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关键词： 虚拟现实   红外激光定位   FPGA   数据传输  

摘要： 随着科学技术的发展，虚拟现实技术（VR）已经从刚起步的军事领域渗入到人们生活中的各个领域。虚拟现实给人们带来的沉浸感和交互性是评定虚拟现实技术的重要指标，然而对于人机交互设备的空间定位精准度将直接影响到人们在虚拟环境中的沉浸感和交互性。　　传统的虚拟现实定位技术主要有基于图像处理+摄像头采集马克点的定位技术、基于Wi-Fi的定位技术和基于惯性传感器的定位技术。本文将介绍一种基于红外激光的精准定位技术并实现其硬件平台的设计与搭建。此硬件平台通过半导体激光器发出的红外激光对指定区域进行周期性扫描，指定区域内人机交互设备上的多个光电传感器进行红外信号的接收，并通过计算实现位置定位，然后结合惯性传感器的姿态信号实现人机交互设备精准定位和姿态运动。本文的主要研究内容包括：　　1)介绍基于红外激光精准定位的沉浸式虚拟现实技术的研究背景、研究现状以及虚拟现实技术研究意义。　　2)研究系统总体设计方案并分析红外激光定位原理。首先对系统的整体方案进行设计，就红外激光扫描系统和信号接收与处理系统分别进行研究;然后详细论述红外激光精准定位的设计原理，其中包括红外激光扫描系统中红外LED同步信号和红外激光扫描信号的发送，以及信号接收与处理系统对数据信号的接收以及处理。　　3)对红外激光扫描系统进行设计与研究。硬件系统的设计部分主要研究以微控制器STM32为核心的控制模块的硬件电路设计和红外激光扫描光路的设计，主要包括电源模块、红外半导体激光器驱动模块、三相无刷直流电机驱动模块以及红外激光扫描光路设计。软件设计部分主要是实现红外LED、半导体激光器以及三相无刷直流电机之间的协调工作。　　4)研究学习信号接收与处理系统的硬件设计，硬件语言编程以及软件程序设计。以FPGA为核心，先从硬件方面研究信号接收与处理系统中各模块的工作原理以及实现设计方案;通过硬件语言Verilog对FPGA进行编程，实现多路光电传感器和姿态传感器信号的接收、处理以及传输;通过微控制器STM32实现FPGA与PC端的数据传输。　　5)进行系统测试，其中包括红外激光扫描系统和信号接收与处理系统的测试，对红外激光扫描系统的测试包括红外LED同步输出信号的波形测试、光电传感器包络检波后同步信号和激光信号的波形检测;信号接收与处理系统的测试主要包括检测PC端对姿态信号和光电传感器信号的接收。最后对全文进行总结，同时对技术进行下一步的研究与展望。

关键词： 自主式水下机器人   故障监测系统   硬件设计   软件开发   故障树  

摘要： 如今，随着自主式水下机器人（Autonomous Underwater Vechicle，简称AUV）在海底资源探测和军事科学范畴的广泛应用，AUV的稳定性成为大家关注和研究的重要方向，故障监测系统不仅是AUV在复杂多变的海况中安全运行的重要保证，而且还是AUV完成各项任务的必要机构。设计一套全面稳定可靠的实时监测系统已经成为AUV研发工作的至关重要的一环。　　本文将重点介绍自主式水下机器人的故障监测与诊断系统的设计。该课题监测部分将从硬件设计与软件设计两部分展开，并结合实验数据对监测系统做了简要的分析;其故障诊断，主要讲述了故障树分析法在AUV故障诊断系统的应用。　　故障监测系统的硬件设计主要包括AUV内部温湿度、气压、壳体泄露、接地故障、电压电流监测通断故障及CAN通信外围电路等几个模块。各模块均由DSP与单片机进行监测数据的采集与传输，其传输方式采用分布式CAN总线通信可以保证多模块同时运行，传输速率高，抗干扰能力强。另外针对AUV开发过程中遇到的问题，设计了一款便携式检测模块，为研发中的实验验证过程提供了便捷。软件设计方面，主要在CCS与MAPLAB环境下实现，主要针对各模块进行了软件设计流程介绍。　　故障诊断采用故障树分析法，首先针对研发与实验过程中遇到的故障，再结合查阅资料，对AUV运行过程中常遇到的故障进行了系统的分类与故障关联，然后再针对运动控制控制系统用故障树分析法进行了详细的讲解。　　最后通过一系列的海试湖试实验，验证了AUV的故障监测与诊断系统的可靠性。

关键词： 视觉深度   行为分析   TOF   ARM   嵌入式系统  

摘要： 随着汽车电子行业的发展,车载娱乐设备也变得越来越智能化,在驾驶员使用这些设备的同时,对于安全驾驶也提出更高的要求,其中在人机交互系统中衍生出一种可以脱离传统需要人机直接接触的交互系统,即非接触式的交互系统,在该系统中,驾驶员或乘客可以通过手势对车内设备进行控制,同时当驾驶员有双手脱离方向盘等危险驾驶行为时,车载设备也可以进行检测和告警。TOF探测技术作为当前主流的探测技术已经在距离探测和视觉深度识别领域得到应用,本文针对车载设备的非接触式交互应用,设计一款以Melexis公司的MLX75023、MLX75123传感芯片、以及NXP公司的***6Q ARM处理器为核心的可支持TOF阵列传感器接入的车载硬件系统。该系统可以支持车内电子设备处理器对人体的动作识别,以及进行相应的娱乐设施控制,可以广泛应用于车载电子领域。首先,本文针对TOF技术原理进行简单概述,介绍了TOF传感器的应用现状和当前的深度距离检测技术,以及选择TOF传感器的优势。其次,简单介绍了面向扩展TOF阵列传感器的车载系统硬件设计的基本原理,并结合实际系统的应用功能需求,提出系统硬件设计时的技术参数。再次,根据系统需要实现的功能,进行电路设计,包括单板核心芯片的选型,详细电路的设计。然后,对面向扩展TOF阵列传感器的硬件系统电路原理设计进行详细说明,包括TOF传感模块接口设计、系统电源管理设计、嵌入式系统硬件设计。根据单板的高速信号分类,简述了在单板PCB布局布线中需要重点关注的部分。并介绍了个单元电路的调试方法,验证了系统硬件方案设计。最后,总结当前论文已经完成的工作,对硬件电路存在的问题及后续电路改版提出意见。

关键词： 硬件设计   uC/OS Ⅱ操作系统   导航系统   自主飞行控制系统  

摘要： 本文以多旋翼无人机为研究对象,设计具有较强适应性和扩展性的嵌入式自主飞行控制系统,为多旋翼的深入研究提供实验平台。其主要研究内容如下:(1)根据实时性、扩展性的系统设计要求,采用一种新型的双芯片处理器的硬件架构,并设计电源模块电路、处理器模块电路、传感器模块电路、通信模块电路等。(2)在STM32上移植uC/OS II(Micro Control Operation System Two)实时操作系统,并设计串口通信、传感器数据采集、双机通信等主要任务的应用程序。(3)研究多旋翼无人机的航姿参考系统和惯性导航系统。航姿参考系统将无人机运动加速度和陀螺仪漂移引入观测方程和状态方程,联合推算姿态角,提高姿态角推算的准确性。INS算法通过融合加速度计和气压计信息推算速度和位置信息,补偿GPS信号的不准确性。(4)针对四旋翼无人机进行运动学建模,设计基于不完全微分PID理论的控制系统,并设计仿真和室外飞行验证整个嵌入式控制系统的有效性。

关键词： WI-FI   LTE   硬件规划、设计   测试和解决问题   优化  

摘要： WI-FI和LTE是目前使用最广泛的两种高速无线传输技术,在实际使用过程中各有利弊。WI-FI主要用于短距离宽带无线传输,其资费低,支持的设备多,但覆盖范围小;LTE覆盖大,但资费高,支持的设备少。本文研究的LTE-Fi是LTE与WI-FI结合的产品,把3G/4G的技术与WI-FI的技术整合与融合,取两者之所长。LTE-FI利用LTE网络作为上行链路,进行数据业务的回传;使用WI-FI技术作为下行覆盖,使得WI-FI终端用户可以方便快速的接入网络。不仅减轻了3G/4G网络的负荷,提高了网络效率、利用率,同时也降低了WLAN网络部署的难度和成本费用,增大了覆盖群体。本文从LTE-Fi的硬件设计和应用来分析阐述,着重论述LTE-FI设备的硬件设计与实现。详细叙述了评估产品需求的合理性和可行性、方案确认、器件选型、电路设计和印刷电路板设计、PCBA制成、硬件调试、测试、测试数据、规格比对确认、最终设计方案确认等完整的产品实现过程。辅以相关的设计分析资料、测试数据结果以及截图等,对硬件设计的过程以及验证、测试等进行说明论证。研制的LTE-Fi产品具有成本低、续航时间长、应用范围大等优点,所有的技术性能都达到了运营商的要求。研制的产品已经在公交和长途大巴上进行了部署,大小合适的输出功率搭载全向天线,为车厢里的每一个角落送去无线信号;多天线和高速率的无线设计为多用户接入时的网络连接和数据传输质量提供了有力保障;免费无限量提供的WIFI接入让长途出行的人们在畅游于Internet的时候也不用担心因为浏览网页和视频而产生高额的流量费,让长途旅行也变得不再枯燥。

关键词： 铜钼矿   尾矿库   安全管理   在线监测系统   硬件设计   软件开发  

摘要： 尾矿库是一个具有高势能的人造泥石流危险源。为了保证尾矿库安全运行，及时发现尾矿库异常现象和可能危及尾矿库安全的不良因素，企业需要建立可靠的在线安全监测系统。　　本文主要针对尾矿库在线监测系统进行研究和分析,主要从尾矿库在线安全监测系统的应用现状、存在问题和技术难度等方面进行研究分析,提出新的解决办法,并结合实际情况,研究尾矿库在线安全监测系统在尾矿库安全工程管理中的需求,从监测指标、监测性能、系统功能及特点出发研究在线安全监测系统。　　本文为阐述目前我国尾矿库运行的普遍安全现状，对国内外尾矿库监测技术进行研究。分析了尾矿库的工程特点以及影响尾矿库安全的具体因素，掌握尾矿库自然灾害的表现形式和预防山洪溃坝、管涌破坏的监测原理。以现场需求为主，将主要监测仪器做对比，建立尾矿库监测系统监测单元体系。从浸润线位置监测、库水位的连续动态监测、坝体位移监测、滩面标高监测、尾矿库区情况实时监控这几项监测内容出发，进行系统功能设计和系统模块划分，对系统数据传输和处理流程进行分析。本文为了实现监测系统各功能模块，对关键技术原理以及使用方法进行研究。由于尾矿库在线安全监测系统设备繁多，并且随着尾矿的堆积需要新增坝体监测设备和改变测点的位置，对监测点实现动态配置，基于SilverLight实现界面图形显示和设备配置进行了详细的研究。由于尾矿库安全监测产生的数据量较大，并且需要保存历史数据，以供数据分析，所以系统设计了自动备份、人工备份及数据还原功能。此外还对系统注册加密机制、系统的发布机制进行了研究。　　为了实现乌努格吐山铜钼矿尾矿库的实时在线监测系统的设计目标，本文结合尾矿库现场实际情况进行布点，验证实际效果。系统经过一段时间软硬件的联调，进行试运行和验收后的运行表明，乌努格吐山铜钼矿尾矿库在线监测系统整体运行稳定，监测数据准确、完整，视频清晰，报表直观，能对潜在的危险进行及时预警，保证了乌努格吐山铜钼矿尾矿库的安全、稳定运行。

关键词： 硬件设计   软件设计   无线数据采集及传输   光伏及余热回收系统   故障解决  

摘要： 当前,各高校及科研机构对太阳能光伏系统及余热回收系统的研究较多,促进了光伏及余热回收事业的发展。但是在实验过程中需要克服高温炎热及寒冷的自然条件进行现场实验数据的采集,这在增加实验难度的同时也不可避免的引入了实验误差,这一切都不利于节能事业的发展。针对这些问题,本文开发了一种应用于太阳能光伏及余热回收系统中数据采集和发送的无线数据采集传输系统。首先开发了一种无线数据采集仪,根据它在太阳能光伏系统及余热回收系统中需要采集的物理量及使用的传感器编写了数据采集仪及传感器的数据采集程序,将数据采集仪与传感器进行连接能够正常采集数据并在数据采集仪屏幕上显示。然后在云数据平台上构建了接收数据采集仪数据的通讯服务器,存储采集数据的数据库及使用计算机、手机等移动终端进行远程数据查询使用的网络服务器。经过程序修改及系统调试,将数据采集仪控制传感器采集得到的数据成功发送到云数据平台上,通讯服务器接收数据并将其存储到数据库中,通过移动终端的浏览器可以顺利的查询系统发送的实时数据,掌握系统的运行状态。在系统调试成功后,将其应用于太阳能光伏系统实验平台。经过一段时间的运行,证明系统具有较高的数据发送及接收准确率,从而说明具有较高的稳定性。基于此,论文的主要研究内容如下:1.建筑能源无线数据采集传输系统的硬件组成,主要包括数据采集仪和传感器两部分,着重介绍了数据采集仪由ATmega128单片机、ZLG7289数码显示管与键盘管理芯片、LM2596供电电源、华为GTM900-C无线数据传输模块、AD7706AD转换器和RS485通信接口及MAX485芯片等硬件组成。2.建筑能源无线数据采集传输系统的软件组成,主要介绍了采集数据使用的RS485接口技术,Modbus通信协议,数据采集流程及方法,同时对数据中心的通讯服务器、数据库和网络服务器的功能、组成和工作原理进行了说明。3.无线数据采集传输系统在太阳能光伏系统及余热回收系统实验平台上的应用情况,介绍了该技术在两种系统上的工作原理同时对采集数据使用的传感器的功能和性能参数进行了介绍。4.对在实验过程中总结的故障分析、诊断和排除的若干方法进行了介绍,包括数据采集仪太阳能光照强度采集程序错误引起的误差、光伏板负载电阻损坏对接收数据的影响、传感器断路对采集数据的影响、物体遮挡对光照强度数据的影响、空气湿度过高对温湿度传感器温度数据的影响、直流参数采集模块累计电能部分数据异常的现象、电源亏电对系统数据传输的影响和数据库网络端口异常对收发数据的影响。本文介绍了无线数据采集传输系统的开发及在建筑能源中的应用,对无线数据采集传输系统的开发及常见故障的诊断及排除具有一定的参考意义。

关键词： 卫星导航   BDS   GPS   捕获跟踪   ASIC  

摘要： 近年来随着北斗卫星导航系统(BDS)的不断发展与完善,BDS在民用以及军用方面发挥着越来越重要的作用。作为导航接收机中的关键技术,捕获跟踪算法的研究非常重要。本论文研究了 BDS-1I卫星信号的构成特点,基于FPGA平台设计了 BDS-1I信号捕获跟踪电路并解调出了卫星星历;在此基础上设计了一款低成本、低功耗的BDS捕获跟踪芯片,能够为卫星导航定位计算提供基本参数。本论文首先对BDS-1I信号结构以及BDS接收机原理进行介绍;对常用的卫星捕获跟踪串行相关算法和并行相关算法进行了分析和比较;论文采用硬件资源消耗较小的时域串行捕获算法设计了 BDS-1I信号捕获电路,捕获算法中通过多路并行相关算法提高捕获速度,并利用真伪识别技术减少捕获虚警,然后得到可视卫星号、C/A码相位和多普勒频率;设计了 C/A码跟踪和多普勒频率跟踪电路,其中C/A码跟踪采用的是E/P/L三路相关值对比法,多普勒频率跟踪采用的是频率扫描法;电路对BDS的二次编码进行了适当的处理,消除了二次编码对信号跟踪的影响;在正确跟踪的基础上进行了同步码识别和BCH纠错,然后解调出卫星星历并通过串口上传至计算机;论文对上传的星历数据进行了简单的分析,标出了 BDS的同步码、子帧编号及周内秒计数等基本参数,经过初步分析验证了上传星历的正确性。上述捕获跟踪算法通过FPGA实测验证后,论文还采用SMIC 0.18 um CMOS工艺,按照标准数字集成电路设计流程对算法代码进行了 ASIC设计实现。设计实现的主要工作包括基于DFT的逻辑综合、静态时序分析(STA)、形式验证、自动测试向量生成(ATPG)、自动布局布线(P&R)、DRC和LVS,最终得到BDS捕获跟踪芯片的GDSII版图。本论文研究了 BDS卫星信号的捕获跟踪算法,并对算法进行了 Verilog代码设计、FPGA验证和ASIC设计实现,为完整的BDS接收机导航定位设计打下了一定的基础。

关键词： Arduino   智能硬件   设计  

摘要： 近年来,越来越多的智能硬件产品进入人们的视野,智能硬件成为了具有广阔发展空间的设计方向。我们通过查阅相关的文献资料,分析比对了智能硬件设计过程中的特点,总结出了以Arduino平台为基础的智能硬件设计的基本原则及技术要领。

关键词： 多变量公钥密码   SRP   UOV签名   无线传感网络   密码硬件  

摘要： 随着现代化信息技术的发展,信息安全问题也愈加严峻,网络安全事件接连出现,包括个人信息、敏感数据、商业数据遭到泄露和窃取等。密码技术是解决信息安全问题的核心技术。目前,工业实用的公钥学方案几乎都是基于大数分解问题和离散对数问题而构造的。然而,这两类问题可以用量子计算机在多项式时间内求解,从而对目前流行和使用中的公钥密码方案造成了严重的安全威胁。寻找能够抵御量子计算机攻击的的密码算法也成为了密码学研究的一个重要方向。后量子密码是基于传统的特定数学领域的困难问题设计的,并且其安全性依据可抵御当前已知的任何形式的量子攻击。后量子密码目前的主要研究方向为:基于格的密码(Lattice-based);基于哈希的密码(Hash-based);基于编码的密码(Code-based);多变量公钥密码学(Multivariate Public Key Cryptography)这四类。本文的研究内容着重于多变量公钥密码。多变量公钥密码经过了三十年的发展,学者们提出了许多多变量加密方案和签名方案。多变量密码方案的运算过程一般为多项式求值运算或者矩阵之间的计算,因此其计算速度非常快,非常适用于计算能力有限的设备。然而,多变量密码方案因为密钥过长的问题,使得其在实际应用中受到影响。密码算法最终都是要走向实用的,设计基于多变量密码的硬件是非常重要的。因此,本文关注多变量密码方案的效率优化并设计了高效实现的硬件。首先,本文提出了一种基于Toeplitz矩阵的SRP加密方案,通过使中心映射中的部分私钥具有特殊的结构使得解密过程中求解线性方程组时得到的系数矩阵为特殊的Toeplitz矩阵,这种特殊的结构设计可以减少私钥的大小并提高解密的速度。在安全性方面,本文分析了这种关系的引入对原本SRP方案的影响。经过理论分析和实验证明,这种有特殊结构的SRP方案不会对安全性产生影响。改进后的SRP加密方案在私钥的大小和解密的速度上有明显的优势。其次,本文提出了适用于无线传感网络的多变量在线离线签名方案,通过预计算的方法,极大地减少了签名的实时延迟和开销。本文将多变量在线离线签名方案部署到能量采集无线传感网络中,通过在能量峰到来时进行预计算,将能量收集技术和预计算的方法结合起来,降低了无线传感网络节点签名的实时延迟,同时降低了系统的能量开销,使它更适用于部署在资源受限的无线传感网络环境中。再次,基于PMI+加密方案,本文针对密码硬件设计的两个方向(面积和速度),设计了两种PMI+加解密硬件。其中,第一种是小面积的PMI+加解密硬件,该硬件基于微程序控制器设计,其占用资源少。第二种是快速的PMI+加解密硬件,该硬件基于状态机设计,通过增加一些模块,用面积换取更快的解密速度,其解密速度非常快,且综合性能非常好,同时也是一种高效的加解密硬件。本文实现了全并行的大域乘法、大域平方、向量点积。并且对大幂运算给出了优化的实现。通过上述主要优化和其他小的改进,本文在FPGA上高效地实现了PMI+加、解密硬件。最后,本文设计了一种适于资源受限环境的多变量密码硬件,其占用面积非常小,且综合性能比较高,该硬件可用于信息加密和数字签名,并在FPGA上进行了实现。首先,本文对域上的基本运算单元进行高效的实现。然后通过在多变量密码硬件中增加一个ROM来减少对RAM的读写操作及RAM的大小,本文优化了微处理器指令的长度及内部寄存器的位宽,同时对内部寄存器采用分时复用的方式以减少内部寄存器的使用数量。本文还优化了多变量加密过程、线性方程组系数矩阵求解过程及求解线性方程组过程。此外,通过上述的优化设计,本文设计的多变量密码硬件只使用了非常少的硬件资源,且签名和加密速度快,非常适用于资源受限的环境,该多变量密码硬件可用于实现多种多变量密码方案。