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关键词： 近眼显示   延时检测   光电二极管   硬件设计  

摘要： 近眼显示可分为虚拟现实(VR)和增强现实(AR)系统,随着性能的不断提升,近年应用越来越多。但延时仍然是近眼显示的一个关键技术问题,产生延时的主要原因有1.传感器无法做到实时响应;2.画面信号处理和传输需要时间。而且市场上的产品性能良莠不齐,延时从19ms到30ms不等。为了规范产品的市场,对其性能进行科学准确的检测评价,建立相关标准,同时为产品生产提供高效可靠的检测手段,本文设计制作了一种新型近眼显示的延时检测装置。针对目前广泛使用的近眼显示的延时检测方案——利用专业的快速相机对显示画面进行逐帧拍摄处理方法中存在占用空间大、搭建成本高、数据处理算法复杂、操作门槛高、功耗大的问题,本文提出了一种运用光电二极管检测光强数据在STM32单片机中进行实时扫描、不断检测、标定时刻、计算时间的方法,设计了一个具有成本低、检测速度快、时间精度高、信噪比高、放大倍数高、数据处理算法简洁等优点于一体的近眼显示延时检测装置。通过实验证明该装置的结果如下:1.检测装置进行实物检测前,先在一个标定系统上运行,分析得到的波形图,可得知使用PIN光电二极管的探测模块响应延时τPIN=37μs;测量精度是1μs。2.前置光电探测放大电路模块输出信号的信噪比SNR1=48dB;3.噪声信号消除模块处理后输出信号的信噪比SNR2=71dB;4.有效输出信号的放大倍数为61.5dB;5.通过多次检测和分析,可知整体检测装置上升时间的平均值为τrt=0.859ms,下降时间的平均值是τdt=0.533ms。在波形图中VR设备延时量为24.486ms,单片机内处理的VR设备延时量的平均值为26.509ms,与示波器上的数据相比误差率为8.262%。根据测试结果表明,设计研究制作的新型近眼显示的延时检测装置满足本文的各项技术指标且测量的时间量具有高精度、高准确性的特点,还在编写程序时采用模块化设计可根据不同要求进行多功能检测,整体装置可实现优秀的人机交互。

关键词： 感染性疾病   血细胞分析仪   五分类   CRP蛋白   SAA蛋白  

摘要： 感染性疾病在临床是常见疾病。感染经常会导致白细胞数量升高,以及C反应蛋白(C-reactive protein,CRP)和血清淀粉样蛋白A(Serum Amyloid A,SAA)的浓度升高。目前白细胞检测,CRP检测项目和SAA检测项目一般是由不同的仪器分开检测,因此将这三个检测项目联合到一起检测可以提高检测效率,方便临床诊断感染性疾病。为此本论文完成了将三者的功能结合到同一台仪器上的硬件系统研制。本论文的主要工作内容包括以下三个方面:1.结合血液样品的预处理过程及测量过程中所涉及到的气路、液路、机械结构等,设计了一个以微控制单元(Microcontroller Unit;MCU)芯片和现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array;FPGA)芯片为控制核心的硬件系统。同时针对血液样品的不同预处理方法及测量方法,将硬件系统按功能进行模块化规划,完成硬件系统的顶层设计。2.在本论文中,设计了一块控制主板负责协调其他电路板及模块,是硬件系统的核心和顶层。控制主板对上负责执行上位机软件系统下发的指令及测量结果上传等,对下控制硬件系统中的其他模块有序运行。同时利用控制主板的FPGA芯片内部丰富的门逻辑单元、内嵌RAM(随机动态存取内存)、时钟资源等,用并行的方式来处理多个测量模块产生的数字信号。FPGA芯片对激光散射信号检测模块和库尔特信号检测模块进行数据采集、缓存、传输。另外根据对白细胞分类使用的激光散射和细胞化学染色联合检测法,设计了激光散射信号检测模块。该检测模块对白细胞二个角度的散射光进行采集,之后白细胞分类算法将根据这二个角度的散射光强度对白细胞进行分类。同时根据白细胞计数、红细胞和血小板计数的库尔特检测原理设计了库尔特信号检测模块,用于血细胞计数。另外根据蛋白测量的免疫散射比浊法设计了蛋白测量模块,用于CRP蛋白和SAA蛋白浓度检测。3.使用验证数据测试高速数据采集模块的数据传输性能。验证数据由高速数据采集端口传输到MCU芯片端内存中,其传输速度可以达到45MB/S,数据传输准确。激光散射信号检测模块其杂散光最大值不超过19,波动范围小,其CV值不超过0.6%。用7μm计数微球对激光散射信号模块进行测试,高低角度散射信号峰值的变异系数(CV)值分别为6.82%和8.30%。库尔特信号检测模块噪音最大值不超过10,均值较低,不超过5。用7μm计数微球对库尔特信号检测模块进行测试,库尔特信号峰值的平均值为183,CV值为10.23%。蛋白测量模块杂散光占试剂检测时的AD值比例最大值约为1.58%。该模块使用3mg/L、10mg/L、100mg/L三个浓度的校准品10次测试结果的CV<10%。该结果符合国家食品药品监督管理总局提出的C-反应蛋白测定试剂盒的行业标准要求的CV不大于10%重复性要求。在3～156mg/L的浓度范围内,测量结果具有较好的拟合性,其线性相关系数|r|=0.99243。该结果符合国家食品药品监督管理总局提出的C-反应蛋白测定试剂盒的行业标准要求的常规C反应蛋白线性区间相关系数不小于0.990的要求。

关键词： 天文望远镜   力矩促动器   控制系统   硬件设计  

摘要： 随着天文观测需求的不断提高，对望远镜成像质量的要求越来越高。望远镜口径越大，成像分辨率越高，传统望远镜受到重力、温度等因素的制约，8-10m的主镜口径几乎已经达到望远镜口径的极限。为建设像质更好的天文望远镜，拼接镜面技术和薄镜面主动光学技术成为了新的发展方向。大口径望远镜采用拼接镜面技术，将多块小口径子镜拼接成望远镜的主镜，然后通过子镜支撑系统保证子镜的面型精度。力矩促动器作为子镜支撑系统的关键部件之一，主要用来校正重力、温度等因素造成的低阶像差，保证望远镜镜面的面型精度。本文主要研究内容和成果如下:　　(1)以力矩促动器为研究对象，参考国外的应用实例，结合校正需求，确定了力矩促动器的性能指标。然后根据指标，搭建了力矩促动器的控制系统，控制系统下位机以DSP为控制核心，通过全桥应变片和力传感器实时采集力矩促动器运行状态，同时驱动直线步进电机;上位机采用LabVIEW编写控制程序，可以实现与DSP的通信、控制指令的输入和力矩促动器运行状态的显示。　　(2)对力矩促动器进行了测试，完成了力输出分辨率、应变控制精度、重复性误差和线性度等测试实验，通过误差分析确定了力矩促动器控制误差的主要来源。　　(3)使用PI模型对力矩促动器的迟滞非线性误差进行了建模校正，并通过实验验证了模型校正的有效性，较好的提高了力矩促动器的控制精度。　　研究表明，力矩促动器控制系统可以实现力矩促动器的预期功能，PI模型校正将力矩促动器的迟滞非线性误差的RMS从1.888N降低到0.2596N，保证了系统的控制精度。具有一定的工程应用价值，对今后望远镜系统的研制建造工作具有重要意义。

关键词： 数字化仪控系统   FPGA   自主化   硬件设计   硬件测试  

摘要： 数字化仪控系统是以计算机、网络通讯为基础的分布式控制系统,一般由操作员站、工程师站、电源系统、控制站和通信系统组成。在核电领域,核电站数字化仪控系统分安全级和非安全级。针对目前我国核电站安全级数字化仪控系统（以下简称DCS系统）严重依赖国外技术产品的现状,中核集团结合我国三代核电自主化发展的需要,开展三代核电站安全级数字化仪控系统研制工作,实现三代核电站安全级数字化仪控系统的自主化,并在实际工程得到应用,将有力提高我国核电仪控系统的研发水平,提升我国核电装备的自主化水平,推动我国核电产业布局及关键技术研究,保障我国核电发展“走出去”国家战略目标的实现。本文是以安全级DCS系统控制站为研究对象,建立一套基于FPGA技术的核电安全级数字化仪控系统产品研制技术,实现核电站安全级数字化仪控系统的技术自主化。本文首先说明本文国内外研究现状和课题意义,然后介绍核电数字化仪控系统概念、总体需求和系统功能,进行硬件总体架构设计。本文的核心是根据控制站硬件总体架构和相关技术标准,展开硬件设计。硬件设计采用通用化设计技术进行功能模块设计,形成模块化的标准元器件和标准电路,采用FPGA逻辑电路通过配置可编程逻辑组件和互联线等资源实现时序逻辑功能和组合逻辑功能,以全硬件方式实现数据处理,控制逻辑和接口协议等功能模块。硬件设计中包含诊断、可测试性和多层次的冗余等多种先进特性,并在故障检测和隔离等方面具有显著特性。最后根据标准要求,结合DCS系统的产品特性,从电源、信号完整性、时序和单元电路四个特性展开电路级硬件白盒测试。其目的是在产品研发生命周期的实现阶段即开始验证硬件设计的正确性,保证硬件的各单元电路的电气特性满足要求。本论文以安全级数字化仪控系统控制站为例阐述了硬件设计中的关键要点。硬件设计方法中的通用化设计技术提升了数字化仪控系统设计效率、长期可靠性和可维护性,FPGA技术解决了基于微处理器技术应用软件和操作系统复杂性的不足,诊断、隔离和冗余等先进特性使仪控系统具有更高的可靠性。硬件测试方法可以在正式定版嵌入式软件或逻辑固件前,发现因电路设计引起的硬件设计缺陷。同时本文论述的硬件设计和测试方法也适用于其它安全相关控制系统,具有重要的参考意义。

关键词： 近红外分析   便携式   谷物品质   光学系统   硬件设计   软件系统  

摘要： 谷物品质的快速无损检测能够为谷物流通环节中的品质信息获取提供可靠的技术支持,有利于发挥谷物的经济价值。本论文在比较国内外多种谷物品质现代无损检测技术的研究基础上,采用了适用于谷物内部品质检测的近红外分析方法,分析了近红外设备的工作原理,确定了研究内容及技术路线,设计了便携式设备的光学系统及控制系统,通过了设备性能测试及定标评价试验,研制了一套便携式近红外谷物品质检测设备。研究成果为谷物品质信息快速无损获取提供了便携式检测设备,促进了信息农业的发展。本研究通过分析比较透射和反射两种近红外光谱测量方法,确定了便携式谷物品质检测设备的总体设计。根据总体设计需求,本研究分为设备的光学系统设计、控制系统开发。首先,光学系统设计需要满足照射光斑尺寸、均匀性、一致性的要求。分析比较卤素灯、激光二极管、发光二极管光源,选择发光二极管作为近红外光源,并根据其性能参数选取光电探测器,确定照射光斑的尺寸。分析照射光斑的均匀性及一致性要求,计算所需的准直光学元件及聚光元件的参数及尺寸,设计实现光学系统。其次,控制系统开发需要实现近红外光源稳定发光、光谱准确采集及人机交互控制。本研究通过光功率反馈控制驱动电路实现4个近红外光源的稳定发光,通过光谱采集电路（电流电压转换、巴特沃斯滤波及放大电路三部分组成）实现光谱准确采集。本研究采用结构化的设计方法实现人机交互控制,分别实现了光源分时调制驱动、反射光谱获取、光谱校正、谷物品质信息获取、输入控制,显示输出及智能语音输出等功能。最后,实现设备的集成设计。设备集成性能测试与定标试验评价是设计研制设备的必要步骤,它可以检验设备的稳定性及验证设备用于检测小麦的水分及蛋白质的可行性。性能测试分为噪声水平测试、准确度测试及重复性测试。在定标试验评价中,将小麦样品分为校正集和测试集,使用设备获取小麦水分和蛋白质的预测值及通过化学分析方法获取其真实值。其校正集的预测值与真实值决定系数为0.9405,校正标准偏差为0.6182,测试集的预测值与真实值的决定系数为0.8863,预测标准偏差为0.7873。通过性能测试及定标试验评价,便携式近红外谷物品质检测设备能够稳定的实现小麦水分及蛋白质含量的检测。

关键词： 工具管理   嵌入式   射频识别   云平台   WiFi  

摘要： 工具管理一直是飞机装配和飞机维修企业的重大课题。近年来,射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)技术逐渐成熟,物联网技术的飞速发展,将这两门技术应用于工具管理可实现生产效率的大幅提高。本文介绍了RFID系统结合物联网技术实现对大量工具的高效管理。首先以航空装配企业需求为切入点,研究出航空企业装配车间更高效且稳定的工具软硬件管理系统。在此基础之上希望将此系统推广到其它多种行业,用科技的手段提高生产力,降低生产成本。本文基于嵌入式与物联网技术,设计并实现了一套智能工具柜管理系统。论文阐述了工具管理行业的背景、意义;分析用户对工具管理的需求;简要介绍了RFID技术的发展现状、系统构成、分类以及工作原理。对嵌入式技术、云平台技术进行了简要的分析;然后对系统的硬件设计做了详细的阐述。使用单片机作为控制器,编写单片机系统程序,以一主机多从机的架构实现对电子锁的控制和状态检测。工具识别部分选用多通道的RFID读写器,以C#开发的上位机软件系统实现对RFID读写器、工具柜的控制。配置机智云云平台、Wi Fi模块,开发出移动应用程序(APP)实现在移动终端对工具柜的状态监控。论文工作包括软硬件系统的设计以及在某航空装配车间大量的测试开发工作,整体系统实现工具借用、归还、盘点、维护、监控等功能。

关键词： 非侵入式负荷分解   盲源分离   字典学习   关联规则   硬件设计  

摘要： 随着智能电网发展和电力需求持续增长,对负荷用电细节监测的需求日益突出。非侵入式负荷分解是实现用电细节监测的关键技术,其通过将用电数据细化到居民用户内部,获取家电负荷的基础用电信息,从而引导用户智能用电以实现节能降耗,促进需求侧响应,可见该技术极具研究价值和应用前景。非侵入式负荷分解可看作信号的盲源分离问题,针对当前负荷分解方法缺乏考虑负荷用电模式、模型泛化能力弱的问题,提出基于稀疏表示和字典学习的家电负荷盲源分离方法。该方法从家电负荷日用电序列的稀疏性出发,利用仿射传播聚类提取序列模式并划分样本集,然后根据序列模式组合抽取训练样本,利用在线字典学习算法训练负荷字典,最后组合负荷字典并实施稀疏编码,实现对非侵入式总负荷的分离;通过居民负荷真实用电数据集的测试,验证了所提方法的准确性以及在家庭迁移上具备的泛化能力。针对不同家电之间配合使用或关联运行的用电模式,提出计及状态关联规则的负荷分离方法。该方法通过聚类离散化家电负荷的运行状态,结合二维高斯分布函数建立包含功率波动模型的负荷特征数据集,然后计算互信息熵确定强关联家电对,利用Apriori算法挖掘强关联家电对中的状态关联规则,并结合k近邻算法实现状态辨识,最后基于极大似然估计求解功率分解优化模型;算例结果表明相比于传统利用启发式算法进行状态搜索的方式,所提方法取得更高的状态辨识准确度和负荷分离精度。为支撑家电负荷盲源分离的实际应用,进行关键硬件设计。首先基于高级量测体系的一般结构和构建模式,设计了负荷样本采集系统的四层硬件架构,包括用电设备层、信息采集层、集中监测层、数据管理层。然后重点对信息采集层中的信息采集终端进行模块化开发,详述开发过程中的关键问题,并在实验环境下对样机进行功能测试,验证各模块的正常运行。最后依托南方电网重点科技项目建设负荷样本采集工程,为今后硬件系统的进一步完善、负荷分离方法的实际应用奠定基础。

关键词： 频谱分析   相位差测量   零中频   FFT  

摘要： 随着无线电技术的飞速发展,越来越多的无线电设备被广泛使用,日益增多的无线通信设备会占用更多的频谱资源并加剧信号之间的电磁干扰。为了确保无线通信能够正常进行,现代的部分通信设备除了满足本身的功能需求外还要求具备通信频谱监测和分析的能力。使用传统的台式频谱测量设备,体积稍大且功耗较高,只作为一个无线通信设备的频谱测量模块显得过于浪费,因此设计一款低功耗、体积小,具备扩展性的频谱监测模块符合部分通信设备的使用需求。在频谱测量的基础上,增加相位差测量的功能,相位差是表征两个信号关系的一个重要指标,可以通过测定相位差间接的完成其它参数测量,如信号的频率,输入输出信号的相位关系。本文的主要研究内容如下:1、根据需求指标,拟定总体设计方案,并对总体方案中的各个部分的设计方案进行可行性论证和分析。经过分析论证,采用零中频架构的接收机作为射频前端接收机,并采用FPGA(Field Programmable Gate Array)作为基带处理器,CPCI(Compact Peripheral Component Interconnect)总线接口作为数据通信接口。2、根据确定的总体设计方案,对设备的硬件电路进行设计和分析,主要的电路设计包括射频接收单元电路、FPGA和ARM控制单元电路、时钟电路、CPCI接口电路和电源电路。按照CPCI总线规范,设计一块标准的6U板卡。3、对设备的硬件逻辑实现进行分析和设计,主要在FPGA内部完成相关逻辑实现。主要的设计逻辑包括实现频谱分析的FFT(Fast Fourier Transform)算法,进行相位角计算的Cordic(坐标旋转数字计算方法)算法,以及与上位机通信的CPCI数据通信接口逻辑等。此外,还对射频前端接收机的工作原理、参数配置等进行分析和说明。最后,通过搭建硬件测试平台对相关的参数指标进行验证和测试,根据测试结果验证本课题设计方案的可行性和合理性。综上所述,本论文的主要研究目标是通过零中频架构的接收机来实现频谱分析和相位差的测量。其频谱分析的信号频率最大可为6GHz,并且最大测量带宽为50MHz。相位差的测量范围能够覆盖-18080,并可以同时对两路信号进行测试。本次课题完成的设备具有体积小、重量轻、低功耗、可扩展性强的优点。

关键词： 网络学习资源   分类管理系统   硬件设计   软件设计   仿真试验  

摘要： 本文论述基于云计算的网络学习资源分类管理系统的设计,硬件设计方面主要对系统硬件结构进行设计,软件设计方面主要对系统的功能模块和数据库进行设计,并采用对比试验的方式验证系统的有效性,为网络学习资源的分类管理提供技术指导.

关键词： 5G   基带数据处理   硬件电路设计   高速链路   PCB  

摘要： 第五代移动通信技术,即5th generation wireless systems简称5G,是最新一代蜂窝移动通信技术。5G的性能目标是高数据速率、减少延迟、节省能源、降低成本、提高系统容量和大规模设备连接。5G技术相比目前4G（4th generation wireless systems）技术,其峰值速率将增长数十倍,同时将端到端的延时从4G时代的十几毫秒缩短至5G时代的几毫秒以内。正是因为有了超强的通讯和带宽能力,当前仍然停留于构想阶段的车联网、物联网、智慧城市、无人机网络等概念将在5G网络的应用中变为现实。本硬件设计和实现的研究主体为5G移动通信基站中的基带处理板卡。自5G移动通信的特点来看,对于基站而言,业务数据处理能力和传输能力的要求越来越高。基站中的BBU（Building Base band Unite）是处理基带业务数据的核心,核心中承担该功能的即为本设计与实现的基带处理板卡。该板卡需要功能强大的芯片以支撑庞大的数据处理能力,需要具备高速链路传输避免出现较大延时,需要良好的逻辑控制保证正常运行,同时兼顾降低成本以便满足板卡的可量产性。本文完成的主要工作如下所示:（1）完成板卡需求梳理以及制定板卡硬件设计方案。为了满足可支持3个100MHz 64TR小区能力,基带板卡需要1片FPGA协同处理下行数据,需要2片MPSOC和2片FPGA协同处理上行数据。在此FPGA选取XILINX公司的VU7P芯片,MPSOC选取XILINX公司的ZU15EG芯片,板卡对外光接口选取100Gbps数据率光模块连接,逻辑控制选用CPLD实现。（2）完成板卡硬件电路原理图设计以及PCB设计。硬件电路设计需要基于仿真,尤其是整板的DDR4存储单元和100Gbps光口电路layout设计。（3）完成板卡逻辑控制代码实现。基于CPLD芯片,使用Diamond工具,采用VHDL语言实现功能。（4）完成板卡回板调试测试工作、系统集成测试工作、可靠性验证工作。本设计完成的硬件板卡满足数据处理能力强、传输数据快的需求,系统高可靠性运行正常。为后续的5G基站升级提供基础与借鉴。