课程文献中心 更多>>

关键词： 红外图像   硬件平台   椒盐噪声   图像增强  

摘要： 设计了一种基于FPGA的红外图像处理硬件平台,整个系统采用模块化方法设计。在FPGA平台上实现了参照源的红外图像非均匀性一点校正;快速中值滤波对图像进行时域滤波,去除了红外图像的低频椒盐噪声;同时实现了直方图均衡算法进行图像增强,提高了图像对比度。设计了PAL模拟视频接口,将处理结果实时地显示在显示屏幕上,通过硬件设计测试,达到了实时处理红外图像的目的,该平台能够增强实时动态的图像对比度。

关键词： 水声信号   硬件设计   信号记录   FPGA   电路   测量工作   软件设计   科学合理  

摘要： 引言:在研究水声的过程中,需要进行大量的测量工作,还要对测量得到数据进行对比分析,因此必须要保证原始水声信号得到准确的记录,所以加快对基于FPGA的水声信号记录电路设计的研究尤为重要。本文从设计思路、硬件设计、软件设计、应用情况这四个方面展开详细的分析,从而设计出科学合理的水声信号记录电路,为水声采集工作提供准确的数据,并且满足新时期,社会对水声信号实时准确采集的要求。

关键词： ZigBee技术   无线抄表系统   硬件设计   软件设计  

摘要： 智能电网的发展让智能电表进入每家每户,无线抄表系统受到集中重视,ZigBee技术作为一种短距离无线通信技术,具有低功耗和低成本优势,无线抄表系统利用ZigBee技术进行设计具有巨大应用空间.基于此,本文研究了在ZigBee技术基础上设计的无线抄表系统,借助于ZigBee技术开拓无线抄表系统的应用市场.

关键词： SEMG   神经康复治疗仪   硬件设计   软件设计   系统调试  

摘要： 表面肌电信号(SEMG)是肌肉在收缩时,由于体表血液中含有电解质性质的液体和颗粒浓度的变化产生的生物电信号。在医疗领域,可以通过分析表面肌电信号的各种参数对肌肉活动与活性进行无创检测,与之相反,对肌肉与神经系统进行电刺激也是进行肌肉活性康复和神经系统康复的重要方法。尽管如此,在国内医疗领域,SEMG采集分析技术和设备尚未做到大量普及,关键技术大多掌握在海外的公司手里,而且,在医疗仪器中,体温与脉搏是用于反馈患者实时身体状况的重要指标,然而大多数肌电刺激治疗仪不包含体温与脉搏检测功能。因此对肌电信号采集和刺激技术进行研究和还原,并加入体温与脉搏的安全限制,是有必要意义的。本文提出了一种多功能生物反馈神经康复治疗仪研制。经实验测试,其对SEMG的采集频段满足设计要求,陷波中心频率为50Hz,可以排除工频干扰,刺激电流稳定,误差≤±1%,体温、脉搏测量准确,软件系统稳定性良好,并且可通过国家相关标准以及行业相关标准,满足国家对医疗器械的电磁兼容性设计要求。本文从产品功能需求出发,分别设计了系统的各部分硬件,并根据硬件的特点编写独立的硬件支持包,通过Protothreads线程系统调用硬件支持包,加入流程服务,完成软件设计,最终使用Photoshop与Mockplus进行UI设计,完成完整产品设计。硬件设计方面,核心主控模块使用意法半导体公司的STM32F103VET6最小系统板;温度传感器使用的是医用数字式温度传感器DS18B20;脉搏心率传感器使用的是医用级模拟脉搏传感器CJMCU-Pulse;肌电采集电路使用了压差放大器、二阶巴特沃斯带通滤波器、陷波器,LTC1417AI模数转换器等;刺激电路使用的是MOS管压控恒流源电路;电源电路使用了220V市电和锂电池双电源设计,保证了肌电采集电路的精度。软件设计方面,提出了laPtino嵌入式综合开发系统,其中LabWindowsCVI使用C89语言进行上位机设计;Protothreads进程系统实现进程调度;Arduino for Keil提高了嵌入式软件的编程效率。创新的使用了进程状态表代替传统的程序流程图表现控制软件的运行过程。温度滤波算法上,使用了三重滤波算法,在滤波同时保证了测量精度。在调试方面,本文模拟了患者的生理状态进行试验和测试,以获得准确的检测结果。进行了EMS、EMI两项国家医疗仪器电磁兼容性测试,并通过测试结果进行对应硬件调整。最终治疗仪达到产品的设计需求,证明硬件系统稳定无干扰、软件及算法稳定可用。

关键词： 图像传感器   图像去噪   导向滤波   硬件设计   系统验证  

摘要： 近年来,CMOS图像传感器由于其低功耗和低制造成本的特点逐渐超越了传统的CCD图像传感器,占据更多的市场份额。然而,CMOS图像传感器仍然受到图像噪声的影响,限制了整体图像的精度。因此,本文将对CMOS图像传感器的噪声抑制展开研究。为了解决两个主要的噪声源（高斯噪声和椒盐噪声）,本文首先对四种经典图像去噪算法的性能进行了评估,包括典型的均值滤波和中值滤波,以及两种边缘保持算法:导向滤波和小波变换。后两种算法在去噪的同时能保持更多的图像细节。本文以峰值信噪比和结构相似性两种评价标准研究了四种算法在处理不同噪声时的效果。为了解决椒盐噪声,导向滤波算法的去噪效果表现出比小波去噪算法更好的性能。为了解决高斯噪声问题,导向滤波算法表现出比均值滤波和中值滤波算法更好的性能。考虑到算法去噪质量、电路实现难度等多种因素,本文最终选择导向滤波算法实现其硬件设计,并应用于CMOS图像传感器系统。本文将导向滤波算法作为CMOS图像传感器的图像处理模块,通过ASIC方式进行实现,并在FPGA开发板上对算法进行了验证。在硬件模块设计中,为了实现存储器访存带宽的最大化,本文在8通道的数据传输模式的基础上提出了双模块并行处理方式。本文采用HL55lp工艺对该导向滤波硬件模块进行了DC综合,一共使用了46.875 KB的片上存储,最高时钟频率达到了120 MHz,每行最大处理4800个像素,处理效率达到196M像素/秒。

关键词： 数据回放   JESD204B   可持续   时钟抖动  

摘要： 信号回放模块作用是将采集或者模拟产生的数据提取、重现的过程,多被运用雷达系统或者测量系统。与信号回放相对应的是数据采集系统,而现在采集系统的采样率和存储深度可以做到很高的指标,迫使信号回放系统必须具备更高的回放速率和更长的可持续回放时间。由于高速DAC的飞速发展,回放速率理论可以做到GHz级别,但是,由于硬件模块可以缓存的数据容量非常有限以及工控机总线下发数据带宽有限制,那么必然导致可以持续回放波形的时间很短。因此,为了提升信号回放时间,海量数据可持续回放研究成为了热点以及难点。信号可持续回放首先要求高带宽的通讯总线,PCIe协议经过多年的发展,已经推出了第三个版本,被广泛运用于各种高速通讯场合。高回放速率对DAC的数据接口提出了更高的要求,JESD204B接口的传输速度快,数据管脚少,已逐渐取代LVDS接口,被广泛应用于高速DAC。基于以上情况,本文对高速信号可持续回放进行研究并设计一种海量数据可持续回放模块硬件电路,具体工作内容如下:1、回放模块电路设计。波形回放系统旨在精确的展示原波形的所有细节,要求对所有波形数据点逐次回放,故确定基于直接数字波形合成(DDWS)技术搭建回放系统硬件平台。通过回放速率和分辨率指标计算数据传输带宽,对比高速接口实现方案,最终通过采用“PCIe+FPGA+DAC”的结构实现硬件设计。然后,根据主要指标,进行了需求分析。研究传统的波形回放板卡回放时间不足的原因,提出了用FPGA实现数据缓存,实现海量数据可持续回放的方案。并且,确认选用JESD204B接口DAC,简要介绍了该接口,并根据JESD204B系统的时钟要求确定了低抖动时钟产生方案。在实际应用中进行具体设计,完成系统的硬件电路设计。2、FPGA逻辑设计。进行FPGA逻辑编写,实现FPGA与上位机进行通信,上位机通过PCIe总线向FPGA发送波形数据和波形回放命令等。将PCIe DMA的AXI4接口数据进行宽度和时钟转换后进行格式映射,送给DAC发送端,同时完成JESD204B发送端代码设计以及板级芯片逻辑配置。3、测试与验证。搭建了用于测试本设计的软件和硬件测试平台,对主要的功能和指标通过不同的方式进行了测试,主要包括海量数据发送的正确性、连续性测试以及最终输出模拟信号质量的测试。通过对测试结果的分析,验证了本文可持续回放方案的合理性、可行性。

关键词： 分布式光纤传感   动态检测   Sagnac   FPGA   嵌入式  

摘要： 自低损耗单模光纤出现以来,分布式光纤传感技术依靠自身的独特优势,在传感技术领域迅速发展。光纤作为光的载体和传感器的敏感元件,可以实现所在沿线上动态事件的连续测量。当光纤某处受到环境的影响产生扰动时,可以快速实现对扰动点的定位,该技术在通信光纤的动态检测、周界安防入侵检测等领域中运用广泛。扰动是指光纤在受到外力时产生的短暂形变,是一个动态的过程。扰动检测包括扰动事件的捕获与扰动位置的定位。本文以实际项目为背景,针对通信光纤的动态检测需求,设计了一个基于FPGA+嵌入式Linux的光纤扰动检测系统,实现了光纤扰动事件的捕获与定位。本文主要完成了以下工作:1)依据光学散射机理,采用分布式传感技术,结合Sagnac干涉和φ-OTDR技术提出了改进型Sagnac光纤传感技术。该技术解决了Sagnac干涉中局部信号解调难与定位难的问题,具有检测灵敏度高、误报率低等优点。2)开发了基于FPGA和嵌入式Linux的光纤扰动检测硬件系统,具体包括:以嵌入式Linux系统板为平台,结合激光器模块、状态检测与指示模块的控制部分;以FPGA为核心,结合探测器模块、ADC采样电路、千兆网卡电路的光信号采集处理部分;将交流电转换为多种电压的直流电,为各个模块供电的电源部分;以及改进型Sagnac光纤环构成的光路部分。3)通过使用仿真软件对光纤扰动事件的信号特征分析与算法仿真,运用累加平均和边缘检测方法实现了对光纤动态事件的捕获与定位。在保证定位精度和系统灵敏度的同时,极大的提高了扰动检测的实时性。完成了FPGA算法移植以及其他功能编程,实现了对ADC数字信号的采集、累加平均和边缘检测算法对数据的处理、串口逻辑对定位结果的发送以及UDP逻辑对原始数据的发送等功能。4)开发了基于Linux系统的应用软件,实现了对整个设备中各个模块状态的检测以及与上位机的实时通信。主要功能有:创建服务端为上位机提供通信与服务接口、设置激光器工作参数、管理激光器状态、设置FPGA逻辑中通信参数和算法参数、监控各模块温度、控制散热风扇工作、检测探测器过载信号、控制各个指示灯。5)对系统硬件和嵌入式软件进行了测试。首先对各个部分模块功能做了测试,分别验证了激光器控制、状态管理、参数设置、上位机通信、数据采集与发送等功能,然后测试了系统对扰动捕获以及扰动定位的性能。测试结果显示,系统各项指标均满足设计需求,为该系统在光纤动态检测领域的应用打下了良好基础。

关键词： 药品装盒机   控制系统   功能模块   硬件设计  

摘要： 包装设备是工业生产的重要环节，随着自动化技术的发展，包装设备正在向高智能化、多功能、高效率及低功耗方面发展，药品装盒机是包装设备的一种，用于实现药品自动装盒及包装。　　本文对药品装盒工作流程和控制要求进行了分析，从结构和控制两方面对设备功能进行了设计，控制单元的主控制器采用西门子公司的S7-200系列的PLC，通过采集气缸的磁性开关、位置开关、旋转编码器等信号，实现对气动单元、输送电机和伺服电机的控制，并能通过上位机（昆仑组态触摸屏）对系统运行进行控制、数据修正和显示。根据系统的结构特点，药品自动装盒机按照模块化和集成化的设计策略，对设备设计采用“模块化”，对各个模块的功能、原理及硬件结构进行了设计，同时为保证系统的稳定性，硬件尽量选用技术成熟的集成化设备。同时为了保证设备的运行效率，针对设备中的气动单元，设计和研究了合理的气动控制回路，并将PID算法应用其中，保证了回路中压力的恒定。　　本文在保障系统性能的基础上，充分考虑了系统的可靠性、稳定性和安全性，经测试，该设备药品装盒速度为170件/分钟，分拣环节对于不合格产品能够准确剔除，符合系统设计要求。

关键词： 阵列信号处理   无栅格估计   协方差拟合   范德蒙分解   参数估计   硬件设计  

摘要： 基于阵列的波达方向估计(Direction of Arrival,DOA)是阵列信号处理的一个非常热门领域。传统的基于波束形成的空间谱估计方法和基于子空间的波达方向估计方法,在进行谱搜索的时候需要对空域搜索角度栅格化。后面又出现稀疏恢复类方法,与基于子空间的方法相比,稀疏方法适用于广泛的应用场景,但其主要缺点不容忽视。为了实现稀疏性,连续角度空间必须进行栅格划分,栅格划分太密集会导致计算复杂度太高,甚至不满足有限等距性质;栅格划分太稀疏,算法的精度会降低严重。然而信号源的DOA估计属于连续角度空间而不是离散角度空间。基于栅格划分的所有方法都不可避免的带来偏差并在很大程度上影响估计性能。针对上述问题本文开展无栅格DOA的方法研究。具体工作如下:(1)本文分析了阵列信号模型和传统的子空间类算法MUSIC方法和无栅格的ESPRIT方法。本文阐述了一种改进的栅格类DOA算法,叫做基于稀疏迭代协方差的估计方法。该方法原理是无栅格的,使用了栅格化的迭代方式实现。最后介绍了一种名为无栅格稀疏和参数化线阵信号处理方法(Discretization-Free Sparse and Parametric Approach for Linear Array Signal Processing,SPA)的无栅格DOA估计方法。(2)本文提出了一种适用于均匀线阵和基于均匀线阵抽取的稀疏线阵的T矩阵重构无栅格DOA估计方法。该方法分为两个大的处理流程,首先利用阵列接收数据协方差矩阵,提出一种托普利兹化协方差矩阵快速重构方法,然后利用协方差矩阵的厄尔米特普利兹结构,具体重构过程被转换为半正定规划问题并且求解;然后利用范德蒙矩阵分解的唯一性原则,从重构的协方差矩阵中连续的估计感兴趣的参数,包括源位置、源功率等。通过数值仿真表明,所提方法在和SPA方法有相同性能的同时计算的时间耗时要低于后者,提升幅度在20%。本文所提方法基于凸优化,不需要信源数估计,同时还适用于任意数量的快拍,对相关源具有鲁棒性。(3)本文考虑幅相误差的问题,对所提方法进行了校正处理。最后自主设计了基于FPGA和DSP协同工作的硬件处理架构和硬件阵列信号处理板卡。通过实际的雷达信号测试证明本文设计的硬件架构信号捕获性能十分良好,完全达到设计指标。

关键词： 深海无缆式湍流剖面仪   控制系统   硬件设计   软件开发   性能测试  

摘要： 海洋湍流混合过程是发生在海洋中的一种微尺度“随机”运动，湍流动能耗散是认识海洋湍流的重要参量。海洋湍流对认知海洋环流如何运动，海水能量和物质输运，完善全球气候模型扮演着重要的角色。中国海洋由浅海向深海发展，深海湍流过程观测与研究已成为当前物理海洋科学中热点研究方向之一。　　湍流剖面观测仪器通常采用有缆式剖面仪和无缆式剖面仪，市面上绝大部分湍流观测仪由国外掌握，同时，现在采用的有缆式湍流仪，由于缆绳水阻容易引起剖面仪平台的水平漂移以及缆绳长度限制，很难适用于深海湍流剖面测量以及对海底边界层的测量。深海湍流测量仪器的匮乏限制了中国对深海剖面湍流的研究，为此急需研制可用于深海湍流剖面观测仪器，以新技术推动中国对深海湍流观测与研究。本文介绍了新型深海无缆式湍流剖面仪的总体研制工作，详细论述了新型深海无缆式湍流剖面仪控制系统设计与测试，主要研究工作如下:　　在前人研究基础上，总结优缺点，对新型深海无缆式湍流剖面仪进行了结构优化设计和电路设计。针对深海剖面观测需求，研制了小型深海释放器，设计了其结构、电路、释放决策逻辑，并设计测试验证其高可靠性。为验证剖面仪在深海极端环境下工作，设计了模拟高压测试、水池测试、湖试的综合性能测试。进行外海测试成功获取了3个剖面，最大深度1200m，验证了控制系统在实际海试应用中的可靠性。仪器稳定下降速度为0.48-0.58m/s，姿态角pitch和roll变化小于1°，测量得到的湍流动能耗散率在Kolmogorov截止波数内和Nasmyth经验谱基本吻合。