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关键词： 机内测试   功率测量   频率测量   全数字中频   边界扫描测试  

摘要： 随着信息技术和半导体工艺的发展与进步,装备中集成电路的占比越来越高。为了保证装备的可靠性及安全性,可测性设计成为电路设计中必须考虑的一个步骤。通信系统作为直接决定装备能否正常工作的核心模块,因此设计针对通信设备的机内测试系统十分必要。机内测试的目的是将故障定位到外场或内场可更换单元,进而快速的完成对故障单元的更换,保障装备的作战能力。本文基于以上背景,从机内测试的角度研究了通信设备的内部构成,设计了一种应用于通信设备故障诊断的机内测试系统的硬件平台。所设计的机内测试系统融合了数字电路的边界扫描测试方式与传统模拟信号参数测量方式,主要研究内容如下:1.通过分析机内测试的特点以及通信设备的测试需求,并将GJB2547A-2012《装备测试性工作通用要求》纳入设计指导,给出了通信设备机内测试系统的架构并完成了硬件平台总体方案的设计。2.基于Xilinx全可编程SOC芯片,完成了BIT(Built-in Test)系统的串行总线协议和BIT主系统中PL(Programmable Logic)的逻辑电路设计,实现了主系统与各测试分系统单元的通信、主系统与上位机的通信以及故障显示等功能。3.针对测试需求中的无源测试点,设计了模拟BITE(Built-in Test Equipment)、中频BITE和射频BITE电路。首先使用8通道ADC对低频和直流信号进行循环监测。然后基于带通采样和正交解调理论,在FPGA中完成了中频调制信号的数字下变频和抽取滤波。最后依据等精度测频原理和TRMS功率测量方法,设计了分频和检波电路,实现了射频信号功率和频率的测量。4.基于IEEE1149.1协议标准,设计了有源测试点的数字BITE测试分系统。覆盖的可测指令包括IDCODE、SAMPLE/PRELOAD、EXTEST、HIGHZ等。同时设计了可模拟故障的待测电路和扫描链路,完成了对数字模块的边界扫描测试控制器的测试功能验证。论文最后使用标准信号源模拟通信设备中的测试点信号,同时通过上位机软件下发测试命令,对所设计的机内测试系统硬件平台进行了全性能指标测试。测试结果表明硬件平台能够稳定工作且各BITE分系统的测试结果均达到指标要求,本文的设计达到预期的目标。

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： 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。

关键词： 硬件安全   信息流安全   形式化验证   安全漏洞   漏洞检测  

摘要： 集成电路是计算机系统的核心和基础。由于缺乏有效的安全验证工具,硬件正面临着诸如不安全调试端口、硬件木马、硬件时间侧信道等安全漏洞的严重威胁。传统的功能测试与验证往往难以保证所需的测试覆盖率,同时也无法检测高隐蔽性的硬件时间侧信道和硬件木马。信息流分析的提出为在设计阶段和验证阶段从信息流角度形式化建模硬件设计,验证设计信息流安全属性,检测安全漏洞提供了方法。然而,现有方法的抽象层次较高,往往导致建模难度大、形式化语言设计复杂度高,难以检测硬件时间侧信道等问题。因而,论文将从门级抽象层次,研究信息流模型、形式化语言、硬件安全漏洞形式化验证的方法。论文主要工作及贡献如下:(1)构建了Coq语义保守信息流模型及安全漏洞检测方法。论文在门级抽象层次研究和提出了一种Coq语义保守信息流模型,用以解决高抽象层次方法的不足。该模型采用了一种保守的标签传播策略,设计了一种Coq语义保守信息流模型形式化语言。该语言仅类型化地定义与标签相关的概念和操作,使得Coq语义保守信息流模型无需考虑输入数据的影响,即可通过类型判断保守地捕捉系统内所有的信息流。在该模型的基础上,论文提出了一种通过定理证明期望信息流安全属性检测安全漏洞的方法。该方法设计了一个功能完备的Coq语义保守信息流模型逻辑库、一个代码转换工具和期望信息流安全属性的形式化描述方法,用于为任意HDL设计构造Coq语义保守信息流模型和期望的定理。实验表明,该方法能够保守地检测违反信息流策略的诸如硬件木马、时间侧信道、不安全调试端口等硬件安全漏洞。(2)构建了Coq语义精确信息流模型及安全漏洞检测方法。论文在门级抽象层次提出了一种Coq语义精确信息流模型,用于解决保守信息流模型可能导致误报的问题。该模型采用了一种精确的标签传播策略,设计了一种Coq语义精确信息流模型形式化语言。该语言类型化地定义了与标签、变量相关的概念和操作,使得以该语言建模的Coq语义精确信息流模型可考虑输入数据对标签传播的影响,以类型判断精确地捕捉实际存在的逻辑信息流。在该模型的基础上,论文提出了一种通过定理证明期望信息流安全属性检测安全漏洞的方法。该方法设计了一个功能完备的Coq语义精确信息流模型逻辑库、一个扩展的代码转换工具和期望信息流安全属性的形式化描述方法,用于为任意HDL设计构造Coq语义保守信息流模型和期望的定理。实验表明,该方法能够精确地检测违反信息流策略的硬件安全漏洞,同时能够有效地消除误报。(3)构建了基于双Coq语义信息流模型安全验证的硬件木马检测方法。论文从复杂度和精确性两个方面比对了Coq语义保守信息流模型和Coq语义精确信息流模型,讨论了权衡模型复杂度和精确性的策略,提出了一种基于双Coq语义信息流模型安全验证的硬件木马检测方法。该方法利用了Coq语义保守信息流模型低复杂度和Coq语义精确信息流模型精确性的特性,能够低成本的、精确的定性检测硬件木马。此外,该方法还提供了一种硬件木马触发条件逆向推导技术,能够依据Coq语义精确信息流模型的逻辑变量连接关系,从木马定性检测的结果出发,逆向地推导硬件木马的触发条件。实验表明,基于双Coq语义信息流模型安全验证的硬件木马检测方法可以有效检测硬件木马及诸如单个明文、明文输入序列、内部时钟等触发条件。(4)构建了时间标签跟踪逻辑模型及硬件时间侧信道检测方法。论文在门级层面提出了一种时间标签跟踪逻辑模型,用以解决现有信息流模型难以区分时间信息流和功能流的不足。该模型提供了一类时间标签和时间标签传播策略专门建模硬件时间信息流,而非采用安全标签和标签传播策略建模逻辑信息流。在该模型的基础上,论文提出了一种通过模型检验期望硬件系统执行时间不变性属性检测硬件时间侧信道的方法。该方法设计了一个最小功能完备的时间标签跟踪逻辑库和一个代码转换工具,用以为任意HDL设计生成相应的时间标签跟踪逻辑模型。实验表明该方法可在无需考虑功能流的影响下可独立检测由不平衡分支、快速通道、缓存命中与缺失所产生的硬件时间侧信道。

关键词： 汽车驾驶   换挡语音提示装置   硬件设计   单片机  

摘要： 初学驾驶汽车的人由于不能够及时的完成换挡操作，通常会使车辆换挡时发动机转速过高，换挡时间过长，从而造成燃油的浪费，同时还增加了发动机不必要的磨损，增加了车辆排放污染。此外，初学驾驶汽车的人在换挡时低头看汽车仪表盘，降低了应对道路突发情况的处理能力，增加了驾车危险。为解决以上问题，本文研究设计了一款辅助学习驾驶的汽车换挡语音提示装置。　　本文对基于获取汽车运行信息进行语音反馈的手动挡汽车驾驶换挡提示装置的设计进行以下研究。　　根据车辆万有特性等进行分析，从经济性和动力性方面，对基于车辆运行信息的换挡规律进行总结并分析出最佳的换挡选择，根据驾驶需求，研究并给出了换挡提示装置的设计方案，研究了该装置的硬件电路设计和软件程序开发。实现了由数据采集模块将OBD协议数据进行解析并输出至单片机数据处理单元，完成了PIC单片机工作电路和程序的设计，由单片机将获取的车辆运行信息进行处理，按照预定程序产生响应，输出换挡提示信号。为消除驾驶车辆时，车辆运行信息视觉反馈的不安全因素，研究了如何将换挡提示信号转化为语音信号进行输出，并完善了电路设计。　　经过测试分析，证实了本文研究的装置可以实现向初学驾驶人员发出辅助学习驾驶的换挡操作指示，提高了车辆的经济性和动力性及初学驾驶人员行车的安全性。

关键词： 燃气公司   SCADA监控系统   硬件设计   软件开发  

摘要： 近来天然气行业不安全事件日益增多，国内某机场燃气分公司SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)监控系统老旧落后且功能单一，亟需升级改造以提升安全监控水平和经营数据分析能力。本文对系统的升级改造提出了整体优化方案，并完成了设计及具体改造工作。论文主要工作如下:　　(1)深入分析业务需求，基于原有系统应用现状，分析该企业燃气经营管理需求，重新设计系统总体架构，将C/S和B/S结构系统相融合，既满足运行人员全参数实时监控，又适合管理层进行经营决策。　　(2)提高数据传输的稳定性，解决以4G网络作为传输模式的通讯失败情况，设计了以北斗短报文通讯作为补充传输方式，优化无线数据传输的方案。　　(3)提高站点流量数据的准确性，对调压站进行流量计改造，借助SCADA系统对站点瞬时流量数据实时采集并通过温压补偿机制对数据进行自动处理，确保站点流量数据的准确性。基于准确的流量数据，进而解决燃气供销差偏大的问题。　　(4)提高系统操作可靠性，对系统面向不同人员的操作站和客户端的人机界面进行分别设计，满足不同类型人员特定的功能和操作权限需求，系统功能得到充分发挥。　　目前，该燃气SCADA系统已经运行1年，基于数据传输稳定和操作可靠性，系统有力保障了燃气安全，多次预警安全事故。系统通过流量数据处理分析，排查并发现十余次用户燃气表的巨大误差情况和主观盗气行为。本文对在机场等特殊环境下设计系统数据传输方式方面有较强的借鉴意义，对面临供销差问题的能源管理企业有较高的推广价值。

关键词： MEMS加速度传感器   倾角传感器   倾角法   硬件设计   校准   倾角测量   动态变形   变形监测   桥梁  

摘要： 在全世界范围内时常发生由桥梁结构老化和损坏引起的坍塌事故。结构健康监测是一项有效的监测技术,它能够很大程度地降低桥梁倒塌事故带来的伤害甚至避免许多不必要的桥梁事故发生。桥梁变形监测是桥梁结构健康监测中的重要内容,因为桥梁的变形不仅反映了桥梁结构的刚度、承载能力和整体性等结构安全特性,还与行人和行车的舒适性等运营性能紧密相关。由于成功的监测工作都是建立在传感器准确地感应和传输数据信号的基础上,因此许多研究人员尝试在监测工作中应用由MEMS（Micro-ElectroMechanical-System,又称微电子机械系统）技术制造而成的具有低成本、小尺寸、高耐用性、低功耗和易于安装等优点的MEMS加速度计。为了探索MEMS加速度计在结构变形监测工作中的应用前景,本文对基于MEMS加速度计的倾角传感器（文中称为MEMS加速度倾角传感器）的变形监测工作进行研究,主要工作及成果如下:（1）论述了桥梁结构健康监测的意义与必要性,阐述了监测传感器在桥梁结构健康监测中的发展与应用。详细讨论并分析了桥梁变形监测的8种常用方法并对比论述了倾角法的特点与优势。对结构健康监测工作中MEMS加速度传感器的开发研究进行了介绍,总结了MEMS加速度传感器误差校准方法的研究现状。（2）具体介绍了3种常用的加速度传感器的工作原理并总结了一个加速度传感器选型方法。介绍了基于MEMS加速度倾角传感器的倾角变形监测方法及其理论和应用力学理论法或函数插值法求解倾角变形与其他变形之间的转换关系式的方法。在基于MEMS加速度倾角传感器和倾角法的动态变形监测工作的研究中,本研究阐述了动态变形监测结果的误差来源并提出了一种与传统的信号滤波处理方法不相同的算法来减少附加加速度的误差效应。（3）对MEMS加速度倾角传感器的开发工具进行了介绍,详细阐述了基于ADXL355 MEMS加速度计的倾角传感器的四大模块（加速度传感模块、无线传感模块、微处理器模块和能量供应模块）的硬件设计工作。完成了基于ADXL355 MEMS加速度计的倾角传感器的原理图设计并利用了Altium Designer开发设计平台完成了对应的印刷电路板设计。（4）对MEMS加速度倾角传感器的误差来源进行了详细分析并提出了一项改进的校准技术。在这项技术中,构建了一个单参数的数学模型用以直接校准相对倾角并设计了一种基于图像处理技术的方法来获取数学模型里的关键校准参数,令该校准技术能在现场测试中操作。与传统的六参数校准方法相比较,改进的校准技术具有以下优点:该技术易于实施,仅需要求解一个校准参数但却不影响校准结果的精度;校准设置简单,并且不涉及复杂的仪器。（5）进行了3个试验来实现以下目的:评估改进的校准技术的可行性;评估本研究设计的MEMS加速度倾角传感器和改进的校准技术的变形监测效果;测试本研究提出的基于MEMS加速度倾角传感器的动态倾角监测算法的可行性。试验表明:本研究所提出的改进的校准技术能显著降低倾角监测值中的比例误差效应;当本文设计的MEMS加速度倾角传感器与改进的校准技术配套使用时,其工作性能可以满足工程要求;本研究提出的基于MEMS加速度倾角传感器的动态倾角监测算法能够有效地减少附加加速度对倾角监测值产生的误差效应。

关键词： 感应加热   硬件设计   串联谐振   数字锁相环  

摘要： 在我国北方,冬季寒冷,供暖在每家每户中必不可少,由于传统的锅炉取暖方式以燃煤为主,环境污染严重。随着国内风电、光电规模逐渐加大,弃风弃光问题严重,清洁能源得不到及时消纳而浪费。因此感应加热技术凭着加热温度高、速率快、电热转换效率高、利用清洁能源、对环境污染小、能实现自动控制等众多优点应用于水加热是大势所趋,其可以消纳光电、风电等清洁能源用于供暖和储能,有巨大的应用前景。本文分析了中频感应加热器依据的电磁感应原理、集肤效应与热传导,对感应加热电源中主电路进行了各种类拓扑分析,对比其优缺点确定了本设计所用的拓扑结构,应用变压器模型对其负载等效分析,并阐述了负载谐振电路各个状态下的工作过程,研究了当负载工作在弱感性状态下时,负载工作状态最佳,能实现零电压开通,且管间自然换流无损耗,不容易发生桥内直通故障。然后对感应加热器主电路与负载参数进行了设计计算和器件选型,选择IGBT为逆变电路功率开关管。针对功率器件工作时存在损耗发热问题,应用热阻等效电路法对各点的温度进行分析计算,进而得到散热片所允许的最大热阻值,据此为加热控制器设计了散热系统。对感应加热电源控制电路进行硬件设计,选择单片机STM32F103为主控芯片,设计包括主控电路及其基本外围电路,PWM输出电路,IGBT驱动与保护电路,数字锁相环电路,温度与水位采样电路,辅助电源电路,485通信电路,并对其电路原理及使用的主要器件进行了详细分析。针对感应加热电源主电路与控制电路,根据设计参数,在Multisim平台下搭建了仿真模型,得出仿真结果验证了主电路参数设计的合理性与锁相电路的可实现性。然后针对加热管本体运用Magnet软件进行电磁场仿真,设置激励为加热电源逆变电路输出波形,得出电磁场和涡流分布规律,且通过仿真验证选出最优负载结构参数和最佳铁芯材料。最后根据参数设计搭建实验平台,经过调试与运行,得出电压电流波形分析与温度采样分析及效率验算,验证了参数设计的合理性与可行性。

关键词： 汽车自动驾驶   遥控接管系统   硬件设计   软件开发   安全辅助  

摘要： 随着车辆线控技术和5G通信业务的发展，为车辆遥控驾驶技术的实现和应用提供了前提条件。当前的自动驾驶技术发展不够完善，导致其在很多场景无法落地实施。将遥控驾驶作为自动驾驶车辆的安全辅助系统，可在其无法处理的工况下由远程驾驶员接管车辆并进行过渡处理，进而保证自动驾驶技术可以在一部分场景实际应用。　　车辆遥控接管系统的核心是通信和人机交互功能。此外，对受控车辆自动驾驶系统的监控预警功能可有效的提高车辆驾驶权人机交接过程中的效率和安全性。本文主要完成的工作如下:　　(1)对遥控驾驶技术在国内外的研究现状与应用案例进行了调研分析，对采用不同技术进行受控车辆监测的研究成果进行论述，并着重分析了车辆遥控驾驶过程中的安全保障相关的研究成果;(2)针对调研分析结果和本文的实际应用场景，进行了遥控接管系统的需求分析工作，其中对本文主要子系统的设计原则、功能需求和性能需求进行阐述;在需求分析的基础上，对本文架构和功能的整体设计进行了阐述;(3)详细设计并实现了受控车辆自动驾驶系统运行监控和安全预警子系统，解决通过人工监测自动驾驶车辆带来的准确率低和实时性低的问题;(4)基于目标检测和增强现实技术，详细设计并实现了人机交互子系统中的增强现实模块，解决遥控驾驶员对场景缺乏深度判断和视线焦点分散的问题;基于组件映射技术，详细设计并实现了人机交互子系统中的车辆管理模块，解决本文针对多种车辆重复开发的问题;(5)对通信子系统进行了功能测试和性能测试，并根据测试结果阐述本文报文发送方案和监测视频回传方案确认的依据;对自动驾驶系统运行监控和安全预警子系统的功能和性能进行了测试;最后展示了本文部分实际应用场景。　　本文设计并实现了面向自动驾驶车辆安全辅助的遥控接管系统，该系统实现了自动驾驶车辆运行状态监控的自动化以及人机交互的智能化，有助于自动驾驶技术在全无人化场景的实际应用。

关键词： 射频能量采集   硬件电路设计   能量接收功率  

摘要： 任何电子设备的正常工作都需要能量供给,而传统的无线传感器节点,大多依靠一次性电池来解决能量供给的问题。可是一次性电池,不仅供应的能量是有限的,而且额外的增加了传感器网络节点的后期更换维护成本,还具有一定的环境污染隐患。这不仅限定了无线传感器网络的工作寿命,也不符合当前社会绿色可持续发展的要求。针对这一问题,为了更好的解决无线传感器网络中的能量供给问题,便于其更好的服务社会。本文在广泛调研射频能量采集设备的基础上,自主设计了具备多级存储功能的射频能量采集终端硬件电路,并对硬件电路进行制板、焊接、调试,最终可以支持无线传感器工作,并通过上位机,实时的读取到了传感器节点的数据参数信息。具体研究内容和贡献如下:首先,系统的分析了射频能量采集终端的必要硬件组成及架构,并以此设计了具备多级存储功能的射频能量采集终端硬件电路,根据射频能量采集的基本功能要求,将射频能量采集终端分解为几个必要的模块,并自主设计了电路原理图,针对射频能量采集终端的能量采集天线,能量存储及能量应用模式中的不同设计难点,提出了解决方法。其次,为了测试射频能量采集终端输出是否具有稳定性和实用性,借助了无线传感器节点,使用射频能量采集终端为其供电,并且搭建了的无线传感器节点网络数据传输平台。该无线传感器节点采用PIC处理器控制,包括稳压模块、传感器模块、通信模块、并且采用Mi WiP2P作为信息传输协议,最终实现了对无线传感器的实时数据传输。在测试射频能量采集终端的过程中还结合Friis自由空间能量传播公式,总结归纳出了该系统的能量接收功率,测试了系统的整体性能,为将来射频能量采集的商业化应用提供理论参考。