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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。

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： 电阻层析成像   COMSOL仿真   缺陷检测   硬件设计   LabVIEW  

摘要： 近年来,在民用航空领域,复合材料的应用和相关研究也越来越广泛,但目前看来看,国内外主流飞机上应用最多的材料依然还是铝合金等金属材料,在这些金属结构的缺陷损伤检测方面,无损、快速、可靠已经成为新的要求,因此,各类检测技术在民用航空领域的应用及前景值得研究。随着近年来计算机技术和传感器技术的发展,电阻层析成像技术（Electrical Resistance Tomography,ERT）已经不仅仅在应用于工业多相流检测和医学成像等领域,也更大范围的开始在材料检测、结构损伤等多行业进行应用或者研究。本文在前人的研究基础上,将该技术应用于航空器金属构件的缺陷损伤检测方面的研究中,首先对ERT技术的原理和理论方法进行了学习研究,并设计了一套固定电极和被测样品的硬件装置。其次,并以Lab VIEW为平台,编写设计了测试用的程序软件,并基于COMSOL软件对被测场域的电场分布进行了仿真分析。之后,以MATLAB为平台实现图像重建,搭建了一套硬件和软件完备的ERT检测系统平台,并对整个系统进行了调试、验证等工作,完成了整个系统的设计开发工作。在实验阶段,基于此平台,简要探究了受力状态对检测结果的影响,同时对于该技术在航空器金属构件的缺陷损伤检测方面进行了研究,通过对实验结果进行分析可以发现,该系统能够完成设计要求和试验任务,ERT技术在民航领域材料的缺陷损伤检测上也具有较好的检测效果和应用前景,具备继续研究的价值。

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： 数字媒体   虚拟环境   试验平台   硬件设计  

摘要： 随着数字媒体和虚拟现实技术的发展,船舶工业领域的虚拟试验平台研究获得了业内外的广泛关注。结合数字媒体技术,设计开发一种舰船虚拟环境试验平台,该虚拟试验平台可以实现的功能包括船舶航行状态仿真、耐波性试验等,重点介绍该试验平台的多自由度平台设计和数字媒体硬件设计等内容。

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： 智能传感手套   触觉传感器阵列   敏感单元可更换叠层结构   硬件设计  

摘要： 触觉传感器阵列以电子皮肤的形式附着于物体表面感知温度、压力等信息，在智能机器人、医疗诊断和可穿戴设备等领域具有广阔的应用前景，是当今研究的热点之一。针对现有柔弹性传感器阵列制备后敏感单元更换困难、传感功能单一的问题，本文对柔弹性传感器阵列的设计及应用展开了研究。首先，提出了一种敏感单元可更换叠层结构（Replaceable Laminated Structure for Sensitive Units）的二维阻性传感器阵列制备方法，基于此结构制备了兼具柔弹性的多功能传感手套;其次，基于多功能传感手套、硬件测量电路、云服务器和微信小程序搭建了一套多功能智能传感手套应用系统;最后，对多功能智能传感手套应用系统进行实验测试和性能评估。　　论文主要工作内容和研究成果如下：　　1.提出了一种敏感单元可更换叠层结构的二维阻性传感器阵列制备方法。在该方法中，以钩面魔术贴（粘扣带）和毛面魔术贴分别作为上衬底和下衬底，二端阻性传感器作为敏感器件，阵列采用共用行列线方式;每个传感单元的固定部分固定在织物基底上，其行固定电极连接基底共用行线，其列固定电极连接基底共用列线，其行固定电极和列固定电极都由金属导线上穿过下衬底（魔术贴毛面朝上）并在其毛面的特定圆形区域内盘成紧密螺旋状的固定接触面;在每个传感单元的可更换部分中，二端阻性传感器固定在上衬底（魔术贴钩面朝下）上，其两个金属丝引脚分别下穿过上衬底并在其钩面的特定圆形区域内盘成紧密螺旋状的活动接触面;为保持良好接触，每个传感单元的两个固定接触面与其可更换部分的两个活动接触面分别正对。　　2.将基于敏感单元可更换叠层结构的二维阻性传感器阵列固定于织物手套基底表面，制备了兼具柔弹性的多功能传感手套，并基于多功能传感手套、硬件测量电路搭建了多功能智能传感手套数据采集子系统，实现了阻性传感器阵列数据的采集、处理、传输和显示;利用校验协议来保证阵列数据传输的可靠性;利用显示屏实现阵列数据的本地化显示，包括阵列阻值、温度分布图等信息。　　3.基于云服务器、微信小程序开发了多功能智能传感手套数据管理云平台，实现了阵列信息的远程查看和管理。后台云服务器部署在阿里云，主要负责对微控制器传输数据的接收、处理、存储，以及小程序请求的响应;微信小程序作为可视化界面，主要负责用户登录和注册、阵列数值的显示和温度分布图的绘制。此外，通过与MySQL数据库连接和管理实现了传感阵列数据的存储、查询和删除。　　4.对多功能智能传感手套应用系统的软件功能进行测试，验证了该系统具有数据通信和存储、阵列信息显示等功能;对多功能传感手套进行柔弹性测试、敏感单元更换、触点测试、水杯抓取等实验，实验结果表明：1）制备后的多功能传感手套中敏感单元可以实现更换，且更换后性能保持稳定;2）多功能传感手套具有良好的柔韧性和拉伸性;3）多功能传感手套具有良好的温度场感知能力;4）多功能传感手套的压敏-热敏复合传感单元具有温度、压力感知能力。

关键词： 石英晶体微天平(QCM)   DDS信号源   液相检测  

摘要： 石英晶体微天平(QCM)诞生于上世纪六十年代,目前已广泛应用于环境监测、生物医学等精密测量领域,具有成本低廉、体积小方便携带、测量精度高等优点。QCM的谐振频率会随着表面吸附物的质量或所处环境的物理特性(如密度、粘度)的变化而发生偏移。本文简要分析了石英晶体微天平谐振频率的测量技术及其优缺点,介绍了一种被动测量方法,以该方法设计出一种简易的测试系统,利用该系统测量出了QCM在液相条件下的谐振频率。该系统通过信号发生器对石英晶体微天平施加特定频率的正弦激励信号,测量出不同频率下石英晶体微天平的阻抗,把最小阻抗频率作为QCM的谐振频率。本文就上述目标主要开展了以下工作:1.基于AD9834的扫频信号源设计。本系统采用ADI公司的AD9834芯片设计信号发生器,要求该信号发生器具有扫频功能且频率切换速度足够快。由于数字频率合成具有量化误差,使输出频率信号带有高频噪声,因此本文设计了一个五阶巴特沃兹低通滤波器滤除DDS输出信号的高频成分。2.设计混频电路。为了得到QCM的电学特性,需要测量晶体两端的电压幅度和相位差,实验中使用的QCM谐振频率在MHz量级,为了降低设计成本,本设计通过下混频将兆赫兹级的信号下混频到音频再进行采样,这样使用采样率低得多的ADC就可以满足设计需求。3.设计采样计算电路。本设计将对下混频输出信号进行采样和运算,采样部分使用了一颗TI公司的音频编解码芯片,能够以常见的音频采样率(如48KSPS或44.1KSPS)对电压信号进行采样。将采集的电压信号用单片机运算后得到傅里叶级数系数,从而可以计算出QCM两端信号的幅度和相位差。本系统选用意法半导体公司的主流微处理器STM32F103系列MCU作为主控制器,其主频高达72MHz,负责控制DDS扫频源的输出频率、音频编解码器的数据传输和运算等功能。4.使用本系统测量基频为13MHz的QCM晶片在空载时的阻抗-频率曲线,将测量曲线与QCM的真实阻抗-频率曲线对比,验证本测试系统的测量精度,最后通过凝血实验验证了本系统在液相条件下的测试性能。

关键词： 大气辐射   整层大气透过率   二维直驱跟踪转台   硬件设计   软件开发   数据分析  

摘要： 辐射在大气中传输时，大气分子和气溶胶粒子对辐射会产生一定的吸收与散射，导致辐射到达地面后存在一定程度的衰减，衰减的程度被称为整层大气透过率。直接测量整层大气透过率往往利用太阳或恒星作为辐射源，在跟踪装置上搭载信号探测器探测地面的辐射信号，通过定标得到整层大气透过率数值。由于实验室上一代整层大气透过率测量仪所用的跟踪装置在实际应用中存在一些问题，如无法自动切换跟踪目标、容易丢失跟踪目标、转台高低温工作受限制等，本文研制了一款新型的二维直驱跟踪转台，克服传统转台的上述缺点，本文工作重点在于测控电路的硬件平台搭建、软件代码编写及数据分析。　　直流力矩电机具有低速性能好、扭矩大并可直接驱动负载等优点，采用力矩电机和圆光栅绝对编码器作为伺服部件，研制了一套二维直驱跟踪转台。转台具有夜间长期跟踪目标恒星并自动换星功能，转台跟星误差在1′以内，结合搭载其上的由望远镜、滤轮、CCD相机等组成的图像采集系统搭建了整层大气透过率测量实验平台。系统采用主-从式控制方式，下位机跟星转台主控系统采用装载Linux的Cortex-A7控制板作为控制核心，基于CAN总线实现对水平、俯仰伺服驱动器的闭环控制驱动二维转台，结合自研的星图数据库实现了二维直驱转台的自动跟星与换星功能;上位机PC根据采集的图像向下位机反馈转台位置偏差;上位机PC与下位机主控系统通过TCP通信进行协同工作，实现整层大气透过率测量的完整功能。　　开展了夜间转台跟星功能验证试验，二维转台能够自动稳定跟星和换星，在此前提下开展整层大气透过率测量试验，并将测量数据与同时同地激光雷达试验数据进行比较分析。结果表明:二维直驱跟星转台能够实现夜晚长期稳定跟踪目标恒星并自动换星，根据图像采集单元采集的图像能够可靠的反演出夜间整层大气透过率。本系统测量结果与激光雷达相比相对误差小于16％，满足测量试验的功能需求，验证了所研制的二维直驱转台的跟踪精度和跟踪能力。

关键词： 智能电表   抗干扰   可靠性   硬件设计   软件设计  

摘要： 从21世纪开始,智能电能表已经被世界许多国家使用。智能电能表作为电网的智能终端,对电网的运行和发展,起着至关重要的作用。为了避免智能电能表在现场运行过程中出现计量不准确、时钟跑飞、数据丢失、电网的干扰、雷电干扰、静电干扰、欺诈等问题,本文将重点聚焦于智能电表的可靠性设计,研究工作主要在以下几个方面:一是对硬件电路可靠性设计,包括电源单元、计量单元、通信单元、负荷开关及电源异常检测电路进行可靠性设计。选用稳定性高的线性变压器作为电源模块可靠性设计,选用高精度、高可靠性的三相专用电能计量芯片配合电流互感器、电压采样电阻完成计量部分可靠性设计。二是在智能电能表系统的软件方面,提出了法制和非法制的软件可靠性设计,软件中将法制计量相关的参数,都按不同类型的数据块进行打包并存储,确保计量数据的完整性与可靠性;对设备参数进行保护,当身份认证权限启用时,所有参数读写都需要身份认证,如果身份认证不通过或者身份认证失效,电表仅支持读取默认安全模式参数中可明文交互的数据项;时间测量数据方面,为了提高抗干扰能力,芯片提供时间写保护功能,必须先对写保护寄存器写入特殊指令,才能改写时间寄存器;通信系统传输数据增加了安全传输的功能,提高了通信系统的可靠性。三是进行了试验测试,设计的三相远程费控智能电能表在不管在高温、低温还是常温计量误差精度优于标准要求、抗干扰能力强,辐射骚扰和传导骚扰远优于试验标准,软件可靠性高,能够满足国家电网要求。