GPT-4O建议

这是2025年全国大学生电子设计竞赛本科组【D题：简易以太网双绞线测试仪】。该题融合了信号处理、硬件测量、嵌入式开发、通信与接口电路设计等核心工程技能，以下是为3人团队在4天内完成此项目制定的合理设计方案建议：

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一、项目目标概述

制作一款简易的以太网线缆测试仪，通过RJ45接口连接线缆，具备以下功能：

模式	功能要求
双端检测	线对连接关系（直连/交叉）、线缆类型（UTP/SFTP）、直流电阻、交流衰减（30 MHz）
单端检测	线缆长度（1050 m）、短路位置检测、误差控制在15%内

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二、推荐平台与架构设计

✅ 主控平台建议

平台	说明
STM32F103	成熟稳定，ADC、GPIO资源丰富，适合低频激励与电阻测量等
ESP32-S3	如需显示更丰富内容（如TFT界面），带WiFi供OTA调试
RP2040	双核支持同时采样与逻辑判断，精度高、灵活性强

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三、功能实现方案建议

📌 双端检测模式功能实现

功能	实现方法说明
连接关系识别	发送序列码（或高低电平）到某端口，另一端读取顺序，对比识别交叉/直连
线缆类型识别	检查RJ45屏蔽壳与地是否导通 + 差模/共模阻抗差异判断（SFTP）
直流电阻测量	恒流源激励，使用电压差法测量R = U/I，或双端采样消除接触电阻误差
交流衰减测量	30 MHz方波或正弦信号激励，检测端电压放大+峰值检测+ADC，计算 dB=20log(Uo/Ui)

📌 单端检测模式功能实现

功能	实现方法说明
长度测量	TDR（时域反射法）或电容/电阻换算；可使用脉冲信号时间差判断
短路位置检测	TDR/脉冲反射法/阶跃响应法定位短路时间点，乘以信号传播速度估算
长度/短路精度优化	增加校准功能，支持1m/50m对比修正；误差可控制在±1%

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四、系统架构图（文字版）

[STM32/RP2040]
     │
     ├─> GPIO 控制信号输出 → RJ45接口A
     ├─> ADC 采样信号输入 ← 信号检测电路 ← RJ45接口B
     ├─> 显示模块（OLED/TFT）
     ├─> 功能切换按钮
     └─> 激励信号发生器（低频PWM/高频方波）

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五、设计要点与注意事项

项目	注意点
多对线识别准确性	建议使用8位循环码 + 异步扫描方式
信号完整性	使用匹配电阻（100 Ω）防反射；布线注意避免串扰
电阻/衰减检测	使用精密ADC（≥12位）+ 运放放大信号
单端测距精度	校准1m、50m两点，计算传播常数；可查CAT5/CAT6阻抗特性
UI设计	简洁明了，一键切换模式 + 显示所有必要参数
显示时限	所有测量需5秒内完成，建议设状态LED提示进度
电源设计	全系统6V以内供电，建议使用LDO + 锂电池 + Type-C供电口

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六、考查的核心知识点

类别	关键技能与知识点
电路设计	激励信号生成、峰值检波、ADC采样、阻抗匹配
信号处理	反射分析、衰减计算、误差补偿
嵌入式控制	STM32/RP2040开发、按键扫描、状态机管理
通信接口	RJ45接口分析、电平标准、屏蔽识别方法
结构工艺	接线布线、接插件设计、抗干扰处理
误差分析与标定	比较法、参考源、误差补偿方法设计

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七、三人小组任务建议

成员	主要任务
成员A	电路设计、电源管理、激励信号生成模块
成员B	主控程序编写、测试逻辑实现、界面控制
成员C	测试标定方案、测量验证、报告撰写和排版

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八、时间安排建议（4天）

时间	任务目标
第1天	功能分析、原理确定、电路原型图、模块划分
第2天	主控程序框架搭建、电路焊接调试
第3天	联调测试、误差标定、UI显示完善
第4天	功能全测、故障处理、撰写报告与封装作品

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好的，以下是为【D题：简易以太网双绞线测试仪】定制的设计报告模板（结构完整，可直接撰写），内容贴合评分标准，便于你快速整理和提交比赛材料。

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🧾 全国大学生电子设计竞赛项目报告

题目：简易以太网双绞线测试仪

队名： XXX
参赛成员： 姓名1（硬件设计）、姓名2（软件开发）、姓名3（调试与文档）
所在学校： XXX大学
比赛时间： 2025年7月30日～8月2日

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一、摘要（Abstract）

简要描述测试仪功能、原理与技术特点：

本项目设计并实现了一种低成本、便携式的简易以太网双绞线测试仪，具备线缆连接关系识别、UTP/SFTP类型识别、直流电阻测量、交流衰减测量、线缆长度与短路位置估算等功能。系统采用STM32为主控，结合激励信号发生与峰值检测电路，配合OLED显示和按键控制，能够在5秒内完成自动测试，测量精度满足题目要求。

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二、项目目标与设计任务

2.1 项目任务概述

根据竞赛要求，完成以下功能模块设计：

模式	功能项目
双端检测	线对连接关系识别、线缆类型识别、直流电阻测量、交流衰减测量
单端检测	线缆长度估算、线对短路检测、短路位置判断

2.2 技术指标总结

指标项目	要求
电源	单电源供电 ≤ 6V
显示方式	按键切换双模式界面，测量结果在5秒内显示
误差要求	直流电阻≤10%；长度/短路≤1~5%；衰减≤10%
界面交互	单键切换/启动，测量过程中禁止人工干预

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三、设计方案与论证

3.1 总体架构设计

（插入结构图，或文字版如下）

RJ45端口A ──> 激励模块 ──> 线缆 ──> 探测模块 ──> 主控（STM32）──> OLED显示
                 ↑                                 ↑
              模式切换按键                 功能识别/测量控制

3.2 方案比较与选择

功能	方案1：STM32F103 + 模拟电路	方案2：ESP32 + 数字模块
优点	成本低，调试简单，误差易控制	处理能力强，方便显示，功耗可优化
缺点	接口相对较少，显示能力有限	精度要求更高，调试复杂，功耗稍大
本项目选择	STM32F103C8T6，综合稳定性和接口能力

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四、测量原理与关键算法

4.1 线对连接关系检测原理

• A端输出8位循环码，B端检测实际接收顺序；

• 对比两端顺序判断是直连或交叉。

4.2 线缆类型识别方法

• 读取RJ45屏蔽金属外壳对GND是否导通；

• 可通过加高频信号检测屏蔽衰减特性进一步确认。

4.3 直流电阻测量

• 使用恒流源+高精电压采样测R=U/I；

• 引入参考电阻校准误差。

4.4 长度测量（单端）

• 使用TDR（时域反射）方式，通过脉冲返回时间判断距离：

  L=v⋅Δt2,v=cεr≈2×108 m/sL = \frac{v \cdot \Delta t}{2},\quad v = \frac{c}{\sqrt{\varepsilon_r}} \approx 2 \times 10^8 \text{ m/s}

• 精度提升手段：参考1m/50m校准，锁定传播速度。

4.5 交流衰减计算（发挥）

• 30 MHz激励信号（DDS或频率合成）；

• 检测端采用峰值保持+低通滤波；

  Attenuation (dB)=20log⁡10(UoutUin)\text{Attenuation (dB)} = 20 \log_{10} \left(\frac{U_{out}}{U_{in}}\right)

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五、硬件设计

5.1 主要电路图（建议附图）

• 激励信号源模块（PWM或DDS）

• 恒流源模块（线性稳流）

• 电压测量/衰减检测模块（运放+ADC）

• TDR脉冲发射与反射捕获电路

• 按键/OLED显示模块电路

5.2 PCB与结构设计

• 双面板，RJ45双接口对称布置；

• 接地屏蔽层防止信号干扰；

• 接口防反插/ESD保护。

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六、软件系统设计

6.1 控制流程图

6.2 程序模块结构

模块	功能说明
初始化模块	IO、ADC、OLED、按键初始化
模式判断	判断当前检测模式，进入相应流程
测量模块	控制激励、采集数据、分析结果
显示模块	在OLED上输出数据
校准模块	允许使用已知线缆进行长度校正

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七、测试结果与数据分析

7.1 基本功能测试表

测试项	测试值	标准值	误差	是否达标
长度（25m）	24.6m	25m	1.6%	√
电阻（UTP）	3.2Ω	3.0Ω	6.7%	√
类型识别	SFTP	SFTP	—	√
连接关系	交叉	交叉	—	√

7.2 发挥功能测试（如有完成）

• 交流衰减（dB值）对比；

• 短路位置测量精度测试；

• 单端测距1%精度达成图示等。

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八、低功耗与抗干扰设计

• 所有模块使用低功耗器件（如LDO、低功耗MCU）；

• 关闭未使用模块（PWM关断等）；

• 引入RC/LC滤波、电源地隔离提升稳定性。

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九、项目总结与改进方向

• 本测试仪设计紧凑，功能全面，实测表现优异；

• 若进一步开发，可支持千兆线缆测试、更高频率带宽测试、蓝牙远程显示等功能。

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十、队员分工与感想

队员	工作内容
姓名1	电路设计、PCB制作、电源方案
姓名2	MCU程序编写、衰减测量算法
姓名3	数据测试、误差分析、报告排版整理

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