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关键词： 工程机械控制器   硬件设计   CANopen协议   传输性能  

摘要： 随着我国工业化和城镇化进程的不断加快，工程机械设备的需求量日益增加。工程机械设备现已广泛应用于城镇建设、交通运输、矿山开采、国防建设等领域，成为国民经济建设的重要设备。工程机械控制器是工程机械设备的核心部件，目前国内中高端的工程机械控制器市场主要被国外厂商垄断，这导致了工程机械控制器价格昂贵、后期维护能力差、供货周期长，而传统控制器又不能够满足现代化工程机械的控制要求。　　针对上述问题，设计了基于CANopen的工程机械控制器。首先，根据工程机械控制器的当前现状及实际工作环境，对控制器的功能需求进行分析，给出整体设计方案;然后根据整体设计方案进行控制器的硬件设计，选用Infineon的XC2287M芯片作为硬件平台的核心部件，详细说明系统中各模块的设计过程，并且完成系统原理图和PCB的设计;其次，为了满足工程机械控制器通用性的要求，选择符合IEC61131-3标准的CoDeSys作为控制器的调度核心，进行CoDeSys Runtime的移植和I/O接口配置。控制器采用CAN总线实现与其他设备的信息交换，且将CANopen协议应用于控制系统中，使得通信更加方便快捷。最后，对控制器进行基本功能测试和CAN通信测试。实验结果表明，基于CANopen的工程机械控制器能够实现对不同种类信号进行数据采集和控制。在通信测试中，将CAN接口发送的数据通过45m的线缆传输后用PCANView接收，实验过程共进行100万条数据的传输，无误码现象。

关键词： 纯电动汽车   电机驱动控制   硬件设计   失效分析   可靠性  

摘要： 随着环境和能源问题的日益凸显,许多国家致力于电动汽车产业的发展。作为电动汽车的电机驱动部件,电机驱动控制器的研究受到广泛的关注。通过对电机驱动器国内外研究概况的总结和其控制原理的研究,确定了本文的设计方案和研究内容,设计了一款适合纯电动汽车的高效节能的电机驱动器,并对其可靠性进行分析。本文主要从功率变换主电路、控制电路和驱动电路三个部分进行硬件分析。在功率变换主电路中,研究了逆变电路的工作原理,分析了母线电容对电压脉动和流过其纹波电流的影响;针对上电瞬间形成浪涌电流的问题,设计接触器与预充电电阻并联的预充电电路,提高驱动器的可靠性。在控制电路中,为了提高系统的效率和抗干扰能力,设计高速差分传输的CAN总线接口电路;基于旋变检测转子位置的原理,设计精简的旋变解码电路。在驱动电路中,从驱动能力的角度,加入乙类推挽电路;通过研究密勒电容引起IGBT的寄生开通的问题,采取适当的负栅极驱动电压;考虑IGBT的关断浪涌电压尖峰和开关损耗的折中关系,选择合适的栅极驱动电阻。通过采用以上技术,提高了电机驱动器的可靠性。从功率主回路的失效、功率模块的散热和电磁干扰三个方面对电机驱动器进行详细的失效分析。研究了IGBT关断过程中产生浪涌过电压尖峰的问题,在电路中加入吸收回路进行抑制和吸收,并设计过压、过载和短路失效保护电路以保证高压逆变电路在异常状况下能及时关断IGBT;基于对功率模块的损耗计算,设计可靠的散热系统和过温失效保护电路,提高系统的稳定性;通过对电机驱动系统复杂的电磁干扰环境进行分析并采取抑制措施,提高系统的鲁棒性。在Saber仿真软件环境下搭建电机驱动器中的主要驱动电路,验证了本课题设计的电机驱动器驱动电路的正确性,并搭建原理样机的实验装置,通过对电机驱动器关键单元的性能测试,验证了IGBT具有良好的开关特性以及设计的旋变解码电路的正确性。

关键词： 单片机   电梯控制器   硬件设计   软件设计  

摘要： 随着社会经济的不断发展,高层建筑也在不断增加,因此,电梯成为人们日常出行的一个重要运载工具。本文对基于单片机的电梯控制系统的硬件设计和软件设计进行了详细分析,在较大程度上改善了电梯运行的稳定性与运行精确度,使得电梯运行时间得到进一步所见,并且对电梯控制系统也有较方面的维护与升级。

关键词： 胸部阻抗图   六导联   硬件设计   软件设计  

摘要： 胸部阻抗图,又称为心阻抗图,它是从胸部体表无创伤测量得到的阻抗变化曲线,是人体生物信息检测和分析的热门研究内容之一。胸部阻抗图间接地反应了人体胸腔内部,心脏和各类大血管的容积变化关系,与心血管的生理活动以及病理变化具有密切关联,包含有丰富的心血管活动信息。在临床上,胸部阻抗图可以用于测量心脏功能以及连续监护病患血流动力学变化。该检测技术有诸多优点,无创伤性,重复性好,成本低廉,可连续监测,操作简便等,因此受到国内外临床医疗工作者和生物信息检测工程的广泛重视。本文介绍了胸部阻抗图的测量原理,导出了胸部体表阻抗变化与胸腔内血管容积变化在数值上成正比的关系。这表明,胸部体表阻抗变化与胸腔内血管容积变化的变化规律相似,因而它可以间接地反应胸腔内血管的容积变化。文中还介绍了测量胸部阻抗图的两种方法,测量时有效值恒定的微弱交变电流送入人体胸部,将胸部阻抗转换为电压,经放大、检波后,可分别得到对应于基础阻抗和阻抗变化的电压信号。基于上述胸部阻抗图的测量原理和方法,本文设计了六导联胸部阻抗图同步测量的装置,它主要包括三方面的内容:(1)六导联阻抗信号检测方式:由15个电极组成,电流电极3个(I、I、I’),颈电极6个(E、E、E、E、E、E),胸电极6个(E’、E’、E’、E’、E’、E’)。其中电流电极I为半圆环形,位于头额部,I和I’为心电图方片电极,附着在左、右小腿内侧,且用导线相连。颈检测电极和胸检测电极均为一次性AG/AgCl粘贴性电极,其中颈检测电极E、E、E、E、E、E贴于颈根部,胸检测电极E’、E’、E’、E’、E’、E’贴于胸部体表剑突下缘水平。(2)测量装置的硬件组成:它主要包括交流恒流源、六路结构和性能相同的阻抗检测电路、心电和心音放大器、温度校正电路、直流变换隔离电源、USB光隔离16位A/D采集卡、医用220V交流隔离电源、计算机、显示器、打印机、导联线、心音传感器等。重点解决了两个问题:一是确保人体测量安全;二是心电、阻抗信号的抗干扰问题。(3)采集的软件设计:本软件是在Visual ***平台上用C++语言编程,要求可在Win10、Win7、XP等系统中运行。它主要包括变量和函数的定义、输入人体信息、波形图的同步采集、波形的滤波和微分、波形参数的测量、波形图的显示、数据保存等程序。本文设计可以从胸部体表对称位置同步测量六路胸部混合阻抗变化,为胸部阻抗分离方程组的常数项提供数据。波形重建得到的各阻抗变化分量的波形图可以反应胸腔内心脏和血管的生理活动过程。

关键词： 水声通信   软件无线电   嵌入式开发   OMAPL138  

摘要： 水声通信作为水下唯一远距离无线通信方式,是实现水下综合信息感知与信息交互的主要手段。而水声信道的时延、多普勒双重扩展以及时变特性给高速率高可靠性通信带来了极大的挑战。因此,研发高速水声通信系统具有非常重大的科研意义和实践价值。软件无线电技术的基本思想是以标准化的硬件为通用平台,把尽可能多的通信功能用可升级、可扩展的软件来实现。运用软件无线电技术指导水声通信系统的顶层设计可以简化底层的硬件模块。同时,这为日后通信算法软件功能升级预留了开发接口。本论文融合了软件无线电技术和嵌入式技术,设计并部分实现了一套水声通信系统通用硬件平台。论文的主要工作在于研究了水声通信系统发送端和接收端的各个流程环节,给出了通信参数及仿真验证了通信系统的理论性能。并且,针对水声通信系统需要完成大量的通信信号处理运算以及数据传输控制的特点,采用OMAPL138作为嵌入式开发平台。OMAPL138处理器是一款拥有C6748系列DSP核和ARM9核的双核架构低功耗处理器。其强大的数据运算和信息处理能力非常适合用于高速水声通信系统。此外,基于OMAPL138嵌入式平台,实施了水声通信系统硬件平台的驱动软件开发并分析了系统的工作模式。最后,通过对A/D模块、水声换能器的单独测试,以及在消声水池中整机正弦波形的收发测试,验证了本套水声通信系统硬件平台基础的信息传输能力和良好的工作可靠性。

关键词： 多线程分布式SLAM系统   硬件设计   软件开发   ROS环境  

摘要： 同时定位与地图构建(SLAM)算法以其高精度的定位效果和能够在未知环境中通过传感器获得环境信息的特点，现已成为机器人自主定位导航的关键性技术。分布式SLAM系统结构通过每个有效的观测信息建立多个独立、平行的子滤波器，有效的改善了集中式滤波结构中的向量动态重构导致的容错性能和稳定性能差，计算量大，不利于系统的实时运行等问题。因而通过总结滤波结构和滤波算法的特点，把分布式滤波结构和扩展卡尔曼滤波算法相结合，构建了基于ROS环境的多线程分布式EKF-SLAM系统，并完善和优化了系统性能。该系统主要从多传感器的信息数据采集、系统环境的搭建以及多线程算法的实现三个方面进行了研究和设计。本文的研究内容主要是从以下三个方面进行分析:　　首先，从硬件结构出发，设计了基于多传感器的信息数据采集系统，实现了数据融合的硬件基础。分别对环境感知传感器的激光雷达，磁罗盘以及里程计的通信协议与数据采集方法进行了详细介绍，从而完成了加工对象的数据采集。　　其次，介绍了系统环境的搭建，介绍了主机与stm32底层的通信方式以及机器人操作系统环境的应用，并有效利用cmake编译工具极大的提高了开发效率。　　最后，基于ROS环境的多线程分布式EKF-SLAM系统采用系统模型的分布化处理，将多个有效路标点建立多个线程。形成了相互平行单独构成子滤波器的模型结构，然后将子滤波器的机器人的位姿估计结果通过主线程在主滤波器中进行融合，最后得到机器人位置估算结果。从多线程系统设计、多线程系统实现、多线程算法实现等方面详细介绍了该系统的设计过程，从而实现了数据融合的核心。并通过平台实验对系统的精度和收敛性进行了证明。同时与离线分布式EKF-SLAM算法比较，估计结果可以明确的看出，轨迹更平滑稳定且估计结果一致性和收敛性更好，偏差更小。可见本算法对误差的补偿及机器人动态调整过程中不确定噪声的干扰有较好的估计性能，可以达到较好的估计效果。

关键词： 星载存储设备   文件管理系统   硬件设计   软件开发  

摘要： 随着航天科学技术的蓬勃发展，人们对空间探索的需求逐渐增强，能力也取得了很大提高。由于我国国土范围有限，且不具备在全球范围内布设地面接收站的条件，各种航天卫星在境外（我国接收范围之外）运行时所采集到的数据都需暂时存储于星上，当其过境时才能将数据回放到地面。星载存储设备作为数据回放到地面前的缓冲，其存储性能及可靠性起着至关重要的作用。另外，空间探测技术在不断发展，卫星电子系统采集设备的采样速率及图像的分辨率的日益增长，探测数据的输出带宽也急剧增加，通常大于卫星的下行能力，本课题针对当前卫星的数据管理缺乏灵活性的问题及某微纳卫星的在轨运行情况，对星载大容量数据存储器及文件式管理方式展开预研工作。主要工作分为底层硬件的FPGA设计实现部分和上层软件部分包括驱动程序和YAFFS2文件系统移植两个部分。　　本设计中基于Microsemi公司的SmartFusion2SoC型FPGA芯片，采用VHDL语言，在Libero SoC v11.3平台上对其进行开发。根据NAND Flash芯片的命令、地址及数据的接口时序，设计并实现了型号通用，容量可配的NANDFlash控制器模块。为应对空间环境复杂，NAND Flash工艺结构的局限性而导致数据在存储过程中可能出现的小概率单粒子翻转现象，基于Hamming码在FPGA上设计并实现了硬件纠错与校验算法。该算法便于硬件实现及FPGA具有并行性特点，使其较传统的软件纠错形式更具有实时性，该算法可由512字节数据生成3字节的校验码，可达到1bit/512byte的纠错能力。　　设计并实现了基于AMBA协议中AHB总线接口，使FPGA层模块通过AHB总线挂接在SmartFusion2SoC中的CPU ARM Cortex-M3上;针对片内SRAM资源较少的问题，设计并实现了片外SRAM控制器。上述硬件模块均在ModelSim10.4c仿真工具上进行了仿真且在星载计算机板得到验证。　　在完成底层硬件平台的搭建后，通过SoftConsole软件开发环境，根据底层寄存器的定义编写了NAND Flash的驱动程序。在该基础上，移植了针对NAND Flash的闪存专用文件系统YAFFS2。并进行软硬件系统整体进行上板验证。依据卫星载荷数据存储特点设计了简单文件式管理策略，提出了卫星将数据存储于以时段命名的文件中，该方式可以使地面站人员根据星历表直接获取某地区的载荷数据。后续可基于文件系统进行应用开发，对卫星载荷数据存储做更多灵活的管理。　　本设计基于SoC架构，进行软硬件划分并协同设计。从底层FPGA实现NAND Flash控制，硬件检错纠错算法，AHB接口，SRAM控制，到上层ARM中驱动的编写和最终YAFFS2文件系统的移植，提供了完整的星载高速大容量数据存储及文件式数据管理整套解决方案，具有一定的应用创新性和较强的工程应用价值。

关键词： 臭氧发生器   闭环   STM32   硬件设计   软件设计  

摘要： 臭氧（O3）是一种具有极强的氧化能力与杀菌性能的氧化剂,并且无二次污染,所以被普遍的用以水处理、化学氧化、食物加工、医药卫生等领域,涉及到人们生活的方方面面。现在针对粮仓的粮食存储、楼宇整体消毒、防空洞空气净化、医院的医用杀菌消毒等领域对体积、成本与功率的要求,设计一种小功率板式臭氧发生器的高频电源,并加入闭环控制。本文首先简要介绍了臭氧的性质、制备方法以及臭氧发生器的类型,介绍了目前小功率臭氧发生器的发展概况以及应用前景,并且深入的研究了介质阻挡放电法的具体原理和串联谐振逆变电路的工作原理。其次确定采取PWM移相控制调节功率的方法,从而确定板式臭氧发生器的电源部分总体设计方案。臭氧发生器系统设计包括硬件设计和软件设计两部分,硬件设计包含:主电路的器件参数设计与选型、控制电路的设计方案、驱动电路的设计方案,并用MATLAB搭建SIMULINK电路仿真模型实现软开关同时验证方案的可行性,同时介绍了系统的软件设计部分。主电路由三相不可控整流桥、全桥逆变电路、串联谐振负载放电室组成。控制电路以STM32单片机为核心,包括PWM信号电路、故障保护电路、模拟信号调理电路、存储电路、通讯电路、人机界面、供电电源电路。IGBT驱动电路是与控制电路分体的设计,以便于升级维护。软件方面是基于RTTRHEAD操作系统进行的软件设计,主要介绍了软件的总体设计思路,包括主体循环程序线程、功率闭环控制线程、频率设定线程、模拟信号采集线程、数据处理线程。最后搭建实验平台,对整套系统进行综合测试。对完成的小功率板式臭氧发生器逆变电源系统进行硬件测试与软件测试。硬件测试主要测试系统的各部分硬件功能是否正常,软件部分测试系统的通讯、数据处理、故障检测等程序是否正常。实验结果表明系统运行稳定,功率闭环控制可以减小环境因素的干扰,保证臭氧的产量,验证了设计方按的可行性和有效性。

关键词： 火控计算机   软硬件   设计  

摘要： PC104模块在工业控制和军事设备方面是极其常见的,本文对于其进行了较为全面地分析和探讨,对于火控计算机进行了软硬件设计,为其进一步发展打下了坚实的基础,有力地支持了我国相关产业的发展.

关键词： 无功补偿   SVC系统   瞬时功率算法   控制系统   硬件设计   程序实现  

摘要： 电网系统中的感性负载,需要大量无功功率,造成功率因数过低,损耗电能、供电质量恶化、甚至影响电力系统安全。解决办法是投入容性无功功率,以对感性无功功率形成相互交换与补偿。传统的无功补偿装置通过单片机的控制,以实现电容器组的投切对电网系统无功功率进行补偿。本课题的无功补偿方案是在传统的无功补偿方法的基础上,准确、实时地测量电网系统的各项参数,采用指令速度快、对多数据运算能力强的DSP和FPGA的中核芯片作为控制运算中心,完成控制系统的硬件设计、软件程序实现,并进行控制系统仿真建模。本课题介绍了无功补偿的原理及意义,分析了相关理论和算法,针对低压系统无功补偿,选取了TSC型装置做为SVC系统的无功补偿方式,阐述了电容器投入时间的选取原则,电容器容量配置原理,论述了无功补偿装控制策略,选定了瞬时功率算法,对电容投切数,提出基于无功和电压的综合加权控制策略。本课题还完成了方案的硬件框图,并在此基础上对控制系统的硬件进行了设计,包括DSP与FPGA、驱动电路、通讯模块电路、人机接口等硬件模块,并结合本课题的设计目标,完成了各模块的硬件电路和控制芯片的外围硬件电路设计。在SVC装置硬件的设计思路上,结合控制系统所选择硬件模块,设计了控制器的主程序结构及局部软件的流程图,如系统主程序、A/D采样子程序、键盘子程序、显示子程序、保护子程序、以及通讯子程序等,初步完成SVC控制系统的软件程序实现。通过SIMULINK对380V低压电网无功无补偿方案仿真模型进行了搭建,模型设置了不同的感性负载,仿真系统能实时检测出无功变化,做出实时响应,呈现出动态补偿特性,达到了提高功率因数的目的。根据实验结果,验证了系统软硬件设计和控制方法在理论上的可行性及实践上的可实现性。