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关键词： 局部色调映射算法   图像显示系统   IP设计   UVM验证  

摘要： 如今,数字成像技术已经被广泛应用于高动态范围成像和低动态范围增强等领域,但在终端设备性能快速迭代的市场环境下,基础图像在效果表现上依然受限于显示屏幕的动态范围。而目前针对图像动态范围优化的研究主要基于软件环境,性能有限,无法满足SOC图像显示系统的实时性要求。基于这一现状,论文对图像显示相关技术进行研究,并针对色调映射算法实现硬件设计与验证。论文首先阐述了色调映射技术的应用背景,并调研了国内外对色调映射技术的研究现状。在此基础上,论文从图像显示协处理器的角度出发,分析了一种适合硬件实现的局部色调映射算法。同时,论文对算法的硬件实现与验证技术进行了研究。论文针对局部色调映射算法的硬件化实现,完成的主要工作如下:1、图像显示系统中的算法模块的方案设计。该部分为算法实现提供了硬件设计要求。分析了在SOC系统中图像显示IP的共性,并基于显示协处理器的设计规格,针对算法模块的系统需求,归纳总结了设计关注要点以及验证覆盖边界,同时针对协处理器算法模型进行定点化评估。2、局部色调映射算法的硬件设计与实现。该部分包括系统整体设计规划,曲线处理模块设计以及色调映射模块设计。通过合理划分模块实现算法映射过程的流水线处理,并关注存储和计算过程中RAM的组织方法,减少了硬件资源消耗。3、局部色调映射算法的硬件测试与验证。该部分完成验证方案和测试功能点的规划,并利用UVM验证方法学搭建仿真测试环境,通过构造图像显示系统中的应用场景完成模块级功能测试,最后分析测试结果以及设计性能,对算法模块的开发工作予以总结。实验建立在Linux环境下,由Verilog完成硬件的设计与实现,并利用Synopsys的仿真工具VCS和波形查看工具Verdi完成仿真测试工作。实验完成的算法协处理器模块在不同的环境光条件下,均能够明显增强图像显示效果,在200MHz的系统时钟条件下,分辨率为1080x1620的图片,统计运行时间为14ms,满足图像显示系统的应用。同时经过回归测试,收集覆盖率统计项均在92%以上,达到了较高的验证质量。

关键词： 虚拟示波器   模数转换器   高速高精度   现场可编程门阵列   高速串行计算机扩展总线标准  

摘要： 随着电子应用技术、计算机总线技术和模数转换器的快速发展,计算机软件技术与电子仪器相结合创造了一种全新的计算机仪器系统概念—虚拟仪器。虚拟仪器是一种可按需求更改的、自动化和人性化的测试测量仪器系统。为了充分利用计算机强大的数据计算、分析和处理能力与硬件仪器的采集和测试测量能力,虚拟仪器可以通过计算机软件开发技术将计算机的各种资源与由硬件搭建的各种仪器进行结合,使得通过不同的软件模块可以获得不同的仪器功能。用户可以根据现有的计算机资源和当前的测试需求,能够轻松完成系统仪器的开发设计,利用由硬件搭建的数据采集卡与计算机软件所开发的上位机软件进行信号的采集、检测、处理分析显示等功能。基于虚拟仪器思想所演变的虚拟示波器主要由硬件采集系统来完成信号的采集、处理分析和输出,计算机外围硬件配合操作。虚拟示波器架构思想的出现打破了传统仪器的设计结构方案,通过计算机软件技术来代替硬件电路,将传统示波器由硬件实现的数据分析、信号处理、频谱分析、信号显示等功能都改为由计算机来完成,提高了工作效率,减少了研发时间。基于此,本文重点开展虚拟示波器的系统设计、硬件设计和调试分析等工作,完成虚拟示波器的整体开发。本文首先分析了传统示波器的基本原理,包括模拟示波器和数字示波器的基本要素,和虚拟示波器的结构构造以及相比传统示波器所呈现的优点,确定了虚拟示波器的开发流程,分析虚拟示波器的结构组成和确定系统总体设计方案,并开展了主要的芯片选型以及整个硬件系统PCB的设计要求。在上述研究的基础上,重点进行了虚拟示波器整个硬件中数据采集系统的开发,包括模拟前端处理的信号调理电路、模数转换电路、高频时钟产生电路、PCIE接口电路和FPGA逻辑控制设计等,并完成了硬件电路设计与实现。最后进行了系统测试环境的建设,并开展了实际系统测试,内容包括前期借助matlab软件对系统采样率、分辨率和带宽的测试,以及后期基于上位机和硬件采集系统的联合测试。其测试数据表明虚拟示波器的最高采样率为3 Gsps,最高分辨率为12 bits,模拟带宽在2.5 GHz,且该数据采集系统已经应用于相关医疗测试设备中。

关键词： 非对称密码算法   乘法器   UVM验证   SoC系统   签名验签  

摘要： 人类社会逐步进入信息化时代,信息安全威胁充斥着人们的生活,密码学技术可作为解决信息安全方法之一,进而保证信息安全。密码学算法可分为非对称密码、哈希函数、对称密码三类。非对称密码算法的密钥由公钥和私钥组成,签名者用公钥和私钥签名,验签者用私钥验签,常见的非对称密码算法有RSA(Rivest-Shamir-Adleman)、ECC(Elliptic curve cryptography)、DF(Diffiie-Hellman)、DSA(Digital Signature Algorithm),具有安全性好,性能稍慢等特点,适用于数字签名、数字证书认证等场景。目前非对称密码算法中使用频率较高的是RSA与SM2。因而本文采用硬件设计的方法来研究算法RSA与SM2。本文先通过对国内外现状调研与分析,介绍椭圆曲线运算法则和大数运算基础,对算法SM2、RSA的原理进行阐述,通过对算法RSA的加解密与算法SM2签名验签分析,算法实现采用软硬件协同设计方法,设计出基于SoC框架的非对称密码系统,硬件上,算法SM2实现点乘运算和模加减乘逆运算,算法RSA实现模幂运算和模乘运算。软件上,算法SM2通过CPU调度硬件中的点乘模块和模运算模块,算法RSA实现CPU调度模幂、模乘运算模块。硬件设计上,算法RSA模幂运算采用R-L二进制展开方法,模乘运算采用Montgomery模乘算法;算法SM2点乘运算采用NAF(k)标量乘算法,点加倍点运算是在雅可比域和素域下实现,模逆运算采用基4 Montgomery模逆算法,提升模逆运算移位效率,提高整个模逆运算能力,模乘运算通过乘法器和模约减实现。经过算法分析,两种算法中耗费资源都是模乘运算,因而两种算法模乘实现共用256bit*256bit乘法器。其乘法器通过采用KO(Karatsuba-Ofman)算法,例化66bit乘法器和512bit加法器来实现。验证中,搭建适用两种算法的UVM验证平台,验证平台中添加组件寄存器模型,对DUT中寄存器和存储器建模,便于检测出DUT的错误,通过在软件VCS编译下,运行日志中观察DUT和参考模型中结果是一样的。将算法硬件模块顶层和CPU通过总线AHB完成连接,搭建好SoC系统,在Smart L仿真平台完成算法前仿,最后选用芯片Artix-7系列FPGA开发板完成FPGA验证。通过VCS前仿和FPGA验证,均实现两种算法的签名验签、加解密功能。最后基于工艺SMIC 55nm,用综合工具DC综合实现下,综合面积约为490Kum,算法SM2签名验签速率分别约为111次/s、106次/s,算法RSA加解密速率为11次/s。所设计系统具有可配置性高等特点,符合芯片设计要求,可适用于物联网等场景。

关键词： 剪叉式高空作业平台   电液控制   硬件电路   软件开发  

摘要： 在经济高速增长的时代,人口逐年递增,建筑行业也得到了快速发展,但这些变化致使土地资源变得越发紧张。在进行楼房建设时,人们只得通过增加楼层高度来应对这一窘境,于是,随之而来的高空作业的需求也越来越多。高空作业平台应运而生,它可以将人或货物送至高空作业,一般由电控系统、液压系统、机械结构三大部分组合而成,而且电控系统在其中扮演着最核心的角色。近年来人们对高空作业平台的功能拓展性和日常使用性能提出更多期望,而市场上使用的电控系统功能却没有得到更新,所以为了满足日益增长的需求,必须开发一套可迭代更新且运行稳定的控制器。本篇论文以自行走式剪叉高空作业平台作为控制器的应用对象,首先阐述其工作原理,再对其控制系统、机械结构、液压组成和使用需求进行详细剖析,随后自主设计一套可迭代更新的完整电控系统。本文分别选用了车规级芯片MPC5604P和MPC5634M作为平台控制器和底盘控制器的MCU以保证稳定性。论文的主要工作内容如下:（1）通过了解剪叉式高空作业平台的应用功能需求,对行业的现状进行深度剖析。结合使用场景对其整个机电液系统进行模块化分解,并对上升过程进行了力学分析。（2）基于功能需求完成控制器的硬件设计,完成的工作包括主控芯片的选型和电源模块、信号采集模块、通信模块、电磁阀驱动模块的电路设计,还进行手动布线完成电路板的印制。（3）针对设计的硬件模块编写相应的驱动程序,并调用底层驱动程序完成超重报警应用功能。为了便于在PC端调试实车运动性能,还开发了基于CCP协议通讯的上位机,以此进行相关运动参数的在线调试和下载。（4）通过搭建实验平台模拟使用工况,来对硬件和软件功能进行验证,建立了完整的测试系统来观察控制器的输出性能,还使用离线数据计算了超重报警功能的估算精度。同时,以更改特定工况输出曲线为例,验证了上位机的标定功能。控制器也被安装在对应车型的实车上进行实验,实验结果表明各项功能、性能均符合预期要求。

关键词： 智能巡检   机器人   硬件设计   变电站  

摘要： 随着电力系统的复杂程度不断提升,巡检任务强度变得更强、巡检内容变得更为烦琐。为了使电网运行的安全性与稳定性得到保障,必须要借助目前的现代化技术来完成相关巡检工作。本文主要研究内容包含:1)对智能巡检系统的架构进行阐述,首先对智能巡检系统的整体构建进行介绍,并分别介绍构建中各个分层的具体含义;最后从硬件和软件两个方面描述系统整体的设计方案。2)对机器人智能巡检系统的硬件和软件进行设计,首先对智能巡检系统的硬件进行设计,分别对主控模块、自动引导运输车、充电模块、驱动模块、机载传感器、工业无线路由器和云台双系统的硬件进行设计与选型;其次对基站软件系统、自动充电系统、导航定位系统和图像设备模式进行设计,通过蚁群算法仿真和红外识别技术,分析变电站巡检最佳途径和精准图像识别模式,最终得到最佳的机器人巡检系统方案。3)对设计的智能巡检系统在实际变电站中的实际应用情况进行介绍,主要介绍了声音采集、红外测温、统计数据报表和可见光表计识别等基本功能实现情况,并对实际运行效果进行深入分析,最后对机器人运行情况进行总结,结果表明,机器人智能巡检系统在实际变电站应用取得了良好的效果,显著减少现场维护人员的工作量。

关键词： 纺织品缩水率   硬件设计   复杂背景   标记点识别   图像分割  

摘要： 伴随着工业4.0的到来,智能化的设备逐渐代替传统的手工业者进行产品的生产、质量检测,未来工厂智能化是一个必然的趋势。将图像处理技术广泛应用于检测领域,能够有效降低劳动力成本,同时保证检测的精度和效率。中国作为纺织品生产大国,但是国内纺织业成衣缩水率检测仍为人工检测。因此,本文从实现纺织品缩水率自动检测的需求出发,研究了整体硬件设计和二维平面内标记点识别算法。本文研究的主要工作如下:(1)研究了整体硬件设计和纺织品图像预处理算法。按照缩水率计算的特点进行缩水率自动检测装置的硬件设计,阐述纺织品缩水率自动检测的过程和原理。纺织品图像在采集过程中,可能受到外界环境影响,造成图像质量降低。所以对纺织品彩色图像进行预处理算法研究,提高获取纺织品图像的质量。(2)改进Canny边缘检测算法。针对传统Canny边缘检测两方面的缺陷:第一,高斯模糊去除高斯噪声的同时导致图像模糊,丢失图像边缘信息,第二,高低阈值依赖人工选取,自适应能力差,进行改进。采用非线性滤波算法代替二维高斯平滑,然后进行小波变换增强图像细节;另外由Otsu自适应阈值选取算法得到高低阈值。将经典的边缘检测算法和本文算法用于纺织品图像的边缘检测中,由检测结果证明本文算法的有效性。(3)研究了纺织品标记点的识别和定位算法。利用纺织品标记点的颜色和形状信息,完成标记点的识别和定位。首先,在纺织品图像H、S、V三通道的灰度图中,选取十字形标记区域与纺织品背景区域对比度最大的通道进行图像分割,并与其他图像分割算法的分割结果做比较,结果表明本文算法能更好的将十字形标记图像与纺织品背景分离。然后基于分割结果进行改进的边缘特征模板匹配,完成纺织品标记点识别和定位工作。(4)通过本文设计的图像识别算法完成纺织品图像标记点定位,然后由本文设计的纺织品经纬向标记点之间实际距离计算方法计算实际距离,最后在要求的测量精度范围内完成纺织品的缩水率计算。证明了本文所阐述纺织品缩水率自动检测方法的有效性,能够完成纺织品缩水率的计算。

关键词： 数码印花   数据实时处理   图像转置   硬件设计   FPGA设计  

摘要： 近年来,随着计算机技术发展,数码印花技术劳动力投入小、灵活性高、污染小等优势逐渐凸显。但目前主流的扫描式数码印花机生产效率较传统的丝网印刷机存在一定差距,导致其在实际生产应用中普及率较低。扫描式数码印花机数据处理系统性能主要取决于系统图像转置处理效率,提高图像转置效率将有效提高系统性能。为此,本文围绕扫描式印花机图像数据处理技术,研究开发了高速扫描式数码印花机数据实时处理系统,具有较高的工程应用价值。系统以海思Hi3536处理器和Xilinx Artix-7 FPGA为核心设计,处理器通过两路千兆光接口接收上位机点阵图像数据并完成解压缩,通过PCIe总线向FPGA转发图像数据;FPGA实现了图像数据转置与喷头同步喷印控制;结合行进列出转置法、非原地转置策略和分块转置策略,提高了图像转置运算效率,最终实现高速数码喷印。此外,系统还拓展了RS-232、RS-485和I2C接口用于与外围设备交互。测试结果表明,本文研究开发的数据处理系统工作稳定,数据处理带宽可达1775Mb/s,实现了600dpi分辨率、4色打印模式下平均710m/h的喷印速度。

关键词： 图像传感器   高动态范围成像   色调映射   硬件设计   系统验证  

摘要： 随着科学技术的发展,人们对图像质量和视觉体验有了更高的要求,高动态范围成像方法也逐渐成为近年来图像处理领域的研究热点之一。传统的CCD图像传感器之前凭借自身低噪声、高分辨率的特性一直占据着图像传感器的主要市场,而伴随着近些年集成电路工艺技术上的突飞猛进,CMOS图像传感器的低功耗、低制造成本、易集成以及高速度等优势开始显现出来,使得CMOS图像传感器成为了现在市场的主流。本文研究内容主要是基于CMOS图像传感器完成高动态范围成像算法和色调映射算法的设计,并针对这两种算法完成在硬件层次的设计及验证。多曝光动态范围成像技术包含两种:一种是直接融合的方式,另一种是基于逆相机响应曲线恢复的方式。在本文中采用的是直接融合的方式,该算法通过对同一场景的短曝光、适当曝光、长曝光的三帧图像计算权重值来进行融合,从而生成高动态范围图像。根据实验结果分析,该算法对图像动态范围提升很好,能够保持图像的细节信息。之后为了能够在传统显示设备上进行显示高动态范围图像,本文采用了一种基于直方图均衡的色调映射算法,该算法将图像从RGB彩色空间转换到YUV空间,在Y空间对图像的整体亮度进行调整,同时保留住图像的色彩信息。实验结果表明该算法能够降低图像的动态范围并保留住图像的细节信息,且运算复杂度低。为了能够将高动态范围成像算法与色调映射算法在硬件层次中实现,本文依照算法进行了模块的框架设计,数据流的延迟分析。在硬件模块设计过程中,为了能够满足芯片上面积的要求,在原本算法的基础上对部分算法单元进行了复用;为了减少数据计算中的延迟,在统计过程中采用了奇偶统计的方式,提高了运算速度。在完成模块硬件设计之后,本文在UVM验证平台上对模块设计进行了验证,确保了整个模块功能的正确性,之后还采用了华力集团40 nm工艺对模块进行了DC综合,确保了模块的面积满足芯片设计规格。

关键词： 标签噪声   贝叶斯神经网络   数据集清洗   图像分类  

摘要： 依赖于具有足够样本数量和标记完全正确的数据集,深度神经网络在图像分类任务上表现出色。由于手工制作数据集费时费力并且代价昂贵而涌现出的制作数据集的廉价替代方法又会不可避免地引入标签噪声。标签噪声的存在会对神经网络的学习产生负面影响,使模型在分类时表现不佳。因此,如何使模型在标签噪声下进行有效学习并保持性能是值得研究的课题。针对以上问题,本文从算法研究和数据集清洗两个层面出发,改进神经网络在标签噪声下的学习效果,保持模型的分类性能。算法层面,根据神经网络在标签噪声下的记忆特点,采用逐渐增加轮数的训练方法以保证学习效果;同时,将贝叶斯方法引入神经网络进行概率建模,弥补深度神经网络对预测结果过分自信的缺点。数据集清洗层面,利用模型自身的学习成果以及贝叶斯神经网络提供的关于预测结果的置信度对原始训练集进行标签清洗,提高数据集的质量。通过模型训练和数据集清洗的迭代进行,同时提升模型的学习效果和数据质量。使用Python语言编写代码,对本文设计的基于贝叶斯神经网络的算法进行实验。实验结果表明,在均匀和非均匀的两种标签噪声类型的多种标签噪声比率下,模型在MNIST上的准确率都高于99%,呈现出高稳健性,在CIFAR-10上的准确率随着标签噪声比率增加而下降,但仍在标签噪声比率较高的情况下表现出很好的稳定性。本文给出了所设计的模型的卷积计算模块、激活函数模块、池化计算模块和全连接计算模块的逻辑设计,并编写Verilog HDL代码完成相应模块的仿真并验证功能的正确性。在PYNQ-Z2开发平台上进行验证,结果表明在均匀和非均匀的两种标签噪声类型的多种标签噪声比率下,模型在MNIST的子集上的分类准确率相较于软件层面有所降低,但在不同的标签噪声条件下可以维持在90%左右。

关键词： 采集电路   功能模块   硬件设计   软件编写   控制器  

摘要： 采集系统被广泛的应用于航空航天、通讯电子等众多领域，随着时代和科技的发展，对采集电路性能、精度的需求越来越高，而高精度信号采集电路是一种复杂的数模混合电路，要求各子系统工作遵循严格的时序配合，并完成复杂的信号处理工作，这就导致单一控制器很难同时满足性价比与实时性、处理速度等性能良好的多重要求，为解决上述问题，本课题采用DSP与FPGA两个控制器，将DSP强大的信号处理能力与FPGA高速、精准的时序控制能力相结合，实现低成本、实时性好、采集精度高的采集电路，通过控制器进行信号处理，最后将处理后的数据传送到上位机，在上位机完成数据的显示与本地化存储，从而实现动态范围大、采集精度高的高性能数据采集系统。　　本论文先是阐明了信号采集系统的研究背景、现状和意义，之后，按照系统的总体设计方案根据课题目标需求和技术指标，将系统分为多个功能模块，同时提出了硬件搭建与软件编写的实行方案，课题的主要任务如下：　　（1）设计采集电路的硬件模块。设计模数转换器外围电路、DSP控制器以及数据缓冲、USB通讯等模块的外围电源、时钟、复位和外围存储器等电路。　　（2）设计采集电路的软件模块。设计FPGA与DSP控制器运行逻辑与完成软件程序的编写，实现FPGA驱动模数转换器采集信号，FPGA和DSP交互通讯以及DSP与USB通信芯片、上位机的交互。　　（3）设计交互指令与数据缓冲模块。设计了FPGA控制器与DSP控制器以及上位机与下位机之间的协同交互命令指令，保证系统的正常运转;针对控制器速率的不一致，设计了数据缓冲模块。　　（4）设计上位机模块。完成上位机软件设计与编写，实现对USB通讯芯片的驱动、对采集系统的数据收发以及数据波形的界面显示和数据的本地化保存。　　（5）设计信号处理算法。将采集到的二进制补码原始数据进行数据预处理解析，再根据直流信号与交流信号提出了不同的信号处理与测频算法。　　（6）测试与验证。对采集系统的电源与时钟、模数转换、数据缓冲、双核交互、外扩存储器以及USB通信模块等进行了功能测试，验证直流、交流电压信号的采集精度，最后对课题所期望达到的技术指标如动态范围等进行实验与验证。