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关键词： 船舶通信天线   伺服控制系统   硬件设计   软件开发  

摘要： 本文针对船舶在航行过程中不断运动产生的方位、角度等实时变化而导致无法实现高效、实时、稳定通信的问题，设计并实现了一种船载动中通天线伺服控制系统。论文首先提出了一种基于Ziegler-Nichol PID(proportional-integral-derivative control)的控制策略，并详细阐述了伺服控制系统中惯性航姿子系统以及转台运动伺服控制子系统的软硬件设计，最终对船载动中通天线伺服控制系统进行了相关测试，测试结果显示，该系统能够实时精准的对航姿变化进行检测，同时能够实现对天线轴向的稳定控制。　　论文的主要研究内容包括:　　(1)提出了一种基于Ziegler Nichols的船载伺服系统自适应PID控制器的频率响应方法。控制电路在正常操作过程中通过输入和输出数据在线识别对象的重要临界频率响应特性，并根据Ziegler-Nichols设置规则更新PID控制器参数。PID控制器的自适应过程可以在线实时校正参数，并确保在操作状态改变的情况下控制回路也能够始终保持在最佳状态。　　(2)介绍了“动中通”天线伺服控制系统的硬件设计。对微型航姿检测系统和转台控制系统进行硬件选型。并通过对相应传感器以及步进电机特性的分析设计硬件电路。　　(3)介绍了“动中通”天线伺服控制系统的软件设计。包括对软件系统中解算模块、数据接口模块设计以及上位机系统的设计。应用Ziegler-Nichol PID的控制策略提升轴向控制精准度。采用MFC技术完成上位机系统设计。其主要实现的功能包括系统状态相关信息的显示、数据/指令的发送和接收。　　(4)完成天线跟踪性能测试。介绍了测试环境，并通过对测试结果的分析得出该系统能够精准的进行航姿检测，在摇摆台测试环境下能够实现实时、精准地对星。

关键词： 电路实验教学系统   虚实融合   硬件设计   软件开发  

摘要： 强化学生电路基础和底层硬件的知识储备,培养掌握完备软硬件知识体系,同时具备硬件电路设计开发能力的高素质人才,对于新工艺及新技术层出不穷的现代信息技术(IT)领域显得尤为迫切和重要.学生硬件设计开发能力的培养,除了扎实的理论基础,更重要的是为学生构建突破时间空间约束的软硬件环境,使其得以根据知识掌握程度灵活选择课外时间,在设计合理的在线案例引导下开展自主性探索实践,点燃学生热爱专业的激情和求知欲,这对于当今科学发现应接不暇,各种理论不断推陈出新的知识爆炸年代显得尤为珍贵和重要.　　论文以无线通信系统中应用极为广泛的振荡电路为研究对象,运用Multisim-LabVIEW联合仿真技术及STM32为核心的数字变阻器远程控制技术,融合基于B/S架构的Web开发技术及移动端LabVIEW应用程序开发技术,完成了多终端虚实融合在线电路实验教学系统软硬件的设计开发.主要包括基于PC的虚实融合实验平台、基于Web在线访问及移动端远程交互三大功能模块.论文的主要研究工作和创新点如下:　　(1)在线系统需求分析及总体架构设计.针对目前传统实验教学存在的问题,深入分析系统的设计需求,在明确系统设计目标的基础上,给出总体设计架构.在阐述系统各组成模块功能的基础上,制定系统开发的关键技术及实现方案.　　(2)应用电路的设计及性能研究分析.作为在线实验系统的应用电路,论文首先对振荡电路的工作机理进行详细阐述,在理论分析计算的基础上完成电路拓扑及元件初值的设计.并对振荡电路重要特性展开深入分析,针对傅里叶变换(FFT)在相位噪声分析中出现的频谱泄露问题,论文兼顾主瓣宽度应尽量减小、旁瓣衰减速率应尽量大的要求,为时域信号选择合适窗函数,为提高后续开发相位噪声分析模块的测量准确度提供理论依据.　　(3)虚实融合电路实验平台的设计与实现.该平台作为整个在线系统的核心部分,具体开发工作包括:虚拟电路仿真实验及实际硬件电路远程测控实验.虚拟仿真实验借助于Multisim对电路特性及电路关键元器件参数与振荡电路性能之间的量化关系展开深入的仿真分析.基于Multisim-LabVIEW联合仿真及单片机STM32硬件电路参数远程调控技术,依托NI ELVIS套件开发实验平台主界面,实现虚实交互融合.实验主界面具有可视化、可操作、功能强大、直观具体的特点,其中静态工作点实时动态显示模块,将静态工作点在晶体管饱和区、放大区、截止区上下移动的现象"化抽象为具体",弥补了实际电路无法直观测量静态工作点的不足.　　(4)基于Web及移动端的远程在线访问终端的实现.利用LabVIEW的Web发布技术和"Python+Flask+MySQL"Web开发框架,设计动态可交互Web页面,实现实验平台的在线访问.运用Data Dashboard构建基于移动端的电路实验应用程序,通过LabVIEW网络发布的共享变量与服务器端的实验平台进行数据通信和读写操作,实现移动端对实验平台的远程交互.　　(5)在线系统性能和功能测试.通过浏览器和移动终端对虚实融合电路实验教学系统的功能和性能进行测试,并根据案例引导对虚拟电路仿真实验及硬件电路实验进行测试分析,实现硬件电路测试结果对虚拟仿真分析有效性的验证.　　测试结果表明,论文开发的多终端虚实融合在线电路实验教学系统,研究内容丰富,具有较强的可操作性,使用灵活方便.核心实验平台界面友好,分析功能强大,人机交互顺畅,达到了预期的教学效果,具有一定的实用和推广价值.

关键词： 电池管理系统   阻抗检测   SOC估计   硬件设计   软件设计  

摘要： 在大规模储能技术中,性价比最高的电化学储能技术中的锂离子电池储能技术因其体积小、效率高以及污染小等优势发展最为迅速。锂离子电池本身的特性比较复杂,如果运行过程中的状态参数不能得到实时监测,将会导致锂离子电池单体发生过充、过放等问题,进而引发过温、热失控等安全事故。研究能够对锂离子电池状态参数进行实时监测与控制的电网储能用电池管理系统具有重要意义。本文针对当前储能电池管理系统存在的问题,开展的研究工作如下:(1)对电池及电池管理系统的相关概念、理论、技术进行了介绍,进而进行了电池管理系统的需求分析和总体设计。首先介绍了储能用锂离子电池的工作原理及技术参数,在常用阻抗检测方法的基础之上给出了本文所采用的阻抗检测方法;紧接着对锂离子电池SOC、SOH以及内温的估计方法及原理进行了说明;最后,在对电池管理系统进行需求分析的基础上给出电池管理系统的技术指标,以技术指标为依据给出了系统的总体设计方案。(2)对电池管理系统的硬件进行了设计。硬件系统选择研华科技公司的IPC-610L型号工控机作为管理系统的主机;以TMS320F2812PGFA的DSP作为测控模块的核心控制芯片,分别完成了信息采集单元、温度控制单元以及故障隔离单元的硬件选型和电路框图设计,使用CAN总线作为系统各部分之间的通信媒介实现数据的可靠传输。(3)对电池管理系统的软件进行了设计。系统主控模块软件由数据库、电池状态评估、故障诊断及处理、一致性管理以及人机交互界面等部分组成;测控模块包括信息采集单元、温度控制单元以及故障隔离单元等;主控模块与测控模块之间的通信由通信软件实现。(4)对设计完成的电网储能用电池管理系统的主要功能进行了测试。按照技术指标要求和总体设计方案要求,对完成的主控模块软件的功能界面、电池状态评估、故障诊断以及测控模块硬件的信息采集等功能进行了测试。测试结果表明各项功能满足设计要求。

关键词： 可编程门阵列   数字信号处理   嵌入式  

摘要： FPGA即现场可编程门阵列,用户不需要投片生产,只需对FPGA进行外部配置即可得到合用的芯片。FPGA适用于高速采样频率、高数据率的场合,如数据采集和接口领域等。目前国产FPGA的发展还处于初级阶段,普遍不含有专用的数字信号处理模块,所以运算速度较慢。基于上述原因,本文以一款嵌入FPGA的DSP模块为例,研究了DSP在嵌入FPGA后的多种常见应用。DSP是一种独特的微处理器,是以数字信号来处理大量信息的微处理器,适用于较低采样速率下多条件进程、特别是复杂的多算法任务,主要用于数据、语音、视像信号的高速数学运算和实时处理方面。将一些能实现数字信号处理功能的DSP模块嵌入到FPGA芯片的结构是数字电路设计的一大趋势,FPGA主要对高速数据进行预处理,降低数据的速率,然后将数据送给DSP,去实现复杂的算法。这种改进的DSP模块成本低、性能高,典型应用为FIR滤波功能、FFT快速傅里叶变换功能、卷积等功能。本文的主要工作、研究方法和研究成果包括:(1)分析嵌入FPGA的DSP的参数及特征,针对课题的具体要求确定系统的设计任务和设计原则,提出系统总体设计方案,并将系统划分为不同的模块,包括IR(Input Register)、MULT(乘法器)、PR(Pipeline Register)、OR(Output Register)、ALU等模块设计。其中,IR负责对输入数据进行采集,频率与系统频率相等甚至更高。将采集到的数据可以送入乘法器模块进行乘法操作,包括有符号数及无符号数的相应操作,一个乘法器模块可实现一个9*9或18*18运算;也可以送入ALU模块进行算术逻辑操作,包括加减或逻辑运算。若想实现更大宽度的乘法操作,则可将多片DSP级联,并利用每一级的ALU将各级DSP的乘法结果进行累加即可实现。(2)使用Virtuoso对硬件电路各模块进行设计,使用Hspice或XA对各模块进行功能仿真,使用VCS对整体电路进行功能验证,并使用Hspice或XA对电路进行性能仿真。验证结果表明本设计可实现FPGA所常用的多种数字信号处理功能,包括有符号数(或无符号数)的乘法、加(或减)法、乘累加等,运算频率可达600Mhz。

关键词： SAR   去线性调频   DDS   DDC  

摘要： 合成孔径雷达（SAR）技术的不断发展创新,SAR雷达系统在军事、农业、环境监测以及地图测绘等诸多领域都有极高的应用价值。近年来,大带宽SAR雷达系统的应用技术研究已成为当前科学领域的研究热点之一,因为在合成孔径成像原理中,雷达发射带宽与分辨率成正比的特征,提高SAR雷达发射信号带宽既提高成像分辨率。本文研制的一种LFM脉冲体制的微型SAR实时成像雷达系统,其工作带宽为500MHz,具有重量轻、体积小等特点,成像处理快且具有较高的成像分辨率。该系统主要用于装载在小型无人机上,可实现对地大场景的高分辨实时成像,在安防领域中具有极大的使用价值。本文主要以微型SAR实时成像系统的硬件设计方法为研究重点,实现了一套基于FPGA+POWERPC架构的LFM脉冲SAR雷达,文章主要包括以下内容:论述了LFM线性调频波雷达的相关理论,并根据理论分析了微型SAR实时成像系统的主要参数指标。设计了一种相对延迟可调的双相干源的设计结构,系统可灵活应用于对不同距离、不同场景大小目标的成像。在雷达信号发射端,系统采用了两种LFM扫频设计方案:一种是DDS+DAC基带小带宽的LFM扫频的设计方式,该方案在FPGA平台上设计了一种二倍采样速率的DDS扫频源系统解决了单个DDS工作频率受限的问题;另一种是采用专用DDS芯片AD9914产生基带大带宽LFM扫频的设计方式,该方案在FPGA平台上设计AD9914的控制电路模块,通过对AD9914参数配置实现LFM扫频。在雷达信号接收端,根据DDC数字下变频理论,本文设计了一种基于CORDIC旋转的正交混频器和一个10级半带滤波抽取结构。基于CORDIC旋转的正交混频器的设计避免了在FPGA平台上使用复杂的乘法运算,而10级半带滤波抽取结构可以使系统灵活地根据回波信号带宽选择速率匹配的数据流。最后,对整个微型SAR实时成像系统进行联调测试,对LFM信号的频谱线性度、点目标距离探测、目标成像等进行了验证。

关键词： 时钟同步   电力系统   PTP over SDH   硬件设计   晶振频率控制  

摘要： 电力系统的稳定运行需要依托统一的时钟同步系统。随着电力系统开展“三型两网”的建设,更多智能化、分布式装置接入电网,电力系统中部分装置的时钟同步精度需要达到纳秒级。针对传统的远距离时钟同步方式无法满足时钟同步尤其是远距离时钟同步高精度要求这一情况,本文研制了一种面向远距离时钟同步的电力系统时钟系统,该系统与传统时间同步设备相比精度和稳定性更高。对比多种时钟同步方式,通过PTP协议实现时钟同步可以达到更高的精度,但是PTP协议应用于以太网的时钟同步随着同步距离的提升需要多个交换机,成本上升的同时精度也急剧下降。本文结合电力系统成熟的SDH网络,提出通过PTP over SDH实现远距离高精度时钟同步方式的方案。本文研制的时钟同步系统还包含卫星时钟同步、B码时钟同步、基于PTP/NTP/SNTP协议的网络时钟同步。多种同步方式互备,可以满足电力系统各个场景的应用要求。本文研制的时钟同步系统主要包含卫星信号接收模块、时间频率同步模块和电源模块。卫星信号接收模块实现接收GPS/BD卫星信号的功能。时间频率同步模块采用了“FPGA+ARM”的硬件架构,论文对该模块各种时钟同步方式的硬件设计进行综合阐述,介绍了各种核心芯片及辅助电路等。其中,PTP over SDH依靠FPGA结合E1信号转换芯片实现PTP协议在SDH网络内的E1信号传输。电源模块为时钟系统进行供电,设计的整体电源网络经过了仿真验证及去耦处理。时钟同步系统选用恒温晶振作为频率源,本文对晶振老化漂移进行误差分析,采用了外部标准频率结合锁相环的频率漂移控制方案,介绍了锁相环的硬件设计。对于缺乏外标频的情况,本文采用了北斗信号结合卡尔曼滤波和PID控制对晶振进行频率驯服的控制方案。两种方案经过测试验证均对晶振的频率控制有良好的效果。在无外标频且北斗信号丢失时,时钟同步系统采用卡尔曼滤波对晶振频率漂移进行预测及修正,完成时钟同步系统的守时。针对时钟同步系统的PCB设计,本文进行了层叠、走线、布局等设计,综合考虑了PCB信号完整性及电源完整性。最后,本文对于研制的时钟同步装置进行相关测试,包括各种时钟同步方式的精度测试,报文通信的测试以及守时功能测试。实验结果显示该系统的时间同步方式均工作正常,指标精度可以达到典型值;PTP over SDH精度可以满足电力系统远距离同步的时间精度要求;晶振守时精度可以在卫星信号丢失情况下保持较高。

关键词： 电池管理系统   SOC估算   扩展卡尔曼滤波   硬件设计  

摘要： 汽车产业的发展在给我们带来便利的同时也造成了环境污染和能源短缺等问题,为了实现汽车产业升级,摆脱传统汽车行业的落后局面,新能源汽车已逐渐成为我国汽车工业发展的新趋势。作为其动力来源,锂电池是一个复杂的非线性系统,其状态检测和状态估算仍然是目前研究的重点和难点,因此,设计一款具有高精度状态估算功能的电池管理系统成为制约着新能源汽车发展的关键。本文以三元锂电池为研究对象,对电池的荷电状态（SOC）估算进行研究,完成电池管理系统的软硬件设计,并针对系统的状态检测功能设计实验验证。主要研究内容和结论如下:1.介绍锂电池的结构和工作原理,对常用的电池模型进行对比分析,并在Simulink中搭建电池的二阶RC等效电路模型。基于电池脉冲放电实验数据,对模型进行参数辨识和仿真分析,模型相对误差控制在1.5%以内,说明模型具有较高的准确性。2.分析常用的SOC估算方法的优缺点,并选择卡尔曼滤波算法作为本文的估算方法。分析其延伸算法扩展卡尔曼滤波算法（EKF）的原理和用于估算SOC的可行性,并搭建Simulink仿真模型。利用NEDC工况实验数据进行仿真验证,EKF算法估算误差在2%以内,安时积分法的最大误差为3.5%,均在满足5%的标准要求,验证了基于EKF算法估算SOC的可靠性。3.根据电池管理系统整体架构和基本功能的分析,对系统进行软硬件设计。硬件设计主要完成对主控模块和单体检测模块的电路设计,并在PCB设计上提高模块的抗干扰性能;软件设计主要对系统的绝缘检测功能、SOC估算功能和单体检测功能进行设计。4.搭建实验平台对系统的状态检测功能进行验证。通过测试,实验结果表明系统的总压检测、绝缘检测和单体检测功能均满足设计要求。

关键词： 有源相控阵   发射/接收组件   相位校准   可编程逻辑控制器  

摘要： 有源相控阵系统的独特之处在于它的收发距离远、可靠性高并且波束副瓣低,现在已作为相控阵雷达技术研发中的主要研究方向之一,相控阵的工作原理是对不同天线单元里信号的幅值和相位进行控制,进而达到对整个合成波束发射方向的控制。有源相控阵的主要特点是在天线收发单元后面连接了T/R组件,这可以使相控阵的每一个通道都能独立实现对电磁波的接收和发射,本课题的研究设计主要涵盖有源相控阵射频前端的硬件电路设计和以FPGA为控制器的程序设计。在设计中根据课题指标要求,结合实际安装空间大小将T/R模块设计为四路收发通道模块,具备发射功率放大、接收滤波放大、通道校准、模拟移相衰减、设备自检等功能,使用FPGA达到对有源相控阵的程序控制,完成与前端主机的通信并根据通信指令解析出相控信息再调用事先内置的移相码实现对波束方位的准确控制。以往的有源相控阵射频前端的通道幅相一致性通常靠人工测试补偿,效果不太理想,本课题在相控阵前端的设计中增加校准模块,通过自动监测和上位机控制的方式实时检查各通道相位差,预期达到对波束相位、幅度、频率的精确调控,提高了设备可靠性。本文首先对相控阵技术的特性以及发展趋势进行了描述,然后分析了研究现状并说明了课题的研究内容,接着详细阐述了系统组成和各个模块的工作原理,分别对相控阵前端系统的硬件设计和软件实现进行了介绍,最后对设计中的部分功能进行了测试验证且实验结果显示有源相控阵射频前端系统达到了设计要求。

关键词： 数字电视   视频信号发生器   硬件设计   软件开发  

摘要： 数字电视是继黑白电视、模拟彩色电视之后的第三代电视技术，数字电视拥有更高的清晰度和更丰富的色彩，所以目前数字电视已经逐步替代模拟电视，在图像信号数字化的过程中，很容易使得模拟信号出现一定程度的损伤和失真问题。为了正确评价电视系统，可以采用主观评价和客观评价，而主观评价由于更具有实时性，且主观评价的要求和人们对电视图像的要求极为符合，所以主观评价目前仍是评价电视系统的主要方法。在对电视图像进行主观评价的时候，数字电视视频信号源是最为关键的一个因素。如今，市场上存在的数字电视视频信号源，都或多或少存在着不同程度的问题，譬如系统无法独立进行工作，设备体积太大，缺乏动静态测试序列，不能对测试信源内容进行更新，信号源系统成本昂贵，信号源的指标不合格等等。为此，本次选题的主要目的是开发一种具有独立性、便携性、通用性、低成本、高性能等特点的数字电视视频信号源，该系统既要能独立产生数字视频信号，且数字视频信号的指标也要满足广电总局关于SDI接口的要求，在此基础上该系统需能够随时更新信号源内容，可满足实际应用。　　本文涉及的数字电视视频信号发生器系统包含硬件和上位机应用软件两部分，作者完成的主要工作如下:　　(1)设计了一款数字电视视频信号发生器的硬件平台，其高速信号和普通信号区域严格划分，高速信号的信号线等长设计等EMC方面考虑全面，保证信号源硬件稳定运行，且匹配合适的电阻，满足阻抗匹配要求，以减少信号的反射和损耗。　　(2)硬件平台基于FPGA进行设计，FPGA通过自运算可产生测试信号，经过插值和排序，可生成符合ITU-R BT.656标准要求的测试信号，通过对FPGA的程序进行各种优化达到良好的时钟收敛效果，使信号发生器产生的视频信号指标可满足广电行业的标准要求。　　(3)开发了一款上位机的应用软件，其主要功能是将静态图像和动态的YUV序列进行格式转换，目前主要针对BMP位图和YUV序列进行格式转换，这也增加了其通用性，进一步的可以对其他格式的视频进行转换后，其通用性就更为明显，整个系统具有简单而且方便的扩展输入接口。　　(4)应用软件通过通用的USB接口与硬件平台进行通讯，增强了系统的通用性，FPGA接收到软件进行格式转换后的YUV图像后，进行字节转换，通过FIFO缓存后存入SDRAM中，在系统时钟的作用下，按ITU-R BT.656标准进行插值、排序、从SDRAM中读取图像信号等操作，完成标准电视视频信号的输出。　　本系统实现了低成本、高质量、高可靠性的数字电视视频信号发生器系统，信号发生器硬件平台可以用于对电视系统进行评价，也可以用来测试公司内部自行设计的各种数字电视视频信号设备。而通过上位机应用软件，测试图像和视频内容可按需增加和扩充。后期通过简单的升级和完善就可以实现4K、8K等超高清分辨率的数字电视视频信号发生器，可以满足新的需求。

关键词： 汽车电子控制技术   可视化教学系统   硬件设计   软件设计  

摘要： 本文论述汽车电子控制技术可视化教学系统的设计与应用,提出运用LI-561ubuntu15.01型号服务器为系统程序运行提供环境,采用型号为HYVJ-KIBI152数据采集板卡采集汽车电子控制技术模拟量数据,以模拟数字转换器对模拟量数据进行转换,实现系统硬件设计;利用MCGS组态软件设计系统接口程序、驱动程序,驱动数据采集板卡与模拟数据转换器采集和处理数据,并将其储存到数据库,通过模拟仿真教学单元仿真模拟教学数据库中汽车电子控制技术模拟量数据,实现可视化教学.实验证明,设计系统的教学资源分配正确数量远高于传统系统.