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关键词： 高采样率   数据采集   时间交替采样   示波器   高分辨率  

摘要： 随着集成电路产业的蓬勃发展，信号检测的难度日趋复杂。为了更好的完成对更复杂信号的测试分析的任务，对高带宽、高采样率以及高分辨率的数据采集系统提出了更高的要求，因此具有高采样率高带宽指标的高分辨率示波器正逐渐占据市场的份额，成为电子测量仪器的重要组成部分。JESD204B串行传输协议相比传统的并行传输有着明显的速度优势，在单片模数转换器(ADC)中的应用较多，但在时间交替采样(TIADC)系统中研究极少。本文的研究内容如下：　　一、完成基于10GSPS的TIADC采集模块的硬件框架总体设计。通过对TIADC技术的研究，设计了10GSPS数据采集模块的总体框架。并对关键电路模块进行详细的设计分析，给出各模块的设计方案。　　二、完成数据采集模块的硬件电路设计。设计基于开关电源加线性电源的稳定可靠的电源方案;完成关键器件的选型包括FPGA以及ADC和锁相环，并且设计ADC、FPGA、以及锁相环的外围配置电路;完成满足串行协议的JESD204B的时钟硬件方案设计;完成大容量存储的硬件设计。　　三、完成高速数据接收和处理模块的设计。设计一种采用JESD204B串行协议的高速数据接收同步的方案，并且利用其协议本身的子类1的确定性延迟同步方案实现单通道多链路同步，以及多器件同步。完成数据拼合，数字触发，并行抽点和波形平均的功能设计，实现了波形的正确重构和显示。　　四、完成10GSPS系统的多通道的频响的非一致的研究，拟对多通道系统的频响进行分析，研究一种基于时变滤波的误差重构和误差校正技术，使得系统稳定可靠并且具有良好的实时性，在FPGA内部实现该算法，并验证该方法的可行性。　　通过对采集模块的调试和整机性能的测试，本文设计的10GSPS示波器数据采集模块的实时采样率、模拟带宽、有效位数等主要指标达到设计要求，采集系统的性能和TIADC技术达到国内领先水平。

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： 探地雷达   接地网   图像处理   硬件电路设计  

摘要： 随着变电站电压等级的不断提高,电力设备的规范安装和运行维护受到更广泛的关注,其中接地网显得尤为重要,它不仅保证了电力系统的可靠运行,还保障了工作人员的人身安全。当设备中产生大电流情况时,接地网可以进行散流,防止电位升高,从而确保电力设备安全运行。接地网由于长期处于地下,可能会发生以下问题:如接地网表面阻值增大、接地网均压效果差、接地网与电气设备的连接环节出现问题、接地装置发生腐蚀现象、水平接地体敷设深度不达标等等。因此,检测接地网的规范安装和正常运作十分重要。在探测接地网的过程中,地面建筑物及地下隐蔽物等因素会对探测造成阻碍。传统措施多采用开挖测量或间接测量,工作量大、进度慢、验收的结果缺少明确的数据支撑,而且要求验收人员具有丰富的经验。探地雷达（Ground Penetrating Radar）作为一种使用广泛的无损探测手段,它的优越性体现在速度快、过程连续、分辨率高和使用方便灵活等方面,将作为未来地下设备检测的首选方法。本文对探地雷达的原理充分了解后,对其A-Scan、B-Scan、C-Scan三种回波信号进行分析,以及了解雷达参数选择对探测的影响。通过介质特性、雷达参数、接地网样式的学习,采用GPRMAX仿真进行电力接地网正演模拟。根据正演模拟后的仿真结果,利用MATLAB对回波信号进行图像处理,包含了对回波图像的预处理和目标提取。预处理包括直达波的滤除和目标图像的边缘提取,为了消除目标以外的干扰,并同时强化目标区域,对图像采用Roberts、Lo G、Canny三种算子进行边缘检测,通过背景二值化的方法区分目标和背景区域。将区分后的双曲线目标进行坐标数据提取,输出数据的离散点图像并提取双曲线顶点坐标,再基于最小二乘法对双曲线进行拟合。通过顶点坐标的提取和双曲线参数信息,进行目标的深度和半径计算,验证与仿真设置参数间的误差率,从而证实GPR可用于对接地网的检测。通过研究大量资料,对基于雷达的接地网探测仪进行初期开发。对信息采集板基本硬件电路进行构想,采用FPGA作为主控芯片,利用DDS发射天线信号,通过AD采样对回波信号进行收集,由上位机发射指令,网口、定位和测距等模块作为辅助,达到模拟雷达探测的基本功能。图[76]表[8]参[68]

关键词： 数据采集系统   硬件设计   软件开发   PCIe总线  

摘要： 作为一项在生物、通信、计算机、人工智能、金融等诸多领域有着举足轻重作用的技术，从图像数据到基因信息再到模型构建，实时高速采集系统的身影随处可见。而随着信息化社会的飞速发展，在日常科研活动中产生的海量数据也对存储系统中各个环节提出了更高的要求。　　基于当前无线网络通信的需求，目前主流的Wi-Fi基带芯片数据吞吐率普遍超过1Gbps，在硬件调试中难以采用现有的抓包或者FPGA调试工具对物理层数据进行全面的采集与分析。严重影响了设计研发人员对该芯片的进一步研究与优化。本论文在此情况下，设计了一套基于PCIe总线的高速数据采集系统。该系统可以将大带宽的基带数据经过初步处理与判断后缓存在DDR3SDRAM存储器中，而后根据上位机指令将存储器内数据通过PCIe总线传送到上位机中。在上位机的软件中可以进行实时的分析和处理基带数据。在整个系统设计中，本论文深入调研本系统所需要的各类关键技术，全面整合现有平台与资源，完成了本系统的整体架构设计与软硬件功能划分，保证了最终设计的可行性。　　在明确了基础框架与关键技术后，本文完成了整个数据采集系统的软硬件的设计。本文的创新点在于，硬件方面:　　1)提出并完成了一套DDR3缓存控制子系统硬件逻辑及系统实现，提出了一种动态可配置缓存的管理实现架构，能够根据被测设备需求、系统配置要求，实时调整采样位宽、采样深度，充分利用DDR存储带宽、存储资源、实时采样调试效率，能实现最大位宽128位，深度125M，最小位宽8位，深度2G，实时工作采样频率最高160Mhz。　　2)提出了一种PCIe本地端控制子系统硬件逻辑架构及系统实现，在该架构中，提出了一种数据采集系统Scatter/Gather DMA传输控制机制，通过设计基于描述符的DMA链式存储结构，能够支持大数据采样深度的主机内存分散式存储，解决了传统DMA方式处理大数据采样深度时连续地址存储的问题，或采用多次DMA传输时频繁中断处理带来的传输性能下降，提高了数据采集系统软硬件交互性能。　　3)提出了一种PCIe接口DMA控制器设计架构，通过DMA传输指令优化及基于块流水的DMA数据通路设计，能够满足吞吐率、传输延迟性能要求，同时改进了资源及设计复杂度。通过本DMA控制器，有效地减少了CPU的使用，提高了PCIe数据传输的效率。　　软件驱动方面，本文利用PCIe驱动程序，在Linux操作系统下完成了上位机应用层程序的设计，搭建测试平台，进行了自然环境下整套系统的实地功能测试。测试中PCIe传输接口实现平均353MB/s传输速率，本系统各部分功能工作正确，性能满足设计预期，能够满足对物理层速率2.5Gbps以内的基带芯片进行实时高速数据采集需求。

关键词： 药剂灌装检测系统   硬件设计   软件开发   人机交互  

摘要： 随着科技的发展，药剂灌装检测系统的自动化程度不断提高、功能不断完善，但其人机交互设计还停留在较为初级的阶段，没有得到应有的同步发展。为了将先进的人机交互研究成果应用到新设备、新技术中，切实提高检测设备的用户体验与可用性，本文针对药剂灌装检测系统进行人机交互设计与研究，将系统人机交互设计分为硬件、软件两个方向。本文的研究内容主要包括以下四方面：　　首先，利用访谈法和观察法总结系统人机交互设计需求，同时利用马斯洛需求层次原理和责任分散效应深入挖掘用户的内在需求，将系统人机交互设计需求总结为项目需求、用户需求、用户心理三个方面。　　其次，根据系统人机交互设计需求总结研究内容，提出系统硬件、软件人机交互设计的设计思路、技术路线、研究重点。　　再次，基于感性工学研究系统硬件造型设计，应用问卷调查法获得用户对系统外观造型的感性需求，应用类目层级法拓展感性需求，总结需求对应的设计要素，再应用层次分析法得到感性需求权重，并基于设计要素利用语义差异法、调查问卷法得到用户更喜爱的检测系统外观造型特征，如嵌入式控制系统、条形把手、柱形脚等。同时，基于人机工程学，利用人体尺度、施力特征，得到人体立姿工作状态下触摸屏界面的最优尺寸范围、人眼和手臂的最佳活动范围。根据以上研究得到系统硬件外观造型设计方案，应用语义差异法评价方案，得出方案可以较好满足用户感性需求的结论。　　最后，基于人机界面可用性理论研究系统软件人机交互设计，从系统软件操作的角度，归纳离散信息数据，得到系统任务流程与逻辑架构;从界面总体设计角度，得到界面导航与布局设计方案;从界面组成元素角度，基于视觉感知分层原理与色彩设计理论得到界面色彩设计，基于人机界面设计理论与触摸屏设计规范得到界面字体、图标、控件设计。根据以上研究最终得到系统软件人机界面设计方案，并应用色彩的视觉引导特征得到界面操作流程设计方案，应用可用性理论与界面布局美度评价，从两个角度评价界面设计方案，得出界面具有良好的可用性和布局美感的结论。　　总之，本文从人机交互的角度研究药剂灌装检测系统，并最终得到检测系统人机交互设计方案，希望本文应用的研究流程和方法可以为实际药剂灌装检测系统的人机交互设计方案推广提供参考依据。

关键词： 激光测距   双发单收   APD驱动电源   T型网络   跨阻放大器   MFB带通滤波  

摘要： 激光测距是当前智能设备的核心技术之一,随着科技和工业信息化的不断推进,它正不断成为限制诸如地图测绘、自动驾驶、机器人定位等领域发展的关键技术瓶颈。为进一步提高测距精度、优化电路结构、降低设计难度与设计成本,本课题以相位式激光测距技术为背景,研制了基于“双发单收”探测模式的高精度、低成本激光测距系统,主要研究工作包括:(1)设计了基于“双发单收”模式的双光路探测技术方案,建立了该模式下待测距离与双光路相位差之间的数学模型,给出了多测尺选取原则及测尺融合方法。(2)完成了相应电路模块的设计,包括高频信号发生电路(最高输出200MHz)、LC谐振选频电路、APD偏压驱动电源(可调范围22V～178V,最大纹波17.6m V)、MFB滤波电路等等。给出了基于T型反馈网络的低噪声跨阻放大电路的设计方法,分析了噪声增益与TIA电路稳定性之间的关系及其相应的稳定性补偿措施,提出了通过提高ADC采样率以简化滤波器设计的方法。(3)编写了上位机软件控制程序,包括基于全相位ApFFT的谱分析鉴相算法、“双发单收”模式下ADC分时触发采样程序、以及各模块的控制程序等等,仿真分析了传统FFT测相算法与全相位ApFFT测相算法在不同采样率和不同采样点数下的测相精度对比,在不同信噪比下对ApFFT的测相性能进行了仿真分析与实验测试,提出了通过引入第二同源参考信号的方法以实现两路分时采样信号之间的相位差测量,可有效降低采样误差,提高测相精度。(4)完成了该系统的总体PCB绘制与系统电路测试,并对测量结果及误差因素进行了分析。实验结果表明,该系统的最高测距精度可达±2mm。

关键词： 双向全桥DC-DC变换器   移相控制   电流应力   硬件设计   UCC3895  

摘要： 近年来随着科技的快速发展,全球对能源的需求与日剧增,石油、煤炭等传统能源的日益枯竭,新能源的开发和高效利用是当今世界的必然选择。将能源发电设备与储能装置相结合,则可建立一个完整可靠的储能系统,可用于“削峰填谷”提高能源利用率。双向全桥DC-DC变换器因其结构对称,功率密度较高,可以作为电网与储能装置能量双向流动的桥梁被广泛应用于各种储能系统中。本文首先对双向DC-DC变换器的工作原理、主要的拓扑结构以及控制方式进行了介绍,通过绘制电路波形,根据波形的关键节点,对隔离型双向全桥DC-DC变换器在传统移相控制策略下工作的微观过程进行了详细的分析,全面研究了传统移相控制策略下变换器的系统特性,包括功率回流特性、电流应力、软开关特性、死区影响及补偿措施等。为了解决传统移相控制在输入输出侧电压不匹配时,电感电流应力大等问题。在传统移相控制策略的基础上,通过增加桥内移相角,提出一种改进的移相控制策略,对改进后的变换器的微观过程以及系统特性与传统移相控制方式下的进行了对比分析,对比发现在同一功率传输下,改进策略下的电感电流应力大大降低,回流功率减少,同时电压调节范围变得更加灵活。通过Saber仿真软件搭建了隔离型双向全桥DC-DC变换器的仿真模型,对传统移相控制和改进后的移相控制策略进行仿真分析,仿真了变换器的各个节点的关键电压电流波形,及电感电流应力大小。验证理论分析的正确性。最后在理论分析的基础上进行硬件电路设计,搭建了基于UCC3895的小功率实验样机,进一步验证理论分析的有效性和可行性。

关键词： 压缩感知理论   超带宽稀疏信号   欠奈奎斯特采样   硬件设计  

摘要： 由于模拟数字模拟数字转换器(Analog-to-digital,ADC)的采样率并不是无限高的,在国内,可以做到的比较高采样率的只有40G,国外可以做到的最高采样率为120G,因此,在对高频率信号进行采样的时候,如果再以奈奎斯特采样定理的传统采样方式对信号进行采样以及恢复的时候,就会遇到很大的困难。如果采用低于奈奎斯特采样速率(sub-Nyquist sampling)的采样系统,则通常需要增加额外的条件,比如需要预先知道所要处理信号的频谱信息等,在实际应用中,这些先决条件往往不容易满足。科研人员在面对如何解决超高频率信号采样问题的时候,提出了新的理论。和传统的采样过程不同的是,以压缩感知为理论依据的采样系统,在对信号进行采样的时候,是将采样过程和对采样得到的数据进行压缩这两个步骤合成了一个步骤,这样操作的好处就是,既保留了信号恢复所需要的关键数据,又降低了系统所要传输的数据,降低了对采样系统的压力,最终,采样得到的数据,通过信号重构算法恢复出来。本文的主要研究工作是,首先对比传统的信号采样和基于压缩感知的信号采样,之后确定采用哪种采样框架,最后通过确定的采样框架,来进行硬件设计,最终完成模拟信息转换器。根据项目要求,模拟信息转换器要可以对信号进行盲采样,并可以以低于奈奎斯特采样率进行采样并成功恢复原始信号。模拟信息转换器主要包含两部分,一部分是对输入信号进行调理的模拟部分,另一部分是对处理后的信号进行采样,得到的数据通过FPGA进行处理,通过恢复算法就可以完成对信号的恢复。在实现模拟信息转换器功能部分,结果教研室项目要求,主要分为对信号调理、采样以及将采样数据处理得到恢复出输入信号,本文主要设计模拟电路部分,主要包括信号的放大,信号的功率分配以及信号的混频等主要电路,最后按照模块对电路进行调试,看每个模块能否正常工作。

关键词： 柑橘   动态检重分选系统   硬件设计   软件开发   分选精度  

摘要： 柑橘作为我国重要的经济类作物，种植面积超过3800万亩，给果农带来巨大的经济效益。通常，柑橘在采摘后需对其重量品质进行检测分选处理，按检测分选的差异对柑橘进行分类售卖。为此，国内外开展了一系列对于柑橘重量检测系统的研究，并研制了出相应的检测设备。这些重量检测设备以其价格便宜和分选准确的优点得以广泛应用，然而，目前国内外所使用的柑橘重量检测设备多为静态检测设备，其自动化程度较低，上果、分选等环节需要进行人工处理，浪费了大量的人力物力。针对上述问题，本文设计了一种柑橘动态检重分选系统，并通过性能试验明确该系统存在的不足，针对检重分选系统中存在的问题，从柑橘动态重量检测的精度以及分选精度方面进行优化，并测试了优化后的效果，本研究的主要结论如下:　　1)检重分选系统硬件与软件部分的设计。检重分选系统的工作原理基于应变式压力传感器的响应特性，整体可分为检测机构、排序机构与提升机构，检测机构采用链式传动的方式能完成柑橘的动态重量检测与分选。排序机构以V形带作为柑橘输送部件，能在柑橘输送过程户对其进行排序整理。提升机构以滚筒带动柑橘运动，能实现检重分选系统的自动上果;检重分选系统的控制终端为计算机，能实现检测系统传动链启停与调速控制以及系统的参数设置。　　2)检重分选系统性能测试。检重分选系统的工作性能的测试，主要围绕其检测精度与分选精度进行，通过试验探究影响检重分选系统检测精度与分选精度的主要因素，结果表明:检重分选系统检测精度主要受柑橘检测样本的重量与传动链速影响，其中柑橘重量大小与系统的检测误差成正比，在传动链速为0.5m/s时，256.7g的柑橘样本与78.8g的柑橘样本相比，检测误差增加了4.2g，此外传动链速的提高也会导致检测精度的下降，0.5m/s传动链速下，系统重量检测的平均误差为:8.7g，在传送链速为1.5m/s时，系统重量检测的平均误差上升至20.8g;检重分选系统的分选精度受检测精度与系统分选执行元件运行效率的共同影响，当系统检测精度低于设定分选区间或分选执行元件工作效率与传动链速不匹配，都会造成分选误差。综合考虑检重分选系统的重量检测与分选精度，其动态检重分选时传动链速范围应为:0.5m/s～1m/s。　　3)检重分选系统的性能优化。对于系统的性能优化主要从检测精度与分选精度两部分开展。针对系统动态重量检测精度的优化，从称重信号的降噪处理上入手，称重信号降噪处理方法主要包括数据预处理与算法滤波处理两部分，通过各种预处理的综合试验对比，选定中值滤波算法作为系统动态称重信号的数据预处理方式，并基于BP神经元网络设计了动态称重算法，对预处理后的称重信号再降噪，经优化后，在传动链速为0.5～1.5m/s内，检重分选系统的动态称重平均相对误差范围缩减至2.1g～4.3g;对于检重分选系统分选精度的优化，在对重量检测精度优化的基础上，提高分选执行机构的响应灵敏性，改用继电器来代替下位机控制分选执行机构的运行，使得执行机构的运行时长从50ms缩减至4ms，优化后的系统在传动链速为1.5m/s时的柑橘动态重量分选精度提高了约50％。

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。