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关键词： 浊度   传感器   硬件电路设计   软件设计  

摘要： 水是生命的源泉,人类的生存发展离不开水。伴随着经济的发展和人民生活水平的提高,人们对水质的要求也越来越高。生活用水、工业用水、农业用水等各行各业对水质的要求也产生不同的标准,因此对水质的检测就显得尤为重要。浊度是水质检测的重要指标之一,它是指溶液对光线通过时所产生的阻碍程度,包括溶液中悬浮物质对光的散射和溶质分子对光的吸收。水的浊度不仅与水中悬浮物质的含量有关,而且与它们的大小、形状以及折射系数等有关。水的浊度主要是由泥沙、细菌、微生物、悬浮颗粒物、胶体有机物和无机物等引起的,这些水中杂质不仅会影响水的质量,甚至还会引发疾病传播。因此,对水质浊度的检测就显得尤为重要。本文根据浊度检测的基本原理以及对浊度检测方法的分析,采用将透射法、垂直散射法、比值法三种方法综合利用的检测方法,设计了一种检测量程宽、精确度高、稳定性好的水质浊度检测系统。论文主要工作内容如下:1.在传感器设计中,根据选用的浊度检测方法,采用发光二极管、光电二极管、透镜以及温度传感器,设计了一种检测量程宽、精确度高的传感器。2.在系统硬件电路设计中,为了从源头抑制干扰,提高系统稳定性和可靠性,完成了光源驱动电路、I/V转换电路、信号放大电路以及温度检测电路设计;为了进行数据的采集、处理、控制,以STM32F407为系统核心,完成了STM32最小系统电路设计;为了对检测结果进行显示和输出,完成了LCD接口电路以及串口通信电路设计。3.在系统软件设计中,为了进行数据的采集和处理,完成了A/D转换程序以及数据处理程序的设计;为了提高检测系统的稳定性和精确度,完成了按键消抖程序以及数字滤波程序的设计;为了进行数据的存储和读取,完成了数据读写程序的设计;为了进行检测结果的显示,完成了LCD显示程序的设计。4.在实验结果和分析中,根据实验需要,对零浊度水和福尔马肼标准浊度溶液进行制备,并根据配置的样本溶液,进行数据检测、性能指标测试以及影响因素分析。最后,根据数据分析以及性能指标测试得出结论:在0-450NTU范围内,采用垂直散射法线性度好;在450-650NTU范围内,采用比值法线性度好;在650-1000NTU范围内,采用透射法线性度好。实验结果表明,该系统检测量程宽、精确度高、稳定性好。

关键词： 龙门起重机   电气控制系统   硬件设计   功能模块  

摘要： 龙门起重机是造船厂的重要起升运输设备，电气控制系统作为起重机运行的“大脑”，直接决定了起重机运行的安全性和稳定性。提高起重机电气控制系统的稳定性和控制精度，对于缩短造船周期、促进造船业的发展具有重要意义。　　论文以某造船厂的600T、跨距182m的造船龙门起重机项目为研究背景，设计了一种造船龙门起重机电气控制系统的方案，能够实现起重机的运行状态监测和电气控制。论文首先对起重机的参数和工作原理进行了分析，研究了起重机的控制技术，结合系统的性能需求，建立了自下而上的执行层、控制层、监控层和管理层的四层式控制系统结构。然后，从供电系统、主传动系统、防溜钩设计和纠偏设计等方面进行了电气控制系统的硬件设计，系统选用西门子S7-400系列的PLC作为主站控制器，ET-200M模块作为分布式从站，以西门子6SE70系列变频器构成交流驱动系统，分站之间、变频器与主控制器之间经PROFIBUS进行数据通讯。最后，基于WINCC组态软件，对电气控制系统的监控系统CMS进行设计，CMS与PLC构成上、下位机关系，通过以太网传递数据，从CMS可获取系统变量值，监控系统可直观显示起重机各机构的运行情况，同时具有故障报警和故障诊断功能。　　论文设计的电气控制系统经过运行调试，已成功交付。测试表明电气控制系统的设计可以有效控制起重机的运行，并能正确监控并显示机构运行状况。

关键词： FPGA   YOLO   硬件设计   目标检测   实时性  

摘要： 目标检测技术作为计算机视觉、人工智能等领域研究的重要课题之一,无论是在安防监控、还是国防工业等领域,都发挥着重要的作用。然而传统目标检测算法通常运行在桌面计算机或者服务器集群上,存在便携性差、功耗高等缺点,无法满足室外实时检测等任务的需求。此外,传统的目标检测系统通常使用单波段传感器进行数据采集,只兼容可见光传感器或红外传感器中的一种数据输入。虽然在光照充足、场景简单、视野清晰的情况下,可见光图像检测效果较为理想,但当场景中存在遮挡、阴影等干扰时,可见光图像检测结果中漏检,误检的概率会明显上升。相比可见光图像,红外图像针对夜晚场景的生命体、发动机等在红外波段有较强温度差异的场景有较大的优势,但是受限于探测器的限制,红外图像通常分辨率较低,边缘失真严重,并不适合所有工作场景。针对单波段检测系统无法很好满足不同工作场景需求的问题,本文设计并实现了一种双波段传感器的实时目标检测系统,该系统集成了可见光和红外双波段传感器输入接口,采用当前主流的图像检测算法,相比单波段检测系统,该系统能够更好满足不同场景检测任务的需求。采用FPGA和嵌入式GPU异构架构进行系统集成化,充分利用FPGA的灵活性和GPU并行处理的优点,在保证检测系统检测精度和实时性的情况下,实现了低功耗、小型化的双色传感器的实时目标检测系统设计。主要工作内容如下:1.基于红外和可见光双传感器的硬件平台设计为解决单一的可见光或红外传感器获得的信息有限,检测能力不足的问题,本文提出采用可见光与红外双传感器结合的目标检测系统设计方案。并围绕系统设计方案,利用模块思想对系统进行硬件电路设计。分别设计了基于CMOS传感器的图像采集输入模块、基于FPGA+GPU的图像处理模块和基于SDI的实时显示模块,最终获得带有SDI接口可独立使用的可见光相机和半径为14cm的圆形处理板。在满足系统技术指标和功能需求的同时保证了系统良好的散热环境以及工程应用性拓展。2.实时目标检测方案设计研究现有的目标检测算法,综合考虑效果,处理速度与硬件平台适配性,采用基于神经网络的Tiny YOLO v3算法。针对遮挡目标和小目标检测中经常出现漏检和误检问题,根据层卷积对目标局部特征和小目标比较敏感的特性,通过增加YOLO网络浅层的特征输出层和目标局部特征学习的样本,大幅提升网络对遮挡目标和小目标的检测能力。加入大量红外图像训练集,保证算法对红外图像的良好检测效果。将算法移植到NVIDIA Jatson TX2上运行,能够对1920×1080p@60Hz的可见光图像和640×480p@50Hz的红外图像进行实时处理,实现实时目标检测。3.基于FPGA逻辑设计的图像传输为了保证系统的实时性,利用FPGA进行逻辑设计实现包含采集输入功能、数据传输通道、视频输出功能的图像数据传输通路。采集输入部分使用FPGA对CMOS图像传感器配置并接收高速LVDS信号,对接收的各类图像数据进行格式转换以便于传输。数据传输通道利用FPGA内部的IP核完成基于AXI总线的DDR3图像缓存以及PCIe高速数据传输通道的逻辑设计,最后通过视频输出功能对处理后的图像以SDI格式进行显示。本文实现的双波段传感器的目标检测系统,能够满足1080p@60Hz可见光图像和480p@50Hz红外图像输入的实时处理需求,同时克服了目前基于单波段传感器的目标检测系统存在的信息量有限、检测能力差的问题,并且具有功耗小、便携性强、集成度高等特点。在交通监管、安防监控等领与具有广阔的应用前景。

关键词： 医院实验室自动化   托盘转运车   运动控制   硬件设计   软件设计  

摘要： 随着收入和科技水平增加,人们对身体健康愈发重视的同时各种医疗检验项目也愈发繁多,这导致血样标本管理流水线每天都有着巨大的检验量。为了减轻检验部门的负担、避免医护人员直接和血样进行接触,设计了一款托盘转运车用以解决血样试管托盘转运的问题。本文针对托盘转运车控制的相关问题进行研究,使其能够在上位机的命令下成功完成采血试管托盘的取放、转移、存储等工作,与其他相关设备配合实现采血试管分拣流水线的全自动化。本文的研究内容主要包括以下几个方面:以采血试管分拣流水线为应用背景,按照基于行为的控制体系对托盘转运车在上位机控制下需要完成的运动类型进行分析,研究不同运动类型下的基于多传感器融合的定位方式;根据托盘转运车的结构特点设计了托盘取放控制方案,并完成运动控制相关的元件选型。对麦克纳姆轮进行参数化建模,并结合托盘转运车中麦克纳姆轮布置的方式完成了逆运动学模型的建立,为车体的运动控制提供理论依据;对车轮打滑和偏载下的运动特性进行研究,得到了打滑率的计算方式和考虑偏载下与不同车轮驱动力之间的联系。运用卡尔曼滤波对电子罗盘测量的角加速度与磁场角度进行信息融合,得到了车体更加准确的方位角度;根据电子罗盘、激光测距传感器以及激光雷达采集的数据完成托盘转运车的定位;研究步进电机的加减速控制模型,解决了因加减速导致失步与过冲的问题,实现了步进电机的平稳启停;针对转运车底盘不同种类的运动进行仿真,并在位置反馈的基础上对外部干扰导致车体角度突变问题进行纠偏研究,减弱了干扰带来的车体运动误差;对托盘转运车的取送托盘过程进行时序仿真,验证其可行性。对托盘转运车的控制系统进行设计,设计了主板加副板的双开发板控制方案,对副板底板进行了电路设计并制作了控制板;设计主要的驱动程序、避障程序和托盘取送等子程序;设计了主板与上位机、主板与机载平板的通信程序。搭建了控制系统实验样机,对托盘转运车的基本运动进行实验,实验表明转运车的运动精度满足技术指标要求,能在上位机的命令下顺利进行托盘取放。

关键词： 合成孔径激光雷达   线性调频激光信号   DFB半导体激光器   光电锁相环   预失真处理   FPGA   硬件设计  

摘要： 合成孔径激光雷达（Synthetic Aperture Ladar,SAL）是在激光波段应用传统合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar,SAR）技术的一种成果,特别是在机载SAL对地高分辨成像领域有重要应用前景。当前,采用微波波长信号的合成孔径雷达能够达到的最高分辨率远小于激光雷达系统,而普通激光雷达为达到高分辨率远距离成像的目的,又需要使用极大的光学孔径接收镜头。受雷达系统体积等因素的限制,本文采用二者相结合的方法,使用相干性良好的大带宽激光发射信号,搭建一套完整的合成孔径激光雷达收发系统。具体的,本文相关研究内容及工作主要包括以下几个方面:首先,提出本文合成孔径激光雷达收发系统的整体设计方案。介绍线性调频连续波激光雷达技术的基本原理及其距离分辨率,并重点介绍系统中所采用的激光信号外差探测技术原理、探测接收条件以及接收过程中的噪声分析等。该方案能够克服远距离微弱回波信号信息提取困难的难题,极大的提高了系统探测灵敏度。其次,针对传统光电锁相环系统中参数设计与其结构间的关联问题,提出本文中光电锁相环的设计方案,并给出其中环路滤波器元件参数的设计步骤。另外,为产生大带宽线性调频激光发射信号,本文在1550nm DFB半导体激光器电流驱动电路的基础上,对其电流驱动信号进行预失真处理,克服了半导体激光器输出信号频率非线性的缺点。同时,本文通过设计光外差收发镜头与PIN光电二极管信号接收调理电路,实现了系统中微弱回波激光信号与本振激光信号的有效相干接收及调理。然后,围绕半导体激光器电流驱动电路,完成以FPGA为主控制器、采用独立电源供电、包含有DAC、DDS以及跨阻放大等电路在内的激光发射板卡的硬件设计。通过优化发射板卡中重点芯片的布局与重要信号的走线设计,避免了信号耦合、串扰等有害现象的发生,从而保障系统电流驱动信号补偿处理的有效性。另外,设计并调试完成了激光发射板卡上的FPGA程序。最后,利用激光发射板卡、光外差探测收发镜头与激光接收板卡等部分,完成高分辨率合成孔径激光雷达收发系统的搭建。通过实验,由系统产生20GHz调频带宽的线性调频激光发射信号,实现了在20m范围内90%反光率测试目标条件下最佳11.1mm的距离分辨率,其相干接收信号的频率随单位目标距离的增加而增加2.512MHz。

关键词： Turbo码   MAP   Max-Log-MAP   滑动窗   FPGA  

摘要： Turbo码是一种基于并行级联卷积码的信道编译码,由于其在抗衰落和抗干扰方面性能优异,因此成为了CCSDS信道编码标准之一。本文基于该标准实现了帧长为8160的Turbo码编译码器的硬件设计与实现。首先简要介绍了Turbo码编译码的原理,接着对其性能进行仿真,然后重点研究了硬件设计以及改进方法,最后在项目系统中对Turbo码的实际性能进行测试。在MATLAB环境下的仿真中,本文共分析了三种译码算法的性能。通过不同参数角度的对比,得出了本课题8160bit帧长Turbo码的基本性能指标,并将结果与相关文献进行对比。在FPGA硬件设计时,针对传统MAP类译码算法延迟大,吞吐率低的不足,提出了基于滑动窗Max-Log-MAP算法的改进译码结构。所述改进主要包括以下四点:第一点是采用两个分量译码器并行译码的设计方法。第二点是对分支度量的计算结构进行拆分。第三点是独立设计分量译码器1和2,搭配新设计出的交织器和解交织器。第四点是采用流水线结构完成“加比选”计算,优化了先验信息的存储及读取方法。通过以上改进,降低了译码延迟时间,并且提高了吞吐率以及减少了资源消耗。相比于MAP类算法的传统译码结构,本文所设计的结构使得单个分量译码器中的LLR输出时间提前了99%,译码器存储资源节省了67%。在项目系统平台上的测试表明,所设计的Turbo码译码器能够稳定工作在130MHz的时钟下。本文所实现的Turbo码编译码器,已经成功应用于某无人机图像数据实时传输系统中。在迭代5次时,译码器延迟时间小于5ms,吞吐率高于8Mbps,满足了本课题对图像数据传输的要求。

关键词： 触点显示器   海思平台   PCB   单片机   H桥电机驱动  

摘要： 随着视障人群数量的不断增加,全社会对盲人读物的需求与日俱增。但是现在盲文读物的发展远跟不上需求,因此用户对盲文显示器的需求越来越大。盲文显示器的主要功能是将文字信息转化为盲文点阵信息进行显示。在全世界范围来看,虽然已有一些盲文显示器面世,但它们大都功能单一、价格昂贵,多数只能显示一行盲文,用户体验还有较大提升空间。本文旨在设计一台多功能盲文显示器的硬件系统,并进行软件技术路线验证。设备基于海思Hi3559AV100平台,能够处理PC拷贝来的PDF文件,通过调用第三方Mu PDF库对PDF文件进行解析,实现PDF文件的实时预览和文字提取,以及触点信息显示;也可通过索尼IMX586摄像头采集图像信息,进行图像处理和文字提取,最终转化为触点信息的显示。本文主要工作内容如下:(1)多功能盲文显示器的总体框架设计。通过调研确定用户需求,由此确定系统的软硬件框架,对系统软硬件开发制定相应的规划,完成软硬件设计开发环境的搭建。(2)系统硬件电路的设计。整个系统的硬件组成将分为搭载嵌入式主芯片的核心板、搭载外设接口的底板以及搭载触点模组的触点模组板三部分。不同PCB之间通过板对板连接器进行连接。在PCB制板前进行仿真优化使单板更加可靠。(3)多触点模组驱动方法的设计和优化。触点模组板采用低功耗单片机进行控制,通过UART接口和主芯片进行通讯。选用双路H桥电机驱动芯片,通过切换驱动芯片的工作模式,减少对单片机GPIO数量的要求,对触点升降进行准确控制。根据驱动方案设计UART通讯协议,确保系统的可靠性。(4)基于Qt的盲文模拟显示器的开发。该模拟显示器将用以完成PDF文件的解析、文本文字提取、实时预览、盲文点阵信息转换等功能的验证,为后期软件调试提供便利。

关键词： PWM整流器   比例积分控制   PI-QR控制   电压电流测量误差补偿  

摘要： 随着电力电子技术的发展,传统的变流方式由于谐波大、功率因数低等缺点已经逐渐被脉宽调制(PWM)整流技术所取代。PWM整流器具有单位功率因数、网侧电流无畸变、四象限运行和直流母线电压稳定等优点,符合国家对绿色节能型社会发展的需求,被广泛应用于高性能交流传动和柔性交流输电等高性能变流领域。目前PWM整流器控制技术的研究仍着眼于传统控制策略,而对于PWM整流器采样过程中存在的电压电流测量误差等问题的研究仍存在局限性。本文在详细研究了PWM整流器的工作原理和拓扑结的基础上,分别搭建了开关函数描述和占空比描述的数学模型,在分析了两种数学模型的优劣之后,建立了PWM整流器在两相旋转(dq)坐标系下的数学模型,并分析了系统采用的空间脉宽矢量调制(SVPWM)的数学原理和输出开关信号的推导过程。简要的介绍了整流器的双闭环控制,分别给出了电压外环和电流内环的设计过程和参数设计方案。在PWM整流器实际运行过程中,电压和电流经过采样调理环节之后,传感器的非线性、调理电路的漂移、A-D转换器的量化误差以及三相电源电压的不平衡都会导致电流和电压测量值存在增益误差和偏移误差。传统的控制方法显然无法对正弦输入量实现无静差跟踪,也无法抑制直流母线侧电压纹波,从而造成网侧电流畸变,严重影响电网质量。针对电压、电流测量误差带来的交流侧电流畸变谐波与直流母线电压纹波的问题,本文给出了一种简单有效方案来处理三相电压型PWM整流器的电压和电流测量误差,利用带通滤波器和低通滤波器来估算电流测量中的偏移误差和增益误差;电流内环将PI控制器与两个准谐振滤波器并联,来减少电压测量中直流偏置和增益误差,该方法无需额外的硬件配置,不受传感器和系统参数的影响,能有效的抑制测量误差引起的直流纹波和网侧电流畸变。最后,在Matlab/Simulink平台上,搭建了三相PWM整流器的仿真模型,对传统PI控制策略与本文设计的电压电流策略误差补偿策略进行了仿真与实验研究,对比分析了PI控制与PI-QR控制在网侧电压纹波抑制的效果,同时对负载突变以及直流给定电压突变情况下的仿真结果进行了详细的研究分析,实验结果和仿真波形验证了所提出的控制策略的有效性和正确性。

关键词： 声场景分类   数字助听器   人工神经网络   全相位滤波器组   硬件电路设计  

摘要： 助听器是医学界广泛认可的听障患者听力干预和康复的有效手段之一。目前助听器的听力改善效果并不理想,其中一个主要原因是置身于复杂多样的声音环境通常会使得助听器的性能出现很大的偏差,为了解决此问题需要对音频环境进行可靠的检测,为助听器根据不同场景进行自动切换提供环境信息。基于此本文提出了一种用于数字助听器的自动声场景分类算法。本文对目前使用的特征提取方法和特征分类方法进行了研究,提出了一种由基于全相位滤波器组的特征提取方法和基于人工神经网络的特征分类方法组成的声场景分类算法。考虑到助听器计算资源的限制,本文在保证识别率的前提下对特征值规模和神经网络结构进行了优化,优化后的声场景分类算法在5类场景中的平均识别率达到93.5%,在基于TAU Urban Acoustic Scenes 2019数据集测试时得到的识别率比基线系统高18.8%。为验证该声场景分类算法在助听器中的可行性,本文完成了提出的声场景分类算法的硬件设计并基于FPGA开发板进行了验证。结果表明,当系统时钟频率设置为10 MHz时,该算法所需分类时间为67.36 ms。本设计基于TSMC 65 nm CMOS工艺库进行了综合,综合后面积为0.125 mm,功耗为2.734 m W,满足助听器的要求。

关键词： 轴承   自动测量   数据管理   硬件设计   软件开发  

摘要： 轴承是现代机械装备中的关键部件。轴承在高速动车组中的地位更为重要，它是列车高速平稳运行的基础，轴承的检测精度直接关系着轨道交通车辆的运行安全。目前采用的测量方法是人工测量法，操作人员作业劳动强度大。而且数据传递的准确性依赖于操作人员，不能完全得到保证。另外，测量数据均录入纸质表格，数据保存、传递、查阅分析工作繁琐，对轴承加工及装配工艺的评估、优化形成制约。　　针对以上轴承人工测量存在的问题和不足，结合公司的实际需求，本文设计研发了一套整体轴承内外径自动测量及数据管理系统。系统的硬件主要组成部分有：上料料道、机械爪输送机构、上料单元、测量机构、下料料道以及控制机柜和校准件等附属部件。软件主要组成部分即SPC计算机辅助软件，它安装在机柜电脑内。该系统选用接触测量法，利用高精度电感传感器，通过比对标准件的测量方式，提高测量精度。同时SPC统计过程控制计算机辅助测量系统可以满足对检测值的统计分析功能。　　自动测量及数据管理系统研发制造完成后，对该系统进行了详细的计量检定分析和研究，根据自动测量系统的实际情况，结合对国内相关计量检测机构的调研，最终确定该自动测量系统包括设计制作的专用标准件的检定、定检要求，并获得公司内相关管理部门的一致认可。此外，为保证轴承自动测量系统测量数据的准确性和稳定性，在生产车间现场开展了自动测量系统和人工测量轴承的测量数据统计比对。经过系统梳理核对，轴承内外径自动测量系统的测量准确性及稳定性满足轴承测量要求，同时测量效率也得到了明显的提升，降低了人工检测错误率，提高了轴承检测生产效率，达到了课题研究的目的。