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关键词： 实验教学   数据采集综合实验系统   硬件设计   软件开发  

摘要： 实验教学是专业人才培养的重要教学环节。实验教学的设备系统和教学组织形式，直接关系到实验教学的效果和人才培养的质量。开放式、模块化的系统结构和设计型教学组织，是实验教学的有效形式。数据采集是工程测试系统的重要环节，是机电、动力类专业的基本教学内容，本文围绕数据采集实验教学，尤其是标准仪表体系下的计算机自动数据采集技术，针对课程教学的实际需要，设计开发了一套开放式的数据采集综合实验系统。　　（1）分析了实验系统的功能要求，完成了实验系统总体设计。系统采用模块化、平台化设计，配开放式安装底板，采用工业标准的安装导轨、接线端子，凸显硬件集成接线的重要性，基于面板图形引导，使用者自主接线，构建电源、信号回路。以电动单元组合式仪表系统的二线制接线方式为核心，在同一平台上集成多种常用数据采集模式,包括传统仪表，以及RS-232、Modbus RTU、USB、PCI等计算机接口总线形式，为使用者提供一个综合的学习实践与设计开发的实验平台。本着“硬件集成，软件开发”的原则，使用者构建自己的计算机自动测试分析系统。　　（2）完成了系统硬件设计。以开放式为原则，设计了系统实验台架，重点分析了安装底板和组件固定板的设计;围绕标准仪表系统的二线制接线方式，设计选型了各种检测变送仪表、显示仪表以及电源等元器件;以计算机自动测试系统为目标，分析了多种数据采集模式，选型确定了多种数据采集模块。　　（3）完成了系统应用软件开发。分析了数据采集软件系统的一般功能，包括数据采集、数据分析、数据显示和数据存盘等。按照模块化设计思想，分别探讨了VB6.0、LabVIEW及组态软件环境下数据采集软件的开发实现过程。　　（4）对实验平台进行了应用测试。分析了实验系统主要功能，给出了系统典型配置，编写了实验指导书，并以一单通道温度数据采集为目标，分别就智能仪表数据采集以及USB总线、Modbus RTU数据采集模式，并基于VB6.0、LabVIEW及组态软件等不同软件环境，设计开发了实验系统，给出了系统硬件信号连接、软件界面及操作过程。应用表明，基于实验平台，使用者可自主设计、自行硬件接线、开发软件系统，快速构建自己的数据采集系统。

关键词： 应变测量   微信号  

摘要： 在结构力学试验中,应变测量是获取实验结果最直接的方法。通过应变测量设备和粘贴在试验件考察部位的应变片的配合使用,可以得到试验过程中每一个应变片粘贴部位试验件的应变数据,从而也就得到了试验件的具体形变量。最终将试验过程中施加的载荷与试验件形变量一一对应,通过试验数据的分析计算,判断试验件的设计是否满足要求。由于应变测量过程中得到的应变数据的单位是με,所以对应的测量电压变化是亚毫伏级。本文主要讨论的问题就是,应变测量设备如何针对毫伏级的电压测量,进行硬件电路设计,对微小的电压信号进行合理的调理、放大与滤波。从而最终可以获得更加准确及真实的试验数据。

关键词： 采煤机   薄煤层   电气控制   硬件设计  

摘要： 电牵引采煤机由截割部分、截割电机、电牵引控制组成,截割部分由固定齿轮箱和摇臂组成,摇臂与齿轮箱相连衔接,摇臂和齿轮箱分别和油缸衔接形成四杆滑块构造.齿轮箱与截割电机连接,电牵引控制由电机、齿轮减速箱、链轮系统控制,电机与减速箱入轴相连,链轮系统主动链轮与减速箱输出轴相连,构建完整的电牵引采煤机机体结构.采煤机主要运作由电气控制系统工作,我们以STM32单机片为主控芯片设计电牵引采煤机电气控制实验.

关键词： 智能化立体车库   实训教学系统   硬件电路设计  

摘要： 本文将围绕智能化立体车库实训教学系统进行阐述,详细分析实训系统机械结构设计以及控制系统设计,并将解决城市交通拥堵作为研究的关键,在实际研究的过程中充分结合智能化立体车库的实际情况,整合设计原理以及设计理论,并坚持实事求是的基本原则,旨在为日后研究工作的顺利进行奠定基础.

关键词： 插补系统   可靠性   故障树   贝叶斯网络   马尔可夫链  

摘要： 嵌入式插补控制器在多轴联动机床当中被大量应用,是机床控制系统依据规定来对刀具的运动轨迹来进行加工的关键。在机床进行复杂机密加工时,由于导致加工过程中出现的一系列问题,必然会对加工质量和加工成本造成较大的影响,设计一款可靠度较高的插补控制器具有非常重要的意义。此外,插补系统硬件设备包含了很多元器件,而每一个元器件的工作状态,都会对整个插补控制系统的可靠性有着影响,由于其工作性质致使要求可靠性很高。开展嵌入式插补系统系统硬件可靠性研究,找到故障易发故障部位,快速地进行故障定位,才能进一步增强系统的可靠性,还能根据研究结果对设计进行改进,对提高嵌入式的硬件部分的可靠性水平甚是有益。本文依托国家自然科学基金项目“基于时序溯源的嵌入式数控系软件可靠性评估方法研究”,将多轴嵌入式插补系统做为研究对象,开展嵌入式插补系统的硬件可靠性的预计方法研究。主要研究内容如下:首先,为满足插补需求,研究了嵌入式插补控制器的重要电路,分析了部分重要电路的工作原理,设计了以STM32为核心控制器原理图以及PCB图,制作了样机设备,并做了相关的可靠性试验。其次,为了评估该插补系统可靠性,首先,统计了容易出现故障的元器件类型,并分析了元器件的故障原因和失效模式,通过可靠性手册,获取了每一个元器件的失效率。再根据故障树模型,将插补系统失效确立为顶事件,通过演绎法,由上而下确立了一系列中间事件及基本事件。根据定性分析,确定故障树的易失效部分;再根据定量分析,确定顶事件出现的概率。并根据概率重要度分析,评估了某部分元器件因失效而导致的的系统失效的变化程度。最后,根据故障树因果关系建立贝叶斯网络,通过先验与后验概率的计算,得到各事件出现的条件概率。再次,考虑到元器件故障修复的问题,建立了Markov模型,根据状态转移关系建立了状态转移矩阵,通过对Markov状态转移方程来求解,得出了插补系统的失效率的变化曲线。此外,还针对部分模块敏感性做了分析,找到了影响插补系统可靠性和可用度的敏感因素。最后,根据可靠性分析的结论,总结了插补系统的薄弱环节以及提高可靠性的措施。

关键词： 类脑计算   基本神经单元   Izhikevich模型   硬件架构设计  

摘要： 近年来,人工智能技术在图像识别、语音处理等方面得到了广泛应用,人们对处理器性能的需求也在不断提升。受到冯诺依曼结构的限制,传统CPU等处理器运算性能逐渐无法满足人工智能解决方案对计算机性能的要求。生物神经学的处理能耗效率非常高,借鉴生物神经系统对人工神经元及网络进行修正及改进,逐渐成为人工智能的发展新方向。同时,当前深度神经网络中的神经元仅具有计算功能而失去了生物神经元的神经特性,对神经网络的整体性能也带来影响。论文针对当前人工神经网络存在的问题,从生物神经信息传递的角度出发,对生物神经元数学模型进行简化,并尝试对基本神经单元进行硬件建模。受到单房室模型的启发,论文选用了具有较高的运算效率及较多神经计算特性的Izhikevich单房室神经元模型作为神经单元的模型基础。区别于主流的实现方式,论文从神经元信息传递的角度对该模型进行了全新的设计与实现。在实现了该模型的神经计算特性的同时又在一定程度上提高了基本神经单元的工作效率。论文在基本神经单元的结构设计中,利用生物神经学中取得的成果,对生物神经元的结构及其信息传递过程进行了研究。生物神经元信息传递过程主要由外部信息转化、电信号的传递、神经元内的信息更新以及神经元连接的权重更新四部分组成。据此对基本神经单元的核心模块进行了划分,主要分为事件生成模块、刺激生成及分类模块、阈值电压更新模块、膜电位更新及脉冲生成模块。事件生成模块主要将外部传入神经元的信息转化为事件并进行属性的分类。刺激生成及分类模块主要将事件及其属性转化为刺激信号,同时根据不同时刻的刺激强度所构成的输入电流形式进行分类。阈值电压更新模块主要对基本神经单元在不同神经计算模式下的阈值电压进行更新。膜电位更新及脉冲生成模块主要将其他模块生成的事件、输入电流及阈值与当前神经计算模式相结合进行阈值电压的更新及脉冲发放。除此之外,还对基本神经单元之间连接权重进行更新的权重更新模块进行了设计。本论文中的硬件实现部分使用了 Verilog语言进行硬件建模,对整个基本神经单元进行了硬件实现。在基本神经单元的仿真测试过程,为了保证基本神经单元设计无误,在仿真测试中首先对底层模块的进行了测试。确认了底层模块功能的正确性后,对Izhikevich单房室神经元模型的20种神经计算模式逐一进行了仿真,以分析本设计中基本神经单元功能特性是否正确。最后,在TSMC 65nm工艺下,利用利用Synopsys的设计工具对基本神经单元进行了综合。本文中所设计的基本神经单元在最大工作频率下的硬件面积约为1594μm2,硬件功耗约为0.1183mW。综上,论文实现了预期目标,完基本神经单元的设计及其硬件实现。

关键词： 射频开关矩阵系统   硬件设计   性能测试  

摘要： 5G通信技术已开始逐渐在全世界普及推广，而中国已然成为5G技术及实际运用领域的领头羊，目前在国内，5G基站大规模商用在即，为争得市场份额，使得各家通信设备厂商必须加快5G基站产品的研发周期和生产速度。根据5G基站技术特点，由于MIMO(Multi Input Multi Output)技术的演化升级，5G基站天线数量较4G基站已呈几何级增加，目前最多已达256根天线，随之射频通道数量也由4G基站最多的8根增加到64根，导致面对一台5G基站的研发和生产测试工作量较4G基站最少增加了8倍以上。如果再延续4G基站测试手段而不进行优化升级，则会导致研发测试周期漫长和生产测试效率极低，对于基站设备厂家而言面对的将是快速失去5G市场份额及生死存亡。　　针对以上急需解决的实际问题，如何摒弃4G基站时代射频测试工作依赖人工操作，测试环境辅材庞杂等问题形式，针对5G基站自身特点，本课题设计开发一种具有多通道的射频开关矩阵硬件系统，以实现测试流程高度自动化，射频接口输入输出集成度更高、测试结果一致性更强、可靠性耐用性更高、适应性灵活性更好、体积小更便于在各测试环境之间切换使用等功能特点。　　本文详细阐述了多通道射频开关矩阵硬件系统设计内容，包括系统内外部机械结构设计，系统内部射频通路部分涉及的机械开关、多型射频线缆、一体化衰减器等相关器件的选型与设计，以及主控板卡中处理器芯片、EPLD芯片和相关外围器件电路等硬件设计内容。在开关矩阵系统硬件测试与验证工作中主要在可靠性仿真试验分析和射频通路性能验证两个重要方面进行了详细描述。　　本课题设计实现的射频开关矩阵硬件系统具有以下4点创新特性:　　1.支持大规模多达64路射频通道同时进行5G基站射频指标测试　　2.外部射频对接端口高度集成化、模块化，使设备体积小型化，简化5G基站测试环境，更利于维护升级;3.支持5G基站全频段射频指标测试;4.可承受大功率5G基站射频信号;本课题设计实现的射频开关矩阵硬件系统目前已大批量在5G研发和生产测试线中投入使用，测试线人员的反馈已完全达到总体设计需求预期，确保了5G基站研发周期的可控性及大规模批量生产测试的产出效率，为企业大幅度提高产品竞争力、快速夺取5G市场份额并取得巨大经济效益做出了突出贡献。

关键词： 模拟阅读   脑-机接口   FPGA   最小二乘支持向量机  

摘要： 脑-机接口是不依赖于外周神经系统以及肌肉组织,直接在人脑与外部设备之间创建的一条信息传输通道,它在医疗康复和特殊环境下作业等领域有着巨大的实用价值。脑-机接口系统主要由信号采集、特征提取、模式识别以及控制信号输出四个部分组成,其技术核心是将输入的脑电信号解码为控制信号的转换算法。“模拟阅读”脑-机接口由中南民族大学研究团队首次提出,它在信息传输率及识别准确率方面均取得不错效果,国内已有团队研发了实时字符输出的在线“模拟阅读”脑-机接口系统。但是,该系统中脑电信号处理算法依赖于PC机,这让“模拟阅读”脑-机接口系统在便携性和实用性上受到很大影响,使其目前的应用还是停留在实验室阶段。随着可编程逻辑器件技术的发展,FPGA在数据处理性能和运算速度上均得到巨大的提升,能够处理大部分脑-机接口中的数据流控制和算法任务。本文设计一种基于FPGA的“模拟阅读”脑-机接口硬件系统,将已有系统中的数据预处理以及核心算法全都移植至下位机,较大程度上提升系统的便携性,促进脑-机接口技术实用性的发展。本文主要工作包括完成基于FPGA平台的脑电信号采集、数据预处理、核心算法移植三大部分。信号采集包括脑电极和A/D模块,其中A/D模块由FPGA控制ADS1298芯片完成数据传输;数据预处理包括带通滤波、特征提取、数据降采样和归一化,其中滤波器选用IIR带通滤波器,特诊提取选用时域法,归一化选用最大最小标准化方法;核心算法移植包括最小二乘支持向量机的移植,并在已有实现方法的基础上,创新性在FPGA上设计出该算法中的神经网络权值系数的实时计算功能,使其能够更好的应用于实时脑-机接口系统。最后,为测试系统工作状况,以PC端处理结果为参照,对系统各模块进行功能测试。测试结果表明,各模块均可正常工作,本系统对样本分类的准确率与基于PC平台的系统分类准确率几乎相同,满足设计要求,验证了以FPGA替代PC端完成数据处理的可行性。

关键词： 数据采集   片上网络   电源设计   信号完整性  

摘要： 数据采集是测试测量领域的重要组成部分,随着数字化时代高速发展,对数据采集的系统提出了更高要求,传统基于总线形式的数据采集方案遇到了扩展性差、时钟树庞大等瓶颈。本文采用片上网络技术实现数据采集,在研究片上网络相关理论基础上,以重点设计基于No C高速数据采集的硬件平台,为相关技术理论的研究提供实验平台。通过分析基于No C高速数据采集的实施方式,确定硬件平台设计架构和功能模块划分,就其各个功能模块的实现方式进行了设计。平台以Xilinx的XC7A200T FPGA为核心,用以实现片上网络路由器、数据获取,传输、存储器控制、对外高速接口等功能。本平台使用DDR3 DRAM作为高速数据采集、传输、处理过程中的缓存器,可以工作在533MHz频率模式下,双沿操作数据,为系统提供了较大的数据操作带宽。为了实现四通道数据采集,选择两片采样率均为1Gsps的ADC芯片作为平台数据采集通道,并设计了ADC抗混叠电路等模拟前端,对模拟信号的输入进行调理,并对抗混叠滤波器进行单独测试调优,达成了设计目的。为了解决数据采集中通道间同步的问题,在研究了当前主要的网络时钟同步方法的基础上,借鉴WR-PTP的方式,设计了用于DDMTD方式同步时钟的硬件功能单元。为了使得本平台工作稳定可靠,对电源和关键信号进行了集中优化设计,电源输入端引入了过压保护、防反接保护、缓启动设计、上电序列控制设计。并针对FPGA内核供电的小电压大电流的设计挑战,利用Hyperlynx进行电源完整性仿真和分析,并就仿真结果优化设计,最终达到预期设计目标。为了将采集到的数据及时,可靠的与外部进行交互,使用高速串行总线对外传输数据,借助于FPGA灵活配置的特性可以实现万兆以太网,Aurora等传输协议。为了使得高速串行数据接口在物理层面上的传输稳定可靠,设计光口作为通信的物理介质,利用光纤通信受干扰小,带宽大等优势方便后期数据传输。在详细研究了Xilinx 7系列FPGA高速Serdes以及高速数据传输特点的基础上,完成了原理图和PCB设计,并使用Hyperlynx就其中关键的信号路径进行了信号完整性的分析和仿真。最后借助IDE中集成的工具对设计结果进行测试,表现良好,满足设计需求。在完成上述工作的前提上,通过FPGA开发工具中内嵌的工具进行了数据采集功能的验证,结果表明,该平台可以完成基于No C的高速数据采集,在领域内一定的应用参考价值。

关键词： 潜油电泵   永磁同步电机   定子屏蔽套   矢量控制   硬件设计  

摘要： 传统加油站采用负压式加油方式的自吸泵型加油机,自吸泵加油机的结构原理决定了每个加油机必须配套一个自吸泵和一条管路,结构和布局复杂。负压式加油工艺会使管道内存在油气混合物,且容易产生气阻问题,影响客户利益。国外很多加油站已经采用与在线式城市供水系统原理相同的正压式加油方式,可以提升输油品质,提高加油站工作效率及经济效益,降低加油站的建站成本和运营成本。常用的正压式加油方式由异步电机通过传动杆驱动油泵,电机无需特殊的密封设计,但细长传动杆的存在增加了制造成本,降低油罐的密封性,汽油与外部空气接触挥发损耗大,存在爆炸危险。潜油异步电机需要在电机气隙处加入屏蔽套用于消除汽油对电机定子绕组和转子导条的危害,会加大电机的气隙,增加损耗,降低系统的效率。针对以上问题,本文设计一台变频调速潜油永磁同步电机,完成屏蔽套的设计与损耗分析,并对电机的控制系统和硬件电路进行深入分析。本文的主要工作如下:（1）潜油电机设计中常采用整数槽的极槽配合,定子冲片套用异步电机冲片。为降低气隙谐波在屏蔽套中产生的损耗,改善电机的运行性能,本文采用场路耦合的方法,完成了潜油泵用永磁同步电动机的电磁设计,对比整数槽和分数槽的仿真结果,确定潜油永磁电机的设计方案。对于少槽电机,对比梨形槽和梯形槽两种结构的磁密分布仿真结果,选取合适方案,提高定子的功率密度,进而提高冲片的利用率,减小电机的体积和重量,节约电机的成本。（2）对于潜油永磁电机,为提高电机的密封性和散热性,本文完成了定子屏蔽套的结构和尺寸设计,在定子屏蔽套和机壳之间设计一个封闭的定子腔,通过注入环氧树脂完成密封设计。通过对定子屏蔽套的损耗计算,确定了屏蔽套的厚度和材料,对比分析整数槽和分数槽对定子屏蔽套损耗的影响。（3）为了提高电机的响应速度,减少加油等待时间,使电机在加速、恒速和减速三个阶段,可以根据管道内油压情况稳定、高效运行。本文自行搭建了矢量控制系统仿真模型,仿真结果表明该控制系统可以对给定转速实现较好的跟踪,具有较强的抗扰动能力。本文在对逆变模块、整流模块等元器件选型的基础上,完成了控制器的硬件电路设计和布局设计,将控制器设计在泵体内部,省去散热系统,缩短控制器与电机间的距离,提高系统的可靠性。