品檢測系統在工作中，每發現符合特征條件的物品時，通過RS-485通訊接口，向運行維護系統發送報文；在在檢測工作結束時，發送不同難度狀態下物品檢測統計數據。

2 競賽時間

競賽時間為11小時：競賽第一天3.5小時，第二天7.5小時。

3 工作要求

用32英寸智能電視機播放工業傳送帶傳輸物品的視頻，模擬工業傳送帶傳輸物品。物品檢測系統用攝像模塊觀察檢測傳送帶上傳輸的物品，在發現符合指定特征（形狀、顏色等）的物品時，用語音播報示意，并同時用安裝在云臺上的激光筆光束照射在所發現的物品上指示。

激光筆需要在現場加以改造后使用，即未發現物品時激光筆不得開啟；發現特征物品后指示時，激光筆方能開啟，并使光斑持續1s以上穩定照射在物品中心。

在動態檢測條件下，物品檢測系統在檢測分析特征物品時，可使電視機暫停播放，待檢測指示完成后，再控制電視機恢復播放視頻；連續播放時間累計15s，檢測到物品每次暫停播放時間不超過10s。

云臺的控制方式及參數詳見U盤提供的數據資料，可選擇使用現場配備的驅動電路板控制云臺。

1.10-1.12所述功能需在系統自主運行情況下完成，工作期間不得人為干預。

物品檢測系統中，指定功能電路是系統中不可缺少的組成部分。參賽隊若不能完成指定功能電路的裝調，可選擇使用現場提供的電路板完成后續工作，但相關部分工作不計成績。

4 功能實現

參賽隊需完成器件選型、電路設計、仿真測試、PCB設計、安裝焊接、制作調試、電路障診斷與維修、系統應用軟件設計、系統聯調、工作運維等多項任務。

物品檢測系統由多個功能模塊組成，在競賽中，首先確保微處理器能夠正常運行，能夠下載更新軟件；測試自帶或現場提供電路板模塊、電氣部件等，確保都能夠正常工作；根據賽題要求對部分部件進行改裝、安裝；測試分析故障電路，在排除故障后測試性能；在微處理器模塊的支持下，對人機交互、圖像檢測、云臺控制、通信聯絡等功能進行單獨測試或調試，最終進行系統聯調。

4.1 電子電路設計

電子電路設計包括器件選型、電路設計、仿真測試和印刷電路板圖設計兩部分競賽內容。

4.1.1 器件選型與電路設計仿真

針對指定功能電路，利用電子電路仿真軟件（Multisim、Pspise、Proteus或國產相關軟件等）進行器件選型、電路設計、參數設置等設計工作，電路圖應正確且緊湊、美觀。

電路應能夠仿真運行，選擇配置虛擬儀器，測試輸出信號的波形、頻率、幅度，設計表格記錄上述參數。

參賽隊所繪制的原理圖、仿真測試結果文件均需保存到U盤。

4.1.2 印刷電路板設計

印制電路板設計包含兩部分工作，均需利用嘉立創EDA或Altium Designer軟件繪制電路的印刷電路板圖。

其一，將經過軟件仿真測試的指定功能電路，按照電路板布局1及印刷電路板約束條件要求1，將其繪制成印制電路板，生成Gerber工程文件保存到U盤，交付競賽組織方制作成印制電路板；次日印制電路板交付參賽隊，完成安裝、焊接、調試，將其應用于物品檢測系統之中。

其二，根據賽題指定的某處理器控制板的紙質原理圖，繪制原理圖，并按照印刷電路板約束條件要求2，將其繪制成印制電路板，生成Gerber工程文件保存到U盤；要求所有元器件均采用3D模型，其中指定元器件2需要參賽隊自行建模，所繪制的印刷電路板可以進行三維展示。

4.2 典型故障電路板功能分析及故障排除

這是競賽的應變題內容。由裁判長指定相關人員在比賽前抽取某典型故障電路。

典型故障電路板包括但不限于信號發生電路、波形變換電路、信號放大電路等。參賽隊員對原理圖進行分析，描述電路板的功能及性能指標；對電路板測試，根據故障現象分析故障原因，完成對電路板的故障維修任務，使電路板能夠正常運行工作；運用微處理器主控板對電路板的輸出進行采樣，并顯示信號及參數。

4.3 物品檢測系統的裝調

4.3.1 物品檢測系統構成

物品檢測系統中應該包含的模塊與部件如下：

微處理器主控板
液晶顯示和鍵盤電路板
電源模塊
云臺與激光筆
功率驅動板
攝像模塊（及支架）
語音模塊
RS-485通信板
電氣連接件
智能電視機

4.3.2 物品檢測系統的安裝與調試

構成系統的部分電路模塊需要現場裝調或改裝。

1）指定功能電路完成印制電路板制作交付參賽隊員后，參賽隊需完成指定功能電路信號板的安裝、焊接、調試。

若印制電路板設計或裝調失敗不能正常工作，可以采用現場提供的成品電路板替代，但在成績中將扣除線路板設計、安裝、調試部分任務的分值。

2）改裝現場提供的激光筆，使之通斷可控；將激光筆固定在云臺上。系統可以由鍵盤設置目標位置，設計微處理器軟件，通過功率驅動板控制云臺，可控制激光筆光束指向某指定的目標位置。

在現場提供的簡易機箱中安裝固定構成系統電源及各功能電路板、接線排等部件，攝像檢測與云臺機構可置于機箱之外。完成各電路、模塊間的電源、信號連接，使系統能夠正常工作，完成物品檢測功能。

參賽隊需自行完成物品檢測系統的結構安裝、電氣連接和調試測試工作。需要時可利用現場提供的加工條件，在指定區域對機箱進行適當加工改造。

4.3.3 物品檢測系統的功能實現和運維

1）系統軟件設計

根據所選擇的微處理器，進行系統軟件設計。其中包含鍵盤及顯示器等人機交互軟件，攝像模塊通信及圖像分析軟件，云臺控制軟件，工作運維信息通信軟件等。

2）物品檢測功能實現

根據現場選題，決定物品檢測的環境如傳送帶背景色與物品組合，決定需檢測物品的特征如物品的形狀與顏色。

采用插入U盤方式在智能電視機上播放視頻，模擬物品檢測傳送帶場景，播放的視頻有以下三種不同難度等級，

電視機上以靜止圖片方式，連續播放3幅圖片，每幅圖片停留10秒；
電視機上以低速（3~10cm/s）播放連續視頻，播放15s；
電視機上以高速（10~30cm/s）播放連續視頻，播放15s；

系統檢測到待測物品時，先以語音播報提示，然后用激光筆照射檢測到的物品。

3）物品檢測系統運維

物品檢測系統在工作中，每當發現符合特征條件的物品時，通過RS-485通訊接口，向運行維護系統發送一條報文，通信協議在下發的U盤中提供；在檢測工作結束時，將在不同檢測難度條件下檢測到的物品統計數據發送一組報文給運行維護系統。運維管理由昆侖通態等觸摸屏實現，觸摸屏已配備軟件，可顯示接收到的報文。上述檢測結果，也需要在系統內的LCD顯示器上顯示，顯示信息滿屏后自動向上滾動；測試結束后，可采用翻頁方式顯示已以往的顯示信息。LCD顯示格式要求由U盤提供。

參賽選手在編寫程序時將反映物品檢測系統工作狀態的數據按規定的通信協議傳輸到觸摸屏。

4.3.4 人機交互要求

1）鍵盤定義

鍵盤的布局及定義如下圖1所示，由0~9數字鍵，“上”、“下”、“左”、“右”顯示控制鍵，F1~F4功能鍵，“D”、“E”備用鍵等構成。