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关键词： 无损压缩   LZ4   硬件设计   现场可编程门阵列   WiFi传输  

摘要： 社交网络服务和物联网的迅速发展,带来了海量数据的存储与传输。为了降低数据管理的成本,可以采用无损数据压缩来减少数据量的绝对大小。LZ4压缩算法因为其压缩速度较高,在实时数据压缩领域广泛应用。但软件实现的LZ4算法在处理数据时占用大量CPU（Central Processing Unit）资源,而LZ4算法硬件实现方式可以提升压缩算法的效率,并且不需要占用过多CPU的计算资源。在压缩系统上提供Wi Fi接口还可以实现压缩数据的便捷传输。为此,本文开展了基于LZ4算法的无损压缩硬件设计与Wi Fi传输的研究。本文研究和分析了LZ4相关的压缩算法,针对影响其压缩性能的关键因素,通过使用双哈希函数的方式减少了伪匹配次数,提高了压缩效率,实现了哈希计算方法优化;通过改进的输出格式改善了输出延时的不确定性,减小了输出格式的长度,提高了压缩率,实现了输出格式的优化;通过提高哈希表字典的更新频率,增加了字典中的可匹配项,使得待处理字符串找到匹配项的几率得到提升,提高了压缩率,实现了匹配对比的优化。并设计实现了由wishbone总线接口模块、LZ4压缩模块和Wi Fi接口模块组成的LZ4硬件数据压缩传输系统。对LZ4压缩模块中的数据缓存单元、哈希计算单元、匹配处理单元、数据格式编码单元以及流水线控制单元的各个硬件模块进行了功能仿真,并通过了Wi Fi接口的数据传输测试和在Xilinx KC705开发平台上的系统性能测试。仿真和测试使用了国际通用的标准卡尔加里语料库（Calgary Corpus）,在运行频率100MHz、4k B大小哈希表情况下,本文硬件压缩系统的压缩吞吐率相比原始算法的软件实现提高4倍以上。测试结果表明,所设计的LZ4硬件压缩传输系统可以有效的应用于物联网领域的高效数据处理和传输。

关键词： 原位探测仪   控制系统   硬件设计   软件开发   海底底质   磁学特性  

摘要： 海洋探测是人类认识大洋的主要方式，海底底质磁学探测作为其中的一种重要手段，在海洋环境探测、海洋地质分析、海底矿物勘测等方面起到了不可替代的作用。针对现有的对海底底质进行磁学特性分析的方法丧失原位特性的问题，本实验室提出了一种海底底质磁学特性原位探测仪，利用电磁装置实现对底质的脉冲磁化和交变磁场退磁处理，通过高精度的磁场传感器采集剩磁数据，对剩磁数据进行存储、传输、处理，得到底质原位磁学特性。本文重点对其控制系统进行研制。从整体方案设计、控制系统硬件电路元器件选型和实现、软件设计等方面入手，实现了一套基于嵌入式系统的海底底质磁学特性原位探测仪的控制系统。本文完成的主要工作包括:　　脉冲磁化/交变退磁电路的设计与控制:结合脉冲磁化/交变退磁电路分析，完成了硬件电路设计，使用STM32F407作为MCU实现对脉冲磁化/交变退磁电路的控制，通过控制高压电源的输出、继电器的闭合关断、可控硅的触发以及电容电压测量反馈实现对底质的脉冲磁化和交变磁场退磁处理。　　剩磁数据采集与存储:应用高精度磁阻传感器HMR2300测量剩磁数据，实现STM32F407与HMR2300的通讯和数据传输，并完成剩磁数据存储，以文件形式对数据进行组织和管理。　　上位机软件研制:系统上位机部分采用LabVIEW编写，具有参数设置、数据接收、数据显示和数据存储功能。可以通过上位机设置仪器脉冲磁化/交变退磁处理功能的相关参数;上位机接收STM32F407发送的剩磁数据，并对其进行分析处理，绘制剩磁曲线。　　系统测试:对整个系统进行了实验验证，实验结果表明，所研制的海底底质磁学特性原位探测仪的控制系统可以实现脉冲磁化和交变退磁处理功能，并获得剩磁曲线，探测仪可产生1T的脉冲磁化场，200mT的交流退磁磁场。磁场的测量精度可达到6nT。　　本系统实现了脉冲磁化和交变退磁处理功能以及剩磁数据采集分析显示功能，为海底底质磁学特性原位探测仪的研制奠定了基础。

关键词： 动态随机访问存储器   访存行为   动态监测系统   软件开发  

摘要： 随着计算机技术的发展以及半导体制造工艺的进步，传统的动态随机访问存储器（DRAM）已经难以满足应用在数据访问中对存储器的高吞吐，大容量的需求。混合异构内存系统同时利用了随机访问存储器低延时和新型非易失性存储器（NVM）大容量的优点，在未来很可能逐渐取代传统的单一内存系统成为今后内存系统发展的主流。　　为了使混合异构内存系统高效运行，需要一个能够实时动态监控处理器访存过程，分析应用访存行为特征，并以此对内存访问行为进行指导的工具。同时，也有必要设计一种有效的页面管理办法来减少非易失性存储器的写入次数，将大量的读写请求迁移至效率较高的动态随机访问存储器中，以此提升内存访问效率，降低系统能耗。基于FPGA的应用访存行为动态监测系统（RMTA），通过采集RISC-V处理器访存信号对访存行为进行监测与收集，实现了动态感知应用访存行为的功能。设计了全新的页面信息记录模块与维护策略记录采集到的应用访存信息，并以此为基础准确划分冷热内存页面，为DRAM/NVM混合内存架构重构和内存热页迁移提供了必要的决策信息。此外，RMTA通过添加处理器总线采集模块实现RISC-V访存指令获取，相对于硬件计数器、软件仿真等方式，具有准确、快速、不失真的优点。　　由于传统的x86和ARM架构商业授权过于昂贵，源码难以获取，而全新指令集架构RISC-V具备开源免费、开发复杂性小、开发周期短等优势，应用访存行为动态监测系统将基于RISC-V指令集架构构建一套片上系统（SoC）并在模拟混合内存环境下进行FPGA验证。实验结果表明，在模拟混合内存环境下，相较于传统单一内存系统的硬件仿真系统，RMTA在模拟混合内存系统中的访存速度表现出很大优势，性能约提升43%。

关键词： 电子倍增CCD   微光成像   驱动电路   硬件设计   FPGA  

摘要： 随着电子倍增CCD（EMCCD）向高分辨率、高帧频的方向日益发展,传感器对外围电路的驱动能力和噪声抑制能力的要求也不断提高。本文以高分辨率帧转移型EMCCD图像传感器CCD201为主要研究对象,深入研究了EMCCD噪声抑制、高性能驱动电路设计、低噪声模拟前端设计、数字图像处理与传输等问题,为高分辨率、高帧频EMCCD的应用提供了有价值的参考。主要研究内容如下:针对EMCCD的高容性负载特性,在分析EMCCD功率驱动特性和CCD201驱动需求的基础上,提出了集成芯片和分立器件相结合的功率驱动电路设计方法,开发了具有高瞬态电流和宽电压摆幅的EMCCD功率驱动模块。经测试,本文所设计驱动电路具有较好的驱动能力和低噪声性能,较好地抑制了时钟感生电荷噪声和倍增噪声,保证CCD201在10MHz读出频率下稳定工作。为了抑制EMCCD输出模拟信号噪声、提高组件动态范围,在分析CCD201输出特性和采集需求的基础上,设计了预处理和模拟前端采集电路,利用相关双采样有效抑制了复位噪声,实现输出信号的数字化采集。测试结果显示成像组件在16位采样精度下平均暗场噪声标准差为27.978DN值,有效位数为11位,动态范围为67.39d B,具有低噪声、宽动态范围的特点。针对组件对数字域信号产生和图像处理的需求,设计了以FPGA为核心的数字信号处理系统,实现了CCD201时序发生、模拟前端控制、数字图像传输和串行通讯的功能。经调试和实验验证,该数字信号处理系统可以完成对成像组件各模块的控制,同时实现了由计算机对组件相关参数进行配置的功能。

关键词： 燃料电池   EIS   内阻测试   硬件设计   Bangbang控制  

摘要： 燃料电池具有节能环保、能量密度高、使用效率高等优点,受到国内外专家及科研机构的广泛关注。为了监测燃料电池的实时健康状态,保证其高效稳定地运行,必须对燃料电池的内阻参数进行实时测试。本文建立一种基于电化学阻抗谱法(Electrochemical Impedance Spectroscopy,EIS),结合Bangbang控制理论来引入多频激励信号的燃料电池内阻测试方案。本文主要研究内容如下:首先,分析燃料电池的工作原理及其内阻等效电路模型,建立一种基于EIS并结合Bangbang控制引入单频正弦激励信号或多频正弦叠加激励信号的调控方法,并设计出燃料电池内阻测试系统方案。其次,基于EIS和Bangbang控制理论,建立激励信号调控电路模型。采用Simulink和PSpice进行电路仿真,不断优化仿真参数。同时,对影响燃料电池内阻测试精度的主要因素进行分析,为硬件设计明确性能指标。然后对整体电路进行设计,将其分为四个模块,对每个模块进行针对性的设计。最后,搭建燃料电池内阻测试实物平台,对仿真结果进行验证。基于该实物平台对整体硬件功能进行验证,并开展相关实验分析,包括内阻等效模型测试结果分析、电流电压信号测量结果分析以及A/D采样电路性能分析。实验表明,该硬件测试平台所测内阻值的精度可达96.025%,且电压信号和电流信号的采样误差较小,能够满足燃料电池内阻测试的要求。本文通过建立燃料电池激励信号调控电路模型,搭建了燃料电池内阻测试平台,并对内阻测试结果和不同激励下的电压信号、电流信号进行了测量和误差分析,结果满足实际应用要求。其中,多频叠加信号对燃料电池系统的性能影响较小,测试时间短,实时性好。这种通过Bangbang控制引入多频叠加激励信号的交流信号调控方法为燃料电池内阻的实时性测量提供了新的思路,具有实际的工程意义。

关键词： 扫描振镜   闭环控制   硬件设计   数字信号处理器  

摘要： 扫描振镜也被称作振镜或扫描电机,是光学伺服跟踪领域的一个核心系统,已经广泛地被应用于国防航天以及工业领域。从功能结构上讲,扫描振镜系统主要由四部分组成,分别为扫描电机本体、伺服驱动电路、角位置传感器和扫描反射镜。本论文依托一个具体的扫描振镜电机系统的研发任务,集中在整个控制系统的设计与实现,目的在于研发高速、稳定、高精度的扫描振镜,应用于宇航系统,保证振镜能够在复杂环境下按照控制指令稳定、快速、准确地运行。首先,本文详细分析了扫描振镜系统的基本原理和组成结构,依据任务需求给出了扫描振镜系统的各方面技术指标,明确了设计输入条件,并进一步集中设计了振镜电机的本体结构。其次,本文对扫描振镜系统进行建模仿真,对振镜电机本体、位置传感器、系统校正控制器进行了建模仿真。设计了位置传感器的解码算法以及校正网络,保证系统位置传感器可以实现系统的闭环功能;应用频域设计方法设计了电流内环、速度环以及位置外环控制器,并进行了仿真分析。再次,本文开展了详细的硬件设计,对控制器、位置解码电路、功率驱动、电源电路等各个分系统硬件方案进行了详细设计以及关键元器件选型,并进一步给出了相关软件流程结构。最后,本文实现了整个振镜电机控制系统,给出了调试重点环节和误差分析结果,给出了调试结果。实际调试结果表明,本文的设计方案合理,控制律有效,实际系统达到了设计指标要求,完成了扫描振镜控制系统的研制。

关键词： 地理接线图   语音定位   辅助系统   硬件设计   软件设计  

摘要： 随着现代科学技术的飞速发展,语音传输关键技术取得突破,电力系统地理接线图设备定位进入了自动处理时代。然而,设备定位一旦出错,将会影响故障处理效率,甚至引发重大的电气事故。因此,本文针对上述问题进行研究,通过智能语音定位辅助系统的设计和实现,构建了一个基于声码器算法的语音传输系统,大幅提高了检测性对线的效率。通常,调度员定位配网故障开关的平均时间为6-7分钟;而经验尚浅的副值调度员,故障定位更为困难、处理效率更低。因此,建设地理接线图语音设备定位辅助系统,对于提高故障处理效率,保证电力系统安全、稳定运行,具有十分重要的应用价值和现实意义。本文主要完成了以下几个方面工作:1、通过子配电网录音盒,将实时电话录音采集缓存,将语音碎片上传到科大讯飞语音识别库进行识别。采用了语音识别技术、嵌入式技术、云技术,并设置关键字、热词、过滤字、替换字等,自动打开地理接线图进行线路定位,准确识别故障点,实现了故障处理效率提升。2、采用MCU通信方式实现DSP通信,详细设计了辅助功能层结构。利用母机与子机通信程序,以及通过信道接口电路,使单根线芯双向通信系统得以形成,优化了源代码,将C8051F020当成是通信控制中心,将TMS320VC5509A当成是数据处理中心,将TLV320AIC23B当成是语音处理前端,从而有效建立语音定位的硬件系统。3、开发搜索控件实现配网图纸自动定位。当调度员接到配电班人员的线路查线汇报时,能根据语音通话信息自动定位到相应的线路图纸上,准确找到开关位置,以减轻调度员负担,使调度员能全身心投入到事故处理中。

关键词： 主流式呼吸监测系统   硬件设计   软件开发   功能模块  

摘要： 美国麻醉医师协会(American Society of Anesthesiologists，ASA)规定手术麻醉期间必须监测患者的呼末二氧化碳(Carbon Dioxide of the Expiration Tip，ETCO2)，同时规定ETCO2和呼吸流量为基本生命体征。但是呼末二氧化碳分压（Partial Pressure of Carbon Dioxide in End Expiratory Gas，PETCO2）和呼吸流量监护相关设备往往体积庞大、成本高昂且需要医生在旁指导。个人应用和便携式、平价的具有呼吸流量监测功能的ETCO2监测仪却鲜有产品问世。当前基于非分光红外光谱技术(Non-Dispersive Infrared，NDIR)的主流式呼吸监测系统有别于旁流式需要气泵抽取和水槽，直接在管道上采样测量，具有设备简洁、体积小的特点。为此研制了轻巧便携、无创、适于长期实时监测的主流式呼吸监测系统，能够实现二氧化碳浓度(Carbon Dioxide，CO2)、呼吸流量等信号的采集与实时数据传输。　　在系统设计上，采用基于NDIR技术的光电探测器监测CO2，采用差压流量传感器监测呼吸流量。根据Lambert-Beer定律，CO2气体在波长4.26μm处有强烈的吸收峰，通过基于光电原理的双LED和单光电探测器(Photodetector，PD)检测4.26μm的红外光的被CO2吸收前后减少的量，间接测量CO2浓度。将探测到的光生电流信号在AFE4900模拟前端内部进行微弱电流转换为电压并放大。通过以呼吸经过节流件带来的压力变化为原理的差压传感器来测量呼吸流量，并设计满足呼吸流量测量要求的节流件结构并仿真验证。采用低功耗蓝牙微处理器CC2640进行CO2和流量信号的采计算、补偿校准和蓝牙传输。　　在软件设计上，将采集到的CO2和流量信号进行5点滑动平均滤波、8阶巴特沃斯低通滤波的降噪处理。对CO2信号进行双通道补偿和最小二乘法拟合标定，对流量信号进行分段线性拟合标定。完成CO2信号和流量信号的显示。　　本文设计了一种主流式呼吸监测系统，并制备了一种用于监测呼吸CO2和流量的样机。该样机体积较小，便于携带，具体参数为:尺寸10cm×2.2cm×2.2cm，重量约为68g。实验结果表明:该系统CO2测量浓度为0～152mmHg，误差为8.143mmHg。流量测量范围0.2～5.5L/s，能够准确生成0～5L范围内容积图，均方根误差0.022L。系统平均响应时间1630ms，符合呼吸监测要求。

关键词： SSPS演示系统   波束指向调节   MPPT   电能管理   ARM  

摘要： 太阳能作为第四代能源的候选者,以其清洁无污染和丰富储量的特点受到世界各国广泛的关注及研究。在以往的研究中,大多围绕着地面太阳能展开,与地面太阳能相比,空间太阳能具有照射时间长、持续稳定、不受昼夜和气候影响等优点。为了对空间太阳能进行有效利用,需要建立空间太阳能发电站(SSPS,Space Solar Power Station)作为中转站,先在太空中将太阳能转化为电能,然后将收集到的电能通过无线能量传输方式传输到地面,并入电力系统,供用户生产生活使用。为了对空间太阳能电站的可行性进行验证,本项目组以OMEGA(Orb-shape Membrane Energy Gathering Array)方案为依托,搭建空间太阳能电站演示系统,以此来验证该设计方案的传输效率以及方案可行性。在演示系统实验过程中,需要实时调整OMEGA聚光器平台的姿态以及微波发射天线的波束指向,来提高整个演示系统的能量收集、转换及传输效率;需要根据微波接收整流输出特性,设计一套电能管理系统,保障输出电能安全可靠且能量利用率最大化。基于此,本文设计开发了一套服务于SSPS演示系统的总控硬件平台,保障整个演示系统的顺利运行。主要研究内容为微波波束指向机械调节控制器设计,包括OMEGA聚光器平台位姿调整、微波发射天线平台姿态调节等;地面接收电能管理控制器设计,包括最大功率点跟踪控制器设计、微波接收整流输出电能的释放与补充调节以及负载控制。针对上述研究内容,完成了微波波束指向机械调节控制器方案设计、硬件电路设计以及硬件程序编写,包括电源电路、伺服电机驱动波形变换以及必要的接口电路设计等,并着重对伺服电机S形曲线加减速算法进行了分析与仿真;完成了地面接收电能管理控制器方案设计、硬件电路设计以及硬件程序编写,包括主电路、控制电路、Buck阻抗变换、可调负载控制等电路设计,并且对DC-DC阻抗变换器、最大功率点跟踪(MPPT,Maximum Power Point Tracking)算法进行了理论研究与分析,提出了一种适用于本课题的最大功率点跟踪算法并编写程序实现;完成了总控系统各个部分间的通信链路方案设计以及通信协议设计。此外,针对演示系统的工作特性完成了一些额外的安全防护工作,包括馈源内壁温度测量、微波发射天线功放温度测量、激光器工作指示以及伺服电机行程限制等。最后,搭建测试平台,完成对总控系统的联调测试及测试结果分析,测试结果表明所设计的微波波束指向机械调节控制器、地面接收电能管理控制器满足项目的功能需求和指标要求,验证了本文所提出的空间太阳能电站总控硬件设计方案的合理性与可行性。

关键词： 任意波形发生器   低杂散   误差分析   直接数字波形合成  

摘要： 任意波形发生器（Arbitrary Waveform Generator,AWG）作为一类信号产生设备,可以生成多种标准波形信号及用户自定义波形信号,具有频率切换速度快、带宽较大等特点,因此在信号源中扮演着十分重要的角色。与射频信号源比,AWG输出信号无杂散动态范围（Spurious Free Dynamic Range,SFDR）指标较小,这成为制约任意波形发生器进一步应用的关键因素。本文调研了六款采样率低于2.5GSPS任意波形发生器的SFDR指标,得出在500MHz带宽内该指标均小于40d Bc。因此本文通过设计一款2GSPS采样率低杂散AWG,在500MHz带宽内使仪器SFDR指标大于50d Bc,具体工作内容如下:1.杂散信号分析。通过分析理想DDS（Direct Digital Synthesis,DDS）输出信号频谱,得出数模转换器（Digital to Analog Converter,DAC）保持特性会在输出信号频谱中添加镜像频率信号;通过分析实现DDS结构时所用器件参数与理想DDS结构参数之间的差距,推导出DDS技术中引入的相位截断误差和幅度量化误差与输出信号SFDR指标的关系;基于集成运放仿真模型得出AWG输出信号频率大于10MHz时,放大器非线性造成的谐波失真是影响SFDR指标的关键因素。2.低杂散AWG硬件电路设计。通过分析上述四种因素对低杂散AWG输出信号SFDR指标的影响,确定相位截断误差与幅度量化误差造成的杂散信号幅值过小,可以忽略不计,SFDR指标可以通过使用低通滤波器电路滤除输出频谱中的镜像频率信号和谐波频率信号的方法实现,并利用MATLAB软件仿真及硬件电路测试确认输出信号SFDR指标满足目标要求;基于“FPGA+DAC+存储器”结构,通过分析低杂散AWG功能指标和性能指标,完成仪器硬件电路设计。***逻辑工程设计。基于PCIe总线实现上位机与PCB板卡之间的数据通信功能;基于数据传输模块解决了存储器非均匀传输至均匀传输的转换;基于数据发送接口模块实现了最大传输4GB波形数据至DAC芯片;基于AXI4-Lite总线,实现时钟芯片配置、信号调理电路控制及仪器状态信息回读等功能。测试结果表明:低杂散AWG输出信号能力不弱于电子科技大学某型号AWG、鼎阳科技SDG6052X及是德科技M9336A仪器,且输出信号SFDR指标优于上述三款仪器,具体为输出信号频率在300MHz以内时,仪器SFDR大于65d Bc;在300MHz至500MHz范围内时,仪器SFDR大于50d Bc。具有低杂散输出能力的AWG不仅能适用更多测试场景,也能提升包含AWG设备系统的整体性能。