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摘要： 随着汽车科技的不断发展，汽车智能仪表系统作为车载信息交互界面的重要组成部分受到了越来越多的关注。智能仪表系统能够以数字化的方式显示车辆的关键信息，为驾驶者提供所需的实时数据和功能。其中，硬件电路设计起到了关键的作用，决定了该系统的性能和稳定性。

关键词： 中子发生器   智能控制系统   硬件设计   程序设计  

摘要： 中子发生器作为一种小型的加速器中子源，具有轻便、可移动、使用安全等诸多优点，其产生的快中子能量单一、产额高、可控性强，被广泛地应用于石油测井、煤质分析以及医疗器械制造等领域当中。现有的中子发生器多使用大体积控制台对中子管进行调控，其内部电路线路冗长且抗干扰能力差，系统对驱动电源与中子产额的调控精度、稳定性不足，控制调节过程智能化程度低。这些问题不仅影响了中子发生器的控制性能，也减少了中子发生器的使用寿命。本文依据中子管的特性和控制需求，从硬件、软件及控制算法方面对中子发生器控制系统进行了设计与针对性改进，主要工作与创新如下：　　（1）在硬件设计方面，以32位高性能微控制器作为控制核心，设计紧凑型控制核心电路板与防高压放电干扰的隔离驱动电路板，实现对三路驱动电源电能信号的采集、对储存器和离子源电源的高精度DA控制输出以及对加速极电源的PWM控制输出。紧凑型电路板与中子管采用一体式设计，提高了线路的可靠性与稳定性;隔离式驱动板提高了核心电路的抗干扰和抗击穿能力;同时，为解决输出控制信号不稳定、易受温度与噪声影响而产生波动的问题，设计单独的抗干扰高精度电压基准电路，保证了DAC芯片电压输出的精度与稳定性。　　（2）在STM32单片机控制程序设计方面，使用CubeMX软件完成了对芯片的基础程序配置，并在Keil提供的ARM-MDK环境中完成了单片机串口通讯、定时器PWM输出、光耦继电器控制程序的设计。设计程序直接读取高精度免校准电能计量芯片的电源电能测量电压、电流数据，提高了采集数据的准确度;通过软件模拟SPI通信实现了控制12位DAC芯片调节电压输出，提高了对储存器、离子源电源电压控制的精度。　　（3）对中子发生器离子源阳极电流值的控制是调控中子产额的关键，本文设计了基于BP神经网络PID的离子源阳极电流控制算法，优化了这一重要控制过程。使用MATLAB中的Simulink仿真工具对BP神经网络PID控制调节离子源阳极电流的过程进行仿真，并与传统PID控制方法进行对比分析，验证了BP神经网络PID控制算法的有效性。设计功能完备的LabVIEW上位机监控界面并在上位机程序设计中实现了BP神经网络PID控制，解决了传统P1D控制调节离子源阳极电流稳定时间长、控制稳定性不足、PID参数需多次人工调整的问题。　　本文对所设计中子发生器智能控制系统的性能进行测试：对储存器电源、离子源电源、加速极电源进行电压控制测试，三路电源电压的可调节范围均满足系统设计要求，测试平均调节精度分别为2.05mV、0.73V、0.046kV,控制误差均小于±0.3%。系统通过控制离子源阳极电流值完成了对中子产额的线性调节，中子产额在120min的稳定性测试中波动幅度稳定控制在±0.4%以内，调控性能领先行业平均水平，满足设计要求。

关键词： 矢量信号发生原型系统   FPGA   硬件电路设计   CX8242K射频芯片  

摘要： 矢量信号发生器在通信系统的设计与仿真中扮演着关键角色,是通信与通信对抗研究不可或缺的基本组件。它在雷达、移动5G通信、卫星通信等多个领域均有着广泛的应用。随着中美科技贸易战的加剧,高性能射频收发芯片面临禁运与技术封锁。因此,研究基于国产射频收发芯片的矢量信号发生原型系统具有重要意义。 本论文设计的矢量信号发生原型系统的硬件方案采用ARM协处理器+FPGA+射频收发芯片的架构,用于实现大带宽的矢量信号发生原型系统。其中,ARM协处理器采用Xilinx公司的ZYNQ7020,FPGA采用Xilinx公司的XCVU13P型FPGA,射频收发芯片采用杭州城芯科技公司的CX8242K型芯片。CX8242K是目前国内量产的高性能射频收发芯片,上海复旦微电子目前已经具备管脚兼容的ZYNQ7020芯片,此外管脚兼容的XCVU13P芯片已经研发出来,但并未量产。现阶段本系统主要为了验证CX8242K芯片的射频性能和软件系统开发,因此,ARM协处理器与FPGA芯片目前还采用进口器件,后期再换成国产芯片方案。此外硬件方案中的电源、时钟缓冲、内存等芯片都具备国产替换芯片。 矢量信号发生原型系统的软件系统由上位机软件、AWGN信号发生模块、调制信号发生模块组成。其中,上位机软件与ZYQN7020芯片通过串口进行交互,进行参数配置,AWGN信号以及2ASK、MPSK、2FSK、16QAM等调制信号发生模块在VU13P芯片中实现,生成的基带数字信号通过JESD204B协议发送给CX8242K射频芯片,最终输出矢量射频信号。 测试结果表明,该矢量信号发生原型系统可以产生AWGN信号、扫描干扰、梳状干扰以及调制信号。通过频谱仪对信号的EVM和眼图等指标进行测量,结果表明生成的矢量信号质量较好。因此,基于国产CX8242K射频收发芯片的矢量信号发生原型系统具有一定的实际应用价值。

关键词： 循环神经网络   变体   忆阻器   硬件电路设计   荷电状态估计  

摘要： 近年来,循环神经网络及其变体在深度学习领域得到了广泛的研究和发展,并在动作识别、场景标记、语言处理、情感分析和预测等多个领域展示了广泛的应用前景。然而,目前大多数循环神经网络仍主要依赖于基于冯·诺依曼计算结构的传统软件平台进行实现,在计算速度、内存容量、能耗和编程难度等方面存在诸多限制。同时,目前硬件架构实现的循环神经网络存在高复杂性和功耗、大内存需求、慢并行计算速率以及低灵活性和低可扩展性等问题。因此,如何设计灵活、节能的循环神经网络硬件电路,显得十分迫切和必要。由于第四种基本电路元件忆阻器具有优异的非易失性、超低功耗、纳米级结构和易于集成等特点,将大量忆阻器组织成交叉条阵列,可以实现内存并行计算,而且功耗极低。基于此,本文在“器件-电路-系统”框架下,提出了一种基于忆阻器的循环神经网络硬件电路设计方案,主要的研究内容包括: （1）器件层面:针对忆阻器制备过程中存在的工艺优化、尺寸效应与集成度等技术壁垒问题,以及基于忆阻器的神经形态计算系统对器件本身一致性和稳定性要求较高,本文通过深入研究一种实物忆阻器（Ag/Ti Ox/Ti忆阻器）的电化学特性,明晰了其内部阻值转换的机理并构建了对应的忆阻器数学模型和电路模型。该工作为后续构建具有实物忆阻器特性的通用忆阻器模型提供了参考依据,同时也为忆阻器与神经形态计算系统的深度融合建立了一定的模型基础。 （2）电路层面:针对当前基于忆阻器的循环神经网络电路设计方案存在密集不可配置等问题,本文认识到循环神经网络的多样性使得现有基于忆阻器的方法在通用性和灵活性方面存在不足,进而可能导致额外资源消耗。同时,这些方法缺乏完整的电路描述、前向/后向推理过程的明确定义以及具体的功耗数据。与现有的基于忆阻器设计的循环神经网络电路不同,本文提出了一种基于权值调整电路和非线性激活函数电路的灵活方案,它能以更小的功耗实现循环神经网络及其变体。 （3）系统层面:为验证所提出的基于忆阻器的循环神经网络电路的正确性和有效性,本文将设计的循环神经网络电路用于锂离子电池的荷电状态估计。同时,该方法能够有效解决目前基于数据驱动的锂离子电池荷电状态估计方法存在的高计算负担、高延迟且无法在实际车辆运行过程中进行实时估计等难题。这项工作有望整合神经形态电子学和电池管理系统,进一步推动智能城市中电动汽车的发展。

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： 数据采集   PXIe总线   小波去噪   低噪声  

摘要： 近几年,随着市场对无线带宽的需求和对终端设备低功耗的要求,使得现代电子设备逐渐向高速和低功耗方向发展,工程师对于微小信号的测量需求不断增加,8bit分辨率的示波器提供的精度已经无法满足现代电子设备的测量需求,因此,10bit和12bit分辨率的示波器开始成为市场的主流选择。高分辨率的示波器对于系统噪声的要求也越高,如果系统噪声过大,则会导致示波器的有效位数过低,无法对分辨率进行充分利用。对于系统噪声,除了在硬件上进行控制之外,还可以通过算法来减小噪声。因此本文重点在于低噪声模拟通道的设计,以及FPGA中滤波算法的设计,综上所述,本文具体研究内容如下: 1、通过对模拟前端噪声来源进行分析,设计了可变增益放大电路、ADC驱动电路、时钟电路以及电源电路。实现了在20m V/div档位下,低于600u V本底噪声的调理通路。 2、根据功能和指标要求,设计了ADC数据接收模块、触发模块、深存储模块的逻辑代码。 3、设计了分解层数可控的小波去噪模块的逻辑代码。解决了小波去噪代码设计中遇到的位宽失配和小波阈值的实时性计算问题。该模块可将本设计的有效位数提高近1.5bit。 通过对上述内容的研究和设计,完成了基于PXIe的低噪声高精度采集模块的设计与实现,该模块具有250MSPS采样率、100Mhz带宽和14bit分辨率,在20m V/div垂直档位下的本底噪声仅为508u V,在开启小波去噪功能时,有效位数高达11bit。

关键词： 插件式框架   农业气象灾害   服务保障系统   功能设计   硬件设计  

摘要： 农业气象灾害是制约农业生产的重要因素，传统的预警和评估方法难以满足现代化农业的需求。本文针对现有系统集成度低、扩展性差的问题，提出了一种基于插件式框架的农业气象灾害服务保障系统。该系统通过模块化设计，实现了气象数据监测、灾害预警推送、灾害损失评估和农业生产建议等关键功能。硬件设计上，该系统采用了高性能服务器、数据存储设备、传感器网络和专业气象监测仪器，确保了数据的实时采集与处理。经过严格的功能与性能测试，系统展现出了良好的稳定性和实用性。