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关键词： LabVIEW   转向架构架   静应力测试   数据采集   硬件设计   软件设计  

摘要： 随着国内城市轨道交通的高速发展和客流量的增加,导致车辆运行强度增加,维护时间减少,这给城市轨道交通车辆维修工作提出了更高的要求。转向架是轨道运维车辆的核心部件,转向架构架是转向架的重要组成部分,是转向架受力的主要承载体。转向架构架的疲劳状态评估对于转向架出厂及服役期间的检测具有重要意义。为了解决转向架构架疲劳状态评估过程中应力应变数据的采集与处理,本论文对轨道运维车辆转向架构架静应力测试系统进行了研究,主要研究内容如下:(1)根据静应力测试系统设计指标确定了转向架构架检测方案,并从机械系统、液压系统及数据采集与处理系统三个方面介绍了静应力测试系统的总体设计方案。(2)搭建了数据采集与处理系统硬件平台,并从数据采集单元与数据处理单元两个方面阐述了系统硬件平台的构成。(3)完成了静应力测试系统基于LabVIEW的软件设计,根据任务需求对系统进行了模块划分,研究了通过LabVIEW设计系统采集卡驱动模块、数据采集存储模块的方法及实现策略。并对设计程序进行了验证。(4)完成了采集数据处理模块的软件设计,研究了在LabVIEW的编程环境下对采集数据进行滤波处理与拟合处理的方法,并对该模块功能进行了测试。

关键词： 电梯   PLC   控制系统   硬件设计  

摘要： PLC凭借维修方便、可靠性高及简单易懂等优点,使其在电梯的控制系统中实际应用较为广泛.为了能够进一步了解在电梯的控制系统中型号为S7—00PLC的西门子的实践应用,本研究结合电梯运行原理及控制方式,对电梯控制系统的构建与实践进行分析.

关键词： 微纳米纤维   静电纺丝   熔体近场直写系统   硬件设计   软件开发  

摘要： 静电纺丝是一种高效制备微纳米纤维的技术手段，而近场直写技术是高效率制备有序超细纤维的方法之一。在组织工程，微机电系统等领域，静电纺丝近场直写技术由于可以在微纳尺度上将超细纤维以预定的轨迹沉积而被广大研究者所开发和改进。熔体近场直写技术具有独特的优势，其纤维的沉积过程相对于溶液直写技术的可控性更高，无有机溶剂的加入，且制备的纤维直径一般为微米级，强度相对较高，再结合生物材料的直写，可以制备出用于细胞培养的组织工程支架。熔体电纺直写系统的开发至关重要，是研究优化电纺直写工艺和实现产业化应用的硬件设施。另外，熔体直写工艺的优化也是将静电纺丝技术引入三维微纳制造领域的研究重点。本文将针对熔体近场直写工艺的特点，开发一套完整的多喷头直写装备，再对熔体直写的工艺进行深入的研究。　　多喷头的直写系统的硬件开发包括五轴龙门架式运动平台的设计，其中涉及三组喷头的高度调节和二维运动平台的精密控制，对垂直和水平线性模组进行选型;设计带针头位置初始化功能的收集装置;设计纺丝腔内环境的控制方案;再对直流高压发生器和摄像头等器件进行选型。然后对系统的电气控制逻辑做简要概述，包括主电源电路和控制电路的设计。最后是设计直写系统的控制软件，包括人机交互界面，轨迹规划和自定义轨迹文件的导入和解析。软件与硬件的配套开发组成一套完整的直写系统。　　针对熔体直写装置中的关键模块是喷头，喷头的设计包括加热方式的设计，隔热与导热材料的选用和结构设计。在此基础上对喷头的热交换过程进行分析，确定合理的加热方案。然后采用PID控制算法实现喷头的稳定控温。利用Comsol Multiphysics仿真软件，对喷头与收集平板之间的电场分布进行仿真分析，以验证喷头结构的合理性。　　完成直写系统的开发之后，首先对熔体近场直写工艺进行探究，其中包括对射流形成和运动机理的分析，观察射流的形态和定点沉积过程。再通过控制工艺条件中的熔体加热温度、纺丝温度、推进压力，以探究工艺对射流形态和纤维沉积形貌的影响规律。再以实现直线型纤维沉积为目的，探究不同的平台移动速度对纤维直径的影响，以及加速阶段和减速阶段纤维直径的变化规律。　　对于图案化沉积，从平行栅线和正交栅线的沉积精度分析开始，分析其造成栅距误差的原因，从纤维在方波拐弯处的沉积机理分析，通过优化直写工艺参数提高小栅距的正交栅线沉积精度。在此基础上实现圆与三角形的沉积，再从“纤维墙”成型开始，把图案化沉积拓扑至三维，研究网格状纤维支架的拉伸性能。最后初步实现复合材料的直写纤维支架制备。

关键词： 加速器   事件定时系统   硬件设计   性能测试  

摘要： 定时系统是大型粒子加速器的重要子系统，能够为加速器提供触发脉冲和时钟信息，使加速器各个设备按照一定的时序有序运行。北京正负电子对撞机重大改造工程BEPC-Ⅱ，基于事件定时商业产品构建了定时系统，运行一直平稳良好。但商业定时产品也存在一些不足，例如不能产生BEPC-Ⅱ所需要的回旋频率499.8MHz/402等。　　为了更加深入地掌握事件定时的概念和原理，同时改进商业定时产品的一些不足，更为了能自如设计实现新建加速器如高能光源(HEPS)的定时系统功能，笔者从设计PCB板卡入手，研究了实现加速器事件定时系统的硬件技术，实现了加速器所需要的基本定时功能。主要工作有:设计了两版PCB，优化了芯片供电设计、PCB板层划分和电容器布局等，最终性能与BEPC-Ⅱ所用商业产品相当;深入掌握了FPGA串行收发器的各项性能特点，利用Xilinx FPGA串行收发器的特有性能，采用“重启法”实现了事件定时系统的同步层;实现了多种时钟、脉冲触发等一般功能;基于BEPC-Ⅱ定时系统软件，研制了自研板卡的实时控制软件。　　此外，针对粒子加速器的一些需求，实现了BEPC-Ⅱ所用商业产品没有的功能:通过FPGA设置可以同时产生多个重复频率，而不必依赖高性能的实时操作系统;利用多种方法产生了BEPC-Ⅱ所需的回旋频率499.8MHz/402，亦可实现对参考时钟499.8MHz的任意整数分频;能够实现对输出脉冲的精细延迟，步长5皮秒。　　经过实验室对比测试，笔者设计的定时板卡的时间抖动与BEPC-Ⅱ所用商业产品相当。笔者设计的板卡的精细延时功能和BEPC-Ⅱ回旋频率时钟，在BEPC-Ⅱ的十号实验厅和十五号实验厅开展的实验中得到了应用，证明了自研板卡与商业板卡的兼容性;也证明了板卡可以在线使用。

关键词： 汽车轻度混合动力系统   直流/直流变换器   硬件设计   热管理  

摘要： 为了有效缓解能源短缺和环境污染的压力，我国法规要求到2020年乘用车平均燃料消耗量降至5.0升/百公里以下，促使48V轻度混合动力系统成为汽车行业研究热点之一。48V双向DC/DC变换器是48V轻度混合动力系统中负责在12V系统和48V系统之间转移能量的重要零部件。随着双向DC/DC变换器输出功率的增加，传统双向Buck/Boost变换器存在主要元器件实际可选范围小的问题。为了满足某整车企业对48V双向DC/DC变换器提出的功能需求及设计指标，根据多相交错并联双向Buck/Boost变换器工作原理及主要元器件实际市场情况，本文设计开发了一款48V八相交错并联双向DC/DC变换器。　　本文首先根据多相交错并联双向Buck/Boost变换器工作原理及主要设计指标，对储能电感、功率开关器件和输入输出滤波电容等元器件进行了参数设计。然后按照V模式的开发流程设计开发了一款八相交错并联双向Buck/Boost变换器的硬件原理图及印制电路板（PCB），并采用PLECS软件对输出额定功率的降压模式进行了仿真，仿真结果验证了硬件设计的正确性及闭环控制的可行性。最后分析了工作环境温度为70℃且降压模式输出额定功率时功率元器件的功率损耗情况，根据双向DC/DC变换器理论发热量和实际尺寸限制情况选择了强制风冷作为散热方式，并采用ICEPAK软件对双向DC/DC变换器进行了前期热仿真研究，为发热元器件找到了合适的散热路径，有效降低了单个发热元器件热损坏的可能性，进而提高产品可靠性。　　本文通过测试降压模式输出额定功率时输出纹波电压峰峰值，验证了双向DC/DC变换器硬件主要元器件参数选择及设计的正确性。当双向DC/DC变换器降压模式输出额定功率时，工作效率及主要元器件温度测试结果与理论分析数据比较接近，验证了主要功率元器件功率损耗理论分析及温度仿真的有效性和准确性。本文的设计研究成果能够满足整车企业对48V双向DC/DC变换器提出的功能需求及设计指标，具有一定的实际应用价值。

关键词： 电火花线切割   运动控制   CPLD   步进电机   掉电保护  

摘要： 电火花线切割(Wire Electrical Discharge Machining,WEDM)机床具有机械结构简单,制造成本低,工艺性好等优点,在实际工程中已经获得了较为广泛的应用。但由于我国在电火花线切割数控系统方面的研究仍处于落后地位,国内的电火线切割机床存在智能化、自动化程度较低,灵活性不足等问题,严重阻碍了电火花线切割机床在应用范围、功能扩展和加工精度上的进一步发展。运动控制系统是WEDM数控机床的核心部分,直接影响到数控系统的性能、机床加工精度及加工效率,因此,研究适合于我国电火花线切割机床的运动控制系统具有重要的现实意义。本文针对基于Windows系统下“PC机+运动控制板”模式的运动控制系统做了如下几个方面的工作:(1)对电火花线切割加工进行了工艺试验研究,初步研究了各参数对电火花线切割加工薄壁件翘曲变形的影响情况,为制定运动控制系统方案打下了试验基础。(2)分析电火花线切割机床运动控制系统的研究现状,制定了运动控制系统整体方案,规划了硬件电路工作平台。(3)根据运动控制系统整体方案,设计了运动控制卡的电路原理图,并制作出PCB板卡。其中包括电源电路、CPLD配置电路(时钟电路、JTAG电路等)、阈值电压控制电路、输入输出接口电路和掉电保护电路等。(4)运动控制系统通过串口进行上、下位机通信,对CPLD进行程序编写并烧录到CPLD控制器中,将CPLD输出的脉冲信号下发至驱动器,进而控制步进电机,实现了对步进电机运转方向、转速和运转步距的控制。(5)根据运动控制系统方案,设计了一种掉电保护功能电路。通过程序仿真和硬件测试验证,此方案可以正确、稳定地将CPLD与RAM之间的数据进行存储和读取,实现了掉电保护。本课题为提高电火花线切割机床运动控制系统的开发性和灵活性,制定了较完善的运动控制方案,并对相应的模块进行了电路设计和程序开发。试验证明该方案工程实用价值较高,很大程度上促进了国内电火花线切割机床数控系统研究的进程。

关键词： 控制系统   Dalin算法   硬件电路设计  

摘要： 本文研究并设计了一个由运算放大电路实现的89C51单片机、ADC、DAC等控制对象组成的计算机单闭环反馈控制系统.使用Dalin控制算法,在硬件电路设计中将89 C51最小系统添加到模拟电路(使用ADC0809等)和模拟电路(使用TLC7528和运算放大器等), 由运放实现对象控制.

关键词： 无人机探测雷达   雷达信号处理   信号处理系统   硬件设计  

摘要： 近年来,由于无人机违规飞行导致的安全事故频发,对无人机实施有效监控成为了亟待解决的问题。雷达因其全天时全天候、覆盖范围广、作用距离远、探测精度高等优点,成为了对无人机进行探测的首要选择。本文根据雷达信号处理系统的设计指标,开展了算法流程和硬件方案设计以及硬件设计等工作,工作内容主要有以下三个方面:(1)根据系统设计指标,设计了包含数字下变频、脉冲压缩、动目标检测、恒虚警检测等完整的算法流程;结合系统需求设计了硬件方案,并对直接数字频率合成器、模数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)、可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)等核心器件进行选型。(2)根据功能将系统硬件划分为发射信号产生模块、ADC采样模块、存储模块、控制与通信模块、FPGA模块、时钟管理模块、电源管理模块等7个模块,开展了原理图设计和印制电路板(Printed Circuit Board,PCB)设计。(3)搭建调试环境进行系统调试,验证了系统硬件工作正常、算法流程可行。在系统调试完成后进行了雷达整机调试,测试结果表明,无人机探测雷达工作性能良好,满足系统设计指标要求。针对低空、慢速、小型无人机的特点,本文雷达采用了窄波束和速度高分辨技术来改善对无人机目标的探测能力。在硬件方面,系统采用四倍数据传输率静态随机存储器(Quad Data Rate SRAM,QDR SRAM)来进行数据存储,能够在获得最大内存带宽的同时,简化系统设计;时钟管理模块采用锁相环的零延迟模式来产生系统时钟,输入时钟与输出时钟具有固定相位,提高了系统时序稳定性。

关键词： 高频地波超视距雷达   数字下变频   脉冲压缩   匹配滤波   FPGA  

摘要： 高频无线电可以与海洋表面相互作用,产生Bragg绕射现象,基于这一特点,高频地波雷达不仅可以实现海洋表面动力学状态监测,同时在军事上也具有作用距离远、抗低空突防和反隐身的优势。但传统的单一波形体制高频地波雷达难以实现远近距离以及快慢速目标的同时探测,无法充分发挥高频地波雷达的优势。基于这一现状,本文主要探讨一种多通道双频新体制高频地波雷达接收机硬件平台的设计研制,该雷达接收机可同时实现基于多普勒谱分多址(Doppler Division Multiple Access,DDMA)的线性调频波(Linear Frequency Modulate,LFM)和线性调频中断连续波(Frequency Modulated Continuous Interrupted Wave,FMICW)两种波形体制信号的发射和多通道回波信号接收,既能实时探测远距离高速移动目标,又兼顾近距离低速目标探测和海洋状态监测。主要研究工作包含以下几个方面:(1)确定系统波形设计和回波解调方案。DDMA-LFM波形用来实现远距离处高速移动目标的实时探测,对应回波信号解调方案为基于匹配滤波的脉冲压缩法;DDMA-FMICW波形用来探测近距离处低速目标,对应回波信号解调方案为去斜率法。并根据雷达系统探测指标分别确定两种波形体制的主要波形参数。(2)基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)完成两种波形体制的信号合成模块以及回波信号解调模块。按照系统回波解调设计方案,对于DDMA-FMICW回波信号,采用正交混频以及数字下变频以得到目标距离信息;而对于DDMA-LFM回波信号,需要通过正交混频、数字下变频以及匹配滤波来得到回波距离信息。其中综合考虑资源、性能以及实现难易度等,对数字下变频模块和匹配滤波模块方案的设计与实现作详细介绍。(3)模拟实际回波,将加入固定延时后的两种体制数字发射信号直接输入到回波信号解调模块以实现FPGA内部闭环Modelsim功能仿真,从而验证FPGA内各模块硬件设计方案的可行性。在此基础上完成板级闭环仿真,测量并评估发射信号质量,接收机模拟前端性能。测试结果表明,该雷达接收机可以实现8通道双体制回波信号的解调,并得到其中的目标距离信息,进一步验证了系统设计方案的正确性。

关键词： 4G模块   灵敏度   高低温  

摘要： 随着移动通讯技术的发展,2G、3G通信已无法满足人们对于影音娱乐、数据通讯方面的需求,LTE作为第4代移动通讯标准（4G）网络,一经出现便获得了快速的普及。目前有很多国内厂家都在对4G模块的开发及应用进行大量的投入。应国内运营商要求,4G模块需要向下兼容3G与2G网络。此外,由于4G模块通常被集成在车载、手持、穿戴、电力、安防等领域的设备上,有时还需要支持GNSS系统。4G模块的硬件设计涉及到电路设计、EMC设计、高低温性能等方面的问题。如何设计一个高性能、高可靠性的4G模块硬件设计是本文的主要研究方向。本文基于高通芯片平台,完成了一款国内全网通4G模块的硬件设计,主要研究工作及其成果如下:1、定位并解决了 4G模块灵敏度异常的问题。4G模块的灵敏度指的是模块可正常解调接收信号时,天线端口处的最小输入功率,它是接收机的最重要的性能指标,它决定了移动通讯网络的覆盖范围。在系统调试中,我们遇到了两种灵敏度异常情况:第一,模块在开启CODEC的工作时钟（MCLK）时,部分LTE频段灵敏度下降;第二,当WIFI工作时,相邻LTE频段受到严重干扰,难以进行正常通信,甚至掉网。为解决上述问题,我们设计了干扰抑制电路和方案,利用高通RSSI测试软件（Noise Profiling Tool）以及灵敏度测试设备（R＆SCMW500）对模块进行调试测试,定位干扰源。为抑制MCLK的高频干扰,我们在MCLK输出管脚附近增加了低通滤波器,同时修改MCLK的走线,以避免信号的串扰。针对WIFI与LTE互相干扰问题,我们通过增加FRAR滤波器、增加天线隔离度、以及设置LTE与WIFI同时工作时的屏蔽频带,以确保LTE与WIFI可以同时正常工作。2、解决了4G模块在高、低温条件下,部分性能指标不达标的可靠性问题。（1）在高、低温环境下,GNSS冷启动定位慢,甚至不能定位;（2）在低温环境下,模块待机后概率性无法唤醒;（3）在高、低温环境下最大功率差别大,不能满足3GPP要求。为解决上述问题,我们改善了对晶体高低温频偏的校正方案,使晶体频偏在工作温度范围内降低至2ppm以内;通过分析与抓取log发现了低温环境下,待机模式下晶体温度采样电路的异常,并更换了合适的器件;功率放大电路中,闭环控制存在局限性,我们增加梯度式温度补偿方案确保输出功率的稳定。3、本文创新地提出GNSS L1复用LTE通信系统射频接口的方案,从而节约了射频线束及其连接器的成本。GNSS通常设计为单独使用一根同轴线以及天线接口,这样可以确保GNSS不受其它系统的干扰。但GNSS L1系统使用的频带很窄,浪费了线路上的其他频带资源。由于4G系统与GNSS L1频段并不重叠,本文分析了GNSS L1复用其它通信系统射频接口方案的可能性。其中GNSS L1复用LTE分集天线的方案已经应用于一些项目。综上所述,本文工作是基于高通MDM9615平台,成功完成了4G移动通信模块硬件设计,研究的重点在于射频通讯部分的设计与调试。文中提出了硬件设计方案、调试方法、测试方案以及一些关键技术故障的解决方案。论文所完成的4G模块已经进入量产,成为多个M2M设计解决方案中的核心模组,并可以作为下一代通信模块设计的很好借鉴。