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关键词： 万能式断路器   检测系统   硬件设计   软件设计   人机交互  

摘要： 智能型万能式断路器主要适用于不频繁转换通断的中低压配电线路和开关柜中,来对电网和电气设备的安全进行保护。实际运用中，要求智能型万能式断路器具有较高的可靠性，否则，若电气电路发生欠压、短路等故障时不能及时作出脱扣动作判断，那么瞬时短路的大电流可能会造成配电电路和电路中用电设备的烧毁或损坏，甚至会造成整个局部电网的瘫痪，造成难以估计的经济损失。　　为提高智能型万能式断路器的可靠性，相关产品出厂前都需进行严格的可靠性测试，保证产品的质量。一般地，对智能型万能式断路器进行可靠性检验主要是以欠压脱扣器检验、电动操作检验、相位检验、精度检验、三段电流保护（接地、长延时、瞬时）、耐压绝缘电阻测试以及通信检验为主。由于智能型万能式断路器型号繁多，框架大小不一，为了节约生产成本，实际生产中无法满足各系列断路器全部上线自动检测，往往依赖校验台手动检测，这样就不利于断路器可靠性的提高。为此，本文针对智能型万能式断路器的检测特点，利用气动控制技术、伺服控制技术、传感器技术、恒流源技术、PLC控制技术、网络通讯技术、人机交互等技术对全系列智能型万能式断路器检测系统设计中所涉及的关键技术展开研究。　　首先，本论文根据实际检测系统设计需求，完成了断路器检测系统的总体方案设计。在此基础上完成了检测系统的硬件设计，主要包括特性检测子系统、耐压检测子系统、伺服系统和PLC系统的设计。　　接着，论文又完成了断路器检测系统的软件设计，主要包括初始化程序、精度检验程序、延时检验程序、电动操作检验和欠压检验程序、伺服控制程序和程控电源控制程序设计。　　最后，本论文完成了人机交互的检测软件设计和实际应用测试。人机交互的检测软件设计主要包括手动操作界面、自动检测界面、伺服参数输入界面和耐压检测界面的设计，实际应用测试包括特性工位检测测试和耐压工位检测测试。　　通过本设计，让全系列型号断路器的可靠性检验得以实现，大大提高断路器的检验效率，从而增加产能，为公司带来更多利润。

关键词： 电池管理系统   阻抗检测   SOC估计   硬件设计   软件设计  

摘要： 在大规模储能技术中,性价比最高的电化学储能技术中的锂离子电池储能技术因其体积小、效率高以及污染小等优势发展最为迅速。锂离子电池本身的特性比较复杂,如果运行过程中的状态参数不能得到实时监测,将会导致锂离子电池单体发生过充、过放等问题,进而引发过温、热失控等安全事故。研究能够对锂离子电池状态参数进行实时监测与控制的电网储能用电池管理系统具有重要意义。本文针对当前储能电池管理系统存在的问题,开展的研究工作如下:(1)对电池及电池管理系统的相关概念、理论、技术进行了介绍,进而进行了电池管理系统的需求分析和总体设计。首先介绍了储能用锂离子电池的工作原理及技术参数,在常用阻抗检测方法的基础之上给出了本文所采用的阻抗检测方法;紧接着对锂离子电池SOC、SOH以及内温的估计方法及原理进行了说明;最后,在对电池管理系统进行需求分析的基础上给出电池管理系统的技术指标,以技术指标为依据给出了系统的总体设计方案。(2)对电池管理系统的硬件进行了设计。硬件系统选择研华科技公司的IPC-610L型号工控机作为管理系统的主机;以TMS320F2812PGFA的DSP作为测控模块的核心控制芯片,分别完成了信息采集单元、温度控制单元以及故障隔离单元的硬件选型和电路框图设计,使用CAN总线作为系统各部分之间的通信媒介实现数据的可靠传输。(3)对电池管理系统的软件进行了设计。系统主控模块软件由数据库、电池状态评估、故障诊断及处理、一致性管理以及人机交互界面等部分组成;测控模块包括信息采集单元、温度控制单元以及故障隔离单元等;主控模块与测控模块之间的通信由通信软件实现。(4)对设计完成的电网储能用电池管理系统的主要功能进行了测试。按照技术指标要求和总体设计方案要求,对完成的主控模块软件的功能界面、电池状态评估、故障诊断以及测控模块硬件的信息采集等功能进行了测试。测试结果表明各项功能满足设计要求。

关键词： 无人机监测雷达   收发模块   硬件设计   性能测试  

摘要： 当前形势下，随着无人机的迅猛发展，低空开放俨然已经成为事实趋势。然而，低空开放引发的安全问题，以及对无人机监控薄弱导致的安全隐患，成为令各国政府和公众担心的新问题。根据中国航空器拥有者及驾驶者协会《中国AOPA》发布的《中国无人机报告》，中国有上万架无人机处于“黑飞”状态。为应对无人机黑飞滥用对治安管理、个人隐私及国家安全等造成的巨大威胁，针对无人机的监测技术研究也变得越来越重要。　　本文主要针对无人机监测雷达收发模块的设计展开讨论，作者的主要研究内容主要包括以下几点:　　第一，本文主要研究工作在Ku波段的无人机监测雷达收发模块的硬件设计，收发模块作为无人机监测雷达的重要组成部分，其性能设计对雷达系统有着重要影响。文章首先针对接收与发射系统，简要的介绍了接收机与发射机的常见结构并对具体结构的优缺点进行了简要分析，选取合适于无人机监测雷达收发模块的接收机、发射机结构，并结合无人机监测雷达项目要求，根据工程应用实际，给出了收发模块的系统设计方案以及具体指标。　　第二，根据无人机监测雷达收发模块所采用的零中频接收机、超外差发射机结构，对无人机监测雷达收发模块中的关键元器件的选取进行了分析。依据无人机监测雷达收发模块实际元器件的选用情况，对无人机监测雷达收发模块的接收增益、噪声系数等关键指标进行了仿真计算，并在此基础上进行了无人机监测雷达收发模块的原理图以及PCB设计。　　最后，对无人机监测雷达收发模块硬件实物进行了性能指标测试，最终证明了无人机监测雷达收发模块能够符合预期设计目标，具有更高的灵敏度，同时雷达系统测试也证明了无人机监测雷达收发模块符合设计使用要求。　　论文根据无人机监测雷达收发模块的应用特点，提出了零中频接收机、超外差发射机的架构，并最终完成了无人机监测雷达收发模块的硬件设计，最终实测结果证明无人机监测雷达收发模块具有较高的接收灵敏度，能够满足雷达系统应用需求，且最终工作情况良好。

关键词： 离合器   操纵系统   硬件设计   测控系统   测试台架  

摘要： 离合器操纵系统作为驾驶员操控离合器的关键部件,其性能好坏直接影响整车动力传递的平顺性及驾驶员舒适性,传统的主观评价及道路试验消耗大量时间及财力,且不能客观评价离合器操纵系统性能。因此需要基于实车的测试台架对离合器操纵系统进行性能试验,为离合器操纵系统评价及优化提供有力支撑。本文结合校企合作的整车离合器操纵系统测试台架项目,针对企业在开发离合器操纵系统时存在的问题,分析了离合器系统构造及其工作原理,提出了离合器操纵系统评价指标。根据企业要求及测试项目,提出了测试台架的总体设计方案。从硬件设计、测控系统设计、软件系统开发三个方面介绍了整车离合器操纵系统测试台架的研制。通过实车测试验证,该测试台架可以满足离合器操纵系统测试要求,为离合器操纵系统后续优化提供有力支撑,具有较好的通用性、可靠性。全文内容包括:（1）通过对国内外相关测试台架的分析,总结了目前相关测试台架的偏重点。阐述了离合器系统的构造及其工作原理,分析了离合器操纵系统各个部件对系统的影响,提出了离合器操纵系统性能评价指标,为后续测试台架设计提供了理论支撑。（2）根据测试台架的测试目的和离合器操纵系统评价指标,结合企业的实际需求,制定了测试方法,提出了测试台架的总体方案,为后续细化设计提供方向与思路。（3）通过比较了多个形式的踏板执行机构方案,设计了踏板执行机构,实现了对踏板的精确控制和测试,并对固定立柱及其连接件进行了有限元分析,分析结果表明零件的强度符合设计要求。从机械和电气两方面对伺服系统和传感器进行选型计算,确定了伺服系统和各个传感器的型号,进而完成了台架硬件的搭建,为后续测控系统设计提供了平台。（4）在硬件平台基础之上,提出了测控系统的总体方案。对数据采集卡和PLC进行了参数分析与详细选型,阐述了PLC的通讯方式、编程平台与程序框架,开发了下位机程序。由于台架的特殊性,设备移动距离较大,设计了上位机无线通讯和汽车电瓶供电的方案。基于C#编程语言,采用模块化思路开发了软件系统,实现了上下位机的通讯、数据保存、报警等功能。（5）检验台架功能的完整性、准确性、可靠性,完成了台架目标测试项目,并对测试数据进行了分析,进一步验证设计的合理性,并提出优化建议。

关键词： 图像传感器   SerDes   硬件设计   IMAGE TEST  

摘要： 公路交通运输业是联系各个行业的重要纽带,是推动社会经济发展的关键动力。经过近几年的快速发展,我国公路运输基础设施建设速度明显加快,全国货车保有量明显增大,物流运输能力得到巨大提升。但是货车的高油耗和运输途中存在的众多安全问题成为限制公路运输业发展的两大阻碍,所以研发一款车载高清后视摄像系统势在必行。以其替代传统的玻璃后视镜可以减小汽车行驶中的风阻,达到减小油耗的目的。根据本车载高清后视摄像系统的技术要求,选取OX01A10图像传感器为核心器件,负责对外部环境信息的采集,内部集成数字图像处理芯片的设计进一步减少了生产成本。以MAX96705紧凑型串行器作为POC(Power Over Coaxial Cable)传输线路的发送端,配合接收端MAX9296组成SerDes构架组,可以达到15米的图像信息传输。本文首先对车载高清后视系统的总体构架做出说明,介绍CMOS图像传感器、MAX96705串行器、POC接口等系统主要组成模块的技术特性。其次,对系统的硬件电路设计做了重点阐述,包括电源系统设计、时钟系统设计、信号系统设计的原理图和PCB设计。并且对电路抗干扰设计做出了说明,介绍了本系统设计中为保证信号完整性做出的设计方案。最后对硬件进行调试并根据系统输出信息的要求对图像的中心进行调整,在完成调试工作后利用IMAGE TEST软件进行图像质量测试,将测试结果与行业要求指标相比较,确保系统的各项技术参数达到设计要求。综上所述,车载高清后视摄像系统能适应不同光源环境,实时输出高质量行车环境信息。

关键词： 通信数据包   数据传输   数据管理   硬件设计  

摘要： 随着信息互联网的迅速发展,人们之间的信息的交流及传递方式都会变得更加的方便快捷。而移动通信技术的发展已经成为互联网发展的一大主要标志,现阶段移动通信技术已经发展到了第五代技术,并且第六代技术正在酝酿之中。第五代移动通讯技术相比较其他几代来说,其可以实现连续的广域信号覆盖,其网络传输速率大幅提高而网络延时却大幅度降低。由于其拥有广覆盖和高传输的各种优点,五代通信技术给万物互联带来了新的希望。而基带芯片作为通讯传播的重要环节,其如何实现通讯数据的高速传输管理对实现5G的高传输速率来说至关重要。因此,如何实现基带芯片内部的通信数据包传输和管理以提高传输速率满足5G的高速传输要求是基带芯片设计的一大重点。为解决基带芯片数据传输速率无法满足要求的这一重大问题,本文开展了对基带芯片中通信数据包传输管理的研究。在研究了以往的基带设计方法之后发现其中对通信数据的传输管理都是利用软件编程实现或者设计庞大的复杂模块进行实现,这种方案传输与管理效率低下,针对这一现象本文设计了专门的硬件电路来实现对数据包传输的加速。在设计硬件电路时考虑到现代通信数据的多线程处理以及数据传输场景的不同在模块中分别设计了几个关键的子模块。首先现代通信数据协议比较复杂,当接收到数据包时无法确定数据包是否有效,因此需要对数据包进行筛选过滤从而设计了过滤子模块来实现数据过滤。其次数据包数量庞大如果进行单一线程处理速度会非常慢,因此需要对数据包进行分流,从而要设计分流子模块,对于数据包分流的研究需要考虑如何选择算法以保证分流处理的速度以及减少设计复杂度。最后当数据包传输出现问题时,需要将传输的数据进行跟踪以方便观察数据的实时情况,因此设计了跟踪子模块。对于过滤子模块设计时由于通信协议复杂因此考虑到设计面积功耗以及速率问题,将过滤类型划分为五类。对于分流子模块中设计需要选择分流算法以实现负载的均衡,对分流算法的研究对比发现Toeplitz Hash算法在进行网络数据包分流时其处理速度快并且分配相对均衡,因此选择Toeplitz Hash算法作为分流函数。在模块设计完成之后,搭建验证平台,编写测试用例,对通信数据包传输管理模块完成代码覆盖率与功能覆盖率的仿真验证,并保证代码覆盖率与功能覆盖率都达到了100%。在进行仿真验证之后对模块进行功耗分析及片后的工作速率测试,测试结果表明数据传输处理速率为16GB/s满足面向5G传输的设计要求。

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： 超宽带   高精度   TOA   SDS-TWR  

摘要： 近些年来,随着物联网和人工智能技术在煤矿安全监控监测领域应用的蓬勃发展,井下工作人员和设备的位置信息日益重要。在目前的井下定位系统中,更多的是采用WiFi、ZigBee等无线定位技术。但这些定位系统的定位误差普遍较大,已经无法满足井下对目标精确定位的要求。超宽带(Ultra WideBand,UWB)技术具有抗多径能力强、定位精度高、时间分辨率高等优点,所以近年来,基于UWB技术的室内精确定位系统发展尤其迅速,而将UWB技术用于井下目标精确定位的研究并不多见,所以本文基于精确定位的需求,对基于UWB的井下目标精确定位技术展开深入的研究。基于UWB的井下目标精确定位系统与传统定位系统相比,定位精度更高、实时性更强,这对于能够及时准确地掌握井下工作人员的实时移动轨迹,确保工作人员的生命安全具有非常重大意义。此外通过该系统可以对矿车、采煤机、掘进机等设备的运行轨迹进行实时反馈,这对于调度管理人员对设备进行合理的分配和使用提供极大的便利,有助于提高煤矿的生产效率和安全管理水平。本文的主要工作如下:(1)对UWB信号的定义、产生、调制、信道模型进行详细的研究,在深入了解UWB技术的基础理论知识之后,本文对室内常用的测距定位算法进行了详细的原理分析以及对其各自的优缺点进行详细的比较之后,本文选用基于到达时间TOA的定位算法作为该系统的算法理论基础。由于TOA定位算法需要定位标签与读卡器保持严格的时钟同步,所以本文对基于TOA定位算法的三种测距模式进行详细的研究,通过对各个测距算法的比较分析,最终选用对称双边双程测距(SDSTWR)方法,并在此基础之上对其进行优化,改进之后的SDS-TWR测距算法无须发射节点和接收节点保持严格的时钟同步,而且有效减小了因时钟漂移带来的测距误差,同时还缩短了完成一次测距所需要的时间,从而提高了系统的实时性。(2)在对系统需求做了详细的分析之后,并充分考虑井下电磁环境的复杂性,提出了包括用户感知层、信息收集与传输层、位置解算层的三层框架结构,用户感知层的定位标签和读卡器采用UWB无线通信,而读卡器和信息收集与传输层的定位分站采用485总线通信,提高了系统的抗干扰性能。定位分站和位置解算层的服务器采用以太网总线通信,服务器收集定位分站上传的距离值,根据特定算法对距离数据进行解算,最终得出目标的位置坐标。(3)在上述UWB测距方法以及提出的三层框架结构的基础上,分别对定位标签卡、读卡器、定位分站的需求进行分析,并且按照概要设计(包括硬件概要设计和软件概要设计)、详细设计(硬件详细设计和软件详细设计)逐步求精的方法完成该系统的硬件电路的搭建和驱动程序的编写工作。(4)在完成基本开发工作之后,在室内环境中模拟井下环境进行实验,通过对实验取得的数据分析,表明本文设计的井下目标精确定位系统能够达到预期的目标,实现厘米级的高精度定位功能。