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关键词： 图像缩放   图像质量评价   四点分段二次插值   硬件设计   功能仿真  

摘要： 在诸如手机、电视等消费电子领域中,终端设备所呈现的图像画质直观反映了其性能的优劣。这些设备图像处理芯片中所使用的缩放算法直接决定了图像的画质分辨率,因此研究缩放技术具有广泛产业背景。在这些消费领域中,缩放芯片既要保证显示效果的质量,又要考虑硬件实现成本的合理性,所以研究主要集中在图像缩放算法分析比较及其硬件设计上。本文首先通过探究图像缩放原理,得到理想插值缩放函数Sinc,但理想Sinc插值在空域上无限拓展,物理上不可实现,所以不同的缩放算法采用各种逼近拟合Sinc幅频特性的方式来实现图像缩放。因此,本文使用MATLAB比对不同缩放算法的幅频特性曲线来作为算法比较的理论依据。同时,由于图像缩放显示效果的评判具有很强的主观不确定性,本文建立了将主观评分DMOS与客观评分PSNR、MSE相结合的图像质量统一评价体系作为仿真实验的科学指标依据。其次,本文根据硬件设计的具体功能指标,在权衡了算法效果、实现复杂度以及芯片硬件资源这些具体指标要求后,提出了四点分段二次插值缩放算法方案,并使用拉普拉斯锐化算法作为图像后处理模块以补足图像高频信息。最后,通过MATLAB得到幅频特性并设计了分段二次插值算法与三种经典缩放算法横向仿真比较实验。在理论和仿真实验双重依据下,得出本文的四点分段二次插值方案在缩放效果仅次于双三次插值,但硬件资源使用及速度上远优于双三次插值。根据提出的四点分段二次插值缩放算法,本文给出先水平后垂直的二次缩放内核架构,论述了整个缩放架构的模块功能、工作流程和数据流向,并且自顶向下开始,对各个关键子模块硬件结构中的关键技术问题进行详细分析。在时钟模块中,针对时序约束分析了帧同步和异步FIFO不上溢不下溢的具体计算公式;在行缓存模块中,针对读写数据控制,分析了读写状态机并设计了行更新数据累加器line＿updata＿Acc来控制缓存数据;在浮点数定点化误差分析中,针对内插小数偏移量和中间计算数据的定点策略,设计了从4bit到11bit定点数与浮点数的仿真比较实验,根据实验数据,在保证数据不产生误差的前提下,采用了最节省硬件位宽资源的定点方案。同时,由于传统FIR插值滤波器在不同缩放比例时需要存储大量的滤波器系数,本文提出了基于FARROW结构的内插滤波器优化设计,使得当缩放比例在不大于1的分数范围内变化时,只需要改变分数内插偏移量而原滤波器系数无需重新计算,大大节省了滤波器系数存储资源。最后,根据硬件功能验证原理,搭建验证平台,使用Modelsim对各关键功能模块进行功能仿真,同时将输出结果与MATLAB算法模型进行数据比对。根据仿真验证的波形、覆盖率报告分析、MATLAB结果比对、DMOS、PSNR、MSE以及硬件资源门数的计算,硬件设计完成了功能指标要求且硬件成本远优于缩放效果最好的双三次插值。

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： 传屏   无线通信   安全数字输入输出   现场可编程门阵列   高清多媒体接口  

摘要： 随着智能时代的来临,人们对于移动娱乐和办公的体验要求愈来愈高,无线传屏技术的出现方便了信息的分享和沟通。目前无线传屏的主流技术采用较复杂的视频编码,更多是每秒固定帧数的整屏传输,对于处理器和网络环境的要求较高。本文应用JPEG2000（Joint Photographic Experts Group 2000）图片编码标准,使用WiFi进行通信,设计一种基于截屏方法的无线传屏解决方案,并在计算机和现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array,FPGA）平台实现整屏或者屏内视窗的无线传屏,且在计算机屏幕内容没有变化时不会触发传屏,可以减少图像数据传输量和降低传输能耗。本系统的主要工作包括:（1）上位机软件的编写,包括屏幕截取、JPEG2000编码压缩、传输控制协议（Transmission Control Protocol,TCP）server端的建立;（2）以Marvell8801WiFi模块为核心所建立的WiFi通信系统,选择安全数字输入输出（Secure Digital Input and Output,SDIO）接口进行WiFi驱动开发,实现上位机与FPGA平台的通信;（3）在FPGA平台处理器系统（Processor System,PS）端和可编程逻辑（Programmable Logic,PL）端,分别使用C和Verilog语言,实现JPEG2000解码和高清多媒体接口（High Definition Multimedia Interface,HDMI）显示功能。对整个系统的各个模块进行了仿真和测试,测试结果达到了设计指标。上位机软件开发和测试工具为Visual Studio 2017,实现了整屏截图和窗口截图。经测试,JPEG2000的压缩比超过100,图片才出现明显的模糊。WiFi通信系统使用keil5软件进行C语言编程和jlink仿真器下载驱动。WiFi的通信速度实测可以达到26Mbps（bit per second）,可以满足无线传屏的需要。FPGA平台使用Vivado2018及其SDK（Software Development Kit）分别在PL端和PS端进行开发,并在国产PYNQ-Z2开发板上进行实际功能验证。PS端可以进行JPEG2000解码,PL端HDMI显示正常。结合JPEG2000的压缩比和WiFi实际通信速度,经测试本方案可以达到整屏每秒20帧1080P（Progressive）的无线传屏要求,具有可行性和实际的应用价值。

关键词： 无线振动传感器   硬件设计   特征提取   处理器  

摘要： 随着工业自动化技术的发展，人们对机械设备运行的稳定性要求越来越高，无线振动传感器作为机械设备预测性维护的重要分析工具，因其体积小，安装方便等优点受到越来越多的人的重视，然而预测性维护工作要求分析更高频段的微弱信号，因此对振动传感器有了更高的要求，但是目前机械设备监测应用中常用的无线振动传感器的频率响应范围较低、续航时间短、功能单一，限制了其在机械设备预测性维护领域的应用。　　本文分析了常用无线振动传感器设计缺陷后，结合振动分析技术，针对传统无线振动传感器频率响应范围低，续航时间短、功能单一等缺点，提出一种基于Arm Cortex-M4处理器的高频响无线振动传感器设计，本文主要的工作和成果归纳如下：　　（1）基于分体式机械结构并兼容IEPE传感器接口的无线振动传感器设计：通过对硬件系统需求分析，面对机械设备预测性维护要求振动信号频率高，信号强度低的特点，自主设计了高频响低功耗无线振动传感器，包含振动探头设计、信号采集链路设计和电源系统设计。　　（2）基于内存和计算能力有限的低功耗处理器芯片的振动特征提取算法优化：通过对传统特征提取算法分析，利用降低运算点数，复用中间变量等方法降低运算量，使内存和计算能力有限的处理器能够完成相对复杂的特征提取算法。从理论分析出发，结合数据验证，最终实现了大量振动数据的特征提取。　　（3）无线振动传感器对比实验：根据前边设计的无线振动传感器和振动信号特征提取算法设计对比实验。通过与传统无线振动传感器和标准振动传感器在对拖电机试验台上对比测试，可以证明本文设计的无线振动传感器与传统无线振动传感器相比明显提高了谐振频率。与传统特征提取算法相比，优化后的特征提取算法相较于传统算法效率有了大幅提高。

关键词： 中央空调系统   蒸发冷螺杆冷热水机组   远程监控系统   故障诊断系统   硬件设计   软件开发  

摘要： 随着中央空调机组的技术先进性、复杂性和应用的广泛性不断提高，实现中央空调系统安全、可靠、经济运行，达到高效、节能、降耗和环保要求，需要配备现代化的远程中央集中监控和故障诊断系统。本课题以蒸发冷螺杆冷热水机组为研究对象，开发了远程监控系统，能够实现对机组运行状态实时监控。对蒸发冷机组的典型故障进行分析研究，在此基础上开发了故障诊断系统，主要研究内容包括以下几个方面：　　（1）分析蒸发冷螺杆冷热水机组工作原理，对其主要部件建立了热力学模型。对蒸发冷螺杆冷热水机组远程监控与故障诊断系统进行需求分析，明确系统开发主要任务。根据本系统的使用条件和特点，确定远程监控模式为B/S模式，软件架构为前后端分离的架构。选择Vue以及Java作为系统开发语言，阐述了整体技术实现方案。　　（2）根据系统需求以及主流数据库的对比，选择MySQL作为系统开发的数据库，完成系统相关的数据库表结构的设计。开发了机组监控、用户管理、故障诊断、维修管理、产品管理、数据统计六个功能模块，完成各功能模块的软件设计。　　（3）研究蒸发冷螺杆冷热水机组主要故障的可能原因、故障征兆、解决措施，进而采用故障树分析方法（FTA）。以蒸发冷螺杆冷热水机组中典型故障作为顶事件，建立故障树，定性分析求解最小割集和结构重要度。　　（4）以建立的故障树为基础，采用产生式规则表示法建立了系统故障诊断模块的知识库。基于正反向混合推理和深度限制优先搜索策略，设计了适用于本系统的故障诊断推理机，初步实现了蒸发冷螺杆冷热水机组典型故障诊断软件平台的设计。

关键词： 分布式数据采集   数据转换系统   多协议数据转换   硬件设计  

摘要： 分布式数据采集系统具有可靠性高、适应能力强、实时性好等特点,被广泛运用于海洋勘探、水下预警等领域。数据转换系统作为分布式数据采集系统的重要组成部分,负责接收前端采样数据并进行预处理,通过多种协议接口实时传输至后端信号处理设备。研发支持高带宽、多协议传输的数据转换系统具有较高的工程实用价值。多协议实时网络数据转换系统以PowerPC系列嵌入式CPU和Xilinx Artix-7系列FPGA组成异构计算平台,实现前端采样数据接收、数据预处理、数据缓存与传输等功能,通过多种对外接口与后端信号处理设备通信。系统通过ATM接口接收前端采集系统的采样数据,由嵌入式CPU完成预处理,通过GMII接口与FPGA实现高带宽通信,完成数据转发;通过多路并行LVDS接口与数据存储装置通信,实现数据记录、回放功能;通过多路并行RS485接口与数据处理设备交互;通过多路千兆网络接口与网络交换设备交互。本文对所设计的样机系统进行了信号完整性仿真验证,测试了系统硬件电路与关键信号质量;完成了接口功能验证并测试了样机的整体功能。经测试,系统功能及指标达到了设计要求。

关键词： 卫星通信   北斗   LC1860   便携终端   无线网络  

摘要： 随着计算机及通信网络快速发展,人们随时随地可享受互联网、数据、电话带来的便捷。但是,在地震、泥石流、山体滑坡等重大自然灾害或恶劣的野外环境中,移动通信网络系统瘫痪,往往又伴随着人民群众的生命及财产安全。解决在恶劣条件下的通信保障问题是至关重要的。未来将在军事及应急通信领域发挥巨大作用。 研究内容主要包括设备终端硬件集成和软件APP开发。设备终端硬件集成采用模块化设计,主要包括主控板模块,电池充电和管理模块,S-TRX收发组件模块,天线模块等四大部分。主控板模块是其中的核心部分,主要由基于联芯LC1860C AP应用处理器模块,内存模块,S卫星通信模块,GPS/北斗模块,WIFI模块等组成;电池充电和管理模块,主要由OCP&OVP保护电路,充电回路以及电池和直流输入接口等组成,完成对系统供电的同时并对电池进行充电;S-TRX收发组件模块,实现对S卫星通信模块出来的信号进行放大和处理;天线模块由可折叠S卫星天线、GPS/北斗天线、WIFI天线等部分组成。本课题最大的创新点在于S天线使用折叠式,结构采用翻盖设计,解决了卫星设备体积大的问题。硬件平台国产化,战略上实现独立自主可控。手机APP是基于Android平台开发的一款智能手机APP,在接入硬件终端WIFI的基础上,可以利用APP拨打卫星电话、语音传输、短信收发、局域网内的集群会议、定位、卫星上网、卫星终端的信息配置等,从而达到通过卫星终端实现无线网络通信的目的。 最终的实验验证环节表明,此卫星便携终端各项功能、性能指标,均达到课题设计要求,具备在复杂电磁条件情况下提供可靠通信手段的能力,目前该设备已在抗震救灾一线投入试用,在无信号覆盖的特殊区域,发挥了巨大的作用,收到一线良好的反馈,未来将为军事及应急通信领域贡献更大的力量。

关键词： 新能源汽车   锂电池管理系统   无线通信   硬件设计  

摘要： 基于目前社会能源日益紧缺和环保要求越来越严格的世界大环境下,新能源汽车的研发已成为大势所趋。锂电池管理系统作为新能源汽车关键技术之一,对锂电池的监测、管理起着关键的作用。随着大量锂电池在车辆上的应用和推广,对电池管理系统的要求也越来越高。早期锂电池管理系统通常采用16位单片机作为核心处理器,分离器件或者低性能模拟前端芯片采集电芯数据,导致整个电池管理系统计算速度有限、电池参数检测精度较低,安全性差等问题。同时板间通信和电芯采样连接依靠传统的线束也会影响电池包的能量密度以及后期维护等。因此,对锂电池管理系统的研究不仅具备实用性和经济性,而且对于新能源汽车的推广也意义重大。本文主要对无线通信电池管理系统的硬件设计进行了研究,通过分析电池管理系统的需求完成了该系统的硬件电路以及产品的验证测试。具体的研究工作包括以下三个方面:（1）研究锂电池的特征特性以及分析电池管理系统的功能模块,从而得到系统功能需求并确定了系统的基本架构。锂电池管理系统采用分布式架构设计,由主控制板、高压板以及多个从控制板组成。主控制板和从控制板之间的通信采用无线方式,主控制板与高压板采用菊花链有线通信,从控制板配置在每个电池模组内且采用FPC连接采样。无线通信和FPC的使用,节约了绝大部分的线束和近一成多的电池包体积,不仅提高了电池模组的设计灵活性、电池包能量密度以及装配效率,还降低了装配过程中出错的可能性,同时降低了整车厂的售后维护成本。（2）根据各个控制板的功能特征进行模块划分和硬件电路设计,本文设计完成的模块硬件电路主要包括供电电路、最小系统电路、CAN通信电路、菊花链通信电路、无线电路、高压绝缘和采样电路、电流采样以及电池电压采样电路等等。主控制板集成多路CAN和LIN通信接口、无线通信接口、外部驱动接口以及热管理和充电管理接口,实现对电池信息的监控和管理,以及与整车、充电设备的信息交互等,核心处理器采用ASIL D的32位单片机TC389芯片。高压板采用LTC2494芯片,实现高压部分的绝缘检测、高压采样以及电流采样功能要求。从控制板采用ADI新一代电池监控器ADBMS6817芯片,采集电芯电压和电池温度信息并通过无线传输到主控制板内进行数据处理。（3）安全稳定的硬件环境是整个系统运行的基础,产品开发完成后需要进行合理的试验进行验证,本文对设计的整体系统进行了电气适应性、电磁兼容和环境可靠性测试验证,保证了硬件系统的稳定性,测试验证结果证明了无线通信电池管理系统的的可行性和实用性。本文是结合实际项目完成的研究设计,目前该研究设计方案已成功应用在通用和上汽通用的电动汽车项目中,项目已经接近量产状态。

关键词： ETC   RFID天线   路侧单元   车载单元  

摘要： RFID系统主要由读写器与电子标签组成,电子标签以特定方式储存了识别特征以及相应的数据信息,并根据使用情况将其安装在需要识别的物体中。读写器是用于读写电子标签数据的电子元件,通常情况下读写器会根据电子标签变化进行相应的频率调整,所以它在频率覆盖范围内,会向周围发射特定频率电磁波,在覆盖范围内如果有对应电子标签被识别,将会自动读取该标签内存储的信息,并将这部分信息上传至信息系统,由后台系统获取这部分信息并做出相应处理。随着国民经济持续发展,我国高速公路总里程得到了显著增长,传统收费方式已经无法满足高速公路正常通行需求,在这种情况下,我国加大了ETC收费系统的建设力度,开通了专门的ETC收费车道。但是由于RFID射频技术还不够成熟,相应的支撑系统也不够完善,导致当前高速收费体系中ETC收费占比并没有达到较高的水平。RFID技术作为ETC系统的核心,如何将RFID技术融合到现有技术标准不统一的系统中是本文亟需解决的问题。本文选取ETC系统作为研究内容,结合当前情况对ETC系统进行优化,将RFID电子标签识别技术的识别距离、抗阻带宽和功率反射系数作为研究的核心。本文首先介绍了研究背景与意义,阐述了国内外学者的研究成果,明确了相关概念与定义。RFID技术在ETC系统中占据核心地位,所以本文选择从该RFID技术角度对ETC系统进行优化,在此基础上对路侧单元(RSU)、车载单元(OBU)进行调整。在RFID技术优化中,主要是对阻抗带宽、天线识别距离、功率反射系数等进行调整,并对OBU标签天线进行调整。完成以上优化工作后,还对ETC系统数据采集、分析系统进行相应优化,最后采取仿真测试的方式对仿真系统进行检验,并给出了相应的检验结论。根据研究发现,本文最终设计出的5.8GHz的ETC标签天线且仿真结果完全符合设计要求。在设计标准中,使用的辐射贴片为矩形,但在实际情况中,受到基底长宽尺寸限制的影响,只能采取背侧馈电方式。本文设计的辐射贴片与基底尺寸相同,只是在四个角落进行适当裁剪,主要是为了提升辐射电流路径,从而获取更多增益。通过对比分析发现,-10d B带宽要明显大于本文设计带宽,二者都处于本文设计ETC系统的5.7GHz-5.85GHz范围内,都具有较高的适用性。回波损耗,是电缆链路由于阻抗不匹配所产生的反射,是一对线自身的反射。不匹配主要发生在连接器的地方,但也可能发生于电缆中特性阻抗发生变化的地方,所以施工的质量是提高回波损耗的关键,对比标准参考数值,本文设计的标签天线具有较高的回波损耗值(S11),这表明本文设计的标签天线在阻抗匹配方面具有更高的优势。

关键词： 无线多媒体传感器网络   方差   自适应压缩   四叉树   硬件设计  

摘要： 无线多媒体传感器网络是在传统的无线传感器网络的基础上引入图像、视频等数据信息,使得用户可以更加真实地感受世界,但是多媒体信息庞大的数据量给网络本身带来了很多问题。面对节点硬件性能和网络能量都十分有限的无线传感网,如何保证数据可靠和有效地传输,成为无线多媒体传感器网络的研究重点。为此本文对其进行了研究,主要工作如下:(1)本文提出了一种基于方差的图像非均匀分块自适应压缩算法。该算法以图像方差值作为图像块大小分割依据,利用四叉树原理进行块大小的划分,在压缩图像的同时,最大程度地保证图像的质量和纹理特性,克服了传统的均匀分块压缩方法带来的重构块状效应。通过对无线多媒体传感器网络节点获取的图像进行测试,该算法有效地降低了网络的传输数据量。(2)对无线多媒体传感器网络节点进行了硬件设计和测试。针对无线多媒体传感器网络存在数据量较大和传输受限等问题,节点不仅需要实现图像的获取、无线传输和图像显示等功能,还需具有对采集图像的压缩和解压功能。本文基于STM32F4和K210处理器芯片,应用了图像采集模块OV2640、无线通信模块ESP8266及显示模块TFT-LCD实现了节点的各项功能,解决了数据压缩和无线传输的关键问题。测试结果表明,节点接收图像清晰稳定,基本能够满足应用的需要。