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关键词： 后量子密码   超奇异同源椭圆曲线密钥封装协议   有限域乘法   整体实现  

摘要： 在不久的将来,量子计算机的出现将会对现有的密码方案产生巨大的威胁,因此有必要改进现有的密码方案或者替换现有的密码让其可以抵抗量子计算机的高速运行带来的风险。后量子密码是一类被认为可以抵抗量子计算机攻击的密码,这类密码基于的数学问题即使在量子计算机上也很难被解出。超奇异同源椭圆曲线的超奇异同源椭圆曲线密钥交换协议(SIKE)是后量子密码的一种,并且已经入选NIST的第三轮后量子密码候选名单。SIKE相比其他后量子密码拥有更短的公钥长度,但是存在运算速度慢和占用硬件资源多的问题。因此,研究高性能SIKE硬件结构是非常重要的。首先,本文深入研究了SIKE中现存的两种不同类型的有限域模乘算法。一类是基于巴雷特约减法的模乘算法,主要有高效有限域模乘算法(EFFM)、有限域模乘算法1(FFM1)和有限域模乘算法2(FFM2)。另一类是基于脉动阵列蒙哥马利乘法器的模乘算法。之后详细介绍了这两类乘法器的流程、原理和结构。受这两类乘法器的启发,本文提出了两种新的乘法器。本文首先提出了高性能有限域模乘算法(HFFM),该算法选择与之前的算法使用了不同的基数,从而减少了整体的乘法计算次数。并且本文对于该算法设计出一种新的流水线交错结构,该结构将乘法进一步拆分,并且使用流水线,将两次乘法交错进行,节省了运行的时间。本文还对于脉动阵列蒙哥马利乘法器进行了结构上的优化,减少了1/4的DSP资源。其次,本文使用基于HFFM算法的乘法器进行了SIKE整体结构设计,该设计使用与乘法器有着相同关键路径延时的加法器,并且利用有限状态机进行整体的控制,对于每一步的计算使用预制指令集的方式进行。此外,还针对该整体结构设计出一种贪婪算法,针对有限资源,使用C语言对于SIKE中的函数公式进行合理的时序安排,缩短运行时间。最后,本文将多种有限域模乘和本文提出的两种有限域模乘进行算法复杂度和硬件实现上的对比。结果表明,提出的基于改进蒙哥马利算法的脉动阵列乘法器不仅在资源上少于已知的乘法器,并且在频率上有21%的提升,在速度上的提升可达12%。本文还将基于HFFM算法的SIKE整体结构与已知的实现进行对比,结果表明,本文提出的SIKE整体结构相较于已知的结构,使用了更少的资源,速度提升11.8%以上。

关键词： 边缘端模型推理系统   硬件设计   软件开发   深度学习   模型加速   容器化处理  

摘要： 随着万物智能互联时代与人工智能时代的到来，边缘计算结合人工智能技术实现边缘智能服务的需求得到了学术界与工业界越来越广泛的关注，本文以此为背景，以在嵌入式边缘设备上实现深度学习模型推理任务为目的，在模型加速、任务生成和系统设计与实现几个层面，研究支持边缘多任务模型推理的关键技术，并实现边缘端多任务推理系统。该系统首先对模型做硬件多层次加速以提供不同的加速后模型供任务调用，然后实现了一种任务与模型、设备和数据集的动态绑定方法并实现了一种可靠的设备状态监测服务，最后结合容器化与容器编排技术实现了一套高可靠性与扩展性的边端深度学习多任务模型推理系统。　　综合以上内容，本文共包含以下三部分工作的内容:　　1.针对主流深度学习框架无法满足边缘端硬件实时模型推理的问题，本文借助硬件模型加速库，实现了一种边缘端硬件多层次加速方法，能够适应主流深度学习框架（如Tensorflow、Pytorch和Caffe等）产生的模型，并且针对同一模型产生不同层次的加速后模型适应不同的任务场景需求。　　2.对深度学习推理任务的模型、设备和数据进行解耦，实现了一种模型、设备和数据的自由组合策略，能够在深度学习推理任务中实现模型、设备和数据的动态绑定。另外，为了提高推理系统的可靠性，实现了在边缘设备上的设备状态上报服务，能及时发现设备的异常情况，确保了推理系统的安全性。　　3.基于容器化技术，对深度学习推理任务做了容器化处理，使得单个容器镜像文件支持多种任务的推理，有效避免推理程序中的重复代码;基于容器编排技术，实现了多个深度学习模型推理任务在边缘端的部署。最后，基于对推理系统使用者的需求分析和完整系统的设计原则，从软件和硬件层面出发，设计并实现了一套高可靠性和可扩展性的多任务推理系统。

关键词： 多目标优化   通信信息队列   运维监控系统   硬件设计   软件设计  

摘要： 为解决传统运维监控系统存在运行吞吐率低,造成无法及时恢复通信质量的问题,开展基于多目标优化的通信信息队列运维监控系统研究.通过上位机干扰器选型、加密IC卡选型等硬件设计和基于多目标优化提取信息队列通信传输参数、基于IP核设计通信信息队列运维接口信号、通信信息队列终端远程监管等软件设计,提出一种全新的运维监控系统.通过实验证明,新的系统能够有效提高吞吐率,实现对通信环境中信息队列稳定运行的监控和管理.

关键词： 航空伽玛能谱测量   硬件电路设计   数字梯形成形   稳谱  

摘要： 航空伽玛能谱探测技术是在飞行过程中测量地表和大气中的中放射性物质所放出的伽玛射线,通过分析伽玛能谱数据来获得放射性核素的分布,具有工作效率高,勘探效果显著,成本低等优点。该技术除了在寻找放射性矿床的应用外,也常用于资源勘查和地质填图,近年来也广泛应用于环境放射性污染监测,核电设施监测等领域。航空伽玛能谱测量系统的性能指标和探测精度直接关系到航空测量的效果,其中多道脉冲幅度分析器是航空伽玛能谱测量系统的核心模块,直接决定了整套测量系统的精度。由于航空伽玛能谱测量需多个探测器同步工作以保证极短测量周期内的脉冲通过率,论文设计了一种具有同步采集功能的数字化多道脉冲幅度分析器。针对探测器输出信号的特点,设计数字多道脉冲幅度分析器硬件电路,主要功能包括:可编程增益调整电路,高速模数转换电路,主控芯片电路,通信电路以及电源电路。探测器输出的模拟核脉冲信号经过可编程增益调整电路后,进入模数转换电路后实现模拟信号数字化。在FPGA芯片内,通过数字信号处理技术实现核脉冲能谱采集功能,主要功能模块包括:同步采集控制模块,梯形成形模块,脉冲堆积处理模块,峰值提取模块,寻峰稳谱模块,通信模块。数字梯形成形算法分模块级联实现,精确提取脉冲幅度,提高系统信噪比,具备更好的能量分辨率和良好弹道亏损表现。为解决航空测量过程环境变化引起的谱漂问题,使用3次多项式5点光滑的一阶导数算法,对能谱数据光滑去噪后进行寻峰分析,进而根据谱漂程度采用软硬件结合的方法,通过可编程增益电路调整脉冲幅度,实现全自动稳谱,保证系统长期稳定工作。采用双口RAM无缝收发数据,通过串口或者串行总线将数据实时发送至上位机,供后续数据处理能谱分析。数字多道脉冲幅度分析器在信号发生器产生50KHz指数衰减脉冲时,仍能保持高脉冲通过率。在室内使用单箱Na I(T1)闪烁体探测器分别对环境本底、Cs、U和Th测试源进行伽玛能谱测量,对能量线性度、窗口计数率、能量分辨率及系统稳定性进行测试。根据结果测试,能量线性度良好;窗口计数率及能量分辨率与AGRS公司生产的GR-820进行对比,测试结果略优于GR-820,表现较好;在7小时测量过程中,谱线漂移程度在±1道,可长时间稳定工作。

关键词： 超外差结构   频率规划   幅度调理   仿真建模  

摘要： 在无线通信技术领域,通信科学技术发展迅猛,电子信号变得更加复杂化、多元化,主要表现的特征是需要处理的信号频率带宽范围不断变宽,信号瞬时性及复杂性日益增加,对于宽带信号、瞬时复杂信号的处理已逐渐成为测试测量技术领域中急需发展的关键技术问题。对于传统信号源、信号分析仪等功能单一的传统仪器已不能满足各种环境的测试需求,需要仪器同时具备产生信号和分析信号甚至将接收的信号转发出去的功能等,并且对通用性、成本、尺寸等要求日益提高,测试系统向着模块化、可编程化、高集成度趋势发展。 本论文依托成品宽带矢量信号收发仪,旨在设计适配与之同类型测试系统的通用射频模块扩展组件,收发组件的工作频率范围为65MHz～18GHz,更是具有发射110d B功率动态范围信号的能力,同时最高瞬时带宽可达1GHz。本设计基于超外差结构进行收发通道的搭建,与收发仪实现良好的交互。本论文的主要设计工作如下: 1.频率规划。为实现频率测量的高精确度与收、发信号,制定合理的频率变换方案尤为重要。首先,通过计算和仿真优化确定出合理的中频信号频带,进而制定相应的变频策略和本振信号范围。合理中频信号频率范围指的是在接收或者发射信号状态下可以避开杂散谐波,使信号在通带内都只存在期望的信号,而无干扰信号。 2.射频收发通道链路搭建。链路设计分为三部分,一是频率规划好的滤波器组电路;二是由混频器和本振组成的变频电路;三是进行功率调节的幅度调理电路。 3.建模仿真分为三类,其一对设计的链路方案进行全面参数建模仿真,验证方案的合理性;其二对电路的匹配设计进行建模仿真优化,使信号能高效传输;其三对屏蔽腔体进行带内谐振建模仿真,确保指标频带内无任何谐振点。 在电路设计过程中需要进行理论可行性分析、选定电路方案、设计电路原理图、元器件选型及合理的电路板布局设计以及配套屏蔽腔体设计等工作,然后使用相关测试仪器对焊接完成的实物电路板进行测试。测试过程分为模块测试与系统测试,模块测试是对收发通道独立板卡进行功能检验,系统测试则是将整个收发通道联合整机系统的其它模块比对设计指标进行整机测试。最后测试结果与方案理论具有一致性,完成了指标要求。

关键词： 通用数据发生模块   多接口兼容   深存储   FMC接口  

摘要： 数据发生器因其可以输出复杂的数字激励信号而在电子信息行业中得到越来越广泛的应用。随着数据接口类型的多样化,具有能够兼容不同数据接口类型能力的通用数据发生模块成为研究重点。本文通过对不同DAC的数据接口类型、数据传输速率以及数据位宽进行调研统计,设计了一款能够兼容CMOS、LVDS和JESD204B接口DAC的通用数据发生模块。具体工作内容为:1、总体方案设计。通过对不同DAC的CMOS、LVDS和JESD204B接口数据速率和引脚数量分析,选用FPGA作为通用数据发生模块的控制器、FMC接口作为通用数据发生模块的接口;对比PCI总线和PCIe总线数据传输速率,使用传输速率更高的PCIe进行总线设计;通过对SRAM与SDRAM的读取速率和存储容量进行分析和对比,采用存储容量大、访问速度快的DDR3 SDRAM作为数据存储器。2、硬件电路设计。分析PCIe总线接口、DDR3 SDRAM数据存储器以及FMC接口的管脚需求,对FPGA进行比较选型;采用FPGA和DDR3 SDRAM进行数据发生模块设计;参照设计指标,进行FMC接口与FPGA之间的管脚分配,以实现对CMOS、LVDS和JESD204B接口的兼容。3、FPGA逻辑设计。采用PCIe硬核完成通用数据发生模块的总线设计,并实现与上位机之间的数据通信。使用AXI总线连接PCIe DMA与DD3 SDRAM读写控制IP核,进行总线接口到数据存储器之间的数据传输并完成数据存储。采用AXI DMA IP核进行数据读取逻辑设计并实现数据读取。通过对CMOS、LVDS和JESD204B接口数据传输方式的讨论,完成不同数据接口数据发送逻辑设计并实现数据输出。经过测试与验证,本文设计的通用数据发生模块存储容量为8GB,能够兼容CMOS、LVDS和JESD204B接口且引脚最大输出速率分别为300Mbps、1250Mbps和6.25Gbps。

关键词： 无人驾驶高精度定位   多传感器集成   同步时间基准   MPSoC FPGA   定位算法硬件平台  

摘要： 利用多传感器的数据实现车辆高精度定位是无人驾驶的关键技术之一,也是无人驾驶的基础和前提。目前无人驾驶高精度定位平台大多采用同步控制采集模块实现多传感器数据的同步采集,采用高性能计算机或GPU实现定位算法,存在如下问题:(1)由于多传感器数据同步采集和高精度定位算法实现是分两个模块进行,因此集成度不高、体积较大;(2)高精度车辆定位算法采用高性能CPU或GPU实现,能耗比较低,发热量较大,难以满足车规级应用要求。针对上述问题,本文设计了以单MPSoC FPGA为核心的无人驾驶高精度定位硬件平台,实现车辆定位所需的多种传感器数据的同步采集,并为车辆高精度定位算法的实现及加速提供硬件基础。研究工作具体如下:(1)采用主动同步、被动同步、授时同步等多种同步方式,实现多种传感器的高精度同步控制和数据采集。充分发挥GNSS的PPS脉冲长期稳定性高和高稳石英晶体的短期稳定性好的特性,建立高精度的时间基准,并以该时间基准作为纽带,根据不同传感器的特性,对惯性测量单元、车轮编码器、三维激光雷达分别采用主动同步、被动同步、授时同步实现这些传感器的同步控制。(2)以单MPSoC FPGA芯片为核心,设计无人驾驶高精度定位硬件平台,将数据采集和算法实现合二为一,在该平台上同时进行多传感器数据同步采集和高精度定位算法实现及加速,以提高无人驾驶高精度定位平台的集成度、减小体积;相比于GPU和高性能CPU,FPGA在实现算法的同时,功耗较低,有利于实现车规级应用。(3)根据无人驾驶高精度定位的总体需求,制定了详细的电路设计方案,并进行了硬件平台的电路设计及程序编写。对传感器、电源模块、FPGA主控模块、传感器同步授时模块、传感器数据传输模块、USB和千兆网数据传输模块、mSATA和DDR4等数据存储模块以及用于调试的显示模块进行了器件选型,给出了详细的设计电路图,并进行了硬件调试;根据传感器的接口及所需要的各种高速接口,在该电路板上进行Linux操作系统的裁剪和移植;制定了 PS端与PL端之间的指令及数据交互的通信协议;利用Verilog HDL语言,在Vivado平台下,编写了 PL端完成高精度时间基准的建立及多传感器数据的同步控制及采集的FPGA程序;分析了激光雷达的数据格式,利用PS端实现三维激光雷达数据的同步采集与解析。(4)搭建测试环境,对本文设计的无人驾驶高精度定位硬件平台进行测试验证。连接好激光雷达、车轮编码器、IMU和GNSS,在实验室静态环境下,对设计的硬件平台的技术指标及功能进行测试验证。包括多传感器同步控制的时间同步精度测试;各传感器硬件接口、USB接口、千兆网接口、存储单元接口及显示接口工作是否正常;PS端和PL端的指令及数据交互是否正常,并实际采集多传感器数据进行验证。测试表明,本文设计的硬件平台各接口功能正常,PS与PL端之间的指令交互功能正常,能够实时完成多传感器数据同步控制和采集,时间同步精度达到微秒级,具有同步时间精度高、集成度高、体积小、功耗低、满足车规级应用、扩展性好等优点,并且满足实现无人驾驶高精度定位算法的硬件实现及加速的需求。无人驾驶高精度定位算法的芯片化是未来的趋势,本文设计的无人驾驶高精度定位硬件平台,还可以为车辆高精度定位算法的芯片化设计提供设计参考和测试验证。

关键词： 组合导航   即插即用   微系统   芯片原子钟/惯性辅助  

摘要： 定位导航授时技术(Positioning,Navigation and Timing,PNT)自诞生以来,一直是人们研究的重点。随着科技的不断进步,近些年来,用户对导航系统的相关性能有了更高的要求,但目前已有的单个导航源存在可靠性低、适应性差和定位精度低等问题,往往无法完全满足人们的需求。而多源融合导航系统可以结合当前情况,接入或剔除外源传感器,相比单个导航系统具有更高的稳定性和可靠性。本文以国家重点项目为背景,基于PNT技术,构建惯性与GNSS及多传感器组合导航微系统,主要包括以下几个内容:(1)对国内外相关定位导航授时系统的研究情况进行了分析及总结,并根据惯性与GNSS及多传感器组合导航微系统的性能需求和相关导航系统的工作原理,确定了以DSP+FPGA为核心的硬件设计。设计包括系统关键器件选型及核心模块的电路设计、各关键模块间的通信接口设计、系统的PCB设计及系统的安装。(2)根据系统需求设计了基于CAN总线技术的即插即用硬件模块,并基于DSP给出了即插即用模块的驱动程序设计。依照总体设计方案对相应外源传感器进行选型和设计,并将各个传感器输出的外源信息转换成可供即插即用模块识别的数据,进而传输给DSP。(3)针对高动态、强干扰等环境下,导航微系统的外源传感器无法提供有效的导航信息且卫星导航信号易失锁会造成导航系统无法定位的问题,通过引入芯片原子钟(Chip Scale Atomic Clock,CSAC)并结合惯导信息设计了一种芯片原子钟/惯性辅助GNSS接收机的导航方法。该方法提高了组合导航系统在高动态等恶劣环境下的导航性能。(4)从实际应用出发对惯性与GNSS及多传感器组合导航微系统中各个模块进行测试分析,最后对整个系统进行试验,验证系统整体的导航性能。本文给出了一种支持即插即用的惯性与GNSS及多传感器组合导航微系统设计方案,并针对高动态环境设计了一种芯片原子钟/惯性辅助GNSS接收机的导航方法,通过跑车试验验证导航系统性能稳定,通过模拟器试验验证导航方法可有效提高系统的导航性能。

关键词： PLC   立体停车库   方案设计   硬件设计   软件设计  

摘要： 针对当今社会上"难停车、乱停车"现象,利用立体停车场占地面积较小、结构设计多样灵活等特点,设计了一种基于PLC的立体停车库,其主要构架包括升降机、载车板、传动机构、控制系统和安全设备等。本文给出了其总体设计方案、硬件设计与软件设计等,并通过仿真研究证明了其可行性。

关键词： 高速公路   超限检测系统   硬件设计   软件开发   多传感器融合  

摘要： 为保障高速公路交通安全，保证高速公路畅行无阻，交通运输部于2019年大力推进高速公路入口治超工作，全国高速公路收费站均需在入口处安装货车超限检测装置，以防超限货运车辆驶入高速公路，避免超限引起的交通隐患。因此，做好高速公路入口的超限检测治理工作，运用现代化信息手段对高速公路入口的货车超限检测进行全方位监管，是当前高速公路管理信息化发展的趋势。而人工智能及大数据技术的迅猛发展，对数据分析及实时监测起了关键性的基础作用。　　当前国内外超限治理工作的研究热点问题主要为基于各种车辆动态称重算法、动态称重仪表、基于大数据分析的超限超载预警研究等，而在实际检测系统建设工作方面的应用研究较少，入口治超方面的应用研究更少。因此，本文从高速公路入口治超实际需求出发，针对当前高速公路入口由于货车超限检测引起的拥堵情况，设计开发一种多传感器超限检测系统，系统综合数据库、神经网络等技术，从系统管理、设备管理，到大件运输管理、统计分析等，完成整个工作，为高速公路入口治超检测的高效率高质量提升奠定了一定基础。　　本文主要研究内容及成果如下：　　1.针对当前高速公路入口治超检测的实际情况，分析了当前动态称重技术、传感器数据融合技术、标准发展现状及系统开发所需相关技术;2.在分析了高速入口治超检测实际需求的基础上提出了该检测系统的基本软件需求，并对其软件体系架构、运行模式及数据库等方面进行了设计，在模块化设计的基础上实现了整个超限检测管理系统;3.考虑到当前车辆称重的实际状况，设计了一种基于固定式秤台及压电石英的多传感器动态称重系统，并使用BP神经网络的方法实现多传感器数据融合。　　本高速公路入口治超检测系统的研究与设计，使得高速公路入口治超工作无论在质量还是效率上都得到了一定的提高，并与大件运输系统对接，一定程度上体现了公路管理的科技化和便捷化，并对以后的公路管理信息化相关研究及其他车辆动态称重系统研究工作也有一定的借鉴意义。