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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： 双码道多磁极编码器   硬件设计   误差仿真与校正   算法设计与优化  

摘要： 编码器(Position Sensor)作为机器人运动控制的核心传感器,在机器人关节精准定位和运动控制中扮演着至关重要的角色。磁编码器因其体积小、成本低、抗震动等优点,成为机器人领域广泛应用的编码器。然而,当前国内多磁极编码器的位置检测仍依赖国外进口芯片,如IC-haus等,而国外磁编码器芯片的价格昂贵,给国内多磁编码器发展带来了阻碍。为此,本文聚焦于多磁极编码器,旨在利用成本低廉的线性霍尔设计多磁极磁编码器,为多磁极编码器提供一种高精度绝对位置检测方法。主要工作内容如下: (1)针对双码道多磁极磁栅的磁极宽度窄,导致的磁场信息的检测困难问题,本文设计了检测多磁极编码器磁场信息的硬件结构。本文采用的多磁极磁栅的单个磁极宽度小于2.0mm,而线性霍尔的宽度为1.5±0.2mm,导致相邻两个线性霍尔无法被安装在传统距离上的0.5个磁极宽度位置。因此,本文将相邻两个线性霍尔设置在相距1.5个磁极宽度位置,两个码道上共计四个线性霍尔来检测磁场信息。然后,选用STM32F103作为主控模块以及ADS1256作为ADC采样模块,用于采集四个线性霍尔输出的波形并计算磁栅位置信息。最后,搭建实验平台,包括伺服电机、磁栅安装码盘、光学滑台、对照组编码器等,用于后续实验安装测试。 (2)针对线性霍尔输出波形的零点漂移、振幅不相等、相位不正交等问题,在研究内容(1)的基础上,利用MATLAB建立理想状态下的线性霍尔输出波形,并模拟误差校正。首先,通过MATLAB建立理想状态下的四个线性霍尔输出波形,利用CORDIC算法和游标码道算法对四个线性霍尔波形解码,得出理想状态下编码器输出位置角度结果。然后,根据线性霍尔的物理安装误差推导公式校正。最后,在MATLAB中利用理想波形模拟误差并验证公式校正的有效性。 (3)在研究内容(2)的基础上,开展嵌入式软件算法的设计与优化。首先,对CORDIC算法就行优化以适应嵌入式平台上的浮点运算。其次针对游标码道算法在计算磁栅磁极对周期数时震荡问题,对游标码道算法进行了优化,使得编码器输出的结果更加稳定可靠。然后,在研究内容(1)基础上,通过调节光学滑台x-y-z三个方向,模拟轴向误差与径向误差,验证了本文设计的编码器在抵抗安装误差方面优越性能。最后,实验结果表明,本文设计的编码器重复精度为0.017°,符合设计要求。

关键词： 窄线宽   恒流驱动   温度控制   光纤激光器  

摘要： 近年来窄线宽光纤激光器,因其线宽窄、强度噪声低、相干性好等特点,越来越多的领域使用窄线宽光纤激光器代替固体激光器和半导体激光器。在窄线宽激光器应用各个领域的同时,国内外研究人员都对其性能及功率提升做出了许多研究工作,主流的方案是采用主振荡功率放大器(MOPA)结构来实现窄线宽光纤激光器的功率提升,通过MOPA结构提升功率不会改变窄线宽激光的优良特性。本文针对MOPA结构的1.5μm窄线宽光纤激光器进行光学和电学分析和设计。 在本文研究中,深入分析1.5μm窄线宽光纤激光器的种子源、预放大和主放大MOPA结构。着重于设计一个集成度高的双驱动双温控单模泵浦源电路,用于种子源和一级预放大,同时针对MOPA结构中的多模泵浦源设计基于PSo C3控制的大电流驱动系统和高功率TEC温控系统。具体工作如下: 对半导体激光器的光电特性进行分析,并探讨激光器损坏机制及其保护措施。DFB窄线宽光纤激光器种子源性能,特别受恒流驱动和温度控制影响,通过模拟和实验搭建,设计出低噪声驱动电路和高稳定温控电路,并通过长时间稳定性测试,确保了激光器驱动电路和温控电路长时间高稳定工作。 搭建MOPA系统提高窄线宽激光输出功率,设计了针对该MOPA放大的高稳定大电流驱动和大功率TEC温控电路。最终,设计出激光器的输出功率通过MOPA系统能够有效放大。通过与其前一级1.5μm窄线宽种子源与预放大结构输出的激光进行光学特性对比测试。测试结果分析得出,经过MOPA放大后的激光,中心波长发生0.0316nm偏移量;3d B线宽偏差为0.1k Hz;强度噪声未发生明显变化,弛豫振荡频率偏移约0.02k Hz。这些测试变化都在测试仪器的精度误差之内,表明搭建的MOPA结构输出高质量激光,证实了激光器的性能主要由种子源的特性所决定。 本论文的工作为1.5μm窄线宽光纤激光器提供了一套高稳定的硬件电路设计方案,对于未来在高性能、高功率、高集成度的窄线宽光纤激光设计方面的研究具有重要意义。

关键词： 硬件设计   信息流跟踪   安全漏洞   时间侧信道   硬件木马  

摘要： 长期以来硬件作为计算机系统的信任根备受信任且被视为安全可靠的。但是,近年来不断涌现的硬件安全问题却揭示出硬件系统中存在众多安全漏洞。若攻击者利用这些安全漏洞攻击计算机系统时,可能会造成关键信息的泄露、篡改、系统功能的丧失甚至损毁等。目前,硬件设计验证技术多针对设计功能正确性检查,由于缺乏相应安全模型,难以检测违反安全策略的安全漏洞。因而,亟待研究能够在硬件设计早期验证可建模设计安全行为与分析设计安全性检测安全漏洞的方法和技术。本文在信息流理论框架下采用信息流跟踪技术研究高抽象层次硬件设计的安全模型和检测安全漏洞的方法。主要内容如下: (1)在门级抽象层次研究硬件设计的安全模型,构建可捕捉有害信息流的硬件设计安全模型和检测设计安全漏洞的形式化验证方法。本文在门级抽象层次提出了混合属性概念,结合信息流跟踪技术从信息流安全角度对设计安全行为进行建模,构建门级设计的混合属性安全模型。该模型为门级设计网表的每个逻辑单元分配包含安全属性和时域属性的混合属性标签,并依照一定的标签传播策略由设计输入向输出传播混合属性标签并计算输出的混合属性标签。通过跟踪混合属性标签的传播,该模型能够有效捕捉由设计安全漏洞所引发有害时间信息流、显式流、隐式流。此外,基于门级抽象层次的混合安全属性模型,本文提出了通过验证系统执行时间不变性属性和安全属性检测硬件安全漏洞,能够解决基于门级信息流安全模型的安全验证方法无法有效甄别时间侧信道安全漏洞与其它安全漏洞的短板。实验结果表明,该方法能够在设计早期有效的检测和甄别设计内潜藏的硬件时间侧信道安全漏洞。 (2)在寄存器抽象层次研究硬件设计的安全模型,构建可捕捉有害信息流的硬件设计安全模型和检测设计安全漏洞的形式化验证方法。本文在二级安全理论下,以信息流分析方法为基础研究寄存器传输级设计安全模型的精确标签传播规则,构建了寄存器传输级设计复杂操作语句的安全标签跟踪逻辑。该逻辑可附加在原始设计中,在不改变设计功能的情况下,精确捕捉设计内全部的隐式流和显式流,建模设计的安全行为。在此基础上,本文进一步提出了大规模寄存器传输级设计安全标签跟踪逻辑模型的建模方法。该方法能够解析寄存器传输级设计的抽象语法树,并从数据流和控制流角度按照精确标签传播规则对设计语句插入相应的安全标签跟踪逻辑,自动化地生成设计的寄存器传输级设计安全标签跟踪逻辑模型。此外,本文基于寄存器传输级设计安全标签跟踪逻辑模型,提出了通过安全属性检测安全漏洞的形式化验证方法。该方法利用寄存器传输级设计安全标签跟踪逻辑模型的安全行为描述能力,结合基于断言的安全属性验证方法,利用EDA测试验证工具,验证设计中是否存在违反信息流安全策略的情况,检测设计内潜藏的安全漏洞。实验结果表明,该方法能够在设计早期有效检测和甄别设计内潜藏的硬件安全漏洞。

关键词： 数字信号合成与采集   模块化仪器   数字测试   多通道   精密延时  

摘要： 数字技术的迅速进步推动了电子信息行业的蓬勃发展,随之而来的是在复杂数字电路系统的研发与验证过程中,需要使用功能多样的数字测试设备进行各种阶段性测试,以确保系统的有效性与准确性。传统的数字测试仪器存在着体积较大、测试通道少、功能单调匮乏等诸多不足之处,无法胜任现代化数字测试领域的复杂测试任务。针对上述问题,同时结合课题具体需求,本文提出设计一种基于FPGA的多通道数字测试模块。该测试模块基于模块化仪器的思想,在体积有限的板卡上集成了多种数字信号发生和采集功能,能够为数字电路系统提供完备的功能和参数测试。本文的主要研究内容包括: 1、数字测试信号合成方法的研究。本研究对比分析了不同数字测试信号合成技术,深入探讨了这些技术的优势与局限。通过引入一种高度灵活的数据块编辑机制,将码型数据内容划分为序列参数信息和序列数据信息分别存储,合成了可编辑长度远大于存储深度的自定义码型序列。通过对时间信息的有效数字化编码,并利用FPGA内置GT高速收发器将低速并行数据转换成高速串行数据,实现了高分辨率数字-时间脉冲序列的合成。 2、多通道数字测试模块硬件电路设计。通过分析功能指标,制订模块整体硬件设计方案,并在此基础上进一步细分为不同的功能电路。针对整体时钟需求,采用分段分频处理的方法设计时钟电路。基于延时范围和分辨率指标要求,采用粗调+细调相结合的延时电路设计方案,实现了对输出信号的精密可控延时。采用基于引脚驱动器的非线性调理的设计方案,实现了对数字信号输出电压的有效调节。 3、数字测试信号合成与采集时序逻辑设计。针对所采用的不同数字测试信号合成方法,合理利用FPGA内部资源,完成了自定义编辑码型序列、协议码型序列、伪随机码型序列、数字-时间脉冲序列的时序逻辑设计。同时通过采用多相时钟并行采样技术,实现了对数字信号的有效采集。 通过对上述关键内容的深入研究,本文成功完成了多通道数字测试模块设计与实现。最后通过测试和验证,所设计的数字测试模块拥有16个双向测试通道,能够模拟多种数字测试信号合成与采集。数据率可在1kbps～100Mbps内动态调节,分辨率为1kbps,输出电压可在-1.5V～+5V内动态调节,分辨率为10m V,且不同通道间具备0～10μs的精密延时输出,延时分辨率可达20ps。

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： VCU   硬件设计   控制策略   模糊控制   动态规划算法  

摘要： 中国大学生电动方程式汽车大赛(Formula Student Electric China,FSEC)是由高校车辆工程或汽车相关专业学生参加的汽车设计与制造比赛。当前大部分方程式赛车整车控制器(VCU,Vehicle Control Unit)在硬件和软件平台搭建方面存在不足,没有基于需求进行开发,在不同工况下优化电机扭矩输出方面也考虑较少,尤其在提高能量利用效率及降低能耗方面,未采用动态规划算法获得加速过程转矩优化控制指令,且缺乏实车验证数据。为了解决这些问题,本文以福建农林大学电动方程式赛车为研究对象,对VCU硬件和软件进行正向开发,以直线加速和耐久赛工况为切入点,分别制定了基于模糊控制算法和动态规划算法的转矩优化控制策略。本文以VCU的设计和实现展开研究,主要内容如下: (1)整车控制器架构及通讯网络设计。参考V模型开发流程,并结合方程式赛车整车结构和参数完成控制器方案设计、控制器输入输出信号的定义与设计。参照ISO11898协议制定了整车控制器、电池管理系统、电机控制器、仪表之间的CAN通信协议,完成整车通讯网络的搭建。 (2)整车控制策略的研究与制定。设计整车高压上下电策略、驱动控制策略、直线加速工况策略、耐久赛工况策略、故障诊断策略、充电管理策略。重点研究直线加速和耐久赛工况驱动策略,在直线加速工况驱动策略中,采用“上凸型”动力模式转矩负荷曲线确定电机基准转矩,完成转矩标定,提出基于驾驶员意图识别的模糊控制算法对电机补偿转矩进行优化,提升赛车动力性能。在耐久赛工况驱动策略中,采用一般模式转矩负荷曲线确定电机基准转矩,提出基于动态规划算法的优化策略,针对加速过程构建整车动力性和经济性多目标评价函数,获得最优的转矩指令路径,达到兼顾动力性和经济性目的。 (3)基于Simulink平台建立控制策略模型,完成VCU软件开发。采用基于模型设计(Model Based Design,MBD)的方法,在Simulink/Stateflow中对应用层软件(Application Software,ASW)设计,通过编写模糊控制算法和动态规划算法,将算法与控制策略模型的结合,通过Embbeded Corder工具对控制策略模型自动代码生成,最后在S32 Design Studio开发环境中配置底层驱动代码程序(Basic Software,BSW),将应用层软件与底层驱动程序集成,完成软件设计。 (4)以恩智浦(NXP)车规级S32K144单片机设计了VCU硬件系统。系统主要包括油门采集电路、钥匙开关采集电路、制动开关采集电路、挡位开关采集电路、启动开关采集电路;挡位指示灯电路、蜂鸣器电路、待驾驶状态指示灯电路和CAN通信电路。根据高速稳定的数据传输要求,CAN通信传输采用TJA1051收发器,并使用与收发器相匹配的PESD1CAN器件,保证数据传输可靠。 (5)VCU软硬件集成测试与实车试验。对控制策略进行模型在环仿真测试(Model in the Loop,MIL),测试结果表明所设计的控制策略符合逻辑要求;此外,还对直线加速和耐久赛进行实车试验,试验结果显示,使用模糊控制算法能明显提高直线加速动力性能,加速用时由5.37s缩短至4.91s,使用动态规划算法能同时兼顾动力性和经济性,耐久赛总能耗降低562.1k J,即0.15k W·h,能耗的降低值约为一个530g电芯电量,因此在电池容量设计时,可以减少一个电芯的使用,实现了整车轻量化设计。

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： 散射参数   漏缆   定向耦合器   频域反射法   故障定位  

摘要： 铁路泄漏电缆(漏缆)作为铁路交通系统中至关重要的组成部分,承担着传输信号、数据以及供电等重要功能,直接影响着铁路交通的安全性和运行效率,因此漏缆的完好性在铁路运输过程中扮演重要角色。由于漏缆长时间使用会出现接头松动、断线、老化等故障,所以需要一种方便快捷的漏缆故障定位方法,因此对漏缆故障检测设备设计与开发具有重要的应用价值,本文提出了一种基于散射参数的漏缆故障检测方案,研制出相应的硬件平台,实现对漏缆故障检测,主要的工作内容和研究成果如下: 首先,对漏缆故障检测原理及方法展开研究,对比并分析了三种常用的漏缆故障检测方法,提出一种基于散射参数的漏缆故障检测方法,该方法具有精度高、操作方便和可行性强等优势。分析信号波在漏缆中的传输过程,在ADS(Advanced Design System)软件环境中搭建了由信号源、定向耦合器、待测漏缆、负载和信号接收模块等组成的漏缆故障检测电路模型。通过调节待测漏缆长度以及负载大小来模拟实际漏缆出现的故障情况,然后根据漏缆故障检测指标确定硬件平台中核心部件定向耦合器的方向性指标,为后续实际漏缆故障检测平台搭建提供理论基础。 其次,根据上述漏缆故障检测电路模型设计,搭建了硬件平台内部收发模块的具体链路结构,对关键电路模块进行单独设计与测试,包括了锁相环电路(PLL)、滤波电路、射频放大电路、低噪声放大器、混频器、中频放大器和ADC等,从而确定硬件电路相应的参数指标。由以上射频链路结构为基础,结合各个模块的具体设计要求和射频通信的特点选择合适的芯片,完成硬件平台的原理图和PCB(Printed Circuit Board)版图设计。 然后,根据定向耦合器的应用场景和方向性指标,完成定向耦合器的选型和设计。首先对定向耦合器的原理加以阐述,在ADS中进行定向耦合器的电路仿真和在HFSS(High Frequency Structure Simulator)中对定向耦合器进行三维立体建模设计,并且在HFSS中对定向耦合器中元器件尺寸、空间布局等进行仿真和优化设计,使得定向耦合器的方向性达到40d B指标要求,最终完成定向耦合器PCB版图设计。 最后,完成定向耦合器和硬件平台测试。定向耦合器测试结果表明方向性指标能够满足40d B。在实验室中搭建了漏缆故障检测的硬件平台,由于实验条件限制,漏缆故障检测主要影响因素为衰减系数和故障距离,本文选取一段衰减系数大的RG316电缆来替换,然后分多组不同的RG316电缆并且电缆末端接入不同负载来完成故障定位检测,该方案能够准确定位故障点位置,说明实际能够完成1500m漏缆故障检测。