关键词： 氢气检测   催化燃烧   恒温差   低功耗   CAN总线  

摘要： 随着全球能源问题的日益突出,氢燃料电池车以其零污染、零排放和燃料可再生等优势逐渐成为电动汽车领域研发热点,然而氢燃料的易燃易爆特性为其发展和普及带来了很大的挑战。氢燃料电池车内部水汽浓度高,温度变化大、氢气浓度低,现有氢气检测装置很难在此环境下,准确可靠地进行氢气检测。因此,设计出一款应用于氢燃料电池车内部的高精度氢气检测装置具有十分重要的意义。本文研究了催化燃烧传感器的工作原理和氢气催化反应机理,论证了氢气可以在-50℃低温下发生剧烈的化学反应。选择催化燃烧传感器作为氢气检测传感器,在常温下测试了催化传感器对低浓度氢气的灵敏度,提出了以恒温差双桥检测电路为核心的总体设计方案。在不同工作电流下测试传感器的灵敏度,确定了低功耗恒温差的工作电流。计算了恒温差电桥参数与温差的关系,在将传感器控制在高于环境温度50℃时,可以减小高浓度水蒸汽的影响。采用非稳态导热理论分析传感器散热过程,计算传感器降温时间,使传感器间歇工作,实现了低功耗的同时减轻了凝露的影响。在此基础上,本文完成了检测装置的硬件电路和单片机软件程序的设计,硬件电路包括PIC18F458单片机及其外围辅助电路、检测电路、电源电路和CAN总线电路;软件程序包括主程序、检测程序、标定程序、CAN总线和其他外围程序。按照设计指标和软硬件设计方案,制作了六个测试样机,经过45日老化后,采用0.50%～4.00%浓度的高湿氢气,测试样机在常温和高低温下的稳定性,并利用USB CANⅡ分析仪,验证CAN总线数据传输的准确性和可靠性。实验结果表明:本氢燃料电池车低浓度恒温差氢气检测装置在湿度较高的常温和高低温下都具有良好的检测性能,CAN总线数据传输准确可靠,符合国内外设计标准,具有广阔的应用前景。

关键词： 无线数据采集网络   并发传输   性能优化   能耗控制  

摘要： 越来越多的实际应用对低功耗无线数据采集网络的端到端性能（端到端时延、端到端可靠性以及平均能耗等）提出了很高的要求，但现有的低功耗数据采集网络仍然存在着诸多难以回避的挑战与亟需解决的科学问题，例如:多对一网络的流量调度以及ISM（工业、科研与医疗）频段的抗干扰问题。近年来受到广泛关注的基于并发传输的IEEE802.15.4低功耗无线网络具有能够满足这些要求的潜力。　　本文以无线信号的视角，从理论上对并发传输机制的属性进行了分析。结合实际应用需求，在基于并发传输机制的低功耗无线网络的吞吐量与可靠性方面开展优化，设计并提出了基于并发传输机制的数据采集网络协议:多对一短数据采集协议PiP、一对多/多对一短数据多信道协议DeCoT和多对一常规数据长度多信道协议Harmony。　　在理论分析方面，本文分析了两个具有相同数据内容的信号叠加后的影响，得出了基于IEEE802.15.4并发传输的特性，为解释现有基于并发传输机制的协议所存在的问题提供了一个视角。　　在吞吐量优化方面，本文提出了PiP协议。PiP协议是多对一的数据采集协议。PiP协议利用射频收发器件的功率放大器实现数据包的“拼接”（PiP-MAC方法），从而优化了流量并实现了网络中的节点无需事先调度即可完成多对一的数据采集。在现有的测试平台上，在确保网络可靠性并且不增加额外功耗的前提下，当网络节点部署密集(节点发射功率为0dBm)的时候，PiP协议（在FlockLab测试平台上）完成一次26个节点的全网多对一数据采集比现有基于并发传输机制的协议至少快1.8倍;（在Indriya测试平台上）完成一次42个节点的全网多对一数据采集比现有基于并发传输机制的协议(LWB协议)快1.1倍。　　在可靠性优化方面，本文设计了DeCoT和Harmony两个基于并发传输的多信道数据采集协议。DeCoT协议可以支持一对多/多对一流量共存的短数据数据采集，Harmony协议则支持多对一常规数据长度的数据采集。在DeCoT协议中，本文设计了“扫描-锁定”以及连续发送的跳频机制来维持在噪声干扰下链路的连通性，实现了网络即便在干扰存在的环境中也能达到87％的可靠性，至少高于现有协议4％。并提出了强制触发机制，使基于并发传输机制的网络即便在网络被干扰割裂的情况下仍然能够正常工作。　　以DeCoT协议研究作为基础，本文对其进行了进一步扩展与优化，提出了Harmony协议。在Harmony协议中，“协商-执行”的工作流程能够实现可靠的多对一的源节点调度。进一步融入了数据冻结机制和网络编码机制，使常规数据长度的数据在有干扰的环境下仍然能够有效传输，可靠性比现有协议高50％。此外，还提出了一种网络干扰侦测机制，能够感知网络中所存在的干扰的严重程度，从而使Harmony协议能够具有更均衡的性能。　　综上所述，本文所有的研究成果均能在实际硬件平台TelosB节点上运行，并在多个公共测试平台上开展了实验评估，评估结果显示无论是在吞吐量还是可靠性方面，本文所做出的优化工作对网络端到端性能都有显著提升。

关键词： Android系统   操作系统移植   性能优化   图形硬件加速  

摘要： 实现通用处理器和操作系统自主可控是信息系统建设的基本要求和重要发展方向。龙芯2K1000是具有完全自主知识产权的国产商用MIPS架构处理器，可应用于移动智能终端、高端嵌入式应用、物联网等领域。Android操作系统目前被广泛应用于以手持移动智能终端为代表的各类终端硬件平台，其市场占有率高达73.3％，将Android操作系统移植到龙芯2K平台上，对于国产处理器平台借助Android操作系统进一步拓展市场具有极其重要的意义。本文基于龙芯2K平台实现了Android5.1.1操作系统的移植，并在此基础上进行了性能优化方法研究。然后采用相关性能测试工具进行了全面的性能测试和分析，论证Android5.1.1操作系统在龙芯2K平台上的可用性。　　本文主要工作如下:　　1.基于龙芯2K平台的Android5.1.1操作系统移植。本文以Android5.1.1操作系统能够在龙芯2K平台上正常运行与交互为目标，研究Android5.1.1系统中Linux内核适配、Android操作系统开发与编译环境搭建、Android运行时(ART)和Android图形子系统重构与移植等核心难点，使Android5.1.1操作系统成功运行在龙芯2K平台上。　　2.基于龙芯2K平台Android5.1.1操作系统优化与性能分析。针对Android5.1.1操作系统在龙芯2K平台下运行卡顿、界面不流畅的问题，本文利用性能分析工具对影响系统使用的关键功能进行测试，定位并分析性能瓶颈，针对性能问题进行优化。除此之外，本文实现龙芯2K平台图形硬件加速优化，使Android5.1.1操作系统的2D、3D图形渲染能力相比于软件渲染模式有很大的提升。通过上述优化，Android5.1.1操作系统可流畅运行于龙芯2K平台上。　　本文使用谷歌官方提供的Android系统性能测试工具对运行在龙芯2K平台下的Android5.1.1操作系统性能进行了全面的测试及分析。通过与真实手机下的测试结果对比，基于龙芯2K平台的Android5.1.1操作系统已具备流畅运行的能力，为龙芯2K平台开拓市场提供了有力的技术支持。

关键词： 高压变频器   以太网   微软基础类库   多线程   监控系统  

摘要： 高压变频器对供电电网冲击小、启动和调速性能优异、节能效果显著,被广泛应用于风机、水泵、空压机、轧钢机等各种需要调速的工业设备。本文设计并实现了一套高压变频器监控系统,满足在高压变频器的开发、测试、现场调试和故障分析等阶段,工程师对数据显示、参数管理、故障分析、程序更新等功能的需求,具体工作如下:通过调研监控系统的功能要求,总结出监控系统主要功能包括用户登录、监控工程管理、实时状态显示、实时波形显示、故障分析、参数管理、程序更新七个部分;通过分析变频器的软硬件结构,获得监控系统可以监控的数据以及这些数据的采集、通讯方法;采用客户端/服务器结构作为监控系统的软件系统结构,并根据需求分析结果将监控系统分为8个模组:用户登录模组、监控工程管理模组、实时状态显示模组、实时波形显示模组、故障分析模组、参数管理模组、程序更新模组、权限管理模组、网络通讯模组;以流程图的方式详细说明这些模组内各个工作模块的工作流程以及数据处理方式;以尽量降低主控制器DSP的运算负荷为原则制定监控系统通讯协议并明确通讯帧内容。最后,在研究以太网通信、微软基础类库、多线程技术的基础上,基于MFC单文档应用程序模板实现监控系统框架以及每一个功能模组。

关键词： 目标检测   多目标跟踪   无人机  

摘要： 无人机在战场上有着重要的战略意义,主要任务为侦察军情、监视目标、战斗评估等视觉任务。本文主要研究了在无人机平台上的对地目标检测与跟踪,针对低功耗嵌入设备的特点,优化检测算法,结合跟踪算法,设计了一个适用于无人机上低功耗嵌入式设备的目标检测与跟踪系统。在无人机的高空视野中,由于视距宽阔,感兴趣目标与无人机距离变化很大。同一目标在不同距离时,其尺寸不同,且在距离较近时,旋转变化也较多。对于目标检测任务来说,难度较大。在目标距离较远时,其尺寸远小于距离较近的目标,在同一画面中,尺度相差大的目标,对于目标检测任务说,难度较大。在无人机平台上,只能够搭载低功耗的嵌入式设备,且嵌入式设备算力较低,几乎无法搭载实时目标检测与跟踪系统,其实时性一直以来都是研究的难点。本文设计的快速目标检测算法中,主要采用残差结构技术,空洞卷积技术,深度可分离卷积技术,可变形卷积技术,多层特征融合技术等,设计了一种快速的,在高空对地面目标效果较好的快速目标检测算法,其速度达到了8.81FPS,平均准确率达到了86.3%,是一种能够部署在无人机搭载的低功耗嵌入式设备中,具有较高的实际意义。在目标检测的基础上,进一步对视觉任务中的多目标跟踪做了研究,提取了目标的颜色直方图和Io U联合特征,计算距离矩阵,利用卡尔曼滤波对目标做运动预测,结合匈牙利算法完成检测目标和预测目标的特征匹配。本文将目标检测算法与跟踪算法结合,设计出一种面向无人机平台的低功耗对地目标检测与跟踪系统,其速度能够达到12-15FPS,具有一定的实际使用价值和意义,并对无人机平台的目标检测与跟踪系统,提供了一种有效的设计思路。

关键词： 28nmGPU   后端设计   低功耗技术   时钟树综合   物理验证  

摘要： 纵观图形处理器（GPU）的发展历史,随着电子工艺的不断发展,GPU的性能与可靠性得到了较大幅度的提升,电路的主频与电路规模朝着更高更大的方向发展,与此同时GPU的性能与可靠性得到了较大幅度的提升,因此在人们日常的工作与生活中也得到了广泛的应用。在传统的GPU设计过程中,优化目标通常只包括芯片功耗、面积、时延、线长等,而对电源网络与时钟网络的优化设计鲜有提及。而随着GPU用户需求的提高与制造工艺的提升,现有的GPU设置中逐渐开始面临如何对芯片电压域划分、如何最小化电源网络布线面积与如何进行时钟树优化等问题。针对上述问题,本文基于Cadence公司的EDI10、QRC与Voltus工具,选取一型28nm图形处理器芯片为研究对象,从文献收集、设计方案分析、物理验证等角度对该型芯片的低功耗后端设计进行了详细的研究,探索解决上述问题的具体方案,并通过计算与仿真对解决方案的合理性与正确性进行了验证,论文的主要工作包括:通过收集相关领域的研究文献,对后端设计的分类与基本流程进行了详细的阐述,并对芯片的功耗类型进行了归纳分析,随后针对不同功耗类型罗列了对应低的功耗设计技术,并结合上述理论给出了芯片布局与低功耗时钟树综合的具体设计方案。在完成设计方案的基础上,结合设计工具对芯片的各类标准单元放置、时钟树网络优化、时钟树网络布局等过程进行了详细的分析,完成具体的设计流程后,采用分析工具对布局DRC、布局拥塞与时序优化进行了仿真分析,针对GPU芯片的布局、设计规则、电路规则与天线效应进行了物理验证检查。完成上述工作后,为了得出金属填充对芯片工作时序影响的具体方法,分别采用Calibre与EDI10两种工具对芯片进行金属填充,并对填充前后的芯片工作时序进行了仿真分析,得出了有效的填充方法。为了对低功耗设计与时钟树优化方案的正确性与合理性进行验证,将采用本文方案前后的时钟树网络参数与芯片功耗进行了仿真研究,并对低功耗、时钟树与芯片整体功能的仿真结果进行了详细的分析,并通过分析给出了设计方法正确性与合理性的验证结果。

关键词： NB-IoT   LPWAN   物联网   低功耗   智慧卫生间  

摘要： 迈入信息化时代,我国现代化和工业化进程逐步加快,物联网应用正广泛渗透到社会生活的各领域,社会的生产方式和人们的生活方式都在发生着深刻变化。2018年,中国移动在云南省率先部署了窄带物联网（NB-IoT）站点建设,在交通、旅游、民生等领域造福于民。在国家智慧旅游战略、“一机游”应用等背景下,随着社会发展,人们生活水平的提高,城市建设进程的加快,城市公共卫生间的改造是尤为重要。为解决人们出行中找到亟需使用卫生间困难、部分星级景区卫生间无法市电供电的问题,提高人们的出行效率和出行的便捷性。本文基于物联网技术,提出一种基于NB-IoT的结构可配置智慧卫生间系统。提出的“结构可配置”方法,针对不同应用供电能力不同特点,通过硬件配置软件、软件配置硬件相结合的配置方法实现。“结构可配置”的方法结合NB-IoT技术、硬件、软件设计出5种低功耗工作模式解决电池供电模式下的功耗问题。通过拨动开关配置硬件供电方案;拨码开关控制功能节点类型;软件配置功能节点功耗模式及其他信息。功能节点根据平台统计分析结果自适应工作在不同功耗模式下,能灵活应对不同供电能力场景,有效降低成本。物联网平台实现南向的设备对接、北向的应用对接,可以快速解决不同业务逻辑设备、应用的快速对接。通过NB-IoT技术把卫生间的坑位使用、人流量、地理信息、温湿度、氨气浓度等数据上报云平台。“一机游”找厕所的功能实践表明本文提出的方法能提高“智慧卫生间”可提高卫生间覆盖率、满足功耗需求,并且为出行在陌生环境下亟需上卫生间的人,提供有效、高效的找卫生间服务。本文对该系统硬件设计、嵌入式软件设计、物联网平台对接做了简要介绍。

关键词： 旋转导向钻井   姿态测量   DSP   姿态解算  

摘要： 随着石油工业的发展,旋转导向钻井技术已经成为最高效智能的自动化钻井技术,该技术可以大幅提高油藏的开发能力,降低钻井成本。对井下钻井工具姿态参数的实时测量是实现钻井工具导向精准控制的核心要素,确保钻井工具能按照预先设定的钻井轨迹准确钻入油藏靶区。本文针对旋转导向钻井系统的技术特点,在已有钻井姿态测量理论的基础上,提出了应用于井下工具姿态测量的多通道数据采集与处理系统。主要研究内容包括以下几部分:1.系统选用TMS320F2812型DSP芯片作为主控制器,系统硬件电路部分的整体设计主要围绕TMS320F2812芯片,包括系统的供电电路、时钟电路、复位电路等DSP的基础外围电路构成DSP的最小系统,结合信号调理电路、通道选择电路、ADC采样电路等功能模块电路共同构成本次设计,以实现多通道数据的采集与处理功能。2.开发相应的功能软件程序,采用模块化编程思想,编写了系统的初始化子程序、数据采样通道选择程序、AD7981与DSP的接口程序设计、SPI数据传输子程序与姿态角解算程序等功能模块子程序。3.应用姿态角解算算法,对井下工具姿态参数进行解算,并对解算得到的姿态角参数进行误差校正。基于TX-3S测斜仪进行了地面环境下系统的模拟实验测试,实验测试结果表明系统硬件电路设计稳定可靠,实现了软件设定的各项功能,可以实现数据的多通道采集与处理,姿态角的解算精度通过姿态误差算法校正之后明显提高。

关键词： 板式换热器板片   激光位移传感器   深度检测   可视化图像区域   多线程  

摘要： 板式换热器是生活以及工业生产中常用的一种冷热交换装置,其广泛应用于冶金、矿山、石油、化工、电力、医药、食品、化纤、造纸、轻纺、船舶、供热等部门。板式换热器板片是板式换热器的核心部件,存在缺陷的板片不仅影响换热器的换热效率,缩减其使用寿命,更会对换热器造成安全隐患。当前,板式换热器板片的检测主要以人工抽检为主,人工检测工作量大,效率低,误检率高,很难达到质量检测的要求。在一定程度上,降低了板式换热器板片使用的安全系数。因此对板式换热器板片缺陷实现自动化检测具有一定的现实意义。针对人工检测板片波纹深度缺陷的不足,本论文设计了板式换热器板片缺陷在线检测系统,采用激光三角测量法,实现对板式换热器板片波纹深度的检测。针对不同型号板片,设计了检测系统机械平台,解决了板片能平稳的从上料工位向深度检测工位移动的问题。根据板片结构特点,设计了深度数据采集路径,完成了对不同板片深度数据采集。PC端与PLC通过OPC通信实现实时信息交互,与激光位移传感器通过RS422通信实现信息交互。数据处理部分分析了异常数据的来源,通过采用自适应迭代中值滤波算法解决了采集数据降噪问题,将降噪后的数据转换为可视化图像区域以及灰度图像直观高效地提取垫片槽区域,用最小二乘法拟合波纹板垫片槽区域,利用统计学中的矩计算波纹深度参数,判断板式换热器板片质量。本论文设计的检测系统单板算法检测时间最多耗时41.0259s,窄波纹板片检测结果与人工检测相比存在一定的差异,主要原因是激光位移传感器移动采集速度太快,导致窄波纹板片会丢失很多有效数据。宽波纹板片检测结果基本能够满足现场的需求。部分检测结果和人工检测不同的原因主要有三点:一是,机器与人工实际检测位置存在差异;二是,人工检测可以通过手臂施加压力的方式对板片轻微形变的地方给予校正。三是,人工检测值受到自身客观因素的影响。

关键词： 相变存储器   O掺杂   低功耗   调幅分相  

摘要： 随着信息技术的高速发展,现有的存储技术越来越难以满足市场的需求,研发新的存储技术成为未来发展的重要趋势。相变存储器凭借其读写速度快、存储密度高、操作功耗低的特点,成为最具潜力的下一代存储技术。基于相变存储器的三维存储技术近年来更是取得了重大的突破。然而,随着器件集成度的不断提高,存储单元间的热串扰问题越来越严重,并且随着器件温度的升高,单元阻值漂移还会带来误读等问题,影响器件可靠性。针对上述问题,本论文提出了一种基于O掺杂的低功耗Ge Sb相变存储器,通过相关电学测试研究其器件性能,并计算出其操作功耗,最后结合物性表征手段分析相变材料的工作机理,解释器件功耗降低的原因,主要研究结果如下:(1)分析了不同器件结构对功耗的影响,调整PVD、紫外光刻、电子束光刻等关键工艺参数并优化了器件结构,制备出不同组分比例的薄膜样品和不同特征尺寸的存储器件。(2)通过原位退火测试研究材料组分比对温度特性的影响,甄选出最佳组分比的测试样品。制备出相应的存储器件进行相关电性测试,研究了存储单元直流I-V、脉冲擦写和循环特性,并计算出存储单元的操作功耗,最终证明该存储器件能够在未添加热阻层和减小单元特征尺寸的前提下(特征尺寸250 nm),将器件功耗降低至10 f J,远低于传统相变存储器,并具有进一步减小的潜力。(3)研究了该存储器件降低功耗的作用机理。提出了一种基于调幅分相的相变机制。Ge Sb相变材料在进行O掺杂后,掺杂的O元素会与Ge形成Ge-O分相,细化晶粒,阻碍Ge Sb的结晶过程,使其成为一种具有调幅分解效应的非均一相结构。这种结构的相变材料可通过温度、电脉冲、激光等方式控制体系内分相程度,来实现不同阻态间的转变。利用这种局域调控的特点能有效改善PCM的加热状况,提高加热效率,减小器件操作功耗。