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关键词： 凝血功能   STM32   气路驱动   硬件平台设计   PID算法  

摘要： 凝血功能检测在临床应用中是疾病筛查和术前体检的重要项目之一,可以帮助医生做出更科学的诊断结果。凝血功能的常规检测方法包括双向磁珠法、光电检测法、光学浊度法等。血栓弹力图以其快速便携、低成本并能实现即时检测(point-of-care testing,POCT)等优势得到广泛应用。本文总结了生物体凝血级联反应机制,梳理了凝血检测设备的发展历史,分析了市场上常用的几款设备的检测原理及优劣。根据便携式和自动化凝血功能检测的需求,设计了一套实现凝血功能检测系统的方案,着力解决了光学检测和气路驱动数学模型、主控制器硬件部分、下位机软件和遗传蚁群PID温控算法这4个关键技术问题。具体创新点及研究成果如下:(1)针对微流控芯片的检测窗口,设计了光电检测模块中的光路系统。芯片微通道中的流体只有在外部驱动力的辅助下才能实现加样和废液收集。为此建立了气路驱动膜阀的数学模型,并在COMSOL中进行了仿真分析。(2)以STM32单片机为核心,对单片机外围电路进行分析,设计下位机的硬件控制电路。选择合适的元器件进行电路图绘制、布线、仿真、制作PCB和焊接。(3)设计了STM32单片机的下位机软件,计算了芯片通信协议参数、串口引脚配置、控制流程算法和蚁群遗传PID温度控制算法。综上所述,在确定凝血功能检测系统总体框架的基础上,建立了微流控芯片的光学检测和气路驱动的数学模型、探究了嵌入式软硬件系统和蚁群遗传PID温度控制算法。本系统实现了自动化便携式凝血功能检测,具备抗干扰性能,达到了预期的系统设计要求,具备床旁检测的应用价值。

关键词： 零中频技术   CPFSK调制解调   数字信号处理   ASK调制解调  

摘要： 随着中国航空事业的发展,空中飞行器数量日益增加。使得空中交通变得越来越拥挤,国内空域迫切需要发展新的航空技术。由于空域变得日益复杂,导致传统的监管技术变得越来越低效,随着ADS-B(Automatic dependent surveillancebroadcast)广播式自动相关监视技术的应用和发展能有效地解决这一难题。在未来的复杂空域中,它能支持密度更高的飞行空域,ADS-B系统能够实现飞行器目标之间与地面站之间的监视与通信,ADS-B的建设成本更加低廉,但是效率更高,在未来有更加广阔的发展前景。ADS-B系统在未来的应用中具有广泛的意义,我国的空域更适合1090ES数据链,其性比高、适配系统简单。本次课题主要研究UAT模式和1090ES模式下ADS-B信号测试设备的设计,可靠与稳定的ADS-B系统设备需要通过精度更高的测试设备的检测,随着ADS-B系统的应用,ADS-B系统的测试设备也存在大量的需求。在本设计中采用标准的仪器测试设备规范,设计一块标准的3U测试卡。模拟UAT模式和1090ES模式下ADS-B信号,完成ADS-B In和ADS-B Out测试的功能。根据DO282和DO260B的测试文件要求划分硬件测试步骤,最终比较零中频、中频、低中频的方案。零中频技术在接收和发送过程中,只需要一次混频就能把射频信号转化成基带信号或者把基带信号调制到射频信号,结构简单、体积更加轻便,最终选择零中频的测试法方案。本设计的信号模拟设备包含了硬件电路设计和硬件逻辑控制,硬件电路采用AD9361射频收发器作为射频核心器件,控制逻辑设计完成了上位机对AD9361寄存器的配置,实现对UAT模式和1090ES模式下ADS-B信号的接收和发射,FPGA数字信号处理部分的Verilog HDL程序设计。本论文具体完成了ASK的调制解调、CPFSK的调制解调、1090ES数据链的报头检测、UAT数据链的同步信号检测、数字滤波器的设计。在设计完成后,搭建完整的测试平台对设计指标进行完整测试,验证设计方案的正确性。

关键词： 卫星通信   移动终端   射频指标   自动化校准系统   硬件设计  

摘要： 随着我国卫星通信事业的蓬勃发展，卫星移动终端的产量在迅速增加，同时对卫星移动终端的产品质量提出了严格的要求。射频指标是产品管控的重要参考因素，虽然同一型号的卫星移动终端在量产时使用同一型号的器件，但是由于器件生产批次不同导致器件本身存在差异，并且器件的温度变化也会给射频参数带来误差，因此在卫星移动终端出厂前必须进行射频校准。目前我国卫星移动终端射频指标测量前需要终端与仪表之间进行复杂的信令交换，这在工厂批量生产时会导致生产效率降低，这就需要设计一套适合于工厂量产时的射频自动化校准系统。因此，本文基于中科院计算所参与研制的卫星移动终端，设计和实现了卫星移动终端射频自动化校准系统，主要工作如下:　　(1)提出一套卫星移动终端射频自动化校准系统的架构设计方案，在此基础上搭建硬件平台，并使用模块化的设计思想，设计了系统的软件架构，完成射频指标自动化测量和校准的任务。　　(2)提出一种面向对象的程控仪器设计方法，通过对VISA(虚拟仪器软件结构)函数库和SCPI(可编程仪器标准命令)命令库进行改进封装，并基于面向对象的设计思想，设计了适合本系统使用的程控仪器类库，实现上位机对外部仪器设备的控制，提高系统软件的高效性和可复用性。　　(3)设计了一套高效的系统通信机制，通过命令系统实现上位机与卫星移动终端间的通信，通过中断机制与交互机制相结合的方式实现卫星移动终端内部模块间的通信。　　(4)实现卫星移动终端射频自动化校准系统，并进行了模块级和系统级验证。对频率和发送功率的校准性能进行分析，校准前频率误差平均在0.3ppm，校准后频率误差均小于0.05ppm;校准前功率变化平均大于0.4dBm，校准后功率功率变化平均小于0.2dBm，校准效果明显。

关键词： 总体控制设计   硬件设计   软件设计  

摘要： 汽车行业科学技术水平很高,具有大量自动化生产线,提高生产效率同时还缩短生产周期.本文通过对汽车转向轴生产线控制系统的研究,对总体控制系统的要求分析,对整个生产线硬件系统和软件系统分析,结合硬件设计、软件系统、硬件和软件的配合,最终保证生产线正常运转与控制,保证转向轴产品的生产与质量.

关键词： 数据采集系统   硬件设计   软件开发   PCIe总线  

摘要： 作为一项在生物、通信、计算机、人工智能、金融等诸多领域有着举足轻重作用的技术，从图像数据到基因信息再到模型构建，实时高速采集系统的身影随处可见。而随着信息化社会的飞速发展，在日常科研活动中产生的海量数据也对存储系统中各个环节提出了更高的要求。　　基于当前无线网络通信的需求，目前主流的Wi-Fi基带芯片数据吞吐率普遍超过1Gbps，在硬件调试中难以采用现有的抓包或者FPGA调试工具对物理层数据进行全面的采集与分析。严重影响了设计研发人员对该芯片的进一步研究与优化。本论文在此情况下，设计了一套基于PCIe总线的高速数据采集系统。该系统可以将大带宽的基带数据经过初步处理与判断后缓存在DDR3SDRAM存储器中，而后根据上位机指令将存储器内数据通过PCIe总线传送到上位机中。在上位机的软件中可以进行实时的分析和处理基带数据。在整个系统设计中，本论文深入调研本系统所需要的各类关键技术，全面整合现有平台与资源，完成了本系统的整体架构设计与软硬件功能划分，保证了最终设计的可行性。　　在明确了基础框架与关键技术后，本文完成了整个数据采集系统的软硬件的设计。本文的创新点在于，硬件方面:　　1)提出并完成了一套DDR3缓存控制子系统硬件逻辑及系统实现，提出了一种动态可配置缓存的管理实现架构，能够根据被测设备需求、系统配置要求，实时调整采样位宽、采样深度，充分利用DDR存储带宽、存储资源、实时采样调试效率，能实现最大位宽128位，深度125M，最小位宽8位，深度2G，实时工作采样频率最高160Mhz。　　2)提出了一种PCIe本地端控制子系统硬件逻辑架构及系统实现，在该架构中，提出了一种数据采集系统Scatter/Gather DMA传输控制机制，通过设计基于描述符的DMA链式存储结构，能够支持大数据采样深度的主机内存分散式存储，解决了传统DMA方式处理大数据采样深度时连续地址存储的问题，或采用多次DMA传输时频繁中断处理带来的传输性能下降，提高了数据采集系统软硬件交互性能。　　3)提出了一种PCIe接口DMA控制器设计架构，通过DMA传输指令优化及基于块流水的DMA数据通路设计，能够满足吞吐率、传输延迟性能要求，同时改进了资源及设计复杂度。通过本DMA控制器，有效地减少了CPU的使用，提高了PCIe数据传输的效率。　　软件驱动方面，本文利用PCIe驱动程序，在Linux操作系统下完成了上位机应用层程序的设计，搭建测试平台，进行了自然环境下整套系统的实地功能测试。测试中PCIe传输接口实现平均353MB/s传输速率，本系统各部分功能工作正确，性能满足设计预期，能够满足对物理层速率2.5Gbps以内的基带芯片进行实时高速数据采集需求。

关键词： 移动自组织网   跳频   FH-OFDM   RS序列  

摘要： 近年来,随着无线通信技术的发展,移动Ad Hoc网络(Mobile Ad Hoc Network,MANET)得到了飞速发展。但是由于MANET网络拓扑结构变化复杂且迅速,导致其多径效应和节点之间的互相干扰较为显著。跳频技术可有效提高通信系统抗干扰能力、减小信道之间的干扰。正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术是将输入的串行时域数据变换为并行频域数据,因而可考虑将时域数据映射到频率成分中的某一个或某几个上,从而实现基于OFDM的数字跳频。基于OFDM的数字跳频系统具有跳速快、易于数字集成、功耗较小等优点。在基于OFDM的跳频通信中,子载波映射方式和跳频序列对跳频OFDM(Frequency Hopping OFDM,FH-OFDM)系统具有重要影响。本文主要工作如下:(1)首先,对基于OFDM的跳频通信进行理论分析;其次,对基于OFDM的时间连续跳频和时间间隔跳频进行理论分析;最后对m序列、RS序列、Latin Square序列、Costas序列对跳频性能的影响进行理论研究。(2)针对基于OFDM的时间连续跳频通信系统,研究采用单子载波映射、随机多子载波映射、分组分散式子载波映射、分组集中式子载波映射及分组随机式子载波映射五种子载波映射方式的系统性能。(3)提出了基于OFDM的时间间隔跳频通信系统,研究采用固定时间间隔分组分散式子载波映射、固定时间间隔分组集中式子载波映射、固定时间间隔分组随机式子载波映射及随机时间间隔分组随机式子载波映射四种子载波映射方式的系统性能。(4)针对不同的跳频通信系统,构造了非连续抽头m序列、RS序列、Latin Square序列、Costas序列。对九种子载波映射方式下的基于OFDM的跳频通信系统与四种跳频序列的组合在高斯信道、瑞利信道、单频干扰、多频干扰及部分频带干扰下的性能进行仿真分析。仿真结果表明,FH-OFDM系统比OFDM系统具有更优异的抗多径和抗干扰性能,同时发现采用RS序列的随机时间间隔分组随机式子载波映射FH-OFDM与其余子载波映射方式的FH-OFDM相比,在相同的通信条件下,都具有较为优异的性能。(5)完成RS序列随机时间间隔分组随机式子载波映射FH-OFDM系统的硬件模块设计,应用硬件描述语言对主要模块进行硬件设计和功能验证。硬件验证平台采用XILINX公司Virtex-7 VC707 Evaluation Platform FPGA开发板,完成了硬件设计部分的逻辑综合,Vivado综合结果表明:跳频跳时(Frequency Hopping Timing Hopping,FHTH)模块时钟达333 MHz,总功耗达0.619 W,共占用Slice LUTs资源1503个,Slice Registers资源1627个,发送模块占用IO资源523个,接收模块占用IO资源522个。

关键词： 微型群体机器人   硬件设计   轨迹拟合   力学模型  

摘要： 在群体机器人研究、搜寻搜救、工业检测等多种应用领域，一个成本低、运行快、体积小、易制造的微型机器人可以发挥巨大作用。但是，目前已有的微型机器人受到驱动器、供能方式等方面的限制，往往成本高昂，运行速度低，制造流程复杂，难以达到大规模使用的目标。针对这些局限性，本文研究了一种以单一振动电机作为动力来源的、欠驱动的微型群体机器人平台。本文重点对欠驱动微型群体机器人的硬件结构、数学模型、轨迹拟合方法、仿真及实验结果等方面进行了研究，具体内容有：　　（1）通过挑选市面上已有的简单零部件，本课题设计出了一个厘米级别的，由单一振动电机驱动的微型机器人。该机器人仅由一个微型振动电机、一块微型锂电池、一个带有传感器的微型控制板，以及塑料外壳等四个部分拼接而成。创新的驱动方案使机器人的硬件成本较同类研究下降53%，装配时间大幅缩短，运行速度提高至2cm/s。　　（2）课题研究了机器人在欠驱动的情况下，在二维空间内运动的机理。发现微型振动电机产生的离心力会在机器人与地面的接触点上产生推力和力矩，分别使机器人产生周期性平移和旋转运动，从而使机器人在水平面上的轨迹为圆形。通过建立运动学和动力学模型，分析了机器人的受力情况。使用迭代计算的方法，预测了机器人的运行轨迹，分析了各参数对机器人运行的影响，并优化了机器人的结构设计方案。　　（3）通过调节电机转动速度和方向，设计了机器人沿任意路径做近似运动的实现方法。使用计算机仿真的手段，验证了机器人力学模型的正确性。进行了系列实验，通过改变微型振动电机两端电压的方向和持续时间，证明了本课题所设计的微型群体机器人具有沿直线、圆形，及任意曲线运动的能力。

关键词： RS码   译码器   分类   深度学习   突发错误   硬件电路设计  

摘要： Reed-Solomon(RS)码是一种常用的差错控制码,在纠随机错误与突发错误方面均具优异性能,广泛应用于深空探测、无线通信、数据存储等领域。然而现有RS码译码方案存在灵活性较低、自适应能力较差等问题,需要更高效、更广泛自适应性的RS码译码方案设计。近年来,深度学习在信道编译码领域展现了一定的潜力。探索基于深度学习的RS码译码方案,有望进一步降低译码过程复杂度,为提升译码环境自适应性、构建高性能数据传输系统提供新思路。本文研究内容包括深度学习分类方案设计与高效分类译码器硬件设计两部分。在深度学习分类方案设计部分,考虑到分类译码时不同错误类型较难区分的问题,探索利用神经网络实现不同错误类型的分类。首先,本文提出一种基于深度学习的错误码元数分类译码方案,在译码前通过神经网络预测错误码元个数,并根据预测结果自动调整译码算法,从而提升译码过程自适应性、降低平均译码复杂度。随后,本文提出一种基于深度学习的突发错误情况分类译码方案,利用神经网络进行码字有无突发错误、突发错误段数的判断,从而提升译码效率与译码系统的环境自适应性。此外,本文在Tensorflow框架下利用Python代码验证了所提方案的可行性与有效性。在高效分类译码器硬件设计部分,本文设计了一款串行突发错误情况分类译码器。为消除流水线结构RS码译码器中存在的空闲等待时间,将分类译码器时序设计为串行结构。通过译码子模块电路复用设计了一种同时适用于随机错误译码与单段突发错误译码的m SPCF模块。随后,采用Verilog HDL语言对串行分类译码器建模,采用Modelsim和VCS仿真工具进行功能仿真。此外,采用Design Compiler、Prime Time、Prime Time PX等工具进行串行分类译码器的ASIC逻辑综合、时序分析及功耗分析。仿真结果表明,本文设计的串行分类译码器以较少的硬件资源消耗实现分类译码功能,同时具有较低的译码延时与较大的吞吐率。

关键词： PDC无线无源温度传感器   谐振频率   LMX2592   FPGA  

摘要： PDC材料传感器是一种新型的温度传感器,具有高温热稳定、耐腐蚀、抗氧化性与抗蠕变性等特性,是一种高温聚合物先驱体陶瓷温敏材料,利用其特性可以解决在高温、腐蚀等恶劣环境的温度测量问题。本研究正是利用PDC材料温度传感器的谐振频率和温度的对应关系,使用微扰法测量技术研制了一套射频测温硬件系统。PDC无线无源温度传感器的谐振频率会随着温度的变化而变化,并且谐振频率与温度之间存在着负相关关系。为验证此种关系并以此来进行温度的精确测量,本文基于PDC无线无源温度传感器的工作原理与微扰法测量原理设计一套射频测温硬件系统。硬件系统主要包含五个模块,即射频信号发生模块、射频信号传输与转换模块、射频信号检调与采集模块、主控制器模块以及外部接口显示模块。射频信号发生模块是使用LMX2592作为射频信号合成器,使用2倍频器进行倍频,经过功率放大与带通滤波后,产生12.6GHz～13.0GHz的宽带恒幅扫频信号;射频信号传输与转换模块是将宽带恒幅扫频信号通过环形器与波导,建立起对温度传感器激励信号的传输通道与反射信号的传输通道;射频信号检调与采集模块是利用同轴检波器对传感器反射的高频信号进行检波转化成电压信号,通过可调反向放大电路,设计AD采集电路对信号进行采集;主控制器模块即使用FPGA作为主控芯片,控制射频信号合成器LMX2592的扫频范围、扫频步进、扫频点数,并处理AD采集的数据;外部接口显示模块是将系统采集的谐振频率与温度之间存在的关系曲线进行显示。在硬件设计中将系统进行集成化与小型化,将主控器模块与射频信号检调与采集模块中部分电路进行设计集成。最后搭建整体硬件系统和测试平台,通过实验测试各个模块的关键性能指标并对结果进行分析,实验结果表明在温度25℃～350℃中,PDC无线无源温度传感器的谐振频率与温度之间确实存在着负相关关系,当温度升高时,其谐振频率下降,当温度降低时,则反之。此硬件系统的整体响应时间为小于1ms,并且谐振频率与温度变化率为308KHz/℃,测温精度达到±1.3℃,测试指标均满足系统的设计需求。

关键词： 智能分拣   AGV   控制算法   软件设计   硬件设计  

摘要： 随着人民整体生活水平的提高,越来越多的消费者为满足个性化需求,在家居装修时选择可自由定制的板式家具。但定制家具在定制成品过程中的难点是工人驾驶叉车的分拣方式效率低且事故率高。因此本文旨在设计一种可以全自动完成定制家具生产中人造板运输的设备,来提高定制家具生产效率并降低生产中的事故率。本文将设计一款使用在定制家具生产环境中的AGV,通过分析现阶段国内外AGV的发展趋势,对比及研究定制家具公司板料分拣运输系统的特征,确定了定制家具AGV的总体设计方案,并确定了其硬件组成及布局、行走方式、避障方式和导航方式,同时对驱动轮系及从动轮进行布局。根据使用需求选定各模块型号,绘制AGV供电系统的原理图和电机驱动系统原理图,提供电机备选方案,以树莓派3B+为控制核心搭建AGV硬件控制系统。运用Mobilenet模型优化传统目标检测模型SSD,构建全新的目标检测模型SSD-Mobilenet,分析其工作过程并推断损失函数,运用公开的Imagenet和COCO2017数据集以迁移学习的方式对SSD-Mobilenet模型进行训练。对定制家具AGV控制系统软件进行设计,确定Ubuntu MATE操作系统为系统软件的开发环境,并且搭建Python 3.5和Tensorflow编程环境,设计各功能模块对应的子程序,具体包括:避障程序、导航程序、变速控制程序等程序。搭建定制家具AGV实验平台,对控制系统进行可行性和性能检测实验,分析实验结果可知,本文设计的定制家具AGV控制系统可实现自动化行驶和避障功能,运行快速稳定,符合预期的设计要求,此系统为定制家具生产领域提供了新的发展方向。