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关键词： PNT   微系统   MIMU   CSAC   GPS BDS   通道相关器  

摘要： 定位导航授时(Positioning,Navigation and Timing,PNT)技术是对空间和时间的描述。伴随着科技现代化的蓬勃发展,人们对PNT信息的依赖程度在人类历史上前所未有。PNT技术不只是服务于国民经济,在国家安全和军事应用层面都发挥着无法取代的作用,并逐渐成为综合国力以及国际地位的战略性标志。为了解决GNSS(Global Navigation Satellite System)脆弱性、提高PNT服务质量,以微惯性测量单元、高精度时钟作为核心器件并结合GNSS进行深度融合成为PNT系统的主要技术路线。目前,市场上并无以高精度时钟作为时间基准的成熟定位导航授时微系统货架产品,所以研发定位导航授时微系统硬件原理样机显得具有十分重要的意义。本文采用的以MIMU(Miniature Inertial Measurement Unit)、高精度 CSAC(Chip Scale Atomic Clock)和BDSPS双模导航接收机进行深度融合的方案是一种比较合适的选择。本文以定位导航授时微系统研制为背景,以解决卫星信号脆弱性、提高PNT服务质量为目的,设计了基于MIMU/CSAC/GNSS定位导航授时微系统的硬件平台。主要内容包括:(1)定位导航授时系统介绍。其主要包括了对惯性导航介绍、卫星导航介绍、芯片原子钟介绍以及目前定位导航授时微系统国内外现状。(2)定位导航授时微系统总体方案设计。对系统的性能需求以及理论技术进行具体分析,进行了系统的硬件方案设计与软件方案设计,并给出了系统关键器件选型。(3)定位导航授时微系统硬件设计。其主要包括对系统整体硬件结构进行总体设计,对系统分模块进行原理图设计、系统模块间接口设计以及系统电源电路分析与设计。(4)定位导航授时微系统驱动及软件设计。包括基于DSP驱动软件设计、外围电路驱动软件设计、基于FPGA的BDSPS通道相关器设计以及定位导航授时微系统整体软件设计。(5)针对定位导航授时微系统硬件平台的特点,设计了完备的模拟器试验方案、跑车试验方案以及飞行试验方案,将本系统的结果与高精度光纤惯性组合导航系统以及国外成熟组合导航产品结果进行详细的对比分析。

关键词： 高能光源验证装置   超导3W1扭摆磁铁   控制系统   硬件设计   软件开发   稳定运行  

摘要： 北京高能同步辐射光源(High Energy Photon Source，HEPS)是中国即将建立的第四代同步辐射光源，其设计亮度和相干度均高于世界现有、在建或计划中的光源。目前，该项目正处于高能光源验证装置(High Energy Photon Source Test Facility,HEPS-TF)的研制阶段。超导3W1扭摆磁铁是高能光源验证装置中的插入件之一，也是在高光子能量区间获得更高亮度的关键部件。为了保证超导扭摆磁铁的正常运行，控制系统通过对系统硬件和软件方面的设计，实现了对超导3W1扭摆磁铁运行状态的远程实时监测和控制。　　超导3W1扭摆磁铁控制系统包括电源控制系统和低温信号监测系统，并提供本地数据库功能。该系统基于国际上众多大型实验室常用的实验物理及工业控制系统(Experimental Physics and Industrial Control System，EPICS)建立。我们使用Stream Device开发了EPICS IOC设备驱动，并采用基于C++的图形化界面开发框架Qt开发了控制系统的人机交互界面。在该项目中，通过使用嵌入EPICS Qt框架的Qt Creator实现了远程控制电源开关机、设置电流值、Ramping、电源状态监控以及低温信号监控等功能。该控制系统的完成为今后建立小型控制系统打下了良好的基础。　　为了有效监控加速器隧道中每个工作人员各自所受辐射情况，与日本高能加速器研究机构(KEK)合作开发了应用于日本质子加速器研究装置(J-PARC)的加速器隧道内的辐射剂量无线实时监测系统，方便更合理地进行辐射环境下的工作安排。样机系统基于EPICS，系统硬件主要由微型计算机Raspberry Pi及XBee无线通讯模块组成。该系统实现了在一定距离内将辐射传感器所测得的剂量值无线传输到监控计算机上的功能，大大方便了辐射环境下合理开展工作的安排调度。整个系统已经在J-PARC主环隧道中进行测试，结果证明辐射环境下该系统可以稳定运行，实现了预期目标。

关键词： 计算机   硬件设计   安全  

摘要： 随着信息技术的不断发展和完善,计算机系统被应用到了越来越多的领域.计算机以其自身的优越性在促进各个行业发展的过程中起到了积极的作用.但是在目前的发展过程中,还存在着一些问题影响到了其积极作用的进一步发挥,其中危害最为严重的就是安全问题.计算机系统有多个部分组成,安全问题的产生在各个部分都有涉及.本文以计算机的硬件设计安全为主要研究内容,对其重要性以及目前存在的问题进行科学的研究,并对其安全性的提高提出合理有效的措施,促进计算机事业的不断发展.

关键词： 电缆路径探测系统   多线圈组合   多频输出模式   硬件系统   信号完整性  

摘要： 随着城市化的快速发展,地埋电缆得到了普遍的应用。由于早期人们对地埋电缆的管理比较落后,使得地下电缆的位置资料残缺不全或者不准确,经常会发生工程人员在施工中挖断和损坏电缆的事故,给人们的生产和生活造成了严重的影响。因此,智能、高效的电缆路径检测仪成为了工程人员和相关管理人员的迫切需求。在如今电子技术高速发展的时代,芯片不断朝着高集成度和高性能方向发展,同时换来的是其工作频率的提升和开关速率的加快,高集成芯片和高速电路的大量应用使得硬件系统的信号完整性问题越来越明显,如何保证高速系统中信号的传输质量,避免信号失真,是硬件工程师必须要重视的问题。本文首先研究了基本电磁感应原理和地埋电缆的磁场分布特征,提出了一种采用多线圈组合测量地埋电缆位置的方法,并对线圈进行了改进,采用了抗干扰性更好的差分型线圈。又依据高频和低频信号在介质中的传输特性差异,提出了一种基于发射机的多频输出模式;其次搭建了基于ARM平台的发射机硬件系统和基于DSP平台的接收机硬件系统,其中发射机采用ARM微处理器作为控制核心,结合DDS信号发生器和PWM调制技术,通过D类放大电路实现信号的功率放大。接收机是以线圈为磁传感器,利用信号采集电路和信号调理电路对线圈中的电压信号进行滤波和放大处理,并通过A/D采样和数字信号处理技术得出电缆的位置信息;然后,本文使用HyperLynx仿真软件对硬件系统中的高速信号进行了反射、串扰和EMC分析,对系统中存在的信号完整性问题进行了端接和布线策略优化,从仿真结果可以看出,经过端接或优化后,信号的质量明显改善;最后通过实验验证,本文设计的发射机和接收机硬件系统满足功能设计要求,可以较快、较准地检测出地埋电缆的位置。

关键词： 蓝牙   遥控器   硬件设计  

摘要： 智能家居技术的发展和普及,遥控器作为智能家居控制的中枢系统,使用频率越来越高。同时随着人工语音输入的发展,传统的红外遥控器由于传输速率不高、传输距离短等技术局限性,无法被广泛用于智能家居控制中需要高带宽传输的场景。蓝牙是一种适用于短距离传输的无线技术。基于此,本文设计出一种在遥控器中嵌入蓝牙技术,将蓝牙模块与单片机相结合,通过无线蓝牙通信实现对家居电器控制的遥控器。

关键词： EMCCD   微光成像   通用成像系统   硬件设计   程序设计  

摘要： 电子倍增CCD(EMCCD)作为新型微光CCD,以其高量子效率、低噪声等优点成为微光成像领域的核心,在军事、天文、医学等诸多领域具有广阔的应用前景。在过去的十年中,国内EMCCD器件的研发技术日趋成熟,攻刻了大面阵器件光刻等多项关键技术难题,填补了我国在该技术领域的空白。但是大多数的EMCCD成像系统只适用于单一型号芯片,对于芯片性能测试有很大的局限性。因此针对不同型号EMCCD的成像,本文设计研制了一款稳定、在线可编程的通用电子学成像系统。对EMCCD芯片的成像主要需解决对EMCCD芯片的工作控制、信号采集以及信号传输三方面问题。本文结合EMCCD芯片的工作原理、工作噪声和结构特点,分析了多种主流EMCCD芯片工作控制所需的时钟驱动信号与直流偏置电压信号,并以此为基础设计了基于FPGA的转移时钟驱动电路、正弦波电路、直流电源电路,其中采用正弦波信号作为EMCCD的倍增极驱动信号。对于EMCCD图像输出信号的采集和传输,硬件电路上设计了基于FPGA的相关双采样电路,通过Camera Link协议传输图像。程序设计方面,系统以NI主机为控制端,通过LabVIEW给出EMCCD驱动时序信号和相关同步控制信号;系统以FPGA作为设计载体,使用Verilog HDL硬件描述语言设计了串口模块、图像信号采集模块、DDS(数字合成器)模块与数据传输模块。本文通过对CCD216芯片和TC253芯片的成像实验验证了系统的通用性,并以CCD216芯片为例,对系统成像、倍增增益和积分时间进行实验,实验结果表明系统能够达到设计要求。

关键词： 农产品溯源系统   硬件设计   软件开发   数据处理   区块链  

摘要： 近来，随着消费者对高质量农产品的迫切需求，农产品的质量安全成为热点问题，农产品溯源技术作为农产品的食品安全控制和管理的有效技术手段，也日益得到重视。然而，农产品供应链中所涉及的环节众多，溯源数据的录入缺乏可靠的管理机制。此外，现阶段主要溯源平台多以中心化系统为主，数据存在人为篡改的风险。因此，建立安全可靠的农产品溯源管理系统并将溯源数据进行直观的展示具有非常重要的意义。近来新兴的区块链技术具有去中心化、数据不可篡改等特点，将区块链与溯源系统和数据可视化系统相结合，能够有效解决传统的溯源系统中心化以及数据安全和展示的问题。　　本文针对农产品溯源需求，提出一种基于智慧农业的区块链农产品溯源系统。区块链数据存储方案遵循系统间的扩展性和交互性等原则，选用以太坊开源社区，在构建整体溯源系统、完成部署及测试的同时融入数据可视化平台，通过B/S架构及Spark等技术，实时展示区块链溯源系统的数据上链以及其他各系统中数据分析的结果。　　首先，提出基于区块链的溯源系统三层架构模型，以数据服务层为核心，提供安全可靠不可篡改的数据存储，同时与电商及大数据分析平台相对接，实现高效、真实、可信的农产品溯源。　　其次，设计开发了区块链农产品生产管理APP，通过为每个农产品提供唯一的二维码标签，管理控制农产品的生产、扫码、包装发货等流程。具体包括农户使用手机端应用对农产品进行扫码和拍照并且实现溯源数据的采集与上传。　　基于B/S架构，提出结合地理位置信息实时监测区块链传感器以及手机APP数据上链的大数据可视化平台;该平台内嵌Spark大数据分析环境，对电商销售数据及用户数据进行展示，能够协助农户进行市场销售决策以及生产计划调整等。　　通过系统部署和功能验证，本文所提出的区块链系统能够实现农产品从农作物枝头生产采摘直到消费者餐桌的安全、可靠、真实的农产品溯源，同时解决传统溯源系统完全中心化以及数据易被篡改的问题。

关键词： 车联网终端   嵌入式技术   CAN总线   4G通信模块   硬件设计   软件设计  

摘要： 汽车工业作为工业化进程中的一个关键组件,在现阶段已经面临着汽车数量骤增而带来的交通阻塞、能源消耗和环境污染等社会问题。最近十年,国家对于新能源汽车的研究投入了大量资源,对混合动力以及氢燃料等进行了探索。同样地,对于智能交通领域的研究也在如火如荼的进行中,而车联网技术正是该领域的一个重要研究方向。车载终端作为车联网系统(Internet of Vehicles Systems,简称IOVS)的重要组成部分,其主要功能是采集车辆实时信息,包括车辆静态数据和行驶数据,并通过网络将信息发送至后台服务中心,服务中心对信息进行汇总、分析后,再将情况转发至驾驶员使其了解行车状况,方便驾驶员及时做出行车规划。本文主要应用嵌入式技术、互联网技术和通信技术,设计了一种稳定度较高、运行效率较优秀的车联网终端系统。由于系统结构采用双处理器架构,既能够满足产品的高性能需求,又具备了实现较低功耗的条件,考虑了系统使用成本的合理性,也使系统的实时性得到了保障。论文主要研究工作如下:1.对车联网系统的结构进行阐述,分析了车载终端的功能需求,并对终端的总体结构和功能进行设计。2.对车载终端研究过程中采用的关键技术进行了研究,包括CANUS通信技术、汽车诊断技术、TCP/IP通信技术以及μC/OS-II和Linux技术相关内容。3.针对市场上对车载终端的需求,在原有产品的基础上,对终端系统硬件电路进行设计,对核心处理器和外围电路相关器材进行选择,本文在以富士通Mb91f526芯片(MCU)及飞思卡尔***6UL芯片(CPU)作为双主控模块的架构的基础上,同时采用华为4G通讯模块作为数据传输媒介,进行硬件的设计与实现,在硬件设计过程中要求高度集成化,使之足够轻便,便于安装,不仅减少产品对车内空间的占用,同时提高了产品安全系数,使得车载终端在车内与无线通讯网之间交互更加稳定,降低了由于车内复杂环境变化对终端硬件设备干扰所带来的信号衰减与不稳定因素的影响。4.进行嵌入式系统的配置和软件设计。MCU(Microcontroller Unit)方面,进行μC/OS-II内核的移植,完成相关驱动、系统任务资源配置,搭建系统平台,分配任务逻辑,并通过程序编写实现具体功能。CPU(Central Processing Unit)方面,首先完成交叉编译器、超级终端、NFS的安装与配置。并进行嵌入式Linux开发平台的搭建,主要包括bootloader、内核以及根文件系统的编译、移植。最后根据软件的不同功能需求,分解为多个模块编程实现具体功能。5.创建QT集成开发环境,完成图形界面设计。开展终端系统总体调试工作,通过终端与后台服务中心通信过程的测试,以及基于Labview设计的整车CAN报文数据监测翻译软件对终端采集到的车身数据准确性的测试,对系统功能做出验证。经过总体测试,本文设计的车联网终端系统在性能方面的指标达到预期目标,能够使人与车的交互过程更加便利、快捷,证明了论文所展开工作的正确性与实际应用价值。

关键词： 杂凑算法   高性能   SM3   SHA-256   SHA-3  

摘要： 杂凑算法是单向散列函数的一种,它是将可变长度的信息映射成固定长度摘要值的密码算法。在消息认证、单向口令文件产生、随机数产生、病毒检测、金融服务以及各种安全协议中应用广泛。随着信息时代的快速发展,大数据时代已经来临,对杂凑算法的高性能硬件设计实现的需求越来越强烈。杂凑算法SM3作为中国自主研发设计的密码在商业领域中有很多应用。SHA-256正在将逐渐取代被破解的MD5和SHA-1,应用前景广阔。此外NIST还发布了最新哈希算法标准SHA-3。根据以上背景,本文主要研究杂凑算法中的SM3、SHA-256和SHA-3系列的高性能硬件实现,对不同的算法采用不同的改进方案。本文实现的硬件设计如下:(1)针对杂凑算法SM3,分别完成基于ASIC和FPGA的高吞吐率设计。通过多合一结构、优化加法器提、移除关键路径中的多个选择器和异或门的方法达到提高吞吐率的目标。采用器件Stratix III完成FPGA的性能验证,四合一结构的吞吐率为2.56Gbps。基于ASIC的设计采用modelsim仿真并用DC工具进行逻辑综合,在SMIC 65nm工艺平台上,八合一结构的吞吐率可以达到7.47Gbps。(2)在SHA-256算法实现中,使用更简单的压缩函数,并结合预计算,完成SHA-256算法时钟频率和吞吐率的优化。在Stratix III系列EP3SE80F1152C2器件上,单轮结构时钟频率可以达到222.32MHz。采用多合一结构完成SHA-256算法高吞吐率的实现。通过预计算思想,移出多合一结构关键路径中的加法器、与门和或门。在SMIC 65nm工艺上实现,八合一结构的吞吐率可以达到10.59Gbps。采用深度流水完成SHA-256算法多文本文件高吞吐率的设计。同时优化消息字扩展模块的寄存器数量,降低面积的占用。在SMIC 65nm工艺条件下,对多文本文件的处理在深度流水结构下吞吐率可以达到492.3Gbps。(3)将SHA-3系列的四种杂凑算法SHA3-224、SHA3-256、SHA3-384和SHA3-512的标准在同一个硬件方案实现,增加硬件电路的灵活性。采用流水线思想设计数据填充和迭代压缩,降低关键路径的延时,并优化硬件面积。支持SHA3-224、SHA3-256、SHA3-384和SHA3-512四种标准的硬件结构在SMIC 65nm工艺下的吞吐率可以达到37Gbps。

关键词： X射线测厚仪   数据采集   轧辊偏心   SFT   自适应陷波滤波器  

摘要： 在钢铁工业的轧制过程当中,板带钢的轧制一直是其重要环节。而在板带钢的轧制中,带材厚度作为衡量板带钢质量的重要指标,其值的大小对钢板质量的好坏起到了决定性的作用。因此,测厚仪测量精度的大小将会对板带钢的质量产生直接影响,从而奠定了在AGC系统(自动厚度控制系统)中的重要地位。在市场中的众多测厚仪中,X射线测厚仪由于其本身测量精度高、高信噪比等众多特点,使其具有较广的应用范围。而在X射线测厚仪中,传统的X射线测厚仪进行数据采集时采用工业控制计算机,其价格比较昂贵,结构相对复杂。板带钢的轧制过程中,轧辊和轧辊轴承形状的不规则将会造成轧辊本身的非圆性,同时也会使得辊身的几何轴心与旋转轴心产生分离。轧辊的偏心扰动将会使轧机在实际工作过程中辊缝产生高频周期性的变化,从而致使带材的出口厚度发生一定的周期性偏差。综上所述,本文将会对测厚仪数据采集系统的设计过程进行详尽介绍,并将研究带材出口厚度中的偏心扰动和噪声信号。下面给出了本文的具体研究内容:(1)设计了 X射线测厚仪数据采集系统,详细说明了 X射线测厚仪数据采集系统的硬件部分,分别阐述了X射线测厚仪数据采集系统中各个模块(ADC模块、DAC模块、DI模块、DO模块和WIFI模块)的选型设计和功能。此外,对于系统软件部分的主要功能,在ARM控制板上如何实现数据采集的软件编程,在线下载程序功能等也进行了介绍。(2)针对带材厚度中的不同噪声,利用惯性滤波、均值滤波、高通滤波及自相关滤波这四种滤波方法进行信号的处理,然后在MATLAB平台中进行仿真得到滤波结果,研究四种不同方法的滤波效果,最终减少噪声对厚度测量的影响。(3)介绍了轧辊偏心的形成及其数学模型。其内容有:利用最小二乘参数估计的方法辨识偏心扰动模型中的参数,最终得到偏心扰动模型;自适应陷波滤波器通过逐步识别,识别出多种信号中存在的固定频率偏心扰动信号;SFT依据信号频域的稀疏度,更快速的进行信号FFT的计算;在已知偏心扰动信号大致频率的前提下,为减少工作量,提出区域DFT方法,在线辨识信号频谱;根据前述工作,辨识出现场数据并补偿偏心扰动,最终达到提高带材出口厚度精度的目的。