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关键词： 矿井   灭火机器人   火灾  

摘要： 我国为了完成矿井火灾的救援研制出了一种利用矿井灭火机器人的方法,很好的帮助了矿井火灾事故的处理。其中矿井灭火机器人主要由这几部分构成;cpu主板控制器,火焰传感器,语音警报系统等,灭火机器人功能强大,可以在有火灾时,自动进行灭火,并且使用无线电设备将矿井中的灾情第一时间发送给控制总台,为接下来的工作提供准确的消息。本文就根据矿井中灭火机器人的设计和使用问题进行了探究。

关键词： 氮化镓   伺服驱动系统   硬件设计   电磁干扰抑制   频率调制  

摘要： 伺服控制系统,尤其是高精度、高控制性能的伺服系统目前广泛应用于航空航天、自动化、运动机器人、运动控制和新能源电动汽车等各个领域中。目前伺服系统主要的逆变器采用的器件为Si材料制作的IGBT,由于其性能的限制,尤其是目前对Si材料的研究已接近其理论极限,因此伺服系统向更大功率密度、更小体积尺寸的发展遇到了瓶颈。在工业机器人,航空航天空间站等领域,向更大功率,更小体积发展是大势所趋,是未来的机遇和挑战。宽禁带材料主要包括氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC),由于其耐压和耐流更大,因此适合在功率更大的场合使用。宽禁带器件开关频率非常高,因此可以减小驱动器和逆变器的体积,有利于实现更高的功率密度,实现真正的驱控一体化,并且整个系统的效率可以得到极大提高,因此具有重大的意义。本文搭建基于GaN宽禁带器件的伺服驱动控制系统。首先分析驱动回路和功率回路寄生参数对GaN高频驱动系统的影响,分析了串扰和端电压震荡产生的原因,根据建模分析得到寄生电容和寄生电感对驱动系统的影响,之后依据参数影响分析完成了原理图和PCB的设计,改进GaN伺服驱动系统的散热方式,完成了样机的制作。然后,分析电机控制系统中电磁干扰(EMI)产生的机理以及导致的危害,其中着重分析在使用宽禁带材料的电机驱动系统当中,由于高开关频率和过大的dv/dt和di/dt导致的尖锐的电磁干扰现象,从软件抑制角度方面介绍目前常用的频率调制方法;之后依据直接数字频率合成技术提出本文采用的无等待载波连续频率调制策略,分析载波形式、扩频范围和调制系数对电磁干扰的抑制效果,通过理论分析证明所提频率调制算法的优越性。最后,完成基于无等待载波连续频率调制算法的控制器的参数设计,并且通过FPGA完成电机的双闭环控制,在平台上进行驱动性能的测试,结果证明高开关频率下的伺服驱动系统具有优越的性能,并且电流环和速度环带宽都得到提升,EMI得到明显的抑制,驱动系统具有优异的性能。

关键词： 汽油机   缸内直喷   颗粒捕集器   累灰台架   燃烧器   硬件结构   软件设计  

摘要： 与传统进气道喷射汽油机相比，缸内直喷汽油机在燃油经济性、动力性和减少二氧化碳排放方面具有显著的优势。但是缸内直喷技术会导致油气混合不均，使尾气中的颗粒物排放明显增多。随着国六排放法规对汽油机颗粒物排放的严格限制，仅凭优化缸内燃烧已经无法满足要求。因此，在汽油机上安装汽油机颗粒捕集器已经成为必然的趋势。大量研究证明，壁流式颗粒捕集器是目前减小颗粒物排放的最有效的手段，但是随着行驶里程的增加，不断滞留沉积在颗粒捕集器中的灰分会导致捕集器老化，使其捕集效率下降，排气压力降升高，影响发动机的动力性与经济性。研究表明，机油添加剂中的Zn、Ca、Mg的硫化物、磷化物与氧化物是导致GPF老化最主要的灰分来源。现有的GPF的灰分积累研究主要在实车或发动机台架上进行，受制于汽油机的燃烧条件，这些研究中不能大比例掺混机油进行燃烧，因而整个积累过程需要很长的时间，为了能够缩短这个过程，提出一种燃烧器代替汽油机的GPF灰分快速积累的后处理台架，这对未来GPF以及机油的研发有重要意义。　　本文设计并搭建一个基于燃烧器的GPF灰分快速积累的后处理台架，用以缩短汽油机颗粒物捕集器老化至30g/L，即实际老化历程240000公里所需的时间，减小老化研究的经济成本和时间成本，提升在GPF老化影响研究的效率。台架设计部分包括硬件设计与软件设计，在台架的硬件设计方面，搭建燃烧器、油路、气路以及排气管等系统，保证燃油在燃烧室内稳定燃烧，并将热排气引导至待测GPF处。在台架的软件设计方面，搭建数据采集框架、变频器控制框架和喷油点火控制框架。本文使用LabVIEW程序，将上位机的采集、控制命令传输至采集与控制硬件，实现对台架的远程数据采集与台架控制。软件设计部分还包括台架的试验安全设置，以应对试验过程中可能会出现的紧急情况。　　在完成台架的软硬件设计搭建后，本文进行了风机PID控制参数的整定试验，实现了稳定的排气流量与排气流量变化的快速响应。燃烧参数标定试验建立了在该台架系统基础上的喷油量与着火边界的关系，确定了可燃工况，并在此基础上做出特定流量下排气温度的脉谱图。在完成燃烧器燃烧参数的标定试验与PID控制参数的整定试验，通过在燃烧器着火边界内自动调节喷油工况的闭环控制，实现稳定的排气温度与排气温度变化的快速响应。本文通过对排气温度、流量的研究，提出了设计台架累灰试验中所用的排气工况概念，并通过对排气工况控制性能的研究得出该台架系统能够提供可控并稳定的排气工况。　　最后，本文分别在一款热排气燃烧器台架与设计台架上进行了快速累灰试验，通过对比得出，设计的台架可以实现可控的排气温度、流量，克服了热排气燃烧器台架高温烧结GPF、低温燃烧不稳定等现象。设计的台架在快速累灰试验中保持了较为稳定的4.88g/L*h平均加载率，即达到代表240000公里老化水平的30g/L灰分加载只需要6个小时。相比于传统快速累灰老化方法所需的100个小时，设计台架极大地提升了累灰效率。

关键词： 配电网   旁路作业   智能转换装置   硬件设计   软件设计  

摘要： 电网供电可靠性对于社会的日常运作具有十分重要的意义。近年来兴起的旁路作业法大大的提高了供电可靠性，但经统计旁路作业时用户断电时间仍较长，因此对现有旁路作业法进行优化研制新型设备具有重要意义。　　本文首先分析了传统旁路作业原理及操作流程，发现倒闸操作是导致用户停电的主要原因，为解决此问题本文提出设计旁路作业智能转换装置以优化旁路作业流程，并对该装置的性能指标提出要求，完成了智能转换装置的整体设计方案。然后根据设计要求对关键电气设备进行对比选型，选定了高压断路器、隔离开关、电流互感器和低压转换开关的具体型号，并对电缆与母排压接模块进行设计。然后对智能转换装置进行控制器硬件部分进行设计，分别对主控制模块、参数测量与核相模块、显示模块、转换开关继电器控制模块、终端通信模块和电源模块进行硬件设计。然后基于μC/OS-II嵌入式操作系统对整个装置进行软件设计，主要包括参数测量核相模块、转换开关继电器动作模块、远程监控模块和显示屏模块的软件设计。　　完成装置的组装调试后，分别对装置的参数测量与核相模块、显示模块和继电开关转换模块等进行了细致的测试，经过测试各模块性能指标均能满足设计要求，并在潍坊供电公司得到实际应用。本次设计的旁路作业智能转换装置应用于市政10kV配电网旁路作业，能够大幅缩短作业过程中用户停电时间，使供电可靠性得到有效提升。

关键词： 智能门锁   控制系统   硬件设计   物联网   远程服务端  

摘要： 随着物联网技术的不断发展，物联网的应用领域不断扩大，在智能家居方面的应用尤为显著。传统的家电产品与物联网技术结合成为了智能家电，实现了无线远程控制，并且可以通过手机客户端进行多种操作。智能门锁作为智能家居中的代表之一，常用于个人家庭住宅中。由于智能门锁的安全性高于传统的机械门锁，并且免去了携带钥匙和手动开锁的麻烦，因此智能门锁的使用逐渐普遍起来。而对于一些大范围适用场所如高校教学楼、宾馆等，其教室或房间较多，传统的管理方式较为繁杂，因此需要一套智能门锁控制系统进行方便管理。鉴于市面上的智能门锁都是以个人住宅为主，对于上述场所缺乏一套集群化的楼宇管理式智能门锁控制系统，本文以高校教学楼的管理为背景，研究开发了适用于高校教学楼管理的智能门锁控制系统。该系统由三部分组成，分别为智能门锁、手机客户端和远程服务端。　　智能门锁是系统组成中的硬件部分，对智能门锁的设计包括了机械模块和硬件电路模块的设计。机械模块包含了锁芯、锁舌、滑动导轨及齿轮齿条等机械部件，硬件电路模块由主控芯片、物联网模块、步进电机等组成，最终实现了智能门锁的手动和远程控制。　　手机客户端是智能门锁的控制端，客户端基于安卓平台开发，使用Java语言编写。结合高校教学楼的管理模式，客户端实现了管理员登录、远程控制、权限管理及通知等功能，满足了对教学楼的管理需求。为了保证客户端的使用安全，对登录验证的账号密码采用了AES算法加密。　　远程服务端是智能门锁控制系统的核心，为了保证服务端的功能稳定性，该远程服务端基于JavaEE企业级平台开发，采用了SpringMVC架构设计。服务端通过Servlet接口程序处理客户端请求，采用Socket通信方式与智能门锁建立连接，实现相互通信。　　本文对服务端的Socket连接使用了线程池管理调度的方法，在满足稳定工作的前提下实现了对上千个Socket的连接处理，完全满足高校教学楼管理的使用需求。为了维持Socket连接，在服务端和智能门锁之间建立了心跳包机制，为了应对智能门锁由于异常情况下导致与服务端连接断开，在智能门锁控制系统中建立了异常处理机制，实现了智能门锁与服务端自动进行重连，有较好的容错性。

关键词： 车辆振动   检测装置   CAN总线   硬件设计   软件开发  

摘要： 车辆振动是无法避免的，过大的振动会造成车辆零部件损坏、整车性能降低、维修成本增加，甚至可能导致交通事故的发生，因此，对车辆振动的检测是非常必要的。　　本论文首先分析了车辆振动检测技术的国内外研究现状，总结了车辆运输技术的不足，并设计了一种基于CAN总线可安装在汽车上的车辆振动检测装置，完成了硬件设计和软件设计，实现了单片机与上位机的数据通信。　　硬件设计的整体设计结构包括振动检测模块和中央处理模块这两部分，振动检测模块由振动传感器、信号调理电路、单片机系统电路、A/D模块、CAN通讯电路和电源管理电路六部分组成，中央处理模块由单片机系统电路、数据存储、CAN通讯电路、USB通讯电路和电源管理电路五部分组成。本文采用低频速度式振动传感器拾取信号，采用OP07搭建信号调理电路，采用STM32F103RCT6单片机作为数据处理核心，采用TJA1050CAN收发器连接至汽车仪表盘。　　软件设计分为上位机软件程序设计和下位机软件程序设计这两部分。上位机软件程序设计是通过LABVIEW开发环境实现，上位机具有振动情况的实时显示、车辆振动阈值的设置、超过阈值时的报警等功能。下位机软件程序设计是通过Keil uVision5开发环境实现，下位机软件程序设计流程包括:初始化、数据采集、数据处理、数据通讯等。软件设计实现了振动信号的采集与处理，辨别出车辆振动情况，当车辆振动异常时，发出警报并提醒用户减速或检修车辆。　　基于上述分析，对本装置开展实验，分析实验数据及验证该方案。

关键词： 物联网   硬件平台   MCU   数据接口   嵌入式软件  

摘要： 如今,物联网技术已经延伸到智能家居、数字医疗、智能交通和智慧城市等众多领域,物联网通过对传感、网络、通信等技术的整合将物理世界的感知传递给计算机系统,实现物理信息和人类自然感知的融合,其核心即信息服务。然而,在不同的需求领域,存在着多样性的物联网硬件,现有的物联网系统需要针对于不同应用进行特定地硬件开发。因此,一个通用性的物联网硬件平台能对物联网方案的开发及应用带来很大便捷。本课题针对现有物联网开发平台所存在的实现复杂、开发成本高等缺点,运用互联网软件的开发方式与开发思维,提出了一种集多种数据传输方式与云平台分析反馈于一身的面向物联网的硬件平台。该平台由双中心硬件终端及其嵌入式软件和数据接口构成。平台利用多样的数据接口,可裁剪式的接入不同通信协议的物联网设备;硬件终端由中心控制MCU和数据处理MCU及外围模块组成,中心控制MCU负责整个硬件平台的任务调度,数据处理MCU对底层数据进行分析与计算后,将数据传送至中心控制MCU,由中心控制MCU通过网络通信模块将分析结果转发至其他物联网设备或物联网云平台;中心控制MCU亦可接受云平台反馈的信息,并对其进行分析,再将命令下发至接入该硬件平台的不同模块。同时,平台中的嵌入式软件代码或协议可由云端发送指令进行更新,实现可在线升级的硬件平台,大大降低了物联网开发的时间、人力资源和经济成本,提高开发效率。本文分别从硬件电路与接口设计、嵌入式软件设计两大主要方面详细描述了该硬件平台的软硬件设计思路和解决方案。其中硬件实现包括控制单元、数据处理单元和通信接口等多个模块,嵌入式软件的实现包括数据处理分析、指令上传下发和自身在线升级等模块。经过对平台的整体测试,它能够完整地实现预期需求,并且表现出优良的性能,在部署环境中稳定地运行。随着该平台的正常运行,本文所设计的物联网硬件平台方案的社会价值和现实意义得到了充分印证。

关键词： Counterfeit IC sensor   Hardware security   Long short-term memory   Multi-layer perceptron   Neural network hardware   Physical unclonable function  

摘要： Artificial intelligence (AI) algorithms and hardware are being developed at a rapid pace for emerging applications such as self-driving cars, speech/image/video recognition, deep learning, etc. Today’s AI tasks are mostly performed at remote datacenters, while in the future, more AI workloads are expected to run on edge devices. To fulfill this goal, innovative design techniques are needed to improve energy-efficiency, form factor, and as well as the security of AI chips. In this dissertation, two topics are focused on to address these challenges: building energy-efficient AI chips based on various neural network architectures, and designing “chip fingerprint” circuits as well as counterfeit chip sensors to improve hardware security. First of all, in order to deploy AI tasks on edge devices, we come up with various energy and area efficient computing platforms. One is a novel time-domain computing scheme for fully connected multi-layer perceptron (MLP) neural network and the other is an efficient binarized architecture for long short-term memory (LSTM) neural network. Secondly, to enhance the hardware security and ensure secure data communication between edge devices, we need to make sure the authenticity of the chip. Physical Unclonable Function (PUF) is a circuit primitive that can serve as a chip “fingerprint” by generating a unique ID for each chip. Another source of security concerns comes from the counterfeit ICs, and recycled and remarked ICs account for more than 80% of the counterfeit electronics. To effectively detect those counterfeit chips that have been physically compromised, we came up with a passive IC tamper sensor. This proposed sensor is demonstrated to be able to efficiently and reliably detect suspicious activities such as high temperature cycling, ambient humidity rise, and increased dust particles in the chip cavity.

关键词： CAN总线   USB总线   51单片机  

摘要： CAN是控制器局域网的缩写。在现代工业控制中,USB接口和CAN总线等通信技术得到广泛的应用。CAN总线广泛应用于包括汽车和船舶等在内的各种工业用途,有着组网简单、传送距离远、实时性好等优点。但是一般的上位机并没有CAN接口。因此本文试图提出一种USB接口与CAN总线的转换器设计。

关键词： 铜闸阀   自动化生产线   硬件设计   软件开发  

摘要： 随着国民经济的发展和“一带一路”、“南水北调”等国家战略的实施，我国在基础设施建设方面将会迎来新的发展机遇。阀门作为基础设施建设过程中必不可少的流体控制设备，也将迎来巨大的市场需求。虽然我国目前是阀门生产数量最多的国家，但是在阀门生产工艺创新和阀门自动化生产线的设计方面还相对落后，这已经严重制约了我国阀门行业迈向高端制造的步伐。　　本文根据DN15型铜闸阀阀体加工工艺要求，分析了目前国内外主要阀门生产企业的阀体加工生产线现状。基于铜闸阀密封面内外三度加工理论，研究了铜闸阀密封面质量控制的关键因素。结合江苏省某铜闸阀加工生产线的实际，分析了各生产工序间的相互影响和约束关系。基于集散控制理论，设计了一条DN15型铜闸阀阀体自动化生产线。根据生产环境的不同要求，该生产线将生产过程分为了冲压过程和精细加工过程，本文分别对两个过程的软件设计和硬件设计做了说明。为解决工件重复装夹的问题，设计了圆环式旋转加工平台。控制系统采用可编程控制器（PLC）作为主要控制单元，利用视觉引导技术实现对机械手的引导控制。结合触摸屏和上位机上的组态软件，在各工序之间建立起基于PC Link网络的通信系统，实现了对整个加工生产线的监控、产量控制、质量筛查等目标。　　通过实际生产验证，该自动生产线可以有效提高DN15型铜闸阀阀体生产线的自动化水平和加工效率，提升了产品质量，大幅降低了生产成本和劳动强度，具有一定的市场推广意义。