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关键词： 超越函数   CORDIC算法   浮点数   流水线架构  

摘要： 最近几年随着大数据的爆发性增长,面对数据处理的要求越来越高。无论在速度和精度上都有了更高的需求。在数据的运算中超越函数因其计算的复杂性,在计算速度的提升上一直被众多学者关注。现今超越函数的应用范围越来越广泛,在图像和语音处理中包含有大量指数,对数,三角函数的操作,这些函数运算的速度和精度会直接影响到系统的性能。在科学计算程序,三维图形的应用以及系统性能评测程序等里也包含大量的超越函数计算单元,对这些超越函数计算的速率和准确度也会影响到程序的运行性能。如何对这些数据操作进行高速的处理,提高函数运算的精度成为了当下的研究热点。在本课题中进行了指数和对数函数的硬件设计。针对指数和对数函数运算速度和精度的提高,在硬件架构上常采用CORDIC算法的流水线架构,利用增加迭代级数换取精度的提升。但受到算法中的收敛因子的限制,导致函数运算的计算域很窄,这对当前的海量数据处理是不能够满足要求的。针对计算域过窄的状况,本文提出新的硬件设计方案,完成函数运算域的扩展。在指数和对数函数方案设计中主要依靠浮点数特征和函数性质,采用数学原理推导的方法对计算域进行了很好的提升。对数函数的运算主要是将其分为小范围的对数运算和乘法运算完成。指数函数的运算首次直接对指数函数的结果中的指数部分和尾数部分进行硬件实现,解决了函数计算中中间数据容易出现溢出的状况。通过新方案的提出对函数运算的计算域有了很好的提升。同时鉴于函数运算的精度要求,首次采取四精度浮点数作为输入,通过增加存储资源的消耗实现函数运算中精度的提升。在硬件架构中根据提出的新方案进行设计,主要包括函数运算模块,时序控制模块和电路整体控制模块。为提高函数运算的精度,对浮点数输入的尾数部分进行数据处理保证所有的尾数进入函数运算模块,同时在计算中采用67级流水的CORDIC算法进行小范围的指数和对数运算。因为算法中的迭代次数很多,对算法模块进行优化,节约硬件资源消耗。最后对硬件设计中的函数运算进行误差分析,将输入输出转换为十进制与计算器得到的结果进行对比,完成误差的分析。在数据运算中指数和对数函数的计算精度都很高,满足现在图像和科学计算程序等对数据运算的高精度需求。

关键词： 高速数据采集系统   硬件设计   现场可编程门阵列   ARM架构   电磁环境  

摘要： 当前，新型武器装备面临的作战环境是复杂的电磁环境，因此多需要对电磁信号进行监测录取处理，而对雷达、干扰等信号监测、录取及处理的效果，不仅取决于后期的处理算法，更依赖于对电磁信号的采集能力。由于复杂电磁环境下信号受各种因素影响，动态范围较大，工作频率范围较宽，使得电磁信号的采集具有较大的难度，对采集速度、精度等都提出了较高的要求。一般的信号采集系统无法满足对复杂电磁环境信号的采集需求，因此，研究复杂电磁环境高速数据采集方法及设计实现具有很强的迫切性和必要性，研究成果应用于电磁信号监测录取处理系统、高性能雷达回波模拟器、雷达采集回放系统、复杂电磁环境适应性实验等，对复杂电磁环境下工作的常用武器及训练设备具有重要的现实意义。论文主要做了以下三方面工作:　　从电磁环境的复杂性出发，分析了该环境下影响电磁信号采集的各种因素以及实现难点，提出现有信号采集系统的不足之处，对常用的高速数据采集方法进行分析，总结出常用高速数据采集方法在复杂电磁环境下的适用性。　　在对已有高速数据采集系统研究的基础上，分析复杂电磁环境常用高速数据采集方法存在的弊端，提出基于FPGA内嵌ARM架构的高速数据采集方法的优势，并对该方法架构的关键技术进行重点研究。　　结合具体工程项目，设计了一个电磁信号监测录取处理系统，实现在复杂电磁环境下的雷达、干扰等信号的监测录取及处理分析，高速数据采集系统作为其中的重点难点部分进行了详细的设计，实现了350Msps采样率、有效位高达10位以上的大动态范围数据采集系统。将FPGA内嵌ARM架构应用于最新的Zynq-7000平台，结合动态性能优越的模数转换芯片AD9371，实现数据的高速采集。深入研究了Zynq片上系统和AD9371芯片的体系架构，借助Vivado开发工具实现各类IP核的设计，搭建成一个完整的硬件逻辑系统。对系统进行测试得到工作频率范围、信噪比、有效位数、灵敏度等关键动态性能指标满足复杂电磁环境下的指标需求并在实际应用中表现良好。

关键词： PXI总线   图形显示   万用表   误差  

摘要： PXI(PCI extensions for Instrumentation,面向仪器系统的PCI扩展)是一种由NI公司发布的基于PC的测量和自动化平台。由于其高性能、低成本的特点,已发展成为一种主流的虚拟仪器和自动测试平台。PXI图显万用表是组建PXI自动测试系统最常用的一种测量模块,它不仅具有普通数字万用表测量交直流电压、电流和电阻等功能,而且能够实时显示测量数据随时间变化,可广泛用于基本电参量的测量和设备运行状态的实时监测。论文从PXI图显万用表模块的主要功能和技术指标要求入手,制定了满足系统要求的硬件总体方案,对关键电路进行了详细设计和分析,最终完成了具有测量和显示功能的PXI图显万用表模块的硬件实现。主要工作如下:1、结合功能指标要求,给出了系统总体硬件方案。讨论了电压、电流、电阻等参数的测量法法;分析了设计可能出现的误差,对电路噪声产生的不可消除误差给出了计算方法,对可消除的误差提出了校准方法。2、在总体硬件方案的基础上,完成了图显万用表模块的主要测量功能电路设计。包括输入保护电路、输入信号调理电路、欧姆电流源电路、A-D转换电路、存储电路、时钟电路、模数隔离和电源电路的实现。3、根据系统控制要求,完成了整个控制逻辑及接口电路的设计。通过对通道、ADC接口和PXI接口的灵活配置,可使FPGA满足相关功能需求。4、对路调试中的问题进行了分析,对完成的整机功能指标进行了测试验证。实验表明,模块能够完成交流电压、电流和直流电压、电流以及电阻的测量和显示,主要测试指标达到了设计要求。

关键词： 甚低频   电离层D区   电流电压转换器   硬件前端   MSK   太阳耀斑  

摘要： 极低频和甚低频无线电磁波在地球物理现象和近地空间环境的研究方面提供了丰富的频谱信息。甚低频接收机是一种监测自然界辐射和人工台站发射的极低频和甚低频无线电磁波信号的低噪、高灵敏度接收机系统。甚低频接收机被广泛的应用于太阳活动监测、地球空间地基遥感、闪电定位、全球航海通信与导航系统等领域。采用MSK调制方式的甚低频人工台站信号具有恒包络和相位连续特点。在应用于电离层地基遥测和太阳活动监测时,通过分析接收甚低频人工台站信号的幅度和相位变化是研究电离层D区时空变化的有效手段。本文采用电流电压转换器的方式进行甚低频接收机前端硬件的设计。从天线模型出发,考虑宽带甚低频接收机的带宽要求和对环境噪声要求对电流电压转换器进行模拟仿真以及实际制作调试,完成对甚低频接收机前端硬件的实现。设计虚拟磁环天线测试电路对前端硬件进行测试和结合数字接收机进行数据采集,数据分析表明接收机前端能够实现对自然界天电辐射和人工台站信号的甚低频电磁波的接收。针对人工台站信号,首先,介绍MSK信号调制解调基本原理和MSK信号特点,采用Matlab对MSK信号调制解调进行仿真分析并深入分析MSK信号的特征;然后,采用软件无线电思想对甚低频人工台站信号进行解调,分析其中MSK信号附加相位函数的特征;最后,采用FPGA实现对MSK台站信号的解调并验证。基于甚低频接收机数据,介绍应用于电离层探测中甚低频人工台站信号相位求解的三种方法并设计相应数据处理平台。根据数据处理平台结果分析人工台站信号的基本变化特征并与LWPC模型计算对比以验证处理方法正确性。利用GOES卫星太阳耀斑通量数据与甚低频接收机幅度数据对比,统计分析甚低频接收机幅度数据对太阳耀斑事件的响应量。甚低频接收机前端硬件上的设计和测试以及数据处理方法验证和统计分析结果表明前端硬件、数据和算法的可靠性和实用性。

关键词： 转运   辅助如厕   方案设计   优化设计   硬件设计  

摘要： 由于人口老龄化、自然灾害以及其他原因,致使部分人群移动能力受损,大部分时间只能卧床,而一些必要的行动则需要医护人员及医疗器械来辅助完成。本文对这些患者的需求和现有的医疗器械进行了调查和分析,发现现有器械在解决患者的转运和如厕等需求上还存在一些问题。因此,本文致力于设计一款能够协助卧床患者转移、出行并且能够较好地满足患者如厕等基本生活需求的转运装置。首先,明确了研究的目标及问题,提出了设计过程中应该遵守的设计理念,并对相关数据及标准做了进一步的调研,根据要达到的目标确定了转运装置应具备的功能,根据功能进行了原理方案的制定和选择,确定了转运垫和转运车两大主体,并根据原理方案进行了机械结构设计和部分尺寸的确定。其次,根据相关标准对部分结构的尺寸限定了范围,针对转运车的折叠机构进行了运动分析,确定了各杆长之间的几何关系,通过Matlab软件的计算分析对折叠机构的各杆件尺寸进行了优选,再通过对不同杆长下的受力进行了计算和分析,最终优选出了推杆的行程及各杆件的长度,并用SolidWorks软件进行了仿真验证。再次,对如厕机构进行了位置及受力分析,确定了输入端的动力大小,针对转运垫的中部托架、转运车的上部托板和下部托板的关键位置进行了有限元分析,对关键部位的强度和变形进行了分析,验证了设计的可行性和安全性。最后,对转运装置的控制系统进行了设计,制订了控制系统的总体框架,选择了控制系统相关的硬件,并对驱动电机和同步带等进行了计算及选型,根据实际工作过程设计了不同功能的控制流程。

关键词： 数字式控制器   硬件电路   设计  

摘要： 随着科学技术的发展,我国的数字化控制器有了很大进展,本文主要结合从数字式控制器总体功能结构进行分析,探究其元器件的电路设计.在POS设计中采用数字信号的转换,能够给数字式控制器元件带来更加完善的数字信息.该种数字式控制器硬件已经在国内得到初步应用,以下主要结合POS机应用中出现的问题对数字式控制器硬件电路设计问题进行简单探析,希望能够给以后的提供一些帮助.

关键词： 智能家居设备   故障检测诊断系统   硬件设计   软件开发  

摘要： 智能家居通过物联网技术将各种智能设备连接到一起，为用户提供多种家居服务，是物联网重要的应用场景之一。与传统家居设备相比，新型智能家居设备增加了数据联网、远程控制、多设备联动等功能。但由于软硬件复杂、容易受外部环境影响、设备之间需要服务协作等原因，智能家居设备容易发生软硬件异常等故障。对智能家居设备进行检测诊断的难点主要包括:智能家居设备具有多样性，如果根据每个智能设备的物理运行机制进行精确的数学建模，需要消耗大量的人力成本，且不具备通用性;智能设备之间存在联动关系，单个设备的故障可能导致多设备联动故障。　　面对以上智能家居场景的设备故障检测诊断难点，本文的主要贡献如下:　　(1)针对智能家居平台和智能家居设备各自的特点及相互关系，提出一种基于数据驱动的状态自动机建模方法。通过该方法，可以同时对多种智能家居设备建立状态自动机模型，刻画其运行状态变化，用状态节点表示设备运行阶段，用状态迁移来表达设备操作、设备间服务调用等事件，进而描述设备的运行过程;(2)基于建立的状态自动机模型，设计并实现针对三种异常故障类型的检测算法和基于状态自动机回溯的诊断方法，在发生异常故障时通过回溯状态自动机模型，获取可能导致故障的原因。　　综上，本文设计并实现了一套面向智能家居场景的故障检测诊断系统。通过在系统中接入虚拟仿真设备和真实智能设备，并在设备运行过程中注入异常数据，设计状态自动机建模和异常检测实验。实验结果表明，本文提出的状态自动机建模方式可以有效地描述设备的运行过程;基于状态自动机模型的异常检测方法相比传统算法在准确度和时效性上都有所提升。

关键词： 多载波   多制式   信号模拟   硬件设计  

摘要： 随着现代电子技术的快速发展,越来越多的军用或民用无线电设备得到了广泛的应用,这些由不同时刻、不同制式的信号互相叠加并且相互影响,将产生极为复杂的电磁背景,目前对电子侦查装备的测试主要通过实际装备发射的信号或通用信号源进行测试,随着对复杂信号模拟的研究也越来越成熟,国内针对电子侦查装备的信号模拟的研究也提出了很多新的方案,多载波、多制式、应用方便灵活的复杂信号模拟器还有较大的研究空间。针对目前国内提出的复杂信号模拟器的不足,本文提出了一种新的复杂模拟器结构,采用CPU板加基于FPGA的信号发生板和上变频器的结构,CPU为独立的控制及信号处理卡,信号产生板为自主设计和调试,支持CPU进行波形产生并通过PCIe总线下传仿真波形或通过信号采集设备采集的真实波形数据。通过CPU升级能够进行更加复杂的计算。本文确定了复杂信号模拟器的整体设计方案,模拟器具有人机接口,用户可通过软件界面设置发射信号的数量、功率、带宽、调制方式等信息,并且可以指定调制信息的内容。模拟器通过这些参数产生指定的数字信号,并将数字信号转换为中频模拟信号,固态发射机将中频模拟信号调制到指定频段。信号发生板的设计和开发是整个开发设计过程中最基础同时也是最重要的一部分,主要的硬件设计内容为基于FPGA的信号产生板卡的硬件设计,本文从需求出发,主要讨论了电源设计、锁相环设计、PCIe接口设计、DAC设计等内容。信号模拟的主要算法是在FPGA中实现的,FPGA的资源容量和算法的复杂度决定了信号模拟的输出技术指标和发射载波数量。复杂信号模拟器应用于战争中的电子侦察装备和设施,通信等设备的作战效能评估,输出信号种类包括卫星通讯信号、数据链、短波通讯等多种通信格式,因此在复杂电磁环境模拟的应用中主要模拟以下几种信号AM/FM信号、BPSK/QPSK/8PSK/OQPSK/16QAM等信号、数据链信号。文中详细描述了FPGA内信号模拟算法的具体实现方法,评估了算法在FPGA内的资源占用情况。本文设计的复杂信号模拟器最多能够输出20个载波,可以使用计算机软件对输出载波进行控制,每个信号都能提供中心频率、播放时间长度、调制方式、输出信号幅度等信息。

关键词： 电模拟器   ARM   FPGA   硬件开发  

摘要： 声纳电模拟器是声纳系统研发生产过程中不可或缺的一部分。它在声纳系统整机测试和性能分析中起到了重要作用,是声纳系统中的关键测试设备。本论文所要研究的主要内容是设计一种可以满足多种声纳系统的调试需求的电模拟器硬件平台。在本论文中,通过对系统设计需求的分析,给出了系统设计的总体思想:本文电模拟器硬件平台充分利用基于ARM处理器的嵌入式Linux系统优秀的文件管理能力和功能扩展能力以及FPGA在逻辑开发和并行数据处理方面的优势实现多通道、实时、波形多样化的声纳信号电模拟器。依靠上位机与嵌入式Linux系统间的网络通信实现电模拟器硬件平台的指令控制和数据传输,通过ARM处理器与FPGA之间的并行传输接口实现存储数据的快速读取。并采用模块化的信号通道设计理念,根据实际情况较为方便快捷的增减信号通道数,提高整个系统的通用性和扩展性。本文建立了以核心控制单元、网络通信接口、外部存储器、数据传输接口、数据数模转换单元、信号调理单元、电源管理单元为主体的电模拟器硬件平台。设计了以网络通信模块、信号生成模块、数据传输模块、数据发送模块为主体的电模拟器软件体系。通过网口进行上位机的指令控制、参数设定和数据传输,基于ARM处理器上的嵌入式Linux系统完成信号的生成工作,并通过EMIFA接口与FPGA之间进行数据传输;基于Verilog语言编写D/A接口的逻辑时序,完成电模拟器信号数据的缓存及发送。建立信号同步机制用于多种声纳系统调试阶段的信号同步需求。本论文对电模拟器硬件平台的功能进行了检测,与某矢量阵主动探测系统及某被动探测系统进行了电联调试验,通过联调试验中定位系统对于接收到的声纳电模拟器生成的目标轨迹的结算结果验证了该声纳电模拟器的可行性和可靠性,证实本文中的声纳电模拟器硬件系统达到了预期要求。

关键词： TCAS测试设备   零中频   C/S模式   动态入侵目标   信号模拟  

摘要： 随着航空业的发展,空中交通日益繁忙,空中交通警戒与防撞系统(TCAS)作为在拥挤的空中交通中降低撞击风险的机载电子系统,在保障飞行安全中发挥着不可替代的作用,为保证该系统稳定可靠的运行,对它的检查测试就显得十分重要。本文所设计的TCAS信号模拟设备是对TCAS系统的关键组成单元——TCAS收发主机进行测试,它可以模拟产生静态及动态入侵目标,测试TCAS收发主机对入侵目标的监视及跟踪能力,本文从技术原理到硬件实现介绍了TCAS信号模拟设备的设计过程。本文的主要研究内容如下:1、从TCAS信号模拟设备指标需求入手,通过分析被测设备对入侵目标的监视及跟踪原理,提出了采用软件无线电技术中零中频架构的技术路线,并给出此架构下通用解调模型及DPSK的解调思路。其从基带到射频信号的变换只需要一次混频,极大简化了硬件设计的复杂度,更好的控制了设备的尺寸,易于集成。接着对本设备需要模拟的关键信息进行分析,提出实现方法,设计了目标入侵模型。2、根据零中频架构进行硬件电路设计,制定了采用单片集成的可编程射频收发器LMS7002M加FPGA的硬件实现方案,此方案射频收发配置选择更加灵活,基带处理功能更加丰富。采用PCI桥接芯片结合FPGA进行PXI接口部分设计,并分析设备相关需求,完成了存储、电源、时钟部分的电路设计。3、在FPGA内部完成了相关逻辑实现。对询问信号的两路正交数据流进行脉冲特征识别,解析询问信号模式。完成采用点积算法的DPSK解调,得到S模式询问信号码元。设计了目标参数提取及动态更新逻辑,其中使用优化的查表法完成反余弦计算,使其满足占用空间及更新速度的要求。应答数据处理实现将应答数据的方位角信息转换为各个方向衰减码,高度及其他信息根据不同模式进行编码并以此产生基带IQ数据流,在延迟时间达到后输出到LMS7002M进行应答。通过搭建平台进行测试,验证了本论文设计方法的可行性。完成的TCAS信号模拟设备具有良好的性能指标,能够实现对1030MHz询问信号的解析,静态及动态入侵目标更新模拟,生成相应1090MHz应答信号的功能,达到了设计要求。最后对全文的设计进行总结,给出设计存在的不足,提出了基于PXI的TCAS信号模拟设备未来的展望。