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大家好！我们是来自大连理工大学的易棵树、常书奇、蒋衡琛。
今年我们参与并完成了辽宁省电赛的F题，侥幸获得辽宁省的TI杯。很荣幸收到TI及达尔闻的邀请，与大家分享我们电赛的经历与想法。
使其悬浮，需砺其器
2024年的电赛虽开始于7月29日，但我们早在三个月之前开始准备。在确定选题方向为控制类后，我们着手于往年的控制类题目，从中逐步学习TI MSPM0 MCU板卡的使用方法。由于我们都有单片机基础，学习起来得心应手，在短时间内便掌握使用MSPM0 MCU板卡来完成相关的功能。我们先后复刻了23年电赛的送药小车、22年国赛二维云台，并在一定程度上完成了相关功能，为接下来的电赛打下一定基础，提前根据材料清单准备了充足的元器件材料进行备赛。
它山之石，可以攻玉
能获得今年的赛区TI杯，有很大部分是我们站在了巨人的肩膀上继续仰望。能有这样的成绩不仅依靠我们充足的知识储备，而且也借鉴了网上优秀开源项目，帮我们分担了很大一部分工作量，使我们能在短时间内完成F题的所有要求，并且还能在此基础上实现扩展。
道阻且弥，唯有前行
确定完赛题后，我们根据开源内容，迅速完成分工：两人分别负责软件的实现以及硬件的搭建，另一人前往当地器件厂购买相关原材料。
本系统主要由MSPM0 MCU组成的总控制模块，TOF050F激光测距、霍尔编码器传感模块，自制线圈生磁模块，OLED显示模块，TB6612驱动的八个线圈的磁场生成模块以及INA240A2电流检测模块组成，其系统框图如图所示。
👉 硬件方面，我们先使用传统洞洞板、杜邦线与MSPM0 MCU开发板进行连接，将磁悬浮的功能进行拆分简化并在洞洞板上逐步实现。在此基础上，主控改成MSPM0 MCU，去掉部分电流采样电路，对电路进行了部分修改，参考原视频和网上大部分开源的磁悬浮方案，提供浮力的一般都是永磁体，在此基础上，遵循题目限制禁止永磁体，改用了四个匝数较多的大线圈来提供稳定高度的磁力，四个大线圈用同一个引脚的PWM信号控制。调参时因为外围四个线圈过热，所以为了延长调试时间，我们还用了永磁体等效来辅助调节中间四个小线圈。
在线圈布置时，我们准备了两套方案：
方案一：将八捆等匝数等体积线圈依次摆放，围成圆形。通过控制不同方向的线圈电流达到悬浮盘始终在中心稳定、保持一定高度的效果。
方案二：将四捆匝数多、高度小的线圈摆成正方形四角，用于调整高度；另四捆匝数少、高度大的线圈置于间隙，用于调整悬浮盘x、y方向位置。
由于方案一在控制位置时，八个线圈需要同时控制悬浮盘的高度与平面位置，这意味着每个线圈都需要使用PWM单独控制，整体控制复杂且引脚需求超出现实。方案二将悬浮盘的高度与位置控制拆开分析，并巧妙设置线圈位置，使得控制更加精准。同时仅在x、y方向上利用PID实现闭环控制，而高度控制线圈可看成整体统一控制，不仅简化控制内容，也能减少引脚使用，从而能添加更多外设。故此次选用方案二。
布置线圈两种方案示例
👉 软件方面，因为有开源代码的缘故，工作重心从代码实现转变为代码理解以及移植。在此基础上，我们对代码内容进行修改，简化了高度控制以及基本功能等。同时，为了方便后续高度调节与模式更换，我们巧妙利用旋钮与OLED外设，通过旋钮来选择不同模式或者调节硬币悬浮高度，同时使用OLED实时反应当前状态。模式下列展示用于控制线圈的control_loop()函数程序流程图。
持以恒心，报以硕果
虽然前面软硬件的准备一点都不容易，但后面对于代码参数的调试也同样不简单，真正使磁悬浮工作时处处出问题，例如：
我们在洞洞板调试时发现，测量高度的激光测距TOF装置不太灵敏，这使得代码进行闭环控制时无法达到预期效果，甚至时长突然升高或下降，这使得我们只能放弃闭环，用尺子大致调试，找到每个高度对应的参数。
对于OLED外设，总会出现运行一段时间后卡死问题，我们尝试更换硬件、降低刷新频率等方法，苦苦尝试后最终在SPI连接的基础上解决了卡死问题。此番遭遇之后，已经过去24h。
而对于实现硬币的悬浮功能，更是让我们心力俱疲。视频里那般轻松的实现磁悬浮，却在我们手中迟迟不见希望。最开始时无论怎么去调节参数，悬浮盘不肯停留超过1s，一放就掉。之后，观察发现无论怎么调节参数，控制高度的线圈一直保持最高功率运行，于是我们把工作重心从软件变为硬件，使用了不同粗细、不同匝数的线圈。最后也终于使得悬浮盘悬浮了起来。
仅仅完成悬浮盘的悬浮是不够的，接下来的问题便是零漂。悬浮盘在空中的位置并不位于线圈组中心，带来的问题便是稍一受到扰动，悬浮盘便会狠狠砸到线圈上面。我们一遍遍调节参数，在代码层面减轻零漂的影响。待悬浮盘基本保持在中心位置后，我们观察到此时控制高度的线圈接近但未到达最高功率，控制位置的线圈则距离最高功率较远。当一枚硬币放于悬浮盘上，控制高度的线圈功率瞬间达到极限，而悬浮盘也顷刻砸下，此时线圈电流为3A，总功率来到了30W。
经过分析，我们猜想相比于继续改动线圈，不如加大流过线圈的电流。我们将两根电源线并在一块（电源箱单路限流3.2A），再次启动后将硬币放置于悬浮盘上，可见硬币稳稳浮在空中，在我们的屏息注视下熬过了10s。在这期间我们改用PCB板完成实物，器件的组装以及各种小问题的出现不断消磨我们的精力，此时距离电赛结束只有30h。
前两问的实现给了我们很大的鼓励，之后的工作便是不断的调整参数以及代码，同时我们将三路电源线进行并联，接到控制高度的线圈线上，从而实现三枚硬币的悬浮。此时所有高度线圈电流总计在7A左右，总功率达到90W左右。
对于硬币的高度控制，因为未能采用闭环控制，我们通过测量大致找出不同高度对应的控制参数，通过旋转旋钮来进行调节。而对于倾斜情况的控制，我们对网络上开源内容加以利用，通过MPU6050实现转向环的PID调控，基本能在40度内保持稳定。
照以古镜，精益求精
整个比赛下来，踩了不少坑，也意味着收获了许多经验与技巧。我很乐意分享赛后我们的一些反思。希望能为想打电赛的同学们提供帮助。
1）正如考试不仅是答卷的那段时间，电赛也不仅是四天三夜。最好赛前能确定自己的选题类型，并能依据往年的电赛内容进行练习及准备，才能在比赛期间游刃有余。尽管存在换题的可能，但前期基础知识的积累和应用却是在各个题目间通用的。
2）一定要备足比赛可能用到的元器件以及开发板。到了比赛期间发现有所遗漏，不仅耽搁进程，还可能会遇到无良商家坐地开价。元器件的焊接也要尽量仔细，尽量每隔一段时间用万用表检查一下，尽可能减少不必要麻烦。
3）良好心态的保持无疑是最重要的，同时也要以一种实现而不是理解学习的态度完成作品。可能你的作品在哪一个功能上有些瑕疵，或者某些功能不尽人意，如果这些问题对下一步的影响不大，那么千万不要去纠结！毕竟在有限的时间内，拼的更多的是完成程度，先确保实现题目要求的基础上再去处理细节问题。
4）永远记得你不是一个人在战斗！电赛时间每分每秒都很宝贵，一定要做好组内分工，尽可能的提高作品的完成效率。遇到某些疑惑的问题一定要及时和队友进行沟通，从而降低自己钻牛角尖的可能，为后面节省出宝贵的时间。
