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摘要： With the advent of autonomous vehicles, Smart Cities, Industry 4.0 and many more Internet-of-Things related applications, our future society and lives become highly dependent on high-tech electronics. Unfortunately, all high-tech electronics are sensitive to ElectroMagnetic Interference (EMI), while the increasing electrification of, amongst others, vehicles and machines unavoidably means a much harsher electromagnetic environment. In addition, the continuing miniaturization of electronics and decreasing supply voltages makes new electronic products even more vulnerable to EMI. It is therefore of utmost importance to develop the required knowledge and techniques to assure that safety- or mission-critical systems will not suffer from unacceptable risks when being exposed to both intentional and unintentional EM disturbances. This challenge goes well beyond what is needed for compliance to the EMC Directive for CE certification for normal household applications. While for those applications, one malfunction in every 2-3 years might be perfectly acceptable, safety- or mission-related applications with possibly critical consequences might need a mean-time-between-failure of more than \SI{100}{} or even \SI{10000}{} years! For automotive applications, one even aims at only one dangerous failure in every 1 million years of operation due to the huge number of vehicles on the road. The aim of the study leading to this PhD manuscript was to create techniques and measures to help achieve resilience to EM disturbances in safety- or mission-critical systems. 'Resilience' as used here means that in case of disturbance, the developed techniques and measures should make the system 'real-time fault-tolerant' for EMI so that the system continues to work as intended in a safe manner. In practice, the study for this PhD manuscript focused on hardware-based techniques and measures to minimize the Bit-Error-Rate (BER) within crucial communication channels. This was done by modifying som

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： 电池管理系统   AD7280A   SOC估算   磷酸铁锂电池   硬件设计  

摘要： 电池管理系统(Battery Management System,BMS)是电动汽车及电动物流装备的核心部件,是连接动力电池组与电动车辆的重要纽带,其性能决定了电动车辆的动力性能与续航里程,对于电动汽车及电动物流装备的推广使用起到了关键促进作用。电动汽车的电池管理系统,直接决定了电池组本身存储的能量能否充分、安全、有效地利用。对电池管理系统的关键技术进行研究,开发具有国内外先进技术水平的电池管理系统,具有非常重要的理论研究意义和实际应用价值。本论文的主要工作有:(1)分析了电池管理系统的国内外现状及发展趋势,总结出电池管理系统的关键技术;(2)以磷酸铁锂电池构成动力电池组,设计并实现了其电池管理系统,包括以STM32微控制器和AD7280A为核心的硬件电路,以及系统软件;(3)针对电池SOC(State of Charge,荷电状态)估计的不足,在传统安时积分法的基础上,考虑电池充放电电流因素、老化因素以及环境温度因素等,提出改进的安时积分法估计SOC;(4)搭建了电池管理系统实验测试台,对论文所设计的电池管理系统软硬件进行测试;论文面向电池管理系统的关键功能,针对当前电池管理系统存在的电池电压、电流采集精度较低,电池组无均衡或均衡时间慢,SOC估计精度较低等问题,从电池管理系统的优化设计、高效均衡控制及高精度SOC估计三个方面开展论文的设计和研究。所设计的电池管理系统以AD7280A和STM32F103为核心,从电源模块、电压电流采集、均衡控制、充放电控制、通信单元等方面开展具体设计;在硬件电路的基础上,实现了电池管理系统的电压电流状态监测、SOC估计、均衡管理等软件功能;以12节磷酸铁锂电池构成动力电池组,对所设计的电池管理系统进行测试,测试结果都符合设计指标要求。

关键词： 潜油电泵   永磁同步电机   定子屏蔽套   矢量控制   硬件设计  

摘要： 传统加油站采用负压式加油方式的自吸泵型加油机,自吸泵加油机的结构原理决定了每个加油机必须配套一个自吸泵和一条管路,结构和布局复杂。负压式加油工艺会使管道内存在油气混合物,且容易产生气阻问题,影响客户利益。国外很多加油站已经采用与在线式城市供水系统原理相同的正压式加油方式,可以提升输油品质,提高加油站工作效率及经济效益,降低加油站的建站成本和运营成本。常用的正压式加油方式由异步电机通过传动杆驱动油泵,电机无需特殊的密封设计,但细长传动杆的存在增加了制造成本,降低油罐的密封性,汽油与外部空气接触挥发损耗大,存在爆炸危险。潜油异步电机需要在电机气隙处加入屏蔽套用于消除汽油对电机定子绕组和转子导条的危害,会加大电机的气隙,增加损耗,降低系统的效率。针对以上问题,本文设计一台变频调速潜油永磁同步电机,完成屏蔽套的设计与损耗分析,并对电机的控制系统和硬件电路进行深入分析。本文的主要工作如下:(1)潜油电机设计中常采用整数槽的极槽配合,定子冲片套用异步电机冲片。为降低气隙谐波在屏蔽套中产生的损耗,改善电机的运行性能,本文采用场路耦合的方法,完成了潜油泵用永磁同步电动机的电磁设计,对比整数槽和分数槽的仿真结果,确定潜油永磁电机的设计方案。对于少槽电机,对比梨形槽和梯形槽两种结构的磁密分布仿真结果,选取合适方案,提高定子的功率密度,进而提高冲片的利用率,减小电机的体积和重量,节约电机的成本。(2)对于潜油永磁电机,为提高电机的密封性和散热性,本文完成了定子屏蔽套的结构和尺寸设计,在定子屏蔽套和机壳之间设计一个封闭的定子腔,通过注入环氧树脂完成密封设计。通过对定子屏蔽套的损耗计算,确定了屏蔽套的厚度和材料,对比分析整数槽和分数槽对定子屏蔽套损耗的影响。(3)为了提高电机的响应速度,减少加油等待时间,使电机在加速、恒速和减速三个阶段,可以根据管道内油压情况稳定、高效运行。本文自行搭建了矢量控制系统仿真模型,仿真结果表明该控制系统可以对给定转速实现较好的跟踪,具有较强的抗扰动能力。本文在对逆变模块、整流模块等元器件选型的基础上,完成了控制器的硬件电路设计和布局设计,将控制器设计在泵体内部,省去散热系统,缩短控制器与电机间的距离,提高系统的可靠性。

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： 触点显示器   海思平台   PCB   单片机   H桥电机驱动  

摘要： 随着视障人群数量的不断增加,全社会对盲人读物的需求与日俱增。但是现在盲文读物的发展远跟不上需求,因此用户对盲文显示器的需求越来越大。盲文显示器的主要功能是将文字信息转化为盲文点阵信息进行显示。在全世界范围来看,虽然已有一些盲文显示器面世,但它们大都功能单一、价格昂贵,多数只能显示一行盲文,用户体验还有较大提升空间。本文旨在设计一台多功能盲文显示器的硬件系统,并进行软件技术路线验证。设备基于海思Hi3559AV100平台,能够处理PC拷贝来的PDF文件,通过调用第三方Mu PDF库对PDF文件进行解析,实现PDF文件的实时预览和文字提取,以及触点信息显示;也可通过索尼IMX586摄像头采集图像信息,进行图像处理和文字提取,最终转化为触点信息的显示。本文主要工作内容如下:(1)多功能盲文显示器的总体框架设计。通过调研确定用户需求,由此确定系统的软硬件框架,对系统软硬件开发制定相应的规划,完成软硬件设计开发环境的搭建。(2)系统硬件电路的设计。整个系统的硬件组成将分为搭载嵌入式主芯片的核心板、搭载外设接口的底板以及搭载触点模组的触点模组板三部分。不同PCB之间通过板对板连接器进行连接。在PCB制板前进行仿真优化使单板更加可靠。(3)多触点模组驱动方法的设计和优化。触点模组板采用低功耗单片机进行控制,通过UART接口和主芯片进行通讯。选用双路H桥电机驱动芯片,通过切换驱动芯片的工作模式,减少对单片机GPIO数量的要求,对触点升降进行准确控制。根据驱动方案设计UART通讯协议,确保系统的可靠性。(4)基于Qt的盲文模拟显示器的开发。该模拟显示器将用以完成PDF文件的解析、文本文字提取、实时预览、盲文点阵信息转换等功能的验证,为后期软件调试提供便利。

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： 1080P   CMOS图像传感器   信号完整性   硬件设计   摄像系统  

摘要： 得益于人脸识别的发展、“和谐社会”、“智慧城市”的建设、以及人们安全意识的提高,人脸识别在安防行业的研究应用蓬勃发展,人脸识别安防系统已进入快速发展阶段。在未来,人脸识别的智能安防系统将切实改变人们的生活方式。摄像系统作为人脸识别系统的眼睛,其对后端人脸识别有直接影响。单目人脸识别容易受光线影响并且易受到照片、视频、面具的攻击。双目人脸识别能适应各种逆光、暗光等使用场景,且能有效地拒绝照片等攻击,具有强防伪、多环境、高精度的特点,适应于门禁、边检闸机等人脸识别安防系统。本文针对摄像系统在人脸识别门禁系统上的应用,研究并设计了一款高性价比、低照度、高动态范围的双目高清摄像系统。双目摄像系统选用了两颗支持最大分辨率为1080P的CMOS图像传感器AR0230和OV2710,两者都具有卓越的低光性能且动态范围都达到了 96dB以上,增强对光线变化的适应性以及人脸识别门禁系统的识别效果;采用彩色成像和黑白成像相结合的方案并配置红外补光,增强识别的精准度和安全性。采用了外置、USB2.0接口的图像处理器,输出图像效果更好、传输速度更快、抗干扰能力更强。本课题重点研究了双目摄像系统的工作原理、硬件设计、调试、图像测评。根据人脸识别门禁摄像系统实际应用,对摄像系统进行方案设计和芯片选型、进而完成了原理图设计、硬件PCB设计、摄像系统调试、图像质量测评。而且硬件设计中研究了信号完整性问题,保证双目摄像系统在复杂的电磁干扰环境中都能正常工作,达到EMC设计标准。

关键词： 微型群体机器人   硬件设计   轨迹拟合   力学模型  

摘要： 在群体机器人研究、搜寻搜救、工业检测等多种应用领域，一个成本低、运行快、体积小、易制造的微型机器人可以发挥巨大作用。但是，目前已有的微型机器人受到驱动器、供能方式等方面的限制，往往成本高昂，运行速度低，制造流程复杂，难以达到大规模使用的目标。针对这些局限性，本文研究了一种以单一振动电机作为动力来源的、欠驱动的微型群体机器人平台。本文重点对欠驱动微型群体机器人的硬件结构、数学模型、轨迹拟合方法、仿真及实验结果等方面进行了研究，具体内容有：　　（1）通过挑选市面上已有的简单零部件，本课题设计出了一个厘米级别的，由单一振动电机驱动的微型机器人。该机器人仅由一个微型振动电机、一块微型锂电池、一个带有传感器的微型控制板，以及塑料外壳等四个部分拼接而成。创新的驱动方案使机器人的硬件成本较同类研究下降53%，装配时间大幅缩短，运行速度提高至2cm/s。　　（2）课题研究了机器人在欠驱动的情况下，在二维空间内运动的机理。发现微型振动电机产生的离心力会在机器人与地面的接触点上产生推力和力矩，分别使机器人产生周期性平移和旋转运动，从而使机器人在水平面上的轨迹为圆形。通过建立运动学和动力学模型，分析了机器人的受力情况。使用迭代计算的方法，预测了机器人的运行轨迹，分析了各参数对机器人运行的影响，并优化了机器人的结构设计方案。　　（3）通过调节电机转动速度和方向，设计了机器人沿任意路径做近似运动的实现方法。使用计算机仿真的手段，验证了机器人力学模型的正确性。进行了系列实验，通过改变微型振动电机两端电压的方向和持续时间，证明了本课题所设计的微型群体机器人具有沿直线、圆形，及任意曲线运动的能力。

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。