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关键词： VVC   仿射运动估计   帧间预测   硬件架构   FPGA  

摘要： 通用视频编码(Versatile Video Coding,VVC)是最新一代的视频编码标准,其设计目的在于实现更高的视频压缩效率和更广的多媒体应用范围。VVC在帧间预测过程中引入了仿射运动补偿,有效提高了帧间预测的精准度,在相同画面质量下缩减了视频的体积。然而仿射运动估计具有较高的计算复杂度,且目前并没有完整的仿射运动估计硬件架构设计。针对以上问题,本文提出了面向硬件的仿射运动估计优化算法,并设计了具有低延迟和高吞吐量的硬件架构。 本文所做的主要贡献如下: (1)针对仿射运动估计算法中梯度搜索过程的高计算复杂度问题,本文提出了一种仿射参数方程快速求解算法。算法利用参数方程的特征替换了原始算法的浮点运算,并使用两步缩放方法对变量进行动态缩放处理,使得计算结果的精度得到大幅提升。同时,算法优化了除法的运算,大幅提高了迭代效率和运算速度。 (2)为应对仿射运动估计硬件架构设计中梯度搜索过程的低吞吐量和高延迟问题,本文提出了一种全并行和流水运算的硬件架构设计。本文通过无除法的运算单元改进设计和不同参数方程组交织运算的流水控制方法,实现了流水线的高吞吐量输出。 (3)本文针对仿射运动估计硬件架构设计中不同的功能单元进行了设计和优化,实现了仿射运动补偿的相关硬件逻辑,优化了快速二进制对数计算单元,快速整数除法器等模块,提高了系统的整体吞吐量和延迟性能。 本文实验数据在各项评估任务中均获得了较优的结果,其中仿射参数方程快速求解算法能够在BD-BR损失只有0.07%的情况下节省5.7%的编码时间,而仿射运动估计硬件架构设计相比现有工作实现了21倍的吞吐量提升。

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： 无线信道   信道模拟器   高速电路设计  

摘要： 无线信道是决定无线通信系统性能的关键因素,设计无线通信系统时必须充分了解无线信道的特性,然而现实中的无线信道敏感多变,直接对无线信道的特性进行测试不是一种高效的方法。信道模拟器能够模拟电磁波在无线信道中传播时所受到的影响。研究人员利用信道模拟器便可在实验室中,对电磁波信号受特定的无线信道影响的结果进行重复测试。 本文完成了信道模拟器数字硬件部分的设计,该信道模拟器可用于模拟具有9个收端和24个发端的复杂无线信道。本文的主要工作内容如下: 第一,确定信道模拟器数字硬件部分的总体架构。首先分析信道模拟器的应用场景,接着确定硬件设计指标,最后根据设计指标将信道模拟器的数字硬件部分划分为前端采集单元,数字基带单元和数字中频单元。 第二,完成信道模拟器数字硬件部分的设计。信道模拟器的数字硬件部分的三个单元均由多张硬件板卡组成。根据指标要求,确定硬件板卡的形状大小,所使用器件型号,器件在板卡上布置位置,并完成器件外围电路的设计。 第三,完成每张硬件板卡的性能测试。测试内容包括电源芯片的输出电压和电源纹波大小,时钟信号的频率和相位噪声,高速数字信号的眼图结果,每个通道的信号带宽。最后根据测试结果,分析并总结每张硬件板卡的改进方案。 本文完成了9收24发的信道模拟器的数字硬件部分的设计,该信道模拟器不仅可用于模拟民用通信中的复杂的无线信道,还可用于模拟雷达通信中信号互相干扰的情景,具有广泛的应用场景。

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。

关键词： 多功能车辆总线   危化品   通信   FPGA  

摘要： 随着社会发展和科技进步,化学工业得到高速发展,由于日常生活对化工产品的需求持续增加,因此对化学材料的需求量越来越高。我国化学材料分布极其不均匀,很多化学材料的运输都是通过列车进行异地运输。具有易燃易爆等危险特性的化学品在铁路运输过程中事故发生频率很高,并且事故严重影响化工产品行业的正常发展。运输危险化学品的列车车厢与车头进行快速稳定的通信,对预防列车运输事故的发生起到了重要的预警作用。基于此,本文提出了MVB通信网卡软硬件设计及关键技术研究的课题,通过设计并搭建相应的软硬件系统,实现对危化品列车车厢与车头的实时通信。 经过深入了解MVB网卡通信的原理,本文选取了油罐车在运输危化品时需要监测的环境参数作为传输数据;MVB网卡分布在物理层和链路层;在系统硬件设计部分,使用FPGA的EP4CE6E22C8芯片作为核心处理器,并且围绕核心处理器完成外围扩展电路的设计包括RS-485电路设计、供电电路设计、MVB并行接口设计等;在PCB设计部分包括MVB网卡的布局布线等。MVB网卡的软件设计部分主要包括封帧编码和解封解码两部分,其中在封帧编码中主要包括并行数据接收单元、编码控制单元、曼彻斯特编码单元、RS-485传输单元等。在解封解码包括解码控制单元设计、RS-485接收单元设计、曼彻斯特解码单元设计等。本课题通过设计MVB网卡的电路原理图、PCB图和软件系统以此来完成MVB网卡的通信系统。 本文设计并完成了MVB通信网卡软硬件设计及关键技术研究的课题。此系统可以实时、可靠地对各输运车车厢进行通信,为危化品列车运输提供了安全保证。

关键词： 后量子密码   NTRU格   SNTRUP算法系统   硬件设计  

摘要： 随着量子计算技术的持续革新，传统的公钥密码体系正遭受量子计算机带来的安全冲击。国际密码学领域正积极探索后量子密码（Post Quantum Cryptography, PQC）技术，以抵御量子攻击。在众多PQC方案中，基于格问题的密码技术因其结构清晰、运算高效及安全性卓越，引发了广泛的研究与关注。本文研究的Streamlined NTRU Prime （以下简称SNTRUP）算法是一种基于NTRU格的后量子密码算法，具有较高的研究价值。本文的研究目标是完成高性能、功能可配置的SNTRUP算法系统的硬件设计。　　首先，在深入分析格理论、SNTRUP算法和多项式乘法理论基础上提出SNTRUP算法系统硬件架构。整体架构分为协议层、运算层以及数据储存阵列，协议层负责控制密钥生成、封装和解封装三种算法的运行流程。运算层由多项式乘法、多项式反转等算子组成，以供协议层高效调度。数据储存阵列用于储存算法运行产生的中间值。　　其次，本文针对多项式乘法运算复杂度较高的缺点，设计了一种基于Good策略的NTT多项式乘法方案，提高运算效率，同时提出无内存冲突的储存方案以提高内存访问效率。考虑到多项式反转运算对密钥生成算法的性能影响较大，本文采用基于divsteps的多项式反转算法，分别实现了R/r和R/3两个多项式反转模块，以支持高效并行运算，同时结合流水线的设计思想，实现了多项式反转的加速。　　然后，本文提出分时复用寄存器组的方案以解决SHA-512算法分组扩展中寄存器消耗过多的问题，提高资源利用效率。并针对固定模数和动态模数两种情况，分别采用基于查找表的模约简和巴雷特模约简方法，减少资源的消耗。R/r编码和解码模块通过预计算每轮循环参数实现，以提高编码和解码的效率。短多项式生成模块运用基数排序法减少排序周期数。　　最后，本文完成了SNTRUP算法系统功能仿真和FPGA板级验证，实验结果显示功能正确。该算法系统最高工作频率可达278MHz，执行密钥生成、封装与解封装分别需1202.6μs，65.3μs及259.4μs，资源消耗了30个DSP、12360个LUT、5905个FF及15个BRAM。与同类设计相比，本系统性能与资源开销均具有一定的优势。

关键词： 机械臂   硬件设计   软件开发   多模态感知   柔顺控制  

摘要： 与传统的工业型机械臂相比，服务型机械臂的主要优势就是具有高度的人机交互能力。为了有效地辅助人类工作，机械臂必须具备柔顺控制和多模态信息感知等基础能力。因此，本文从多模态感知机械臂平台设计入手，设计并搭建了具备多模态信息感知的机械臂硬件集成方案与软件架构，同时对所使用的七自由度Sawyer机械臂进行运动学分析，在此基础上提出了相应的控制器使得机械臂能够表现较好的柔顺性能，并在仿真和样机中均进行了验证实验。本文主要内容如下：　　(1) 根据 Sawyer 机械臂的功能及多模态信息感知的实验要求，第二章完成了对六轴力传感器的物理部署与性能验证测试、相机的标定与测试实验，并实现了力传感器、相机、夹爪与Sawyer机械臂的实时通信，搭建了具备多模态信息感知的系统平台。　　(2) 根据第二章所选型的七自由度 Sawyer 机械臂，对其进行坐标系的建立并根据DH(Denavit-Hartenberg)法完成正运动学建模。同时利用矢量积构造法完成对Sawyer机械臂雅可比矩阵及其导数的求解，并在仿真和样机中对其雅可比矩阵进行了验证实验。进一步的，利用雅可比矩阵完成对机械臂逆解的求解。最后，对所使用的机械臂末端姿态转换和位姿插补进行了分析。　　(3) 提出机械臂柔顺控制框架。首先分析反馈线性化方法对于系统稳定性的影响，在仿真中实现对Sawyer机械臂的关节线性控制;同时对阻抗控制进行了仿真验证，并设计了关节线性控制、阻抗控制及两者结合的对比试验，阐述关节线性控制框架的优越性。　　(4) 设计样机实验验证柔顺控制的效果，主要包括视觉伺服抓取、碰撞恢复以及基于力控的白板擦拭实验，通过实验的性能表现来评判所设计的多模态感知平台与柔顺控制框架是否满足要求。

关键词： 生化需氧量   在线监测仪   微生物膜反应器   应用测试   硬件设计   软件设计  

摘要： 生化需氧量（BOD）是地表水和大部分工业废水的必测指标,最能直接反映水体受到有机物污染的程度。现有的部分快速BOD测定仪存在开发成本高、检测时间长或维护流程复杂等问题,无法长期应用于水质自动监测工作中。本研究以原位微生物膜反应器方法为检测原理,基于Lab VIEW开发环境设计可视化的上位机界面,以C语言为编程基础,采用STM32F103RCT6芯片为仪表的控制核心并嵌入Free RTOS实时操作系统,开发了在线生化需氧量监测仪且对其开展了一系列的应用测试,实现了自动化原位培养微生物膜、自动标定及快速测定BOD的功能。本研究成果将为低成本水质在线监测仪表研发提供一定的技术支撑。 主要研究内容及结论如下: （1）在线生化需氧量监测仪的硬件设计:为了控制生物分析的稳定性,设计并制作了集加热、曝气及检测于一体化的恒温水浴装置,解决了温度波动对BOD测量产生的干扰问题。在此基础上,研制了24 V低压控制的加热电路板,有效实现了水电分离,增强了仪表的安全性和可维护性。针对实际应用中水样的浓度差异,依托非接触式液位传感器,设计并制作了体积可调的取样过滤装置,最大程度上满足了不同浓度水样的稀释需求。进一步地,以STM32F103RCT6芯片为主控核心,设计了仪表的电压转换、数据采集与通信及硬件器件控制等功能电路,并对其进行集成化和模块化布局,优化了电路的整体性能。通过结合上述的恒温水浴装置和取样过滤装置,完成了在线生化需氧量监测仪的样机搭建。 （2）在线生化需氧量监测仪的软件设计:依托Keil MDK5 u Vision5集成开发环境,将Free RTOS实时操作系统嵌入仪表主控芯片,完成了水浴控温及数据采集与传输等核心功能任务的程序设计,并通过合理组合与逻辑优化,实现了自动化原位培养微生物膜、自动标定及快速测定BOD的功能需求。此外,基于Lab VIEW软件设计了操作简便的可视化上位机界面,实现了仪表与上位机之间的信息交互。 （3）在线生化需氧量监测仪的应用测试:通过结合上述的软硬件设计,对仪表的水浴控温及加样控制等任务开展了单项测试,确保仪表在各项功能上表现出良好的性能。进一步地,对仪表进行了实际应用测试。测试结果表明,仪表自动化培养稳定微生物膜仅需14天,微生物膜的生物降解效率可达到20.44%,且对BOD含量分别为2.0、4.0、6.0、8.0和10.0 mg/L的GGA标准溶液相对误差分别是3.47%、11.88%、-0.81%、-0.52%和-3.01%,相对标准偏差分别为6.69%、6.42%、5.45%、4.24%和4.19%。此外,在连续30天的应用测试中,实际水样测试准确度相对国标BOD5方法误差范围为-4.70%～15.44%,表明仪表在实际应用中展现出了较好的准确性和稳定性,能够长期应用于水质自动监测工作中。