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关键词： 全球卫星导航系统   ZYNQ   接收机   硬件平台设计  

摘要： 作为空基无线导航系统,全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)具有全天候、全球性、连续性高精度三维定位、测速和测时能力,在军民领域均有广泛应用。用户接收机是卫星导航技术应用必不可缺的设备,用户通过接收机实现卫星资源的利用。论文设计了一款基于ZYNQ架构的GNSS接收机硬件平台,可支持GPS、北斗、GLONASS、以及伽利略四大卫星导航系统信号接入和处理,具有小型化、重量轻、低成本等优点。硬件平台的基带数字信号处理模块与导航定位解算模块集成在ZYNQ系列的XC7Z020CLG400芯片中,该芯片上集成了FPGA和双核ARM,可同时实现硬件编程和软件编程,因此,硬件平台既可以与其他硬件集成形成实用化产品,也可以用于算法方案的演示验证。首先,论文对GNSS信号体制进行研究,在详细分析各频段卫星信号特性的基础上,对用户接收机的组成以及各部分所执行的功能进行总结,为方案确定,以及后续接收机硬件平台进行功能测试时,正确合理地配置射频前端提供依据。其次,完成接收机硬件平台的需求和设计要求分析,根据分析结果设计出接收机硬件平台的方案。在硬件平台方案设计中,射频前端采用4片MAX2771芯片进行设计,实现多卫星信号输入的射频前端电路;基带数字信号处理模块与导航解算模块则集成在一个微处理器中,所有元器件全部采用工业级器件。在进行电源模块设计时,充分考虑核心处理器和射频前端芯片对电源电路的要求,采用不同类型的稳压芯片设计出不同输出的电源电路,并控制电源电路的启动顺序。接收机硬件平台的存储设备有FLASH和DDR3 SDRAM两部分。FLASH电路用于星历的存储和程序的固化,为接收机热启动和操作系统的安装提供硬件条件。DDR3 SDRAM部分电路采用双片DDR3芯片构成32bit的数据接口电路,提高了接收机导航解算的速度。再次,根据所设计的电路原理图,完成了高速10层印制电路板设计。在设计过程中,充分考虑电磁干扰、电磁兼容、信号完整性以及电源完整性对印制电路板性能的影响,设计合理的层叠结构,并使用Polar SI 9000软件进行特性阻抗设计;经过合理布局、布线、负片层分割工作后,完成了接收机印制电路板设计。最后,对完成的接收机硬件平台进行调试与测试,验证课题方案和工作成果的正确性和实用性。首先对接收机的工作电压、外围通信接口、数据存储等方面进行测试与调试。完成硬件调试后,进行了中频数据采集实验,验证接收机射频前端电路的设计的正确性,并通过仿真验证,采集到的卫星数据可以用于导航定位;然后对接收机硬件平台进行整机测试,定位结果通过上位机软件输出,结果表明接收机硬件平台满足设计要求。

关键词： 连续血压监测系统   腕部装置   硬件设计   数据预处理   特征提取  

摘要： 高血压已成为危害人类健康最主要的慢性病,因此准确的血压监测显得至关重要?目前血压测量方法多采用间歇式测量，该方法只反应血压瞬时值，无法长期监测，同时严重干扰病人日常生活。　　本研究为克服间歇式方法的弊端，开发了基于腕部的可穿戴连续血压测量系统。主要内容如下:　　(1)硬件设计?基于嵌入式系统,初步设计了放于腕部的可穿戴硬件系统,系统采用两路光电传感器与一路加速度传感器采集PPG-BCG波形,然后通过蓝牙发送数据到上位机?　　(2)数据预处理?研究基于PPG-BCG波形与血压存在线性关系的血液动力学原理，采集15名志愿者的生理波形与血压值。之后基于IIR无限冲激响应数字滤波器滤除波形中的低频基线与高频噪声,成功还原出清晰连续的可重复波形?　　(3)特征提取与分类?使用多波形联合提取的方法,从预处理完的三路波形中提取出包括时间,幅度,能量等的37各参数,这些参数从各个方面表征了心血管系统运行的情况,具有连续估测血压的潜力?　　(4)血压预测模型的训练与分析。基于提取的参数,使用回归分析的方法建立多参数血压估测模型。该模型的SBP,DBP预测结果与真实值相比，相关系数分别达到了0.9与0.92，MAE与RMSE分别是3.08±4.29mmHg与1.52±2.20mmHg，优于传统的基于PTT血压预测模型。　　结果表明本研究开发的无创连续血压估测系统具有简单精确的优点，且与医用电子血压计具有一致性?该技术未来有可能缓解因高血压疾病在我国肆虐造成的医疗社会压力。

关键词： EMCCD   成像系统   硬件设计   FPGA   性能分析  

摘要： 电子倍增CCD(EMCCD)是真正意义上的全固态微光成像器件,属于新兴器件。其高灵敏度、全天候成像等技术特点在军事、天文等领域有非常重要的应用。国内对EMCCD器件和成像系统的研究已经攻克了许多关键技术,但是与国外顶尖厂商还有一定的差距。本文针对EMCCD复杂的驱动要求,设计了一款通用型EMCCD成像系统。在不增加体积的同时,支持多款型号的EMCCD芯片,为进一步研究成像系统的小型化奠定基础。本文从EMCCD工作原理出发,分析了噪声的产生和成像系统的应对方法。根据其对驱动信号的要求,设计了以FPGA为控制核心的硬件驱动电路。选取专用IC进行时钟驱动,通过仿真证明功能实现,并且可减小噪声;利用DAC和滤波放大电路产生正弦波作为EMCCD的倍增驱动信号,可以实现频率、相位、幅值连续可调,而且功耗低,波形更稳定。针对EMCCD输出信号微弱的特点,设计了前置放大电路,并使用相关双采样电路去除复位噪声。模数转换后经过FPGA处理后通过Camera link输出,更方便灵活。FPGA外挂了DDR2,为在线图像处理改善图像质量提供资源。软件上使用Verilog HDL语言编写代码,根据EMCCD的复杂的时序要求产生符合的波形并进行仿真和验证;根据ADC的时序要求产生对应的波形对图像模拟信号进行采样,然后量化输出;根据EMCCD倍增特有特性,利用FPGA做自动增益处理。所有模块都是独立可移植的,具有一定的通用性,可缩短其他EMCCD相机的开发周期。本文最后对成像系统进行联合调试,在实现系统功能的基础上对系统性能做整体分析,包括暗场噪声、信噪比、动态范围、调制传递函数等参数测试和对分辨率靶的实际成像,并与市场上两款主流相机进行了对比实验。结果表明:与安道尔Luca相机和滨松C9100相机相比,该系统的暗场噪声和信噪比参数上优于两款相机,动态范围和调制传递函数参数与这两款相机接近。同时分析了不同积分时间、不同倍增增益下的成像效果,证明在功能和性能上,本文成像系统都达到了较高水平。

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： 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： 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： 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： 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。