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关键词： 北斗卫星导航系统   监控系统   硬件设计   软件设计  

摘要： 我国不仅有广阔的陆地面积,还有十分辽阔的海域面积,尽管海域面积仅有陆地面积的1/3,但其面积值也以达到了300万平方公里。辽阔的海域致使我国的海上交通具有航行范围广、船舶的密度高以及流量大等特点。由于陆地资源有限,使得大家将目光转向对海洋资源的开发,我国的经济结构也转向对海洋经济的发展,越来越多的人员参与到海洋事业中。由于海洋环境具有的多变的特点,使得海洋生产工作具有一定的危险性,并且海上事故的发生具有灾难性以及突发性的特点。很多海上事故发生后由于不能准确的确定遇险船舶的位置,使得船舶上工作人员的生命和财产安全得到保障,所以急需建立一个船舶监控管理系统。该系统能够实现对船舶位置的精确定位,当岸上监控中心收到船舶的报警信号后,能通过该系统对船舶位置进行查询,并且通过该系统能够查询船舶航行时的一些实时参数,便于岸上监控中心日常对船舶的监管。北斗卫星导航系统作为我国自主研发的卫星导航技术,自从2012年其正式运营以来,在各领域的发展极其迅猛,其特有的短报文通信功能与精准的定位导航技术相结合为船舶航行领域提供了极大的便利和安全保障。目前,航海领域使用的较多的导航和通信方式为:美国的GPS和海事卫星,依照北斗的发展趋势,北斗终将取代他们并在中国境内广泛使用。基于此,本文设计与开发了一种基于北斗的船舶监控系统。本设计主要包含两大部分,一是对船载装置的设计,该部分采用的是基于ARM Cortex-M3为内核的STM32F4作为整个船载硬件系统的核心模块,北斗定位模块、以及北斗天线模块都是通过RS232串口与其进行连接的,中央处理单元(STM32F4)可对船舶的位置信息及一些基本数据进行处理、打包、封装,并且能够响应岸上监控中心的指令,然后将处理好的信息返回给岸上监控平台。本设计选用了UM220-III N型定位导航芯片、数据采集模块以及三模一体用户机来实现对数据的获取以及传输,对于船载装置的软件开发使用Keil uVision,进行对这部分功能实现的程序编写。二是对岸上监控平台的软件设计与开发,系统的开发环境是Visual C++,在桌面上开发出基于C/S架构的应用程序,主要能够实现对船舶的位置以及航行时的一些参数信息进行实时的监控和管理。整个系统的充分利用了北斗卫星的定位功能和其短报文通信功能。最后,通过对硬件模块下载软件程序实现硬件模块的正常运作,硬件模块的各部分能实现其功能,硬件模块返回的数据也能在监控界面上显示,该监控系统能满足设计的基本要求。

关键词： 多相多随机采样   压缩感知理论   硬件电路设计   模拟信息转换器  

摘要： 压缩感知理论（Compressed Sensing,CS）作为一种新兴的理论依据,避开了传统奈奎斯特采样频率的限制,指出针对稀疏性信号,采样频率即使没有达到奈奎斯特频率的要求也能通过算法实现信号的高概率重构,为日益普及的超带宽和高频领域技术提供了新的应用思路。模拟信息转换器（Analog-to-information Convertor,AIC）便是以压缩感知理论为基础的一种采样压缩装置。目前业界对AIC的研究大多停留在数学和理论层面,缺乏对实际硬件电路的设计和仿真,阻碍了AIC电路的投入使用。本文以一种名为多相多随机快速傅里叶变换AIC的方案进行AIC电路的设计和仿真,测试和验证AIC实际电路的功能并得出相关的参数指标。本文研究的主要内容及创新点如下:1)本文从硬件电路设计的角度入手,以随机解调为基本框架,搭建新型多相多随机快速傅里叶变换AIC。该AIC采用时钟信号分频后控制多条支路ADC的结构,其性能与支路数量挂钩,使得整体AIC电路在硬件设计方面的优化和拓展更为方便。模块化的子电路也使得系统结构较为简单,易于设计实现。本文通过数学演算得出了该AIC方案的可行性,并推导出其采样信号恢复所需要的观测矩阵和感知矩阵,为后文的仿真验证打下基础。2)在MATLAB上搭建理想的多相多随机快速傅里叶变换AIC实现模型,选择适当的重构算法,验证该AIC方案的可靠性。通过多次实验,对比传统的随机解调方案的同时,得出理想条件下该AIC电路的性能指标,作为后文与实际设计硬件电路的对比依据。3)本文采用UMC65nm工艺库,在Cadence IC616仿真软件上,从晶体管到版图级别对改良AIC进行电路设计,实验仿真验证该AIC的功能,并得出具体的参数指标。本文成功设计了一个十支路AIC电路,其最大工作频率为2GHz,采样信号长度为10,可实现对最大稀疏度为4、最小分辨率为32MHz的信号的压缩采样和无失真重构。本文提出了一种新型的AIC实现电路方案,并成功搭建和设计该AIC的硬件电路。与传统的随机解调AIC方案相比,多相多随机快速傅里叶变换AIC具有结构简单、精度高、稳定性强、拓展性宽等特点。通过对改进AIC电路的设计仿真,验证了该AIC具有一定的实用价值。同时与理想AIC模型的实验参数进行对比,总结出了AIC在实际硬件电路设计上所需要注意的问题,并指出未来AIC电路设计上可能进行优化的方向,为压缩感知理论在硬件电路上的实现研究提供一定的参数依据。

关键词： 宽带通信   高速采集   SDR平台   高速串行总线   光纤数据收发  

摘要： 随着通信系统向硬件统一化,软件模块化、可重构等方向深入发展,满足多制式解调的宽带通信系统获得了广泛的应用。现代通信系统的硬件大多采用高性能等级的FPGA芯片搭建硬件平台来满足对多制式全数字解调硬件的兼容性和可扩展性,或是应用软件无线电技术(SDR),通过宽带高速采集处理硬件获得基带信号流,再由计算机软件来实现后续的解调通信功能。本文针对某课题具体研制需求,设计了一款双输入通道的宽带信号矢量解调平台,其一是以中频720MHz、带宽400MHz为输入信号的全数字解调平台,其采样率达到2.88GHz;其二是以140MHz、带宽70MHz为输入信号的软件无线电解调平台,其采样率达到560MHz,并且都通过PCI Express总线与上位机进行数据互联。论文的主要内容包括:1.针对宽带矢量解调平台的设计指标,对平台各主要部分的功能需求进行了理论分析,并完成了平台整体架构的方案设计分析。2.对全数字解调平台的设计。根据低中频解调技术,主要分为高精度信号采集单元、矢量中频信号处理控制单元以及高速解调数据传输单元,包括了输入信号调理通道的设计,宽带采样及时钟电路的设计,矢量中频处理的控制参数配置设计,基于ISERDES和OSERDES技术的高速FPGA芯片间数据流收发设计,基于PCI Express总线模块的解调数据传输,以及模块硬件电路设计等。3.软件无线电平台的设计。主要分为输入信号调理通道及抗混叠滤波器的设计,采样及时钟电路设计,数字中频预处理单元的接口电路设计,匹配滤波器设计,板载的数据存储设计,以及基于SFP+光模块的光纤收发设计等。4.论文最后对平台的采集、高速传输接口性能、功能配置及整体性能进行了测试验证,对结果分析表明论文设计的解调模块其信噪比、无杂散动态范围、上传速度等指标和多种制式解调功能达到设计预期,验证了整机硬件设计方案的正确性。并对比分析了两种通信平台各自的特点。

关键词： 永磁同步电机   矢量控制   PI控制   单神经元   硬件电路设计   MPC5744P  

摘要： 永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motors,PMSM)因其高功率密度、高效率、高可靠性等诸多优点,广泛适用于现代控制系统,对永磁同步电机控制系统的开发及研究具有广阔的应用前景。本课题基于Simulink模型,利用基于模型的设计方法,将数值仿真与试验验证相结合,对永磁同步电机的控制技术进行研究,设计并制作了电机控制硬件电路板及控制系统软件程序。主要研究内容如下:1.简要介绍了永磁同步电机的控制方法及国内外研究近况,阐述了本文的选题目的及意义。分析比较了永磁同步电机相比于其他种类电机的优势并建立了永磁同步电机在三种坐标系下的数学模型。2.对电机控制系统进行布局,详细分析了矢量控制策略的具体实现步骤及电压空间矢量策略(SVPWM)的实现方式。在控制算法上,针对传统PI控制器在复杂的电机控制系统中参数无法自动调节、可能存在的稳定性及鲁棒性问题,设计了一种改进的单神经元PI控制算法。该算法结合了单神经元算法的自适应性及PI控制算法的简洁性,并在此基础上进一步对算法进行改进,使单神经元算法的学习速率可以随电机转速的变化自适应变化,有效地实现了控制器P、I参数的自适应调整并减小了电机转速变化时的超调量。3.在MATLAB\Simulink环境中搭建永磁同步电机控制系统仿真模型,利用该模型对本文设计的电机控制系统及相应的控制算法进行仿真验证。并在该模型的基础上,利用Real-Time Workshop Embedded Coder工具,将验证有效可行的控制算法模型生成嵌入式系统可读的C代码。4.基于恩智浦公司开发的汽车级单片机MPC5744P设计并制作永磁同步电机硬件电路控制板,并在软件S32 Design Studio中对单片机的底层驱动进行了开发。之后,在该编译器中整合单片机底层程序及由Simulink中自动生成的电机控制程序代码,完成了永磁同步电机控制器的软硬件设计。5.搭建永磁同步电机控制系统试验平台,对本文设计的硬件控制器及相应的控制算法进行验证,根据对实际试验的结果的分析比较,验证了本文开发的永磁同步电机控制系统的可靠性及有效性。

关键词： OFDM   FFT并行计算   量化误差   QPP交织器   列表译码   turbo码   卷积码   硬件设计  

摘要： 正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)在多载波传输体制中具有基础性的地位。在以LTE-Advanced、IEEE 802.11ac/ad/ay为代表的宽带无线通信标准中,OFDM是实现高速信息传输的使能技术。以此同时,随着物联网(Internet of Things,IoT)的不断发展完善,OFDM也被3GPP标准化组织遴选为IoT底层机器类型通信(Machine Type Communications,MTC)的解决方案之一。快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)和信道译码被认为是OFDM系统的关键技术:OFDM信号的解调需要通过FFT来完成,而信道译码是提升信息传输可靠性的主要手段之一。因此,设计高效的FFT解调和信道译码算法及硬件结构对采用OFDM技术的实际通信设备具有重要意义,同时也是学术和工业界持续关注的热点。本文的研究正是围绕这一问题展开,主要工作和创新点包含以下方面:首先,对于目前带宽达数百兆乃至上千兆赫兹的OFDM信号,FFT需要以并行计算方式来完成信号的高速解调,如何以较低的硬件代价来实现具有并行处理能力的FFT计算单元便成为OFDM系统需要解决的关键问题。以此为出发点,论文首先对离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform,DFT)矩阵进行细粒度分解,在此基础上推导得到了新的FFT并行计算方案。进而在设计并行流水线硬件结构时,利用折叠变换的电路分析方法来对运算操作和硬件资源进行合理调度与分配,提出了混合抽取多路延迟反馈的FFT硬件实现方案。在不影响吞吐量和计算时延等关键指标的前提下,所提硬件结构有效融合了现有设计方案的优势,即所消耗的存储资源与多路延迟反馈结构相同,同时占用的计算资源与多路延迟换向结构相当,总硬件资源开销大大低于现有方案。其次,计算结果的信号与量化噪声功率比(Signal-to-Quantization-NoiseRatio,SQNR)是FFT硬件方案设计要考虑的重要指标之一。由于数据控制结构易于实现,radix-2算法是目前FFT硬件设计主要遵循的计算方法。为使研究更具普适性,论文首先对radix-2算法的计算方式进行扩展而提出更通用的混合radix-2算法,并采用矩阵形式对其信号流图进行了严格描述。进而在数据位宽动态变化的定点运算方式下,对混合radix-2FFT算法量化误差的统计特性与传播方式进行建模,推导出了计算结果SQNR估计表达式并进行硬件测试验证。实验结果表明,所提方案给出的SQNR估计值能很好地与实测结果吻合,充分验证了建模过程的合理性。注意到对于采用混合radix-2算法的FFT流水线结构,算法阶数和数据位宽的设置将同时影响其硬件资源消耗和SQNR性能,此时硬件复杂度与计算准确度的有效折衷需要通过合理的参数选择来实现。为此论文进一步分析了混合radix-2算法在在不同流水线结构下的硬件资源需求,提出基于模拟退火启发式搜索的算法阶数与数据位宽联合优化方法。相比于仅考虑数据位宽优化的已有参数选择方案,所提联合优化方法能够以同样的硬件资源开销使FFT计算单元获得显著的SQNR性能提升。在信道译码的研究方面,论文首先考虑了在OFDM宽带无线传输系统中广泛应用的turbo码。交织器在turbo码译码器内用于控制并行软输入软输出(Soft Input Soft Output,SISO)译码单元对外信息的访问。在高并行度下,交织地址的伪随机性给迭代译码过程中外信息的无冲突存取带来了挑战,同时交织器的实现也将具有极高的硬件复杂度,这些问题成为高吞吐量turbo码译码器设计亟待突破的瓶颈。论文以广泛应用的二次置换多项式(Quadratic Permutation Polynomials,QPP)交织器为研究对象,首先研究了在QPP交织方式下,以不同译码策略工作的并行SISO译码单元与外信息存储模块之间的数据传递方式,基于此设计了满足无冲突数据存取的外信息存储方法。所提方案能够适应译码器并行度的改变,且能支持SISO译码单元所采用的各类译码策略,解决了现有方案仅适用于单一译码策略的问题。另一方面,论文利用QPP函数的代数性质来对交织地址的产生和外信息并行读取过程中的算术运算和逻辑操作进行简化,提出了低复杂度并行QPP交织器硬件结构。和已有的QPP交织器实现结构相比,所提方案除了具有更低的硬件复杂度外,还同时适应SISO译码单元所采用的不同译码策略,具有通用性。卷积码是基于OFDM传输体制的MTC设备所采用的信道编码方案。提升译码器的纠错能力是改善MTC设备接收灵敏度、增强其覆盖能力的有效手段之一。相较于Viterbi算法,列表译码算法作为另一类卷积码译码方案以其更优的

关键词： 智能相机   工业检测   嵌入式GPU   图像传感器  

摘要： 随着“工业4.0”时代的到来,传统制造业迎来了技术的升级与变革,工业生产更加趋向自动化、智能化。随着机器视觉技术的发展,基于机器视觉的工业检测系统广泛应用于模切、印染、钢铁等大型制造业领域。然而,现有的工业检测系统集成度低、结构复杂,不利于工业现场推广使用。因此,研发小型化、低功耗、高集成度的新型工业检测智能相机系统,具有较高的工程应用价值。为此,本文针对模切工件生产应用场景,研究开发了基于嵌入式GPU的工业检测智能相机硬件系统。系统通过线阵图像传感器采集模切工件图像,使用FPGA对图像数据进行接收、缓存与转换,再通过PCI-E总线发送给嵌入式GPU;GPU对数据进行特征分析与缺陷判定,从而实现模切工件尺寸检测与缺陷检测功能。此外,智能相机系统外扩HDMI接口和USB接口,用于检测图像的实时显示与人机交互;扩展千兆以太网接口,用于检测图像的上传与本地存储。测试结果表明,本文研究开发的工业检测智能相机系统可稳定、可靠工作。目前,系统样机已完成基本功能调试,达到了设计要求。

关键词： MC9S12D64   公路交通灯   硬件设计   软件设计   课程设计  

摘要： 由于《单片机原理及应用》课程内容抽象实践性强,导致学生难以掌握。本文通过汽车电子技术实验台开设一个课程设计即基于飞思卡尔单片机MC9S12D64对公路交通灯控制系统的仿真设计,学生通过对系统的硬件与软件的设计。使学生对飞思卡尔单片机知识经历了从不会、认识、熟悉到掌握的过程,并提高了综合性设计能力和培养了创新意识。通过此课程设计学生得到了各方面训练并能综合运用课本知识,对飞思卡尔单片机课堂教学改进进行了探讨。

关键词： 坐标旋转数字计算方法   快速傅里叶变换   素数因子算法   硬件设计  

摘要： 近年来,随着科技不断发展,数字电视地面广播一直是无线通信邻域关注的热点之一。2006年,我国发布《数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制》(DTMB)标准。DTMB系统采用TDS-OFDM(正交频分复用)技术。在该系统中,3780点FFT(快速傅里叶变换)算法是重要组成部分。本文对DTMB系统进行分析,设计3780点FFT处理器,并采用CORDIC(坐标旋转数字计算方法)算法实现FFT中的复数乘法器。本文工作包括以下几个方面:1.对CORDIC算法进行研究,从减少迭代次数入手,将双步免缩放因子CORDIC算法中部分迭代方式进行合并,最后结合多种CORDIC算法给出用于计算正弦和余弦值的一种实现架构,并使用Verilog语言进行代码编写,使用MATLAB进行数据分析,验证其正确性,并将CORDIC算法与复数乘法对比,将给出的实现架构使用到FFT算法中,用于实现两个复数相乘。2.对3780点FFT算法进行研究,将3780点分解为27点和140点两个部分,将大点数非基-2 FFT算法转换成小点数FFT算法进行计算。27点部分使用基-3算法进行运算。140点部分使用素数因子算法进行计算,在计算时使用RADER算法和Winograd算法结合,并将CORDIC算法加入到该部分中,使用中国余数定理结合MATLAB确定各级数据调整方式。用MATLAB验证结果正确性。3.根据MATLAB确定的实现方式,制定硬件实现架构,并使用Verilog语言进行代码编写,使用MATLAB进行数据分析,确定设计架构可行性,计算结果满足DTMB要求。将设计后的代码在Quartus Ⅱ中进行综合,在EP2C70F89C6 FPGA 芯片上综合结果为:Total combinational functions 使用量为 18513;Dedicated logic registers 使用量为 12405;Total memory bits 使用量为 543592。

关键词： 自主式水下航行器   推进系统   硬件设计   软件开发  

摘要： 21世纪是人类向海洋进军的世纪。深海作为人类尚未开发的高技术领域之一，已经成为各国的重要战略目标，也是近几年国际上激烈竞争的焦点之一。自主式水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle,AUV）的主要作用是作为一种潜水设备和运载工具供人类在利用海洋的过程中进行综合考察和研究并完成多种作业任务。AUV推进系统负责AUV在水下的推进和航向控制，其性能直接影响AUV控制系统对其姿态、运动控制效果。因此设计一套安全可靠的AUV推进系统，确保AUV在水下稳定工作，成为AUV设计中的一个关键问题。　　本文旨在对AUV推进系统进行相关设计及研究。论文首先提出了课题的研究背景及意义，介绍国内外AUV的研究现状和发展趋势。随后，在整体确定AUV推进系统设计方案的基础上，从结构设计，硬件电路，底层软件，运动控制算法几个方面详细讨论具体设计过程。其中，重点研究AUV推进系统硬件驱动电路。　　在AUV推进系统结构设计中，通过对推进器结构工作原理、数学模型等分析，完成一体化推进器结构的设计。硬件驱动电路的设计分为主推电机电路和航向舵机电路两大部分，以DSP28335为控制芯片，分模块对驱动电路、参数检测电路、保护电路作详细设计。采用分布式CAN总线方案与AUV主控单元通信，具有良好的传输速率和扩展性。底层软件的设计基于CCS开发环境，将嵌入式实时操作系统uC/OS-II移植到到DSP平台，并提出AUV推进系统的多任务设计。　　在AUV推进系统结构、软硬件设计完成的基础上，对运动控制算法进行了研究，在对各种控制算法的比较中，选择了鲁棒性更好的PID控制算法。对推进系统的功能测试验证了其可行性，同时通过对搭载此系统的AUV样机的湖试、海试，验证了AUV推进系统的稳定性。本设计方案达到了预期设计目标。

关键词： 无线通信   自组网   到达时间差   TDMA调制   硬件终端  

摘要： 本文针对“在任何时间和任何地点都可以和外界保持联系”的问题,利用自组网技术,旨在研发一款操作能力强、用户功能多的移动AdHoc手持终端系统。整个系统设施简单易携带,可以不限环境、不限地点,随时随地自由组网,且用户通过软件切换就可以调节系统的组网模式和相关参数。该通信系统硬件设备包括手持终端主体、射频天线模块和头戴式耳机麦克风二合一送话器与头戴式摄像头等外围配置装备。论文的主要工作如下:（1）把握使用情景,分析系统功能需求,结合用户使用习惯,实现移动Ad Hoc手持终端的硬件设计,其中包括需求分析、芯片选型、功能模块设计、元件封装电路绘制、终端整体布局设计和制板等工作,旨在研制出系统硬件终端实物。（2）深入研究基于抵达时间差（TDOA）的高精度无线定位算法,着重论证三种TDOA定位算法——LS算法、Taylor级数算法和查恩算法,仿真模拟三者性能,最终选择查恩算法作为终端定位算法,并通过卡尔曼滤波就其在非视距条件下噪声干扰更大进行优化。在实现全球卫星定位功能的基础上,完善手持终端定位模块的功能体系,实现接入同一自组网的各节点能相互高精度定位。模块的定位精度争取严格控制在米数量级以下。（3）重点关注TDMA组网方式,通过利用卫星接收模块的1PPS优化改进自主研发的基于TDMA的网络自组方案。