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关键词： 工业4.0   物联网   边缘网关   硬件设计   协议聚合  

摘要： 进入工业4.0时代,云在增强和扩展物联网能力方面发挥了关键作用。然而,基于云的物联网架构对于需要实时操作和关键任务通信的应用程序从延迟和带宽需求方面来说都会变得过于臃肿。基于这点,边缘计算的技术应运而生。为了能够实现边缘计算的服务本地化和近距离署,缓解云端的网络带宽的压力。本文基于ARM处理器的对工业物联网边缘网关进行了设计与实现。论文首先对边缘网关的需求进行分析,根据分析的结果完成对边缘网关的整体设计。硬件方面分别对物联网边缘网关的各个硬件模块进行了电路设计与实现包括核心处理器模块、有线通信模块、无线通信模块、输入/输出模块、看门狗模块、实时时钟RTC模块、SD卡接口模块、LED指示灯模块、温湿度传感器模块、按钮模块。接着对工业物联网边缘网关的各个电路模块的进行电路功能与性能测试,并对边缘网关电路板的硬件接口设计了外壳。软件方面包括研究嵌入式Linux系统开发环境的搭建,驱动移植。对嵌入式系统软件的进行设计,实现多款PLC设备的协议聚合和设备协议的自动识别,并完成设备通信测试。本文的创新点在于设计了一款可以实现灵活配置,自由切换的工业物联网边缘网关。(1)为了提高边缘网关的硬件适配性,匹配不同工业设备的通信接口。边缘网关在硬件设计上集成了多种工业上常用的通信接口。方便工业现场依据设备情况切换不同的通信方式。(2)针对工业设备通信协议种类繁多的情况,通过在边缘网关的软件系统中集成多种主流PLC设备通信协议,实现设备协议的自动识别,让边缘网关可以灵活应对不同设备的通信协议需求。(3)面对工业现场复杂的电气环境,对边缘网关的通信模块、输入/输出模块进行了电源隔离,光耦隔离、泄放电路等保护设计;在电源模块部分,设计DC24V浪涌抑制电路并通过了浪涌测试,极大程度的提高了边缘网关稳定性。

关键词： 颈肩监测穿戴系统   硬件设计   软件开发   生理信号反馈  

摘要： 截至2020年3月中国手机网民规模达8.97亿，智能手机在带来便利的同时，负面影响也日益显著。调查显示，手机的长时间使用不仅会对人造成消极心理情绪，还会引起一些身体上的不适症状，尤其是颈部疼痛。多项手机使用调查已将手机过度使用列为颈肩痛患病的一个潜在因素。目前国内关于手机使用的相关研究方法较单一，主要以问卷形式，缺乏深入的定性分析。在针对颈肩疼痛疾病的防治研究中，前期的疾病管理与防治容易被忽视，且针对这一方向的相关产品几乎没有。　　针对这一情况，本文提出采用人体工程学的研究方法，对手机使用与颈肩健康之间的关系进行深入研究。通过智能手机使用方式与颈肩疼痛的研究，提出一项新的颈肩健康管理模式，设计出颈肩健康监测穿戴系统。主要研究内容如下：　　（1）首先，通过文献研究，本文旨在对智能手机使用影响、颈肩痛病因、颈肩痛危险因素、多种生理信号采集与处理等相关理论进行探讨和总结。调查指出长时间手机使用易产生不同程度的颈肩疼痛症状，在使用智能手机过程中，斜方肌活动和颈椎曲度被发现存在明显变化，其影响因素可能与姿势、任务、互动方式、心理负荷等相关。本文还研究了多生理信号技术和智能穿戴技术的发展与应用，为颈肩健康的设计提供了理论和技术支持。　　（2）其次，通过两个人机工程学实验研究，本文对手机使用时引起的颈肩肌肉变化、颈部屈度变化进行了探究，还对肌肉的疲劳缓解方式进行了探究。实验一研究了不同手机使用姿势对颈肩部肌肉活动、颈部屈曲和不适评分的影响情况。结果表明，在手机使用过程中，上斜方肌均出现显著的肌肉活性变化，且不同的身体姿势（坐、站、卧、走）和前臂状况（前臂支撑、前臂漂浮）会对斜方肌的肌肉活动、疲劳和不适评分产生显著影响;同时实验发现，前臂有支撑比前臂悬浮具备更低的肌肉疲劳程度。实验二研究了不同颈部角度对颈肩部位肌肉的影响情况，以及振动对颈肩部肌肉的作用。结果显示，较大的颈部屈曲角度会引起较大的肌肉活动、肌肉疲劳和不适评分;使用智能手机时，斜方肌在有振动的情况下呈现出较低的疲劳程度，这证实了振动对斜方肌肌肉疲劳的缓解作用。　　（3）最后，本研究基于理论研究与实验验证，提出了一项颈肩健康监测智能监控系统的设计方案。系统可对肌肉活动和颈部屈曲角度等生理信号进行实时跟踪，实现颈肩健康信息和疾病风险的管理，缓解了当下健康信息检查不及时，医疗资源不足的问题。系统由硬件和软件两部分组成。硬件部分为多种生理信号技术与智能穿戴技术相结合，具备信号测量、健康提醒、疲劳缓解的功能。软件部分为信号显示与分析，具备实时记录采集到的多种生理信号，并给出分析结果的功能。

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： 水质检测   专用光谱仪   C-T结构   S11639-01探测器   FPGA芯片  

摘要： 随着水质检测技术的发展,光谱法在水质检测领域得到越来越广泛的应用。为适应实际水质检测的需要,诞生了光谱实时在线检测水质系统,该系统的核心设备之一就是光纤光谱仪,而目前市面上专用于水质检测的光纤光谱仪还较少,因此设计专用于水质检测的光纤光谱仪硬件仍具有重大的现实意义。本文基于紫外—可见光水质检测原理,从光谱实时在线检测水质技术对光纤光谱仪实际需求出发,参考国内外通用光谱仪硬件设计,提出了专用于水质检测的光谱仪的硬件开发方案。开发的内容涉及机械结构、控制电路、下位机控制程序三个方面:(1)在机械结构方面,通过使用Zemax优化光路结构、设计多膜阶跃型滤光片消除高级次衍射光、根据Tracepro仿真结果合理增设遮光阑改善杂散光等手段,完成了一种低成本、宽光谱范围(187～1028nm)、外形尺寸仅为120×115×53mm、分辨率小于1.2nm、采用交叉对称C-T结构的水质检测专用光纤光谱仪样机的机械结构设计。(2)在电路设计方面,根据水质检测的实际需要,围绕S11639-01线性CMOS探测器,以EP4CE6E22C8N为主控芯片,完成了一种能够高速实现光谱数据采集、传输、A/D转换以及通过USB2.0上传,并且具备控制脉冲氙灯功能的光谱仪控制电路设计,完成了相应的PCB板制作,分析了设计中的问题。(3)在下位机控制程序方面,采用Verilog硬件语言,通过逻辑时序分析,完成了一种能够驱动CMOS探测器进行光谱采集、实现光源控制、进行数据缓存和实现USB通信并具备异或校验功能的水质检测专用光纤光谱仪样机的下位机程序设计。最后,搭建了试验平台,进行了光谱仪样机的性能测试,并用三阶多项式拟合了像元和波长的关系,完成了样机的波长定标;验证了设置积分时间功能,分析了样机测出来的光谱数据。

关键词： DSP   旋转变压器   IGBT模块   双激式开关电源   实车试验  

摘要： 能源的匮乏、世界环境的恶化,新能源技术终将成为时代的产物,纯电动汽车也逐渐走向大众的生活之中。伴随着国家对新能源汽车相关行业的大力扶持,电动汽车的性能也逐渐提高,电机控制器的发展也得到了显著的提升。本文以实际的工程项目为依托,在4.5t纯电动商用车底盘开发基础上,对驱动电机控制器的硬件开发过程进行了详细的介绍。首先,通过市场调研以确定整车设计需求,再对驱动系统主要器件进行参数匹配。在电池方面,使用三星公司的锂离子电池模组,采用24个模组串联的方式,得到的额定电压为440.4V,容量为188Ah。电机方面,结合市场的需求和电机技术的发展,采用额定功率为70k W,峰值功率能达到139k W的永磁同步电机。除此之外,针对电机控制系统中必不可少的母线支撑电容、叠层母排、电流传感器、泄放电阻等器件进行参数选型介绍。驱动电机控制器硬件按照其功能分为控制板和驱动板。控制板中,选用德州仪器的TMS320F28335芯片,该DSP芯片更具准确性和快速性,更符合于电机控制器算法的硬件需求。其中,电机转速、转向信号的采集使用了旋转变压器,由解码器AU6802进行解码传递信息。驱动板中,采用英飞凌公司的IGBT模块FF600R12ME4,以门极驱动芯片1ED020I12FA2作为IGBT驱动及保护电路,构成三相全桥逆变电路,实现从直流母线电压到三相交流电压的转换。电源模块采用由变压器组成的双激式开关电源,该三倍压整流电路得到具有隔离的开启电压和关断电压。完成控制器硬件电路的设计之后,通过系列实验,对控制器功能以及电气特性进行了检验。最后,通过电机台架测试和实车测试的方式,对驱动电机控制器系统进行性能测试。

关键词： 直升机   旋翼锥体   动平衡测量   硬件电路   功能验证  

摘要： 直升机旋翼锥体测量与动平衡调整在直升机的全生命周期内包括生产制造、使用维护、批产试飞等过程中具有非常重要的意义。由于直升机桨叶的可拆卸性,配套桨叶交付前、初装旋翼系统和桨叶更换复装后都需要对全机振动水平和动平衡情况进行测量和调整,以满足维护手册中对振动值和锥体动平衡的要求。直升机旋翼锥体动平衡的好坏直接关系到整机振动环境,影响飞行性能,关乎飞行安全,旋翼锥体测量一直是国内外相关学者的研究热点之一。本文对国内外直升机旋翼锥体动平衡测量方法进行了归纳和总结,通过比对不同测量方法之间的优缺点,确定了基于双目视觉原理的旋翼锥体动平衡测量系统的总体方案。依据总体方案完成了硬件系统的主要元器件选型,包括工业摄像机、单片机、频闪灯、转速传感器、同步信号发生器等,给出其技术指标和参数。根据总体方案搭建出系统整体硬件结构,完成了系统硬件电路设计,主要有转速信号调理电路、工业摄像机同步电路以及频闪灯驱动电路等,设计了PCB电路板并完成系统抗干扰设计测试,实现了测量系统的集成应用。本文完成了实物PCB板的制作和元器件焊接。通过短路判定、电压检测、模块化调试等方式对电路的工作结果进行检查,该系统实现了设计的硬件功能。对系统的软件功能部分做了一定探索,给出功能算法及流程图。通过动平衡实验装置的验证,该测量系统工作正常,通用性强,具备可移植性,可以根据不同机型工作环境和技术参数做出有针对性的调整方案,配合系统软件的开发和应用,该系统可以实现多场景多机型的通用测量。

关键词： 电流监测   隧穿磁阻   FPGA   硬件设计   NB-IoT  

摘要： 本文分析了现有的设备电流监测设备的现状,提出了基于高性能磁传感器的电流监测装置的研究。此装置可以对工厂生产设备和治污设备工作时的电流信息进行实时采集,经过信息处理之后,通过NB-IoT将数据传输到云端服务器,以备相关政府部门可以实时监测,从而为制定环保政策提供建议和反馈。本文研究的基于高性能磁传感器的电流监测装置主要包括电缆电流信号采集、传感器信号处理和射频通讯。1)信号采集模块实现三相线电流信号的采集和初步的放大处理。利用高性能隧穿磁阻效应的磁传感器完成信号的采集,该传感器具有高灵敏度和宽磁场测量范围。信号采集模块和数据处理模块之间采用HDMI连接的方式,将初步放大后的差分信号传输到设备板上。2)数据处理模块负责将信号采集模块传输的差分信号进行接收和再次放大,后续的处理部分采用“FPGA+ARM”的硬件架构,论文对此模块的ADC、FPGA和ARM芯片硬件设计进行了综合表述,介绍了芯片的外围电路设计,通信接口设计,FPGA部分的RTL设计,以及通过Modelsim进行时序上的仿真验证。3)通讯模块实现将处理过的信号发送到云端服务器的功能。对BC28外围电路进行了设计,并且进行了测试。针对传统通讯方式信号质量差的问题,采用了NB-IoT的通讯方式,此方式比LTE、GPRS基站提升约20d B的增益,使得装置可在普通GPRS模块信号很差的位置保持正常的通讯连接。云端服务器通过收集各个传感器传来的数据来分析各个企业的设备运行情况,节省了人力成本,同时也更快捷。

关键词： 固体废弃物   等离子熔融处置   自动上料系统   硬件设计   软件开发  

摘要： 近年来，随着中国固体废弃物总量的急剧上升，填埋、焚烧等旧处理方法已经不能满足社会的发展需求，国家“十三五”、“十四五”规划纲要鼓励和促进垃圾、固废、危废无害化处理，等离子体熔融处置技术得以迅速发展。自动上料系统是等离子熔融处置工艺中的一个重要环节，上料系统的性能最终会影响到玻璃体熔渣的品质与产量，同时飞灰残渣的处理不当会对社会环境造成一定危害。因此，设计一款高效、稳定自动上料系统是非常必要的。本文针对等离子熔融工艺的上料要求，设计了一套自动上料系统的解决方案。本文主要完成以下工作：　　（1）上料过程分析与上料系统构架设计。分析了等离子熔融工艺的配料要求，设计了上料系统的总体构架。分析了上料过程的技术要求，研究了检测与控制细节，给出了控制系统的详细设计，绘制了电气控制原理图和PLC接线图。　　（2）配料称重数学模型建立与配料控制算法优化。称重配料过程中有多种因素影响着称重的速度和精度，针对这一问题，本文分析了称重配料过程的影响因素，建立了相应的数学模型。根据系统断续、重复工作和非线性的特点，提出了迭代学习算法对控制系统进行优化。仿真实验表明该方法可以有效提高称重精度和工作效率。　　（3）自动上料控制软件系统的设计与实现。根据自动上料的工艺要求与称重数学模型，设计了相应的PLC称重软件与上料组态管理软件，完成了自动配料、迭代自学习等控制流程。组态软件具有上料过程动态显示、系统工艺参数调整、故障显示、报警记录、相关信息查询、现场工况监控等功能，可以有效实现对生产的过程控制。

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： 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。