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关键词： AV1   AVS3   率失真优化   率失真优化量化   SIMD   硬件设计  

摘要： 随着互联网信息技术和多媒体技术的迅速发展,超高清视频应用已经融入人们日常生活。但未经压缩的原始视频数据量庞大,在有限的带宽下,对视频的存储和传输提出巨大的挑战。为了应对这些挑战,国内外视频编码标准如AV1、VVC和AVS3,通过衡量编码码率与失真,引入率失真优化(Rate Distortion Optimization,RDO)技术,从而实现极高的编码效率。此外,基于RDO的基础上,还引入率失真优化量化(Rate Distortion Optimization Quantization,RDOQ)技术等,进一步提高了压缩效率。然而,这些技术的应用也导致编码器计算复杂度急剧增加,使得实时编码变得更加困难,同时也为编码器的硬件设计带来极大挑战。 针对以上问题,本文着力于在保障一定编码质量的前提下,分别从视频编码算法优化与硬件架构设计两个方面,对RDO技术和RDOQ技术进行了研究。具体工作和创新点可以概括如下: 1.针对RDO技术:本文深入研究了AV1模式决策中RDO计算过程,包括变换、码率计算、失真计算和像素重构。通过对RDO过程优化,提出了一种低复杂度的快速RDO算法以及其全流水硬件架构。在算法优化方面,采用一种高频系数置零的方式对较大变换块一维列变换后的系数优化;通过统计并分析量化系数值范围的数量与真实熵编码代价之间的关系,提出了一种高效的码率估计方法;基于全零块特征对较大变换块的高频部分失真进行补偿,提出了一种有效的失真估计方法;最后通过一种重构近似模型解决了像素重构和模式决策数据耦合导致的并行度低问题。在硬件实现方面,设计了四个流水线阶段的RDO全流水硬件架构。每周期处理16个系数,当高度小于16时,可同时处理多个变换块。实验结果表明,提出的快速RDO算法在All Intra(AI)和Random Access(RA)配置下分别有68.49%和50.77%的时间节省,同时性能分别损失2.73%和2.95%。提出的硬件架构可实现4K@150fps的实时处理。 2.针对RDOQ技术:本文深入研究了AVS3中RDOQ计算过程,包括最优系数电平(Optimal Coefficient Level,OCL)决策、最后有效系数(Last Significant Coefficient,LSC)位置决策。通过对OCL决策和LSC位置决策并行优化,提出了一种高效的扫描线级并行RDOQ算法以及其全流水硬件架构。在算法并行化方面,对于OCL决策,将run-level上下文依赖优化到Zig-Zag扫描线级,并提出了一种有效的RD代价来优化比特宽度和码率代价计算。对于LSC位置决策,提出了一种基于贪婪策略的并行化算法,该算法通过各个扫描线上子最优位置来确定Zig-Zag扫描线上全局最优位置。它支持并行计算,而不会使决策的性能损失。最后基于单指令多数据(Single Instruction Multiple Data,SIMD)指令加速整个RDOQ过程。在硬件实现方面,设计了六个流水线阶段的RDOQ全流水硬件架构。每周期处理32个系数,当高度小于32时,可同时处理多个变换块。实验结果表明,提出的并行RDOQ算法在AI、RA和Low Delay B(LDB)配置下分别有31.37%、28.58%和28.53%的时间节省,同时性能分别损失0.25%、0.26%和0.27%。提出的硬件架构可实现8K@60fps的实时处理。 综上所述,本文针对视频编码率失真优化算法及其硬件设计展开研究,并进行软硬协同优化,实现了一种高效的实时编码处理方案。

关键词： 电池管理系统   功能安全   硬件设计   高压回路安全管理   硬件在环测试  

摘要： 在新能源汽车快速发展的浪潮下,电动汽车由于其零排放、低噪音、结构简单的特性是许多企业的主要研发方向。随着电动汽车产量和销量的不断增加,由于电池失控造成的电池自燃和爆炸等事故不断发生,电池安全管理技术逐渐受到重视。电池管理系统作为电动汽车复杂电气系统的重要组成部分,如何在开发过程中既保证系统功能完善又能具备极高的安全性成为了难题。国际标准化组织发布了ISO26262《道路车辆功能安全标准》,该标准针对道路车辆电子/电气系统的功能安全开发,提出了安全生命周期的概念并对周期内的各个阶段进行了规范和管理以及提供必要的支持。本文基于ISO26262标准完成了电池管理系统硬件平台的开发并对动力电池高压回路安全管理功能设计了详细策略,主要内容和成果如下:(1)根据ISO26262标准安全生命周期概念阶段的开发流程和技术规范,从相关项定义出发,完成了系统危害分析和风险评估,确定了系统安全目标并分配了安全完整性等级。根据系统功能和安全目标,设计了系统基础架构,并为系统架构要素分配了功能安全需求。基于FTA定性分析,对功能安全需求进行细化,导出系统技术安全需求作为后续硬件和软件策略的设计要求。(2)根据系统技术安全需求,确定了系统MCU架构及整体硬件方案,并完成了系统各模块功能分析和电路设计。在完成硬件设计基础上,进行系统硬件架构度量指标计算,证明了系统硬件设计满足安全设计要求。通过分析高压回路安全管理模块功能,明确了动力电池高压回路安全管理策略设计的必要性,基于设计完成的硬件电路,完成了高压继电器状态监测策略和绝缘监测策略的设计和实现。(3)在完成硬件平台设计和相关策略开发的基础上,在课题组协同下完成BMS控制器样机加工、调试和相关基础软件开发。基于硬件仿真台架搭建硬件在环测试环境,对系统进行了基础功能测试和绝缘监测软硬件功能验证。测试结果表明,本研究设计的BMS硬件系统全面实现了电池管理平台基础功能要求,所设计的高压回路实时监测模块较好的满足了系统绝缘监测安全需求。

关键词： 汽车湿式摩擦片   测试系统   硬件设计   软件开发   性能预测  

摘要： 湿式摩擦片作为车辆系统关键零部件之一，在重型车辆湿式制动系统和离合传动系统中具有相当重要的作用。准确的性能指标数据是评价摩擦片应用可靠性及改进摩擦片性能的基本要求，因此需要建立精确且稳定的性能测试系统。此外，摩擦片进行性能试验一般采用试凑法，需要花费大量时间，因此对湿式摩擦片的性能状态展开预测研究对提升摩擦片性能试验效率具有重要意义。本文基于LabVIEW开发智能化的测试系统，针对测试系统测量精度不足和试验效率较低的问题，分析了测试系统误差，提高了系统的测量精度，并对湿式摩擦片的性能状态进行预测研究，主要工作内容如下：　　（1）基于湿式摩擦片性能试验原理和技术要求开发试验台架配套的测试系统。完成传感器、工控机和数据采集卡的选型以及电气柜电路设计工作;采用LabVIEW开发一套具有监控、采集、信号处理、数据管理和自动化控制等功能的湿式摩擦片性能试验台测试系统，该系统具有较高的采样率、测控精度，自动化程度也有很大提高。　　（2）测试系统试验过程中易出现各种干扰问题，导致采集的信号曲线和真实值偏差较大。因此，分析了测试系统的误差来源，采用屏蔽、接地和滤波的硬件抗干扰措施减少信号传递途中以及电气柜内部电源电路的干扰，并在软件中设计了一种中值滤波和滑动平均滤波相结合的降噪方法来降低试验过程中出现的尖脉冲噪声和其他设备引起的噪声，以噪声抑制比作为评价标准，将该方法与VMD、小波阈值降噪算法进行了对比，结果证明该方法具有更好的降噪效果。最后，在软件中结合队列通信对该方法进行了实现，通过点动试验验证该方法在实际工程应用中具有较好的降噪能力。　　（3）湿式摩擦片一般需要大量时间进行性能试验，为了提高试验效率，对湿式摩擦片性能预测方法展开研究。通过湿式摩擦片惯性制动试验台对某型号铜基摩擦片进行试验，采用正交试验的方法得到样本数据集，根据采集的数据分析试验因素和性能评价指标之间的关系;然后引入混沌反向学习、自适应t分布和贪婪选择策略对新型元启发式算法—蜣螂优化算法进行改进，构建了一种基于改进蜣螂优化算法和随机森林算法的湿式摩擦片性能预测模型;最后，通过对比试验验证了模型预测效果优于RF、GSM-RF和BP神经网络，并将该方法应用于软件中。

关键词： 煤矿巷道   锚杆支护   锚孔定位系统   硬件设计   软件开发  

摘要： 国内煤矿采煤以地下开采为主，需要构建大量的地下巷道，为了保证巷道的畅通和周围围岩的稳定性，防止冒顶和片帮事故的发生，需要对巷道进行锚杆支护。传统的锚杆支护作业以人工为主，其存在两方面的问题:一是打锚孔需要耗费大量的人力成本，整体工作效率较低;二是煤矿采掘和支护工作面附近存在较高的安全隐患，特别是在未完成支护的巷道中，工人现场操作危险性较高。国内煤矿生产正在朝向智能化方向发展，而锚孔定位自动化是其中的关键环节。本研究针对煤矿井下巷道中高粉尘、光线差等复杂环境，设计并开发了锚孔定位系统。主要研究内容包括:　　(1)整体方案设计和硬件平台搭建。首先，由煤矿巷道中的作业环境对锚孔定位系统的功能需求进行分析，并对整体系统方案进行设计。其次，根据设计的方案对主控制器、通讯模块、动力模块以及位移定位模块等硬件进行选型，并完成硬件平台的搭建。　　(2)软件系统的设计。根据控制系统对实时性和操作性等进行分析，选用FreeRTOS作为控制系统的操作系统。在设计通信驱动时，为了使得数据的传输更为稳定，通过对RS-232、RS-485两种转换器的通信性能进行对比，选取RS-485 作为转换器。在设计电机驱动时，由于不需要对电机转动角度进行精确控制，所以电机采用开环控制。对位移输出模块进行编码器模式数据采集。由电感式位移传感器进行电压数据采集，设计了 ADC转换驱动程序。　　(3)对电感式位移传感器感应头线圈进行电磁感应仿真分析，选取垂直采样距离为15-20 mm。使用锚孔定位平台对钢带进行检测之后，对采集的数据进行分析，由于数据中有噪声存在，需要对数据进行滤波处理。通过对均值滤波、中值滤波、高斯滤波等滤波效果进行分析对比，最终选用均值滤波作为滤波降噪的方式。　　(4)在对实验测试数据进行滤波处理之后，对数据进行阈值分割，提取锚孔边界信息，对最小二乘法和霍夫圆变换两种圆拟合方法进行对比，选用霍夫圆变换对锚孔边界进行拟合及定位。　　(5)使用QT平台设计开发了锚孔定位监控系统客户端，操作人员可以通过客户端对锚孔定位平台的运行状态、锚孔坐标信息以及故障警报进行监控。

关键词： 数据采集模块   宽带信号调理   同步采集   数字触发  

摘要： 多通道数据采集模块作为通用测试仪器,能够满足多路复杂信号的测试需求,在时域测试领域中被广泛应用。现代电子信号呈现频率上升、带宽拓宽和并行数量增多的趋势,因此对于多路高速信号之间相位的分析需求逐渐增多,数据采集模块要对多路信号的相位关系进行准确分析,在保证高采样率以还原波形细节的前提下,各测量通道间的高同步精度也至关重要。 本文基于“四通道同步采集模块”课题,对宽带信号调理通道、多通道信号同步采集、高速数据同步接收、数字触发系统与数据存储控制逻辑进行设计与实现,主要研究内容如下: (1)硬件总体方案设计。首先从数据采集系统的基础架构出发,根据课题采样率与分辨率指标,通过资源论证,确定了ADC采集芯片与FPGA主控芯片的选型。然后根据模拟信号输入动态范围及通道特性设计了宽带信号调理通道的结构,基于数据采集系统采样精度与同步性的评价指标,设计采样时钟电路,利用源同步复位控制多ADC同步启动采集,最后对比传统模拟触发与数字触发的优劣势,确定触发方案。 (2)多通道高速数据同步接收设计。首先基于实时采样率的指标实现,对模数转换与数据接收电路进行设计,利用FPGA内部Serdes串并转换资源实现高速数据的降速解串接收,并对降速后的并行数据进行对齐与跨时钟域同步处理,然后对数据进行排序重构以恢复原始波形,最后通过时间间隔测量,对多FPGA架构下的片间使能延迟进行同步校正。 (3)数字触发及数据存储控制逻辑设计。在对数据进行触发判断与存储之前,根据不同频段信号的采样率需求设计水平时基挡位。在FPGA内部实现高精度、高速数字触发判断,结合触发实际使用场景,对单电平数字边沿触发进行改进,以迟滞阈值作为触发判断条件,降低了由于毛刺噪声导致误触发的几率。在此基础上,丰富了数字触发功能,设计窗口触发、触发释抑等功能,以应对复杂波形的捕获场景,最后结合触发系统对数据的存储控制进行设计。 经过系统性能测试,本课题设计的四通道同步采集模块满足-3dB模拟带宽350MHz@1MΩ、通带平坦度±0.5dB@<100MHz、实时采样率2.5GSPS、同步精度优于200ps的参数指标,并结合数字触发系统实现了对数据的有序存储控制。

关键词： STM32   交通信号灯控制系统   主程序设计   硬件设计  

摘要： 文章围绕STM32开展智能交通信号灯控制系统设计与实现，结合光电开关、超声波传感器实现信号灯控制系统自动切换，旨在通过设计成果提升交通信号灯智能化水平，以应对新时期下车流量不断加大的挑战以及降低交通事故的需求。最后，基于Proteus软件仿真分析与硬件分析，本次研究成果具备实际应用价值，可用于交通管理系统。

关键词： 硬件描述语言  

ISBN: (纸本)9787030783837

摘要： 本书侧重于使用SystemVerilog编写高效的RTL代码，通过大量示例代码展示如何使用SystemVerilog进行硬件设计和验证。本书共分15章，内容包括SystemVerilog中的常量和数据类型、SystemVerilog的硬件描述、SystemVerilog中的面向对象编程、SystemVerilog增强特性、SystemVerilog中的组合逻辑设计、SystemVerilog中的时序逻辑设计、RTL设计和综合指南、复杂设计的RTL设计和策略、有限状态机、SystemVerilog中的端口和接口、验证结构、验证技术和自动化、高级验证结构、验证案例等。