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关键词： 数字助听器   语音增强   神经网络   硬件电路设计  

摘要： 听力损失是当今世界上常见的几种慢性疾病之一,全球共有约4.66亿患者亟需治疗,而佩戴助听器是现阶段除药物治疗外最主要的治疗方式。在助听器的使用过程中,由于听力损失者对语音的分辨能力较差,噪声会对其日常交流产生较大干扰,因此助听器需要具有能够消除噪声的语音增强算法。但现有的助听器语音增强算法难以应对生活中较为常见的非平稳噪声,为解决该问题,本文提出了一种基于神经网络的助听器语音增强算法。本文首先对谱减法语音增强进行了研究,得出基于梅尔频率尺度的多频段技术能够有效提升语音增强效果的结论,并在此基础上提出了一种多频段语音增强神经网络。该网络将各个频段的对数能量与增益分别作为输入、输出数据,具有较小的网络规模。通过调整网络参数与训练测试,本文最终确定了由粗分析区、细分析区以及谱处理区组成的双尺度循环神经网络结构,并对该结构的语音增强性能进行了对比。结果表明,相比于传统助听器算法,本文提出算法在Cafe、Babble、Car三类噪声环境中平均信噪比分别提升了3.9d B、0.3d B、10.8d B,具有较好的非平稳噪声处理能力。并且相比于现有的语音增强循环神经网络,本文提出网络在性能降低不超过20%的情况下,将权值个数减少了80%以上。为验证该算法的硬件可实现性,本文使用Verilog硬件描述语言完成了语音增强神经网络的硬件电路设计,并在FPGA开发板上进行了测试。测试结果表明,硬件设计的语音增强效果与软件模拟结果基本符合,二者的平均信噪比差值为0.117,互相关系数为0.9994。该设计在系统时钟频率设置为10MHz时,运行延时约为2ms,且能够在最高100MHz时钟频率下正常工作,可以满足助听器的使用需求。

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： 压风机   自动监控   热能回收   硬件设计   软件设计  

摘要： 压风机作为矿井生产的重要设备在运行期间会释放大量的热量,矿井一般很少利用这些低温余热资源,而是将余热直接排放大大气中,不仅造成了资源的浪费,而且会导致严重的热污染、噪音污染。同时,煤矿工业场地存在洗浴热水和建筑采暖等用热需求,通常采用燃煤锅炉供热,煤炭消耗量大,在燃煤过程中向周围环境排放了大量的废气,造成环境污染。为了满足矿井大量的热需求,降低能耗,取消压风机岗位工,矿井压风机热能回收利用及自动监控就成了迫切的需要。本文以矿井压风机为研究对象,对矿井压风机系统的热能回收系统和自动监控方面展开研究,主要研究内容如下:(1)对离心式压风机的热能回收进行可行性分析,分析离心式压风机的工作原理、功耗特点,计算其可回收热能,将可回收的热能主要用于洗浴热需求,分析计算回收热能可满足的使用人数。同时考虑主要的耗能设备,计算额外增添设备所消耗的能量。最后分析计算矿井压风机热能回收系统的回收效率。(2)对矿井压风机热能回收系统进行设计,根据实际工况条件,采用两次热交换系统的设计方式,第一次热交换用于实现热能回收,第二次热交换用于热能利用。分别设计热能回收系统、热能利用系统和辅助设备系统的结构和功能,分析系统设备的具体作用,并对关键设备进行选型。(3)对矿井压风机热能回收及自动监控系统进行硬件设计,根据实际需求分析需要的监控数据及意义,选择PLC作为监控系统的核心控制器。结合矿井压风机热能回收系统和热能利用系统的特点,分别分析并选取合理的PLC控制器、扩展模块及传感器设备,并设计对应的硬件接线。(4)对矿井压风机的自动监控系统进行软件设计,分别设计热能回收监测系统、压风机自动监测系统和恒压供水子系统的运行流程。建立S7-1200 PLC与触摸屏的通信。并分别利用博图和Intouch软件设计现场监控界面和远程监控界面,实现矿井压风机系统的自动监控。

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

关键词： 轴承   自动测量   数据管理   硬件设计   软件开发  

摘要： 轴承是现代机械装备中的关键部件。轴承在高速动车组中的地位更为重要，它是列车高速平稳运行的基础，轴承的检测精度直接关系着轨道交通车辆的运行安全。目前采用的测量方法是人工测量法，操作人员作业劳动强度大。而且数据传递的准确性依赖于操作人员，不能完全得到保证。另外，测量数据均录入纸质表格，数据保存、传递、查阅分析工作繁琐，对轴承加工及装配工艺的评估、优化形成制约。　　针对以上轴承人工测量存在的问题和不足，结合公司的实际需求，本文设计研发了一套整体轴承内外径自动测量及数据管理系统。系统的硬件主要组成部分有：上料料道、机械爪输送机构、上料单元、测量机构、下料料道以及控制机柜和校准件等附属部件。软件主要组成部分即SPC计算机辅助软件，它安装在机柜电脑内。该系统选用接触测量法，利用高精度电感传感器，通过比对标准件的测量方式，提高测量精度。同时SPC统计过程控制计算机辅助测量系统可以满足对检测值的统计分析功能。　　自动测量及数据管理系统研发制造完成后，对该系统进行了详细的计量检定分析和研究，根据自动测量系统的实际情况，结合对国内相关计量检测机构的调研，最终确定该自动测量系统包括设计制作的专用标准件的检定、定检要求，并获得公司内相关管理部门的一致认可。此外，为保证轴承自动测量系统测量数据的准确性和稳定性，在生产车间现场开展了自动测量系统和人工测量轴承的测量数据统计比对。经过系统梳理核对，轴承内外径自动测量系统的测量准确性及稳定性满足轴承测量要求，同时测量效率也得到了明显的提升，降低了人工检测错误率，提高了轴承检测生产效率，达到了课题研究的目的。

关键词： GNSS   卫星导航模拟器   数据同步   数字中频信号  

摘要： 随着通信技术的发展,全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)在各个领域中发挥着重要的作用,已经成为衡量科学技术的重要指标,所以研究多系统多频卫星导航模拟器就显得非常重要。多系统多频卫星导航模拟器可以提供任意时间的位置坐标,也可以生成各种复杂环境下的高精度和高动态的模拟卫星信号,同时对我国的北斗全球组网的建设能够提供一定借鉴作用。本论文以多系统多频卫星导航模拟器的设计与实现为主题,首先通过分析GPS、BDS、GLONASS和Galileo四大卫星导航系统的信号体制,深入研究多系统多频卫星导航模拟器的直接频率合成、扩频通信、多普勒算法模拟原理、导航系统时间同步以及基带板间数据同步与传输等关键技术。提出一种基带板间数据同步与传输技术,既保证基带板之间的稳定通信,又解决了在单块基带板上模拟卫星信号资源不足的问题。接着,设计多系统多频卫星导航模拟器的总体方案,介绍基带信号板的关键电路设计,详细介绍FPGA软件设计中的模拟器系统时间基准及RTC时序控制、数字中频信号生成和EMIF通信模块的设计,并对系统的各个模块进行仿真验证;最后阐述DSP运行流程,其中详细地介绍卫星位置的实时计算、可见卫星的实时判断以及伪距的实时计算。最终,本文在DSP+FPGA架构的两块基带信号板上实现多系统多频卫星导航模拟器。本系统通过频谱仪测试各系统的中频信号,接着使用和芯星通的商业接收机UM220对设计的系统进行功能和稳定性测试,再根据定位结果,分析验证系统的正确性。最后对BDS B1C频点和Galileo E1频点进行捕获测试,验证这两个频点的正确性。

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： 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： 二维修正   增量式码盘   莫尔条纹   硬件设计  

摘要： 本文的目的是对二维修正弹体舵片姿态测量,设计了一套用增量式码盘来测舵片姿态的系统.本设计主要运用反射式光电传感器,型号为ITR8307,设计硬件系统,用光电传感器识别莫尔条纹,采用M/T法测速,对舵片在不同状态下进行识别、测量.

关键词： 插补系统   可靠性   故障树   贝叶斯网络   马尔可夫链  

摘要： 嵌入式插补控制器在多轴联动机床当中被大量应用,是机床控制系统依据规定来对刀具的运动轨迹来进行加工的关键。在机床进行复杂机密加工时,由于导致加工过程中出现的一系列问题,必然会对加工质量和加工成本造成较大的影响,设计一款可靠度较高的插补控制器具有非常重要的意义。此外,插补系统硬件设备包含了很多元器件,而每一个元器件的工作状态,都会对整个插补控制系统的可靠性有着影响,由于其工作性质致使要求可靠性很高。开展嵌入式插补系统系统硬件可靠性研究,找到故障易发故障部位,快速地进行故障定位,才能进一步增强系统的可靠性,还能根据研究结果对设计进行改进,对提高嵌入式的硬件部分的可靠性水平甚是有益。本文依托国家自然科学基金项目“基于时序溯源的嵌入式数控系软件可靠性评估方法研究”,将多轴嵌入式插补系统做为研究对象,开展嵌入式插补系统的硬件可靠性的预计方法研究。主要研究内容如下:首先,为满足插补需求,研究了嵌入式插补控制器的重要电路,分析了部分重要电路的工作原理,设计了以STM32为核心控制器原理图以及PCB图,制作了样机设备,并做了相关的可靠性试验。其次,为了评估该插补系统可靠性,首先,统计了容易出现故障的元器件类型,并分析了元器件的故障原因和失效模式,通过可靠性手册,获取了每一个元器件的失效率。再根据故障树模型,将插补系统失效确立为顶事件,通过演绎法,由上而下确立了一系列中间事件及基本事件。根据定性分析,确定故障树的易失效部分;再根据定量分析,确定顶事件出现的概率。并根据概率重要度分析,评估了某部分元器件因失效而导致的的系统失效的变化程度。最后,根据故障树因果关系建立贝叶斯网络,通过先验与后验概率的计算,得到各事件出现的条件概率。再次,考虑到元器件故障修复的问题,建立了Markov模型,根据状态转移关系建立了状态转移矩阵,通过对Markov状态转移方程来求解,得出了插补系统的失效率的变化曲线。此外,还针对部分模块敏感性做了分析,找到了影响插补系统可靠性和可用度的敏感因素。最后,根据可靠性分析的结论,总结了插补系统的薄弱环节以及提高可靠性的措施。