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关键词： MIG/MAG焊接跟踪   电弧跟踪   控制系统   DSP   FPGA   多层焊接  

摘要： 在焊接的实际操作过程中,经常会遇到工件加工尺寸误差以及夹具装夹精度较低等问题,加上工件焊接中存在热变形等影响因素,往往导致产生焊炬偏离焊道的情况,严重影响焊接质量。在自动化焊接过程中,常采用电弧跟踪的方法进行焊炬位置的纠正。因此,开展有关在电弧识别基础上的焊接跟踪方法方面的研究,在现代化焊接制造领域意义十分重大。本文设计的电弧跟踪控制系统,主要应用于MIG/MAG焊接过程中V型坡口焊缝的自动焊接控制。系统采用PLC作为上位机主控制器,通过工业触摸屏实现人机交互功能。采用DSP+FPGA的硬件结构,实现电弧的跟踪控制功能,其中:DSP负责数据的采集和处理,信息交互、跟踪、决策和判断等功能;FPGA负责控制电机,并对焊枪的位置信息进行实时监测。在电弧识别跟踪部分,利用AD模块,直接采集焊接过程中焊炬的电弧数据,并通过巴特沃斯滤波器进行数据处理,对焊接电弧的特性进行识别,再通过与焊缝位置的对比计算,得到焊缝水平和垂直方向的位置偏差,并控制电机对焊炬位置进行实时调整,最终实现焊接跟踪的功能。最后,进行了焊接实验分析,结果表明:采用DSP+FPGA的硬件结构,能够实现高速AD采样功能及大量数据的实时滤波分析处理功能;巴特沃斯滤波算法可以有效的消除电弧采集数据的干扰,获得明显的电弧波形。现场实际焊接验证结果表明:在MIG/MAG焊接应用中,对工件存在的水平及垂直方向的焊缝位置偏差,本系统能有效的进行跟踪,跟踪精度均能达到2mm以内;焊接成形效果较好,满足了预期设计需求,可以在很大程度上提高焊接生产效率和工艺质量。

关键词： STC89C52   太阳能充电   单片机开发板   太阳能薄膜电池   GPS   显示模块   单片机   初始化程序   硬件设计   太阳能电池组   移动电源  

摘要： 随着人们对电子产品的依赖性逐渐增加,大街上举着太阳伞低着头在烈日下使用电子产品的人随处可见,占满的双手已经不能再携带笨重的移动电源了。基于上述问题,文章设计了一种以太阳能薄膜电池为能量转化装置、STC89C52单片机为控制模块,含gps定位的多功能太阳能伞。试验表明,基于STC89C52可定位太阳能充电伞达到了预期的设计效果,为多功能伞具在国内市场研发与拓展提供了一定的参考意义。

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： 人体动作识别   三维卷积神经网络   二值化   轻量化   硬件加速器   卷积运算加速  

摘要： 如今深度学习技术发展得如火如荼,在诸多领域都得到广泛应用,特别是在人体动作识别领域。当前三维卷积神经网络(3D CNN)算法是用于解决人体动作识别问题的主流深度学习算法,并且已经取得了很好的成果,但在其大规模推广应用上还存在诸多难题。其中最大的难题在于,三维卷积神经网络的计算密集型特点使得难以直接在终端设备上对其进行有效部署。本文的研究目标就是克服这一难题,从算法研究和硬件加速器设计两个层面协同对三维卷积神经网络进行研究。本文的算法研究从降低三维卷积神经网络的数据位宽和减少三维卷积神经网络的计算量两个角度出发,在前人的网络二值化方法的基础上改进得到了一种对硬件设计友好的二值化方法,并对二维卷积神经网络中的轻量化设计方法进行了研究,综合使用这两种方法对三维卷积神经网络进行了优化设计,得到了极简的轻量级二值三维卷积神经网络,其在瑞典皇家理工学院提出的KTH人体行为数据集上取得了89.2%的识别正确率。本文还进一步对轻量级二值三维卷积神经网络进行了专用硬件加速器的设计,在其中给出了一种卷积运算加速方法和一种特征图在片上缓存的存储模式,两者结合使用降低了加速器对片外存储带宽的要求和减少了对片上存储资源的消耗,最终在FPGA上实现的加速器对视频帧的处理速度达到了380FPS,计算能效达到了64.37GOP/s/W。本文设计的三维卷积神经网络加速器在资源数量较少的FPGA平台上也能取得较高的处理帧率和计算能效,完全满足实时识别应用的要求,可以在终端设备上使用本文加速器构建出有实际应用价值的人体动作识别系统。

关键词： 电子产品   硬件设计  

摘要： 随着中国经济的迅速发展和信息社会的不断发展,电子工业的发展特别快,市场竞争愈加激烈.电子设备的设计和开发及其推广过程中,要求每一种电子产品,无论其质量和价格,都应该满足和适应市场的需要.随着时间的推移,中国的电子市场已经成熟,发展有了新的方向,在日常生活中的应用范围也在不断扩大.如何满足客户的需求设计和充分实现电子产品的潜力是文章的主要研究内容.

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： 动态心电监测系统   卷积神经网络   硬件设计   软件开发  

摘要： 随着现代人们生活压力的不断增大和社会老龄人口比例的不断增长，心血管疾病已经严重威胁到了人们的健康生活，并对社会医疗造成了巨大的压力。随着科技水平的发展和人们生活意识的改善，人们对于心血管疾病的关注点由治疗逐渐开始转向预防。监测人体日常生活中的心脏健康状况，对于心血管疾病的提前发现和诊断，具有深远的意义。心电图是监测人体心脏健康各种方式中最为简便的手段，也是非常适合于日常心脏健康监测的方式。在动态心电监测领域，市场上存在了许多适配的可穿戴设备，以方便人们在日常生活中佩戴。但是这些设备或多或少存在着一些不利于其在社会上推广的缺陷，如医用价值过低、设备体积过大、用户体验很差等。本论文的研究目标就是从硬件平台设计和软件算法优化两个方面克服这些已有问题，研发出一种具有优秀用户体验且保证足够医用价值的动态心电监测系统。　　本论文研究的动态心电监测系统主要包含两个内容:一方面是在硬件方面实现基于织物电极的动态心电监测系统的硬件设计和搭建，另一方面是针对于本论文研究的动态心电监测系统的硬件平台做出相应的算法优化。　　在硬件平台设计上，考虑到Ag/AgCl湿电极给用户带来的极大不适感，选用了织物电极作为传感器，然后将导联线和电极均编织在衣物上。由于织物电极会与皮肤在人运动的时候会产生一定的滑动，而标准十二导联中胸部六个电极点的位置相对比较密集，与本文研究动态心电监测系统并不适配。本文选用了可以衍生标准十二导联的EASI导联体系，EASI导联方式只需要五个电极和三个通道的数据，一方面减少了电极的数目和导联线的数目，另一方面减少了数据存储和传输的压力。本文在设计硬件平台时，尽可能控制硬件平台的尺寸，最后尺寸设计为80mm*40mm。同时心电衣也通过了透气性能、静电性能等衣物测试，实现了很好的衣物性能。　　在算法优化方面，实现了心电压缩算法和心电衍生算法。心电压缩算法通过压缩心电数据，减轻移动端存储、传输的压力。为了满足在移动端压缩算法中对于计算量的要求，采用了基于压缩感知的心电压缩算法，大大减少了在压缩端的计算量，压缩比固定为3.9。在心电衍生算法方面也实现了较大的优化，提出了利用卷积神经网络解决由于心电信号多源致使衍生效果不佳的问题。心脏病专家们熟悉于标准十二导联心电图，对于采集到的心电信号如果展示为标准十二导联心电图，对于心脏病专家更为友好。而传统方法是通过固定系数实现衍生转换，在实验假设层面上主动忽略掉了信号的多源性问题，因此衍生效果并不理想。因此本文选用了卷积神经网络方法来处理多源性问题，并取得了优于传统方法的结果。

关键词： 电子驻车制动器   控制策略   软件设计   硬件设计   执行机构  

摘要： 汽车的普及带动了人们对安全驾驶的关注,也成为民众热议的话题,汽车不仅仅是代步工具,人们开始追求更高层次的舒适感、安全感,对汽车的要求也开始倾向于经济、安全和可操纵,而实现这一要求中,最重要的技术之一就是电子驻车制动技术。电子驻车制动技术的优点是反映时间短,便捷灵敏,环保节能,且框架简单,原因在于其采用了电子信息系统,舍弃了原有的机械液压技术。高安全性和高时速性成为现代车辆的主要追求目标,而行驶速度的提高让人们对汽车的安全性有了较高的要求。汽车的制动构成主要有两方面,一是行车制动——“脚刹”,它是汽车在行驶过程中,为了减速而设计的制动系统;二是驻车制动——“手刹”,是汽车在停止时,为了防止汽车溜车而设计的制动系统,两者之间相互联系,行车制动也会有驻车制动的参与,从而保证汽车驾驶的安全。本文在分析国内外关于汽车电子驻车制动器的研究成果的基础上,分别介绍了传统驻车制动器的结构及原理、电子驻车制动器的结构及原理,并将二者作了对比分析。基于该分析,本文首先对电子驻车制动器的控制策略进行了设计,具体包含了确定控制策略的总体设计要求、总体设计方案;硬件结构结构方面,包含处理器选择、电源模块设计、储存器选择;软件设计方面,包含了应用层软件、主程序设计、控制算法程序设计、电子驻车制动按键信号处理程序;并涉及到了CAN总线设计,阐述了智能驻车控制策略,信号采集编方案设计以及进行了控制系统性能试验。其次,对电子驻车制动器执行机构进行了设计,具体阐述了执行机构的特点要求、电机选择、运动转换机构设计、精度及额定动载荷的确定以及制动卡钳设计等,并详细阐述了线控底盘集成技术。最后进行了试验验证,搭建了试验台,进行了控制硬件机构与机械机构装配验证,并进行了应用测试,测试结果表明:设计的电子驻车制动器中,相关软硬件以及其他模块的设计符合标准,通过了相关测试。本课题主要针对电子驻车制动器进行研究,涵盖了多个方面的研究内容,能够较为全面的研究电子驻车制动器的相关问题,为后续相关研究工作的开展提供一定指导。

关键词： 北极   监测系统   传感器   供电策略   硬件设计  

摘要： 本课题是在国家科技部“极地环境观测/探测技术与装备研发”项目的子课题“北极海-冰-气无人冰站观测系统研发”（项目编号:2016YFC1400300）的资助下针对北极环境观测设计的一种海-冰-气耦合无人冰站监测系统。21世纪以来,全球气候出现了显著的变化,全球气候变暖引起越来越多科学家的关注。近年来北极气候变暖速度大约是世界上其他区域的两倍,出现了冰川和海冰大面积融化、永冻层解冻、雪季缩短的现象,这被称为“北极放大”现象[1-3]。海冰作为冰冻圈中的重要组成部分,是表面热量收支和海洋热通量共同作用的产物,因此海冰的生长和消融在气候变化中具有重要影响[4-6]。近年来,布放在北极的海冰浮标通过长期观测,取得了大量的气象学数据,很多数据已经在相关研究中得到了应用[7,8]。目前,国内外冰基浮标主要包括:CALl B（Compact Air Launched Ice Beacon）浮标、M-CAD（METOCEAN Compact Arctic Drifter）浮标、IMB（Ice Mass Balance）海冰物质平衡浮标。其中,CALl B浮标可以采用空投布放的方式进行浮标布放,浮标上搭载的传感器主要包括:冰温探测传感器、气压探测传感器、ARGOS遥测装置;M-CAD浮标获取的现场数据主要包括:风速风向、气温、气压和水下电导率、深度、盐度;IMB海冰物质平衡浮标主要用来获取海冰厚度、温度数据和气象数据、上层海洋数据等参数。综合分析以上浮标的工作情况,可以得知这些监测浮标都有其不足之处,比如数据测量精度低、传感器种类不丰富等,不能对北极环境进行长期监测,缺少综合化的监测数据,缺少常年监测数据。科技部“极地环境观测/探测技术与装备研发”子课题—北极海-冰-气无人冰站观测系统研发的主要任务是围绕北极海冰变化及海-冰-气相互作用过程,研发海冰、大气边界层和上层海洋界面通量观测技术与装备,集成海-冰-气无人冰站观测系统,实现北冰洋近冰面大气-积雪-海冰-上层海洋变化与反馈过程关键参数的长期无人值守观测。本文在分析国内外北极环境监测技术的基础上,针对北极现场监测环境的特殊性和复杂性,设计北极海-冰-气无人冰站监测系统;针对现场供电不足和数据传输可靠性差的问题,设计无人冰站电源管理策略和双铱星通讯策略,保证系统的可靠运行;根据监测需求详细研究了硬件结构设计方案和软件实现方案,在硬件电路设计、传感器集成测试、电源管理策略设计的基础上,成功研制海-冰-气多参数北极无人冰站自动监测系统,实现了对北极海-冰-气多参数的长期远程监测。本文研制的北极无人冰站监测系统由包括主、副浮标两个单元组成,包括大气边界层子系统、海冰观测系统（积雪/海冰垂向温度廓线模块、海冰厚度模块）、冰下海洋固定层位模块（获取上层海洋不同层位的海洋参数）、以及通讯模块、电池组等。其中,大气边界层观测系统单独安装在观测塔上独立布放,获取海洋上层参数的传感器搭载在副浮标上,采集的数据可以通过通讯电缆传输给主浮标。本系统的电源管理策略包括储能系统管理策略、MCU电源控制策略、负载电源管理策略三个部分。在储能系统的管理策略中,引入卡尔曼滤波算法对电池的SOC进行精确估算,并在此基础上设计系统供电策略,提高电池的使用效率;在MCU电源控制策略中,根据系统的工作需求切换MCU的工作模式并对电源模块进行控制;在负载电源管理策略中,利用动态规划算法求得不同传感器采集频率的最优组合,使监测系统的工作模式达到最好效果。北极无人冰站监测系统的主浮标是系统的核心部分,其搭载了全部海冰观测子系统和部分大气边界观测系统的观测模块,同时负责系统的控制与卫星通信;副浮标和主浮标组成子母标,主要搭载冰下海洋固定层位观测模块,与主浮标通过缆线连接。正常工况下副浮标上层海洋的观测数据由缆线传输至主浮标控制器,并通过主浮标的通讯模块进行发送。本文对北极无人冰站监测系统进行了实验室和野外的低温实验,通过大量实验验证系统工作的稳定性和数据采集的准确性,在总结各项实验经验的基础上,对无人冰站监测系统进行优化改进并在北极现场进行安装,结果表明,该系统能够有效获取现场数据并进行数据传输,相比同类产品,具有经济性好,精度高和数据通讯实时性好等优点。

关键词： 分布式数据采集   龙芯   FPGA   国产化  

摘要： 分布式数据采集系统在我国的电力系统、工业控制、国防建设、海洋勘探、地震监测等诸多领域被广泛应用,该系统主要由CPU、FPGA、PHY芯片、ADC芯片等元器件构成,目前大多采用进口元器件设计实现。而近年来,美国发起的“贸易战”、禁运禁售等事件,使元器件进口受到很大制约,从而严重影响了分布式数据采集系统在一些国家重要领域的应用,暴露了采用进口元器件设计的系统存在受制于他国的风险。因此,研发具有自主知识产权的国产化分布式数据采集系统具有迫切需求。为此,本文研究开发了基于龙芯处理器的分布式数据采集系统验证平台。系统以龙芯1B处理器为核心,完成对多路模拟信号的采样和增益控制,对采样数据进行封包并基于以太网传输。系统采用100%国产元器件实现,所选元器件成熟度高,市场应用广泛。其中,龙芯1B处理器作为业务核心处理器,完成对接收命令的解析、处理,对采集数据的封包与传输;深圳国微FPGA基于双端口以太网交换功能实现各节点的级联,并对传感器信号阵列进行同步数据采集和增益控制;中电32所的PHY芯片完成网络包的编解码,使系统基于快速以太网完成数据传输。此外,本文完成了对验证平台的板级调试和功能性能测试。首先测试了各节点电源和时钟信号的质量,然后对数据采集结果进行分析,最后进行传输带宽和网络交换功能测试,验证了系统的各项技术指标及功能。