课程文献中心 更多>>

关键词： 桥梁通航区   水位动态监测系统   雷达液位计   硬件设计   软件开发  

摘要： 内河航运是综合运输体系中重要组成部分，至2019年末，中国内河干吨级航道里程数量已到达13819公里。由于内河沿线城市气候、雨量等客观因素直接影响内河通航水位高度。为保障船舶在内河航道通行时船舶和桥梁安全，本文基于中华人民共和国海事局科技项目《内河桥区水域通航安全保障研究》的成果，进行研究。根据GB13851-2019《内河交通安全标志》等国家标准的规定，设置桥梁通航水位动态监测系统是十分必要的，针对以上需求，本文主要研究内容包括以下几个部分:　　(1)介绍了桥梁通航水位动态监测系统的架构，包括桥梁端设备和系统综合平台。该章节内容主要用于引出本文设计与实现的FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave)雷达液位计，以及介绍桥梁通航水位动态监测系统中FMCW雷达液位计的测试与工作环境;(2)FMCW雷达液位计硬件设计。通过对雷达液位计的工作原理的阐述，结合FMCW雷达液位计需求，设计了FMCW雷达液位计总体结构和各功能模块的具体方案;(3)FMCW雷达液位计软件算法设计。首先介绍了FMCW雷达采用三角波进行雷达测距的原理和信号分析，然后对改进的三角波调制算法包括增加FFT运算的点数、Chirp-Z变换、能量重心法以及基于插值的谱估计算法等进行了描述和比较，最后对基于可提高测量精度，且减少计算量的基于插值的谱估计算法进行模拟仿真;(4)基于FMCW雷达液位计测试验证。通过搭建FMCW雷达液位计的硬件每个功能模块测试环境、硬件模块集成测试的实验室环境以及基于FMCW的桥梁通航水位动态系统的外场测试环境，对FMCW雷达液位计的功能模块进行详细验证。验证FMCW雷达液位计是否符合桥梁通航水位动态监测系统的设计要求。　　本文紧密结合物联网技术和智慧城市的发展及应用需求，形成桥梁通航水位动态监测系统方案，并对核心传感器FMCW雷达液位计进行包含功能模块、算法在内的进行详细设计。通过在内河航道布网实施，可实现内河航道运输全天候、全区域、全过程的实时、动态、准确的桥梁通航水位监控，有效保障桥区内河航道通航的安全通畅，为智慧航道的实施积累技术基础。

关键词： 压缩感知理论   超带宽稀疏信号   欠奈奎斯特采样   硬件设计  

摘要： 由于模拟数字模拟数字转换器(Analog-to-digital,ADC)的采样率并不是无限高的,在国内,可以做到的比较高采样率的只有40G,国外可以做到的最高采样率为120G,因此,在对高频率信号进行采样的时候,如果再以奈奎斯特采样定理的传统采样方式对信号进行采样以及恢复的时候,就会遇到很大的困难。如果采用低于奈奎斯特采样速率(sub-Nyquist sampling)的采样系统,则通常需要增加额外的条件,比如需要预先知道所要处理信号的频谱信息等,在实际应用中,这些先决条件往往不容易满足。科研人员在面对如何解决超高频率信号采样问题的时候,提出了新的理论。和传统的采样过程不同的是,以压缩感知为理论依据的采样系统,在对信号进行采样的时候,是将采样过程和对采样得到的数据进行压缩这两个步骤合成了一个步骤,这样操作的好处就是,既保留了信号恢复所需要的关键数据,又降低了系统所要传输的数据,降低了对采样系统的压力,最终,采样得到的数据,通过信号重构算法恢复出来。本文的主要研究工作是,首先对比传统的信号采样和基于压缩感知的信号采样,之后确定采用哪种采样框架,最后通过确定的采样框架,来进行硬件设计,最终完成模拟信息转换器。根据项目要求,模拟信息转换器要可以对信号进行盲采样,并可以以低于奈奎斯特采样率进行采样并成功恢复原始信号。模拟信息转换器主要包含两部分,一部分是对输入信号进行调理的模拟部分,另一部分是对处理后的信号进行采样,得到的数据通过FPGA进行处理,通过恢复算法就可以完成对信号的恢复。在实现模拟信息转换器功能部分,结果教研室项目要求,主要分为对信号调理、采样以及将采样数据处理得到恢复出输入信号,本文主要设计模拟电路部分,主要包括信号的放大,信号的功率分配以及信号的混频等主要电路,最后按照模块对电路进行调试,看每个模块能否正常工作。

关键词： FFT算法   浮点数   近似计算   硬件设计  

摘要： 快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)被广泛应用在语音处理、图像处理、雷达射频等领域中。使用软件处理FFT运算的实现方法,已经无法满足应用领域对高速大规模的FFT运算需求,因此FFT算法的专用电路设计得到了广泛研究。早期FFT处理器在高速、高精度等方面的研究已经相对成熟,由于FFT处理器对硬件资源需求较大,如何降低其硬件成本成为近年来新的研究热点。近似计算是一种新兴的电路设计方法,对降低可容错系统的硬件开销有显著作用。结合近似计算技术,实现整个可容错FFT处理器系统的面积、功耗和精度折中的设计方法,将成为今后的一个重要研究方向。从近似乘法器、多蝶形并行处理、旋转因子查找表等多方面出发,寻求电路的性能平衡和优化,提出了一种基于近似计算的高速浮点FFT处理器设计。本文介绍了常见的FFT分裂算法和FFT处理器硬件结构,分析各自的优缺点,提出了顺序处理和并行处理相结合的基2-FFT处理器的基本架构。采用模块化的设计方法完成了整体硬件设计,结合FFT算法和浮点数运算的特点,将整个处理器的设计分为控制模块、存储模块、地址生成模块以及蝶形运算模块。控制模块使用简单有效的方式负责整个FFT处理器的分配调度,和适应不同点数FFT运算的处理。存储模块用于旋转因子的存储,以及采用乒乓操作的思想对中间运算结果进行缓存。地址生成模块负责蝶形数据地址和旋转因子地址的生成。蝶形运算模块由浮点乘法模块和浮点加法模块组合构成。对实数乘法模块的改进采用基-4 Booth编码、超前进位加法器等方法,以此实现提高速度、降低硬件开销的目标。同时采用0操作数判断、复数乘法器改进等进一步提高蝶形运算单元的性能。对比了多种近似4-2压缩器的硬件复杂度和精确度,最终选定无偏近似4-2压缩器用于设计近似乘法器。损失较小精度的前提下,近似乘法器的硬件复杂度得到显著降低。同时将近似乘法器应用于高速FFT处理器中,以实现大幅度降低FFT处理器硬件成本的目标。使用Verilog对算法完成了硬件建模,使用Modelsim对FFT处理IP进行了仿真,与Python平台生成结果进行了逐步对比,经过调试和分析,验证了设计的有效性和可靠性。其中512点的近似FFT处理IP的SQNR可达到53.29 d B,满足大多数应用场景的精度需求。同时使用Synopsys公司的Design Compiler,采用TSMC 65nm工艺库进行了综合。FFT处理IP的综合结果表明,工作频率可达到300 MHz,512点近似FFT处理IP电路面积约为2.043 mm,功耗约为148.5 m W,相比于512点常规FFT处理IP,面积节省了31.2%。其中512点FFT运算总计算周期为36个时钟周期。综上所述,本文实现了预期的需求目标,完成了基于近似计算的高速浮点FFT处理器的硬件设计。

关键词： AD9371   软件无线电   硬件平台  

摘要： AD9731软件无线电硬件平台旨在帮助客户缩减无线电尺寸、重量和功耗(SWa P),同时保持尽可能高的无线电性能。该软件包括一个新的小型蜂窝无线电参考设计,其采用AD9375支持的完整JESD204B到天线无线电信号链。平台支持2×220MHz LTE,每根天线输出功率为250MW,整个系统功耗低于10W,同时总体尺寸非常小(88mm×83mm)。提供器件驱动及能够直接连到FPGA开发平台的完整评估系统。本文重点阐释AD9371软件无线电硬件平台的设计实现,以及底层通信链路的架构及实现思路。以期实现基于该平台设计的扩频接收机,表明软件无线电平台的设计具有广阔的应用前景。

关键词： 高压输电线路   故障机理   在线监测   硬件设计   软件设计  

摘要： 目前,超高压、特高压电网建设的大规模开展,国网电力公司电网基础建设将实现智能化、大容量、大跨度输送电力等功能,与此同时,对于高压输电线路的运行维护的任务也在相应加大。由于客观原因,大量的高压输电线路都分布在户外,并且覆盖面积广,容易受到恶劣自然环境和人为因素的损害,另外电压等级越高的输电线路遭受雷击的概率也越高。因此有效的对高压输电线路进行状态监测有着重要的意义。传统的人工检测不仅耗费大量人力和物力资源,而且也无法做到实时检测,工作效率差,检测效果难以得到保证;现有的高压输电线路运行维护模式尚存在一定的弊端,无法适应输电线路的高速发展。本文对目前的高压输电线路在线监测技术进行了分析和总结,研究了高压输电线路运维工作的特点和要求,分析了威胁高压输电线路安全稳定运行的主要因素。基于对我国现有的高压输电线路运行维护水平和巡检工作的情况,总结了当前面向高压输电线路的巡检方案和管理模式的现状,提出了一种具有通用模块定义逻辑复用功能的高压输电线路智能巡检系统,该系统利用物联网技术与大数据分析,实现了多维数据联合检测,系统具有以下特点:1)通过采集输电线路线路护区图像和线路温度信息,利用图像分析技术、温度越限告警,能够及时发现输电线路运行隐患,提高巡检效率;2)通过手机微信、手机APP随时随地进行远程巡检,接收隐患告警信息,实现输电线路护区范围内作业违章的语音或自动声光告警,有效避免突发外力破坏事故的发生;3)具有接入多种类型输电线路在线监测信息的扩展能力,将在线监测状态量与护区图像信息融为一体;4)具有分布式处理及系统级联功能,利于市级、省级多级系统的建设和应用,方便输电线路的运行维护和管理。本文对具有CMD逻辑复用功能的输电线路智能巡检系统,从工作原理、技术方案和设备选型等方面进行论述对该系统在充放电管理及切换、图片/视频拍照传输、功耗等方面进行实验,结果达到设计要求,在大规模安装使用后的一段时间内,跟踪统计本系统的监测效果,实验结果与统计数据印证了该系统的可靠性和有效性。

关键词： 数字波束成形   T/R组件   模数转换   数模转换   数字信号处理  

摘要： 在移动通信领域,为了应对5G移动通信爆炸性数据接收密度、端到端的低时延等特点,于是具有增强特定方向信号等特点的数字波束成形技术成为了5G通信的关键技术之一。而数字波束成形收发机的硬件电路作为5G小基站中的重要组成部分之一T/R组件,市场对其需求也越来越大。本文将根据市场对小基站的需求,给出针对性的数字波束成形收发机硬件的设计与实现方案。本论文中我所做的工作如下:第一,完成了数字波束成形收发机电路需求分析、器件选型以及方案设计。需求分析主要包括对AD/DA电路单元指标分析、数据处理电路单元FPGA指标分析、时钟电路单元指标分析以及电源电路单元指标分析。器件选型作为整个设计的实体,包括宽带RF收发器选型、时钟芯片选型、FPGA选型以及电源芯片选型。方案设计是整个电路的蓝图,它起到了将各器件连接为一个整体的作用,包括具体的收发模块和数字信号处理模块的设计方案。第二,完成了数字波束成形收发机电路的设计与实现。主要包括收发模块、数字信号处理模块的电路原理图设计,完成宽带RF收发器AD9371、配套的AD/DA前后端、电源网络、时钟网络电路的设计实现和数字光模块、千兆网口、FPGA调试口等接口的电路设计与实现,以及完成负责收发模块与数字信号处理模块间物理连接的FMC连接器设计与其引脚定义。第三,完成了数字波束成形收发机电路中收发模块和数字信号处理模块两部分电路的测试与分析。在收发模块电路中,对ADC的信纳比、有效位数、无杂散动态范围,DAC的最大发射功率、领道泄露功率比(ACLR)、误差矢量幅度(EVM),多通道间相位一致性、幅频一致性进行了测试分析。在数字信号处理模块中,对电源、时钟、光模块进行了测试和分析。论文成功设计了数字波束成形收发机硬件电路,并测试验证了各组成电路,均满足功能与性能的要求,为数字波束成形技术提供一个可靠的硬件平台。

关键词： 可穿戴式生命体征参数监测系统   硬件设计   软件开发   功能模块  

摘要： 目前，以糖尿病、心血管疾病等为代表的慢性病症普遍存在于老年人群体中，据统计，我国60岁以上的老年人已超过2.4亿，是世界上老年人数量最多的国家。我国正在积极面对并关注老年人的健康问题，提升老年人健康质量。本文围绕以老年群体为主的居民健康状态监测的需要，开展人体生命体征参数监测系统研究。本文设计开发了便携式可穿戴生命体征参数监测系统硬件平台，实现易用、便携、低成本的生命体征参数监测;基于深度学习技术开展中风患病风险概率辅助预测，实现智能化的急性病症患病风险预测模型;研究设计了人机交互系统、交流论坛与远程会诊系统，方便用户间在不同活动版块进行沟通讨论，同时在专家的指导建议下，对监测出现异常的个体进行及时有效的应对，以减少实际病症发生的可能性。本文的主要研究内容及创新点如下：　　(1)开展了人体生命体征参数监测系统硬件设计，以ARM9芯片为嵌入式核心控制模块研究设计最小系统，拓展集成无线通信模块、存储模块，实现设备基础组件的轻量化。研究设计心电信号采集模块、血压信号采集模块、体温信号采集模块等人体状态监测模块，在保证低功耗的同时，实现高精度高速生命状态数据采集。研究设计电源管理模块与模式，为设备电路提供稳定可靠电压，有效利用智能休眠模式节省系统能耗。　　(2)研究了人体生命体征参数数据处理方法与疾病风险预测方法，通过针对人体生命体征参数数据的增强方法，有效避免模型训练过程中过拟合情况的发生，提高模型的泛化能力。构建基于VGG16的多输入深度神经网络模型，将采集到的数据以多种形式传入神经网络以提高模型训练速度和预测准确率，最终实现根据人体生命体征参数，实时预测中风疾病发病的风险概率，为用户对身体状态的监测提供有效的技术支撑。　　(3)设计与实现了客户端数据交互与人机服务系统，根据人体生命体征参数监测系统的实际需求，分别设计构建数据库以及前后端。系统采集的体征参数数据由硬件板载的采集模块采集，数据转换预处理后由无线传输模块发送到移动设备，以移动设备作为中继将数据上传至服务器进行数据的智能分析与存储，将分析结果回传至移动设备中进行显示，同时，后端进一步分析数据并根据风险系数采取进一步的消息推送，以确保用户及时感知无症状的身体异常，保障用户安全。

关键词： 智能网联汽车   车载以太网   多域控制器架构   中央网关   硬件设计   软件开发  

摘要： 在科学技术飞速发展的时代，人们对汽车的需求已经不再局限于驾乘服务，大量装载着高新技术的设备进入汽车内部，拥有强大的智能控制系统和多样化的服务体验的同时，也为传统的“分布式”电子电气架构带来了新的挑战。在此背景下，开发新一代电子电气架构，解除智能网联汽车发展的制约因素，成为学者和工程师们共同的研究目标。本文以中央网关为研究对象，面向“车载以太网”和“域控制器”的“集中式”电子电气架构，设计满足智能化与网联化场景下的实车应用。　　本文通过研究和分析当前中央网关系统的功能和应用场景，结合业内总线技术的发展趋势，对车载以太网技术进行了研究和对比分析。针对汽车总线复杂多样难以管理而导致的汽车网络安全风险增高和在封闭性高以及分布式网络下无法通过统一的接口实现整车级OTA升级的问题，本文提出了一种基于车载以太网多域控制器架构的中央网关。本文主要完成的工作如下：　　本文依托主动安全与智能驾驶研究所，以沙滩原型车实验平台为开发对象，采用“集中式”电子电气架构取代传统“分布式”架构的升级改造方案，设计了基于车载以太网（100BASE-T1）通信的中央网关硬件系统解决方案。该方案为整车通信和软件设计提供了良好的硬件基础。　　基于中央网关的硬件基础，以智能化和网联化场景下的应用为目标设计中央网关功能，完成沙滩原型车基于车载以太网多域控制器的线控改装。在满足功能安全和信息安全的条件下，实现了整车通信、整车级OTA升级和汽车网络管理的实车应用。　　为了验证中央网关软硬件系统的稳定性和可靠性，本文首先搭建了仿真测试平台进行开发和测试。测试结果表明，中央网关软硬件系统的性能均达到预期设计目标。最后进行了实车测试，进一步验证了中央网关系统和整车架构的可行性。

关键词： 通信定位   无源天线   有源天线   硬件设计   PCB设计  

摘要： 北斗卫星导航系统是我国自行研制的全球卫星导航定位与通信系统,北斗卫星导航系统的建立和使用摆脱了我国对GPS定位的依赖,打破了发达国家垄断卫星导航定位技术的局面,对我国具有重大意义。北斗导航终端的开发是北斗卫星导航系统发展的重要一环,北斗收发模块可以收发北斗卫星导航系统的信息,完成北斗信号的滤波放大、解调、调制等功能,使用户获得通信信息和定位信息,是用户设备的重要组成部分。因此,北斗双天线收发系统设计具有较好的工程背景和应用价值。北斗双天线收发系统集成了北斗一代（RDSS）通信定位功能、北斗二代（RNSS）及GPS定位功能,硬件设计兼容无源天线和有源天线,可在任一天线模式下实现相同的通信定位功能。系统硬件设计主要由RDSS信号低噪声放大模块、RDSS信号变频模块、RDSS信号基带信号处理模块、RNSS信号低噪声放大模块,RNSS信号变频及基带信号处理模块、RDSS信号发射功率放大模块、射频开关电路、电源分配电路等组成。本文重点给出了北斗双天线收发系统硬件设计的功能要求、指标要求、关键器件选型、总体方案设计、原理图设计及PCB设计过程。为了能够增加北斗收发系统使用的灵活性、降低使用环境对系统工作的限制,系统同时支持无源天线和有源天线,接收和发射信号共用变频电路及基带信号处理电路,通过射频开关、双工器、功分器等实现射频信号的选通切换,通过设计可靠的射频开关电路、器件选型等保证在使用不同天线情况下都可以达到设计指标要求。在选通其中一个天线情况下,通过控制相应供电电源和提高隔离度来实现对另一个天线接收信号的干扰抑制。本设计为北京某研究所定制产品,旨在通过本产品具有的定位通信功能对运输车辆等进行平台化管理。通过单板调试、整机产品的调试验证,达到了设计指标要求,获得了用户的认可,目前已经批量使用。

关键词： 电磁暂态仿真   FPGA   高扩展性   硬件模板  

摘要： 电磁暂态仿真在电力系统的规划运行和分析中扮演着重要角色。为实现复杂电力系统的实时仿真,基于现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array,FPGA）的实时仿真平台受到越来越多的关注。随着电力行业的蓬勃发展,电网拓扑结构呈现多元化。基于FPGA的仿真平台既需要保证电网仿真的实时性,还需要灵活支持多元化电网系统的仿真。而传统的FPGA仿真平台功能单一,且可扩展性差,无法满足目前的应用需求。本文基于电磁暂态仿真系统的通用硬件结构,提出了一种实现高扩展性硬件的设计方法。该方法将电磁暂态仿真系统的设计分为电力元件计算模块的设计和参数化硬件结构的设计。一方面,为灵活支持多种电力元件类型的仿真,电力元件计算模块采用高层次综合工具结合寄存器传输级（Register Transfer Level,RTL）硬件模板的方法进行设计。另一方面,为适应不同节点规模的仿真,同时保证仿真的实时性,参数化的硬件结构利用高性能的RTL硬件模板进行构建。本文设计了高性能的浮点累加单元缩短了系统的计算延时,同时利用乒乓缓冲隐藏了系统的通信延时。最后为了实现硬件系统的灵活构建,本文对硬件模板的关键信息进行提取,将系统的结构特征抽象成若干关键参数,然后利用Python脚本实现模板的自动化构建。为验证本文提出的硬件设计方法的合理性,本文对比了关键模块在不同设计方法下的硬件性能。同时基于本文提出的硬件设计方法,本文面向IEEE14节点和IEEE118节点的电网系统,设计了不同的硬件仿真平台用于验证设计的功能正确性和可扩展性。根据实验结果,IEEE14节点的系统能在Xilinx的XC7VX690T FPGA上实现的仿真步长为1.10s,而IEEE118节点的系统能实现4s的实时仿真步长。因此,基于本文的方法不仅能实现硬件平台高扩展设计,而且满足目前电磁暂态微秒级仿真步长的性能需求,和同类设计基本保持一致。