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关键词： 高采样率   数据采集   时间交替采样   示波器   高分辨率  

摘要： 随着集成电路产业的蓬勃发展，信号检测的难度日趋复杂。为了更好的完成对更复杂信号的测试分析的任务，对高带宽、高采样率以及高分辨率的数据采集系统提出了更高的要求，因此具有高采样率高带宽指标的高分辨率示波器正逐渐占据市场的份额，成为电子测量仪器的重要组成部分。JESD204B串行传输协议相比传统的并行传输有着明显的速度优势，在单片模数转换器(ADC)中的应用较多，但在时间交替采样(TIADC)系统中研究极少。本文的研究内容如下：　　一、完成基于10GSPS的TIADC采集模块的硬件框架总体设计。通过对TIADC技术的研究，设计了10GSPS数据采集模块的总体框架。并对关键电路模块进行详细的设计分析，给出各模块的设计方案。　　二、完成数据采集模块的硬件电路设计。设计基于开关电源加线性电源的稳定可靠的电源方案;完成关键器件的选型包括FPGA以及ADC和锁相环，并且设计ADC、FPGA、以及锁相环的外围配置电路;完成满足串行协议的JESD204B的时钟硬件方案设计;完成大容量存储的硬件设计。　　三、完成高速数据接收和处理模块的设计。设计一种采用JESD204B串行协议的高速数据接收同步的方案，并且利用其协议本身的子类1的确定性延迟同步方案实现单通道多链路同步，以及多器件同步。完成数据拼合，数字触发，并行抽点和波形平均的功能设计，实现了波形的正确重构和显示。　　四、完成10GSPS系统的多通道的频响的非一致的研究，拟对多通道系统的频响进行分析，研究一种基于时变滤波的误差重构和误差校正技术，使得系统稳定可靠并且具有良好的实时性，在FPGA内部实现该算法，并验证该方法的可行性。　　通过对采集模块的调试和整机性能的测试，本文设计的10GSPS示波器数据采集模块的实时采样率、模拟带宽、有效位数等主要指标达到设计要求，采集系统的性能和TIADC技术达到国内领先水平。

关键词： 箱式变电站   视频监控   硬件设计   软件设计   目标检测  

摘要： 为了确保经济的快速发展和居民生活水平的逐步改善,箱式变电站建设作为配电网改造升级的重要环节,得到相关部门的大力支持。同时随着自动化技术的不断改进,一些远程变电站正开始从有人值守变为无人值守。随着室外变电站数量逐渐增多,视频监控作为箱式变电站关键环节,已经得到广泛应用。箱式变电站视频监控系统快速发展的同时,仍存在很多缺陷,在实际运行中存在许多隐性安全问题。为了改进存在的隐性技术安全问题,论文针对箱式变电站视频监控中存在的问题展开了研究与讨论。首先,论文针对箱式变电站视频监控相关技术展开研究,研究与分析了视频处理及目标检测技术,运用背景差分技术来完成对运动目标的检测分析,同时研究和分析了视频传输和压缩技术。其次,针对系统功能需求,论文进行箱式变电站视频监控系统硬件选型设计和软件设计。系统硬件设计主要由总体结构设计、视频监控设计、门禁设计、电源控制模块设计等组成。软件设计基于箱式变电站网络拓扑展开系统架构,所设计系统端采用C/S架构,现场端采用C++进行通信与视频计算程序的设计。运动目标检测设计基于三帧差分和背景差分进行了目标物的提取将两者获取的目标物相与,以便得到相对准确的位置信息。最后,研究箱式变电站视频监控系统安装及调试,给出监控系统布置方案,完成视频采集与显示、运动目标检测调试。论文所设计的箱式变电站视频监控系统具有模块化体系结构,通过对箱式变电站视频监控系统功能设计,视频监控中心将各子系统集成于监控管理平台上,从而实现各系统间的无缝对接、信息共享,使视频监控系统应用起来更加方便,为箱式变电站的维护人员提供了统一的监控平台。同时,提高了对变电站检修维护的自动化水平,有效减少了工作人员的工作强度,提高了系统可用性,降低系统维护成本。

关键词： 卫星通信   移动终端   射频指标   自动化校准系统   硬件设计  

摘要： 随着我国卫星通信事业的蓬勃发展，卫星移动终端的产量在迅速增加，同时对卫星移动终端的产品质量提出了严格的要求。射频指标是产品管控的重要参考因素，虽然同一型号的卫星移动终端在量产时使用同一型号的器件，但是由于器件生产批次不同导致器件本身存在差异，并且器件的温度变化也会给射频参数带来误差，因此在卫星移动终端出厂前必须进行射频校准。目前我国卫星移动终端射频指标测量前需要终端与仪表之间进行复杂的信令交换，这在工厂批量生产时会导致生产效率降低，这就需要设计一套适合于工厂量产时的射频自动化校准系统。因此，本文基于中科院计算所参与研制的卫星移动终端，设计和实现了卫星移动终端射频自动化校准系统，主要工作如下:　　(1)提出一套卫星移动终端射频自动化校准系统的架构设计方案，在此基础上搭建硬件平台，并使用模块化的设计思想，设计了系统的软件架构，完成射频指标自动化测量和校准的任务。　　(2)提出一种面向对象的程控仪器设计方法，通过对VISA(虚拟仪器软件结构)函数库和SCPI(可编程仪器标准命令)命令库进行改进封装，并基于面向对象的设计思想，设计了适合本系统使用的程控仪器类库，实现上位机对外部仪器设备的控制，提高系统软件的高效性和可复用性。　　(3)设计了一套高效的系统通信机制，通过命令系统实现上位机与卫星移动终端间的通信，通过中断机制与交互机制相结合的方式实现卫星移动终端内部模块间的通信。　　(4)实现卫星移动终端射频自动化校准系统，并进行了模块级和系统级验证。对频率和发送功率的校准性能进行分析，校准前频率误差平均在0.3ppm，校准后频率误差均小于0.05ppm;校准前功率变化平均大于0.4dBm，校准后功率功率变化平均小于0.2dBm，校准效果明显。

关键词： PLC   污水处理   控制系统   硬件设计  

摘要： 重工业废水和城市生活废水会造成重大生态污染,要重点关注城市污水处理,引入先进的PLC(可编程逻辑控制器)技术和方法,设计和应用基于PLC的污水处理控制系统,结合污水处理控制的实际需求,进行系统软硬件设计,实现污水处理的自动控制功能。

关键词： 模拟阅读   脑-机接口   FPGA   最小二乘支持向量机  

摘要： 脑-机接口是不依赖于外周神经系统以及肌肉组织,直接在人脑与外部设备之间创建的一条信息传输通道,它在医疗康复和特殊环境下作业等领域有着巨大的实用价值。脑-机接口系统主要由信号采集、特征提取、模式识别以及控制信号输出四个部分组成,其技术核心是将输入的脑电信号解码为控制信号的转换算法。“模拟阅读”脑-机接口由中南民族大学研究团队首次提出,它在信息传输率及识别准确率方面均取得不错效果,国内已有团队研发了实时字符输出的在线“模拟阅读”脑-机接口系统。但是,该系统中脑电信号处理算法依赖于PC机,这让“模拟阅读”脑-机接口系统在便携性和实用性上受到很大影响,使其目前的应用还是停留在实验室阶段。随着可编程逻辑器件技术的发展,FPGA在数据处理性能和运算速度上均得到巨大的提升,能够处理大部分脑-机接口中的数据流控制和算法任务。本文设计一种基于FPGA的“模拟阅读”脑-机接口硬件系统,将已有系统中的数据预处理以及核心算法全都移植至下位机,较大程度上提升系统的便携性,促进脑-机接口技术实用性的发展。本文主要工作包括完成基于FPGA平台的脑电信号采集、数据预处理、核心算法移植三大部分。信号采集包括脑电极和A/D模块,其中A/D模块由FPGA控制ADS1298芯片完成数据传输;数据预处理包括带通滤波、特征提取、数据降采样和归一化,其中滤波器选用IIR带通滤波器,特诊提取选用时域法,归一化选用最大最小标准化方法;核心算法移植包括最小二乘支持向量机的移植,并在已有实现方法的基础上,创新性在FPGA上设计出该算法中的神经网络权值系数的实时计算功能,使其能够更好的应用于实时脑-机接口系统。最后,为测试系统工作状况,以PC端处理结果为参照,对系统各模块进行功能测试。测试结果表明,各模块均可正常工作,本系统对样本分类的准确率与基于PC平台的系统分类准确率几乎相同,满足设计要求,验证了以FPGA替代PC端完成数据处理的可行性。

关键词： 多功能   功能可重构   数字化仪   频率计   任意波发生器  

摘要： 随着电子测量仪器的快速发展,传统大型测试系统通常由多台单一功能的测试仪器组成,但由于数据交互速度慢、体积庞大、缺乏便携性和灵活性等缺点并不适用于现场快速测试与移动测试。本文针对传统电子测量仪器的功能单一、体积庞大、不能覆盖多种测试条件和测试环境等问题。定位当前电子测量仪器市场需求并对标国外主流型号的多功能小型化测试模块。设计了具备功能可重构、硬件可组态的多功能模拟信号测试模块。该模块为VXI单槽C尺寸模块,同时具备8通道的数字化仪、8通道频率计以及8通道任意波发生器,三种功能具备可重构的特性。不仅解决了多种功能联合测试、便携式测试、快速移动测试的需求,而且模块硬件可组态的设计理念在多个功能模块进行硬件组态后可大大提升电子测量仪器的测试范围以及测试能力。本文主要的研究内容包括:1、根据模块功能以及指标要求,采用小型化低功耗设计原则对多功能模拟信号测试模块的总体架构方案进行了设计。2、研究数字化仪、频率计、任意波发生器三种功能模块的解决方案,针对三种功能分别进行了硬件电路设计。最后提出了基于功能可重构、硬件可组态的设计思路,并对多功能模拟信号测试模块进行了功能可重构、硬件可组态化设计。3、研究基于DDR3的数据深存储逻辑实现细节。实现了采用简单用户逻辑接口对DDR3进行突发读写操作。设计了基于DDR3的高速数据采集实时存储功能。4、研究了高分辨率时钟分相频率测量方案,在FPGA内部实现了对信号进行1ns分辨率的测频、测周以及脉冲参数测量。5、研究任意波发生器数字逻辑实现方案。在FPGA内部实现了对外挂SSRAM存储器的直接频率合成,数字调制等功能。通过对以上内容的研究。本文设计了具备功能可重构、硬件可组态的8通道多功能模拟信号测试模块。在单一模块中实现了3种不同测量功能。使之能广泛的应用于某些极端复杂测试条件下的现场快速测试与移动测试。为多功能小型化集成测试系统打下了坚实的基础。

关键词： 柑橘   动态检重分选系统   硬件设计   软件开发   分选精度  

摘要： 柑橘作为我国重要的经济类作物，种植面积超过3800万亩，给果农带来巨大的经济效益。通常，柑橘在采摘后需对其重量品质进行检测分选处理，按检测分选的差异对柑橘进行分类售卖。为此，国内外开展了一系列对于柑橘重量检测系统的研究，并研制了出相应的检测设备。这些重量检测设备以其价格便宜和分选准确的优点得以广泛应用，然而，目前国内外所使用的柑橘重量检测设备多为静态检测设备，其自动化程度较低，上果、分选等环节需要进行人工处理，浪费了大量的人力物力。针对上述问题，本文设计了一种柑橘动态检重分选系统，并通过性能试验明确该系统存在的不足，针对检重分选系统中存在的问题，从柑橘动态重量检测的精度以及分选精度方面进行优化，并测试了优化后的效果，本研究的主要结论如下:　　1)检重分选系统硬件与软件部分的设计。检重分选系统的工作原理基于应变式压力传感器的响应特性，整体可分为检测机构、排序机构与提升机构，检测机构采用链式传动的方式能完成柑橘的动态重量检测与分选。排序机构以V形带作为柑橘输送部件，能在柑橘输送过程户对其进行排序整理。提升机构以滚筒带动柑橘运动，能实现检重分选系统的自动上果;检重分选系统的控制终端为计算机，能实现检测系统传动链启停与调速控制以及系统的参数设置。　　2)检重分选系统性能测试。检重分选系统的工作性能的测试，主要围绕其检测精度与分选精度进行，通过试验探究影响检重分选系统检测精度与分选精度的主要因素，结果表明:检重分选系统检测精度主要受柑橘检测样本的重量与传动链速影响，其中柑橘重量大小与系统的检测误差成正比，在传动链速为0.5m/s时，256.7g的柑橘样本与78.8g的柑橘样本相比，检测误差增加了4.2g，此外传动链速的提高也会导致检测精度的下降，0.5m/s传动链速下，系统重量检测的平均误差为:8.7g，在传送链速为1.5m/s时，系统重量检测的平均误差上升至20.8g;检重分选系统的分选精度受检测精度与系统分选执行元件运行效率的共同影响，当系统检测精度低于设定分选区间或分选执行元件工作效率与传动链速不匹配，都会造成分选误差。综合考虑检重分选系统的重量检测与分选精度，其动态检重分选时传动链速范围应为:0.5m/s～1m/s。　　3)检重分选系统的性能优化。对于系统的性能优化主要从检测精度与分选精度两部分开展。针对系统动态重量检测精度的优化，从称重信号的降噪处理上入手，称重信号降噪处理方法主要包括数据预处理与算法滤波处理两部分，通过各种预处理的综合试验对比，选定中值滤波算法作为系统动态称重信号的数据预处理方式，并基于BP神经元网络设计了动态称重算法，对预处理后的称重信号再降噪，经优化后，在传动链速为0.5～1.5m/s内，检重分选系统的动态称重平均相对误差范围缩减至2.1g～4.3g;对于检重分选系统分选精度的优化，在对重量检测精度优化的基础上，提高分选执行机构的响应灵敏性，改用继电器来代替下位机控制分选执行机构的运行，使得执行机构的运行时长从50ms缩减至4ms，优化后的系统在传动链速为1.5m/s时的柑橘动态重量分选精度提高了约50％。

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： 零中频   应答机测试   频率测量   功率测量  

摘要： 当前,我国的民航交通运输业正面临着大流量、高密度、更安全等前所未有的运行压力,必须要严格实行空中交通管制以保障飞机的飞行安全。为了准确掌握飞机的飞行情况并实行不间断的飞行指挥必须通过雷达来维护飞行秩序。目前ATC/S模式应答机在很多国家的空管系统中得到了广泛的应用。本文针对目前日益繁重的机载应答机测试需求,设计了便携式应答机测试设备。它可以产生仅A/C模式询问信号、A/C/S全呼叫询问信号和S模式询问信号并识别与解调应答信号。并根据应答机测试需求对应答机发射机的功率和频率进行测量。本文从技术原理到硬件实现介绍了便携式应答机测试设备的设计过程。本文的研究内容如下:1.从便携式应答机测试设备的指标和功能切入,通过机载应答机与S模式二次雷达的A/C与S模式数据通信链路进行分析。并提出了采用软件无线电技术中零中频架构的技术路线以及对其解调算法进行研究。由于本设计为便携式测试设备,加之软件无线电技术的设备具有体积小、低成本、易升级、高性能等特点,故将无线电技术应用在本测试设备的设计中无疑将具有巨大的优势。2.本设计分为了硬件设计和逻辑程序两部分。在硬件设计中,射频收发器AD9361与作为基带处理器的FPGA作为本次射频收发的方案,通过对射频收发器的数字接口对其进行配置,使射频收发配置选择更加灵活,基带处理功能更加丰富。同时,为了实现功率与频率测量的功能,设计了功率测量电路和频率测量电路,并且设计了锂电池充放电保护电路的子板对锂电池进行保护。3.在逻辑程序的设计中,设计了能够正确产生仅A/C模式询问信号、A/C/S全呼叫询问信号和S模式询问信号的询问信号模拟单元。为了正确对应答信号进行识别与解调,设计了应答信号解调模块以识别应答信号为A/C模式应答信号还是S模式应答信号并对应答信号进行解调。同时编写了功率测量逻辑程序和频率测量逻辑程序完成功率测量数据的读取与频率的测量,并根据PXI通信接口模块逻辑程序完成上位机与FPGA之间数据与地址的通信最后通过搭建测试平台,对测试设备功能及其指标的验证,经过测试与验证拥有良好稳定的工作特性,其功能能够达到指标设计要求,可对机载应答机进行测试。