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关键词： 电动移栽机   关键部件选型计算   驱动电机控制   锂电池组保护   硬件电路设计  

摘要： 高水平的农业机械化对我国现代化农业的高质量快速发展起着关键作用,然而我国以传统能源为动力的农业机械能源利用效率低,并且废气排放、废油滴漏、噪音污染等缺点十分突出,对农田资源环境、农民身体健康危害很大。本文依托一台自走式双垄鸭嘴吊杯型蔬菜移栽机,对其原有的驱动系统进行了电动化设计改造,优化成一台自走式纯电动移栽机,既可用于大田移栽作业,也可用于大型温室大棚。本文主要研究结果如下:(1)基于对不同驱动电机、动力电池性能比较分析,对移栽机行车作业消耗功率、期望工作行驶里程、续航作业时间等重要指标的计算,选择了额定功率、电压、转速分别为2.5 kw、60 V、3300 r/min的开关磁阻电机为驱动电机;选择额定容量为100 A?h的三元锂电池组为动力电池;重新设计了一套适用于电动移栽机的最大传动比为142的减速传动装置,并利用SOLIDWORKS软件对整机绘制了三维模型图。(2)基于对驱动电机运行原理与控制策略的分析,以STM32F103R8T6单片机为核心,对驱动电机控制系统的硬件电路进行了设计。主要包括单片机最小系统电路、供电电源电路、电机转子位置检测电路、移栽机行车作业管理信号采集电路、电机功率驱动变换电路、电流电压检测电路、过温保护电路。实现了对电动移栽机启动调速、前进倒车、断电停车的行车作业管理控制。(3)基于对锂电池组使用中会出现的安全问题分析,以HY2113、HY2213这两款锂电池保护专用芯片为核心,设计了对16串锂电池进行安全保护的硬件电路。主要包括锂电池充电均衡保护电路,过充保护、过放保护、过流保护、短路保护电路,实现了对电动移栽机锂电池组在充放电运行时的监测保护,并说明了锂电池组与保护电路的外部接线方式。经过驱动系统电动化改造的移栽机,其移栽作业速度可在0.3m/s～0.7m/s的最佳作业速度之间无级变速;最大作业行驶里程可达4.8km,最长续航时间约4小时左右。

关键词： 汽车教学设备   模拟教学测试系统   硬件设计   软件开发  

摘要： 目前，高技能型汽车人才的培养不仅需要借助传统的汽车教学设备和教学方法，更需要院校与企业单位等合作，推进产教融合，开发出既能体现出汽车新技术特点，又符合实际教学需要的综合式专业教学设备。　　通过对奔驰汽车电控空气悬架系统和电动助力转向系统的全面分析，进一步优化了原车配件，设计了一套综合式模拟教学测试系统，该系统既包括了电控空气悬架（ASS），又运用了电动助力转向系统（EPS）。通过该模拟测试系统，能清晰地了解电控空气悬架及电动助力转向系统的具体部件组成，直观地展现出与实车非常贴近的电控空气悬架和电动助力转向系统的基本控制原理和具体控制过程。　　本文首先介绍了本课题研究的国内外现状及方案设计过程、奔驰汽车原车电控空气悬架及电动助力转向系统的结构组成及工作原理，并进行了理论分析，系统设计及实验过程，结尾对所做工作进行了凝练总结，分析设计测试系统的欠缺之处，提出了模拟测试系统的改进意见。　　文中介绍了模拟教学测试系统工作原理，重点分析了汽车电控空气悬架系统主要结构和原理、奔驰汽车电控悬架的结构与功能、汽车电动助力转向系统主要结构和原理、奔驰汽车助力转向的结构与功能等，更深入的了解本模拟教学测试系统的主要研究测试对象的基本情况。在模拟测试系统硬件的打造过程中，充分利用了传统化测试平台系统的特点，合理应用高性价比的电路集成资源替代陈旧电子设计，并将机械、电气故障设置等已有方式进行融合，本着实验流程简单化、硬件设计通用化的方式进行布置，以简洁而快捷设计方式达到相应的实验效果。模拟教学测试系统在开发过程中，需要使用的软件工具、信息资源以及开发的相关软件资源。整合了各种教学素材资源形成了课程资源信息包。通过软件资源的开发可以本模拟教学测试系统更好的服务于课程教学。　　本文完成了模拟测试系统故障点的设置;模拟教学测试系统的调试;模拟教学测试系统事故码的读取、清除及应用;模拟教学测试系统信号波形的测试与存储。通过上述测试操作，验证了本模拟教学测试系统的基本性能多样、工作可靠、使用方便。　　此外，本系统可以根据实际研究或教学需要，获得不同工况下的传感器数据波形、动态参数，并且能根据实验要求设计故障点，掌握各种的传感器数据对于控制过程的影响。

关键词： 条码识别系统   FPGA   中值滤波   边缘检测   ARM  

摘要： 近年来,条码识别系统广泛应用于工业生产、物流管理等领域,给人类社会生活带来极大便利的同时,对条码识别系统的识别速率、准确率、适用性等提出更快更高的要求。采用ARM等单架构硬件平台的条码识别设备,已经无法满足工业、物流等领域的高实时性要求。为解决上述问题,本文对条码图像的滤波和边缘检测算法进行研究,利用FPGA实现算法映射。并设计条码识别硬件系统,由ARM对系统进行管理,有效提高系统实时性和适用性。本文研究的主要内容有:（1）基于FPGA的条码图像滤波算法研究。针对经典中值滤波算法对条码图像进行滤波处理时,存在噪声点扩散,导致条码线条边缘轮廓模糊的问题,提出一种基于FPGA的开关型均值-中值滤波算法。算法通过噪声开关,识别噪声点后进行中值滤波。然后使用基于均值的阈值比较模块,识别线条边缘轮廓区域,对非边缘轮廓的像素点进行滤波处理,保护条码图像线条的边缘信息。同时,通过极值比较器对算法的中值排序流程进行时序优化,节省了硬件资源。（2）基于FPGA的条码图像边缘检测算法研究。针对经典Sobel算法对条码图像进行边缘检测时,对光照环境要求较高,且需手动设定阈值的问题,提出一种基于FPGA的多向性阈值自适应型Sobel算法。在经典Sobel算法基础上添加方向卷积模板,使算法检测的边缘信息更完整,然后使用均值模块实时采集图像的多个阈值,实现阈值自适应,降低算法对光照环境要求。（3）条码识别系统硬件设计。针对工业领域中条码识别系统实时性、适用性等要求,通过对比分析现有嵌入式硬件架构的优劣势,结合系统参数指标与功能需求,设计基于FPGA和ARM的条码识别系统,并完成外围电路设计。最后,在本文设计的条码识别系统硬件平台上,对改进后的条码图像预算法进行检验。结果表明,与经典算法相比,改进后的滤波算法对条码图像滤波效果更优,有效保护线条边缘信息;改进后的边缘检测算法,实现阈值自适应,检测的条码轮廓特征信息更加清晰完整。

关键词： 相量测量装置   DSP   改进WLS-TF   块最小均方   改进DFT   硬件设计   软件设计   CCS  

摘要： 电力行业是现代社会的基础性产业,由于其庞大和复杂,很难对电能质量进行全面监控和可靠控制,实时监测和精确估计电网动态已成为一个必要的问题。在许多应用场合,电力系统需要实时测量相量幅度和角度以及判断电压和电流信号中存在的谐波,基于相量测量数据采集技术的广域监测系统应运而生,为电网运营商提供了系统实时监测的机会,是国内外公认最新的电网监测与控制手段之一。本文首先描述了相量测量技术的研究背景与意义,从相量测量原理和测量装置的国内外发展现状出发,对相量测量算法进行了优化研究。提出了三种提高相量测量精度的算法,设计开发了相量测量装置的硬、软件系统,并将其中一种改进算法移植到DSP中,从而提高了相量测量装置的测量精度。本文主要研究内容如下:（1）在查阅大量的国内外相关文献资料的基础上,对本课题的研究背景与意义进行了深入的研究分析,对同步相量测量装置及算法的国内外研究现状进行了分析总结,同时对电力系统领域的行业标准进行了阐述。（2）提出了一种在稳态及动态条件下估计同步相角和频率的方法,该算法是基于加权最小二乘泰勒展开傅里叶算法（Weighted Least Squares Taylor Expansion Fourier,WLS-TF）的改进方法。详细介绍了改进WLS-TF算法的推导过程,并提出一种利用二阶多项式插值函数进行频率估计的新方法。在信号模型中考虑不同稳态和动态信号条件下,对比说明所提方法的有效性。（3）提出了一种估计相量参数的自适应块最小均方算法,将未知相量模型建模为线性滤波问题,使用二阶优化技术估计幅值和相位,不需要任何矩阵求逆运算,具有更少的计算复杂性,仿真验证该算法的收敛性,快速响应能力和准确性。（4）目前市场上推广的基于DSP的相量测量装置普遍采用快速傅里叶算法（FFT）作为数据处理计算方法。传统离散傅里叶变换作为电力系统中相量测量的基本算法,虽然计算简便,对谐波有一定的抑制能力,但受栅栏效应和频谱泄漏影响严重,为提高电力系统相量的快速准确测量,本文提出了基于离散傅里叶的改进方法,仿真验证算法的实用性,并与前两种算法的测量精度进行了对比分析。（5）介绍了同步测量装置的基本原理及总体框架,分析了同步时标位置对相量测量精确性及实时性的影响,表明同步时标最佳位置的选取对于相量测量装置的重要性,提出一种判断时标位置最优值的方法。（6）介绍了相量测量装置的硬件和软件设计,硬件电路包括数据采集模块、数据处理模块、同步时标形成模块等,给出了各个模块的电路原理图,描述了模块的选型及相关电气特性。在硬件电路的基础上对装置软件进行了分块化设计,为提高电力系统相量测量的精度,以CCS3.3软件作为开发平台,将改进DFT算法移植到DSP中。（7）对同步相量测量装置进行调试和运行,在CCS3.3环境下仿真,验证改进DFT算法移植的准确性。用标准源测试装置的整体运行性能,设置标准源的电压电流参数,在CCS环境中读取电压和频率信息。最后在实验室内部进行了装置的整机调试,测试输出的电压和频率值。

关键词： 5G   基带平台   主控板   硬件设计   硬件测试  

摘要： 5G的时代已经到来,随着5G试验网的建立,5G商用化的逐步推广。无线移动通信正在跨入下一个时代,新一代无线通信网络的主要特点有高数据流量、海量终端,低延时,低成本,高效率。以上的特征映射到硬件上对应着先进的无线传输技术与高性能高带宽的基带处理单元。所以基带通信硬件急需更新换代。本论文对与5G架构下的基带处理单元中的主控板进行硬件开发。基于5G的协议架构,从需求导入、总体设计到硬件板卡设计、硬件测试进行了主控板的完整开发与设计。论文主要研究工作如下:以5G基带需求为基础,基于主控板对5G基带业务数据处理需求,对MCU与以太交换芯片及时钟同步保持,数据存储,逻辑控制等功能模块的主芯片进行了选型与方案的确定。基于基带处理平台架构,设计一款满足5G需求的高性能低成本主控板。不仅进行原理图与PCB版图的绘制,还对各个功能块进行测试满足项目需求。主控板满足5G性能需求。设计有24条10Gbps高速差分链路,10条2.5Gbps高速差分链路。并对高速链路上的SGMII、10GBASE-KR、SFI、XFI等片间板间以及光口通信方案进行设计验证,均达到理论通信速率,满足设计需求。基于5G需求,在板上设计了一个可热切换的多时钟源电路。在所有时钟源都失锁的情况下,通过板上的恒温高稳的压控晶振,提供不小于24小时的稳定时钟。对高性能主控板上所有高速接口设计出一套完整的优化与测试流程。通过对高速接口的信号完整性进行优化,通过调节物理层的电气驱动参数,使信号最优,增强抗干扰能力减少误码与丢包。通过示波器进行外部眼测试并进行PRBS压力测试,保证可靠性。

关键词： 移动通信   稳定跟踪平台   硬件设计   软件开发   三环控制  

摘要： 随着通信技术的发展，“动中通”系统在各领域中的应用越来越广泛。而稳定跟踪平台作为“动中通”系统中最关键的设备之一，能够保证地面接收天线稳定指向跟踪目标。因此设计一款满足性能指标要求的稳定跟踪平台是本文的主要研究内容。　　本文首先通过调查现有的车载三轴稳定跟踪平台的性能指标，并分析了平台具体的功能及需求，完成了平台的总体设计，包括平台的硬件总体设计，软件总体设计，控制方案设计等。本文设计的三轴稳定跟踪平台具有小型化、机动化的特点，能够确保车载环境下对目标的稳定跟踪。　　其次本文将平台的硬件设计与软件设计划分模块进行设计，从而便于测试与排障，并详细介绍了各模块的具体硬件设计与软件设计包括微型控制器模块、姿态检测模块和电机模块。STM32微型控制器通过采集姿态传感器数据并进行解析，从而输出相应的动作指令给伺服电机进行运动，从而保证平台天线对跟踪目标的精确对准。　　最后本文对三轴稳定跟踪平台中跟踪无人机过程中存在的过顶问题和位置跟踪问题给出了解决方法并进行了详细阐述，之后对该平台使用的三环控制策略进行了simmulink建模并进行了仿真调试。

关键词： 热成像技术   热成像机芯   硬件设计   图像处理   国产化  

摘要： 目前,国内红外热成像研发技术不断成熟,对于热成像设备的需求在不同领域都有所增长。国内各大红外厂商已经实现多种规格国产红外探测器和红外热成像镜头的研制,红外热成像机芯仍然处于供不应求的状况,并且急需国产化产品替代进口机芯。因此,设计和开发一款基于国产探测器的非制冷红外热成像机芯成为了必要的技术储备。本文主要的工作重点是非制冷红外热成像机芯的硬件设计,基于高度集成的FPGA来实现主控及图像处理功能,降低设计复杂度和硬件成本。首先,本文分析了设计非制冷红外焦平面探测器的三个关键技术,并深入的学习了红外图像处理过程中用到的各种算法,为后续红外图像处理提供理论基础。针对提出的探测器性能指标和硬件技术指标,对国产红外探测器和FPGA芯片进行了选型;然后根据探测器电气特性及要求,分别论述了探测器供电,探测器输出信号AD转换,FPGA控制及视频编码,探测器TEC控制等的原理图及PCB设计方法。软件实现基于Spartan6片上逻辑资源,根据硬件电路功能分别论述了探测器的配置及驱动时序设计,模拟视频ADC采样量化设计,探测器工作点调整方法,红外图像处理及终端显示设计等。最后对设计的热成像机芯功能进行调试和成像测试,按照调试流程对探测器进行输入信号测试,参数配置以及工作点调整工作,对比测试验证图像处理效果,另外与某国外同参数产品的成像效果进行对比分析。本文设计的国产热成像机芯比进口机芯拥有更好的成像效果,更低的价格和更短的采购周期,实现了非制冷红外热成像机芯的国产化目标,摆脱了贸易被动的局面。

关键词： 贴片机   视觉系统   硬件设计   FPGA  

摘要： 随着表面贴装元件应用越来越广泛,能够准确高效完成贴片元件贴装任务的贴片机在电子制造业中的地位也越来越突出.视觉系统作为贴片机贴装精度的保证,对于改善贴片机性能、提高其档次具有十分重要的作用.本文根据贴片机对于电子元器件位置、偏角等误差因素识别的需要,在对国内外贴片机及其视觉系统发展状况研究和分析的基础上,对贴片机视觉识别系统的硬件进行相关研究与开发.

关键词： 纯电动汽车   整车控制器   硬件设计   安全测试  

摘要： 汽车功能安全标准的实施可以帮助新能源汽车电子电气零部件供应商在产品设计阶段规避掉电子电气系统所带来的不合理潜在风险，减少安全相关召回和投诉事件引起的巨大经济损失。整车控制器包含动力管理、上下电管理、故障诊断等一系列关键功能，工况复杂，安全相关故障发生概率较高且后果严重，因此对于整车控制器的功能安全研究具有现实的指导意义。　　本文针对纯电动汽车整车控制器存在的安全隐患，基于ISO26262《道路车辆功能安全标准》在处理车载电子电气系统安全问题上的优势，完成了纯电动汽车整车控制器功能安全概念设计，提出基于功能安全需求的整车控制器硬件设计方案，以降低整车控制器所带来的残余风险，提高纯电动汽车运行稳定性与安全性。论文主要完成了以下工作：　　（1）总结纯电动汽车整车控制器潜在故障，利用HARA方法分析这些故障对整车控制器安全运行的影响，依据ISO26262标准为故障设立安全目标并分配ASIL等级，针对纯电动汽车整车控制器潜在故障提出功能安全技术需求。　　（2）提出了符合功能安全的纯电动汽车整车控制器硬件多安全机制解决方案，依据方案导出了纯电动汽车整车控制器的电路设计，同时运用FMEDA方法进行整车控制器电路设计的硬件架构度量，以分析安全机制对潜在故障的覆盖能力。　　（3）根据功能安全标准对于硬件部分的测试要求，提出基于实体电路板加模拟信号的整车控制器功能安全测试方法，进行了整车控制器电气测试、功能测试、故障注入测试，以验证整车控制器的功能安全符合性。

关键词： 汽车电气系统   倒车辅助照明系统   软件开发   硬件设计   总线技术  

摘要： 现代化社会对于汽车的安全性、操控性、舒适性等方面的要求正在不断提升。得益于电子技术的发展，各种先进的电控设备被应用于普通家用汽车上，车载控制器的数量急剧增加，汽车电气系统越来越复杂，车辆控制节点的网络化成为了热门的研究方向。相比于传统布线方法，车载总线技术的应用使独立线束的数量得到有效控制，在降低电气系统复杂度的同时加强了各控制节点之间的信息共享，这满足了庞大的车载控制器网络对于通信的严苛要求，电子系统的可靠性和性能也因此得到提升。随着汽车的智能化发展，传统的中低速总线技术在承担高数据传输率、高数据吞吐量的任务时开始出现疲软态势，包括自适应灯光系统、驾驶辅助系统、座舱娱乐系统等一系列新技术的开发和应用需要高速、高带宽的总线技术。本文基于CAN FD总线技术，运用STM32H750等智能控制芯片，针对低光照条件下倒车视野较差的问题，设计了一套倒车辅助照明系统。该系统除具有普通尾灯的信号警示功能外，增加了倒车辅助照明模块。当环境亮度低于阈值时，车辆挂入倒挡即自动点亮倒车示意灯和倒车照明灯，其中倒车照明分为两种工况，一是直线倒车时的车辆正后方照明，二是倒车转向时在工况一的基础上增加方向盘转向信号触发的侧后方照明，具有自适应性;当环境亮度高于阈值时，车辆挂入倒挡仅点亮倒车示意灯。该设计在传统尾灯技术的基础上进行改进和创新，极大提高了夜间行车的安全性。　　CAN FD总线协议作为一种基于传统CAN协议的新型技术，拥有良好的应用前景。本设计选用了CAN FD总线协议，其具有可变传输速率，理论最高传输速率达15Mbps，定义的新数据场长度达64字节，实现了高效传输，扩大了数据段容量，极大提高了汽车网络的传输性能。为了解决通信资源浪费、总线带宽不足、实时性差和成本过高等单一总线所带来的问题，总线网络的模块化是必要的。主网和子网的设计是一种主流技术手段，子网将功能接近的控制器整合为一个模块，这些模块再接入高速主网，形成主从关系，层次分明。并列型总线结构和分层型总线结构是两种常见的网络模块化设计，本文基于分层型结构，对主网和子网进行分开设计，主网应用CAN FD总线技术，子网应用LIN总线技术。LIN网络相对低速、低成本的特点符合尾灯模块的单独组网需求，CAN FD网络高速、高带宽的特点可以承担全车各模块的组网任务，两者的组合应用使得整车网络的性能分配和成本控制达到平衡，更加贴近实际工程应用。针对这一设计，文中给出了该混合组网的设计示意图。文中还介绍了CAN协议和LIN协议的技术规范，对两种协议的报文帧类型、帧结构和主要参数进行了说明，详细阐述了CAN FD协议相比于CAN协议的数据率优势、数据长度优势和帧结构变化。　　本系统的硬件设计由微控制器(MCU)模块、电源模块、CAN FD通信模块、LIN通信模块、功率驱动模块五大模块构成。尾灯系统网络包含主控节点和两个尾灯从控节点共3个节点，主控制节点接收CAN FD总线信号和车内操作面板的开关信号，其中刹车踏板信号、倒车档位信号、光线传感器信号和方向盘转向角度信号经由CAN FD总线被主控节点接收，尾灯控制开关信号在主控节点处通过开关按键输入，其中包括左转向灯开关、右转向灯开关、示廓灯开关和雾灯开关。从控制节点通过LIN总线接收主节点控制信息，并对各灯组的亮灭进行控制。信号灯组包括雾灯、转向灯、示廓灯、刹车灯和倒车灯，其中倒车灯包括了倒车示意灯、倒车照明灯(车后方向)和倒车照明灯(车侧方向)。针对这一拓扑结构的设计，文中给出了系统整体连接示意图。MCU模块选用了STM32H750XBH6芯片，该芯片采用先进的ARM Cortex M7内核，其拥有丰富的外设和优越的性能，且性价比较高。STM32H750xBH6自带FDCAN控制器，能够很好地支持CAN和CANFD总线消息的处理。由于当下很多PC机已经不配备通用串口，为了解决程序的烧录问题，在该模块中设计了USB转串口电路，实现了一键烧录的功能，使控制程序的下载更为方便。此外，该模块还完成了MCU的外设引脚分配。电源模块采用网络化供电方案，并选用两款降压芯片MP2359和AMSll17-3.3，设计了12V转5V和5V转3.3V的两级降压电路，相比12V转3.3V的单级直接降压，有效提高了电源利用率。CAN FD通信模块选用TJAl057收发器芯片，该芯片与CAN FD总线匹配良好，最大数据率可达5Mbps，能充分发挥CAN FD总线实时性好、报文帧数据域宽的优点。该模块介绍了TJAl057的各引脚功能，完成了TJAl057与主节点MCU、CAN FD总线的电路连接设计，其中与MCU的连接通路上应用了光耦隔离器件6N137，该器件可隔离高输入和输出，最高数据转换率达10Mbps，能很好地与CAN FD的高数据率进行匹配。LIN通信模块选用了TJAl02