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关键词： 自平衡车   数学建模   硬件设计   Kalman滤波器   LQR控制算法  

摘要： 自平衡车结构简单、控制灵活,能够适应多种复杂场合,其相关应用已经在安保、民用代步工具等领域投入使用。对自平衡车的设计和研究,其相关理论算法和设计思路能够为自平衡车应用提供新的设计方案,具有广阔的应用前景。本文首先对自平衡车进行数学建模。建立自平衡车瞬时力学平衡方程,对控制电机进行线性化处理,建立自平衡车状态空间模型。通过MATLAB验证了该模型的可观性和能控性。然后从自平衡车的功能角度,对其硬件系统进行设计,对关键模块进行选型和计算,确保设计的合理性和科学性。算法设计是本文的重点。本文通过Kalman滤波算法对陀螺仪和加速度计信号进行滤波融合,使自平衡车姿态信息更加准确。同时针对自平衡车系统的不稳定性,设计了LQR控制器,并用Simulink进行仿真,仿真结果表明该算法对自平衡车的姿态具有很好的控制效果。最后,搭建自平衡车控制平台,对自平衡车进行调试,调试结果表明该设计能够很好地实现自平衡车的各项功能。

关键词： 猝发通信   硬件平台   PCB   信号完整性   电源完整性  

摘要： 21世纪的战争形式已从机械化逐步向信息化转变,信息将主导今后的战争进程和格局。为了适应未来的信息化战争,各国军队都大力发展军事信息化技术,从而为己方创造巨大的信息优势,大幅提升军队的战斗力。而电子战则成为了信息化战争中的主角,因通信中断、信息被截获或泄露等恶性事件,而导致的被动挨打局面在历史上不胜枚举。故军事通信的抗截获、抗干扰问题一直是被高度重视的。针对军事通信的安全性问题,当前采用的抗干扰技术主要有:加密技术、扩频技术、跳频技术、分集技术、猝发通信技术、自适应天线调零技术等。其中,猝发通信由于其信号的发送时间短、发送时刻不确定等因素,较大地提高了信号的抗侦察、抗截获能力,因而被广泛应用于武器制导和保密通信等领域。本文依据项目需求方的相关指标,设计并实现了一款猝发通信系统的接收机硬件平台。文中详细阐述了该硬件平台的设计需求,对整体方案的规划论证及局部模块的选型设计进行了合理的论证。本文所述的硬件平台主要包括以下几个模块:射频模块、中频模块、时钟模块、微控制器模块、信号处理模块及电源模块等。本文详细阐明了上述模块在硬件电路设计中的方案选择与具体实现,并归纳了设计流程中遇到的各种问题及解决措施。本文所述的硬件平台设计过程主要分为方案设计、原理图设计、PCB设计、频率合成器控制软件设计。结合多种EDA软件,对接收机的多项射频指标及电路的信号完整性、电源完整性、电磁兼容、信号时序等关键指标进行了仿真,保障了设计目标与实际指标的契合度。同时对后续制板完成的硬件平台进行性能测试,测试结果表明该平台符合猝发通信系统的硬件指标,能够应用于相应的工作环境。最后对全文的设计流程和结果进行总结和展望,归纳相关的成果及改进之处,并对以后的工作提出进一步的要求。

关键词： 电力系统   远程监控系统   硬件设计   Web应用程序  

摘要： 电力作为国民经济发展中最重要的基础行业，对经济发展和社会进步，都起到了极其重要的作用。它不仅关系到百姓们日常生活的点滴，也关系到国家层面的经济安全等全局性的大问题。因此，给电力系统提供一个实时精确的远程监控系统，需求十分迫切。近年来，随着计算机技术的不断提高，智能电力监控系统开始普及，实现了远程控制和集中管理，提高了监控人员的工作效率，但在监控效果上，由于传统的监控系统大多都采用现场总线连接传感器的方式，速度慢，传输可靠性差，在用户界面端仅支持PC机或者监视器终端。　　本文完成的主要工作包括:　　(1)为了精确获取目标电力输送线路的精确电流变化，电流传感器端使用霍尔传感器，将采集到的实时电流转换为微电流并输出到模拟数据采集模块;(2)采用支持MODBUS-TCP/IP协议的ITCP-4017模拟数据采集器连接霍尔传感器，将采集到的实时电流模拟量转成数字信号，直接通过以太网接口输出;(3)把数据采集器输出的数字信号经以太网协议的计算机网络传输到服务器。以太网具有易于管理的优势，并能将数据快速可靠的进行远程传输;(4)利用MySQL数据库管理系统对从以太网口所采集的数据进行存储管理，使用PHP编写Web应用程序结合HTML5和Java Script技术以Web页面形式生成可视化图表和电力能耗实时状态监测，且使其适配各种终端浏览器。　　本文的设计和实现，突破了监控办公室的概念，监控人员无论何时何地，只需拿出随身携带的手机或者平板电脑，在浏览器输入网址后便能看到所有的数据和报警信息，大大提高了监控的便利性，另外动态自动刷新功能也提高了监控的时效性，以帮助工作人员迅速掌握电力能耗的实时变化，以辅助管理人员做出正确的电力供应分配决策。对电力能耗大数据的存储分析，得出的分析图表为管理者提供重要历史数据资料并对未来决策提供帮助。

关键词： 无线充电   电磁感应   硬件设计  

摘要： 从有线到无线,人类对于电子的设计的追求一直不曾停歇,并在推动电子行业发展方面发挥重要促进作用。尤其对于无线充电技术,更是在原基础上不断予以发展,探索无线充电技术,无论对于我们的物理知识学习,还是对于行业的发展都具有重要作用,需要引起我们的高度关注。本文就无线充电装置的设计与实现进行分析和探索,希望可以为无线充电技术的发展提供辅助。

关键词： 光散射采集系统   线阵CCD   硬件设计   现场可编程门阵列  

摘要： 基于光散射原理可以测量微丝、微管、微球、微囊等微纳结构的几何尺寸，在光纤制造、微纳材料生产、生物医学检测、环境质量监测等领域得到广泛应用。在光散射系统中采用线性CCD(Charge-Coupled Device)作为光电传感器，记录散射面（入射激光与散射光所定义的平面）内散射光强度随散射角的分布。测量充分利用CCD器件制备技术成熟、噪声低的优势。在保证高精度信号采集的前提下实现高帧率。随着FPGA(Field Programmable Gate Array现场可编程门阵列)的出现，由于其在信号采集与处理方面表现突出，并且具有可在线编程、集成度高、内嵌IP核、开发周期短的特点，因此本文采用FPGA作为测量系统的控制和信号处理电路。　　本文介绍了面对微纳结构测量的光散射实验装置的搭建。其中着重于系统中CCD信号采集与处理功能的实现。以高性能FPGA作为本测量系统的硬件核心部分，通过CCD将模拟光信号转换成模拟电信号，然后使用模数转换器转换成数字信号，并将此部分信号暂存在FPGA内嵌的FIFO中。由于在光散射测量中光强度I随散射角θ变化呈现单一周期、或拍频特性，相应频率值与微纳结构的几何尺寸密切相关。由于CCD像元编号n与θ近似成正比，I(n)呈现出相应的单一周期或拍频特性。通过FPGA内嵌的快速傅里叶变换(FFT)IP核对I(n）做傅里叶变换得到J(N)。经过峰值提取模块，将J(N)峰值以及这些峰值对应的N点通过串口传送至PC机。本文中采用Verilog HDL硬件描述语言编写CCD和A/D的驱动信号，以及信号处理部分的程序，在QuartusⅡ开发平台下进行编译、仿真并烧录到FPGA中。在提高测量精度方面，本系统采用相关双采样技术对CCD的噪声进行处理，即将CCD像元信号电平的采样值与复位噪声信号电平的采样值相减，可以去掉噪声部分。为了防止电源的模拟地和数字地之间的干扰，采用0欧电阻进行隔离。　　最后搭建光学实验系统，并对系统的性能进行初步测试。通过调试，CCD测量系统的数据结果清晰，运行稳定，CCD的积分时间控制得当，增益调节效果明显。

关键词： 超高速采样系统   并行架构   时间交替采样   同步自校正   示波器  

摘要： 随着电子信息技术的飞速发展,电信号呈现出高度复杂化的变化趋势,针对高频、瞬态信号的捕获、分析,需要更高带宽、更高采样率的数据采集系统。采样率作为数字示波器的核心指标之一,在很大程度上代表了其对复杂电信号的捕获能力。提升数据采集系统前端模数转换器(Analog to Digital Converter,ADC)的性能和利用并行采样方法的系统架构是提高数字示波器采样率的两个有效途径。国外主流示波器厂商通过以上两大途径大幅提高了采样率指标,并推出了超高采样率的数字示波器产品,由于国产ADC芯片性能远远落后于国外先进厂商的高端产品,通过提高单ADC芯片性能来提高采集系统采样率十分困难。在此背景下,本文基于数字示波器对超高速数据采集系统并行架构、多ADC多FPGA之间的同步问题进行了深入研究,设计了双通道20GSPS数字示波器的数据采集系统的硬件平台,其主要指标为:双通道20GSPS或四通道10GSPS的最高实时采样率、8bit垂直分辨率。本文的具体研究内容如下:一、根据超高速并行采样系统的结构和基本原理,通过对超高速采样系统并行架构的深入分析,使用8片5GSPS的ADC和9片FPGA构建了双通道20GSPS数字示波器的数据采集模块,包括宽带信号多路驱动模块、多ADC采样阵列、海量数据同步处理模块、采集系统供电模块等。二、双通道20GSPS并行采样阵列的设计,主要包括8路采样时钟的产生电路和基于高精度延迟器的多ADC同步复位电路。在基于模块化设计的多通道高速数据采集系统中,详细分析了时钟抖动对超高速数据采集系统性能的影响和多ADC之间硬件复位的不确定性。三、多时钟域高速数据接收处理传输方案的研究与设计。深入分析了可编程逻辑器件(FPGA)内部高速数据接收和处理的时钟方案,设计了基于ISERDES的高速数据降速模块,硬件均匀抽点模块,基于先进先出(FIFO)存储单元的高速数据缓存模块,多级FPGA之间的源同步数据传输模块,多ADC数据跨时钟域同步及20GSPS波形拼合模块。四、针对基于并行架构的多ADC、多FPGA之间的数据同步问题,构建了TIADC系统中的多通道数据同步模型,分析了同步不确定性导致的数据失配现象及其根源。通过对TIADC系统中多ADC、多FPGA之间采集、存储同步方案的总结比较,设计了基于并行架构的同步复位体系,提出了一种快速便捷的基于ADC测试模式的同步自动校正方法,包括单ADC多核间的BUFR同步复位自动校正方法、单ADC同步复位的自动校正方法、多ADC同步复位的自动校正方法和多FPGA间实时存储同步的自动校正方法。通过对各个功能模块的调试和整机系统性能的测试,本文设计的双通道20GSPS数字示波器数据采集系统的采样率、分辨率、通道间同步延迟等主要指标达到设计要求,其快速便捷的多ADC、多FPGA间的同步自校正方法保证了TIADC系统的稳定可靠。

关键词： 双射频   无线传感器   网络节点   硬件设计  

摘要： 本文首先针对双射频无线传感器网络节点的总体设计进行详细分析,其次对双射频无线传感器网络节点硬件设计进行研究,将其合理的应用到各个领域中,发挥出自身的实质性价值和作用.

关键词： 无人机   AHRS   RTK GPS   融合算法   飞行控制系统  

摘要： 无人机的迅速发展使得它在各个领域得到广泛应用。目前,在信息化的社会中无人机在快递行业、航拍、农业、植保、灾难救援等方面成为各国研究的热门,全球都致力于提高无人机飞行控制系统的稳定性以及定位系统的精确度。因此该系统设计中以飞行控制系统和RTK GPS(实时动态定位系统)为依托,研究AHRS(航姿参考系统)与RTK GPS(实时动态定位系统)数据融合算法用以最大程度提高飞控的稳定性和定位的精确度,具有非常重要的理论与实际应用价值。本文首先对系统的AHRS(航姿参考系统)与RTK GPS(实时动态定位系统)数据融合算法展开研究与实现。先阐述AHRS中四元数、欧拉角和旋转矩阵的转换关系以及RTK GPS定位原理,再分析最小二乘估计、维纳滤波器(线性最小方差估计)、卡尔曼滤波和扩展卡尔曼滤波器几种常见的数据融合算法,通过对公式推导、算法复杂度以及误差大小进行对比,最终确认该系统的数据融合算法以扩展卡尔曼滤波为基础,优化系统的输入量维数以及外部噪声参数来实现系统输出最优的状态数据,并对AHRS与RTK GPS的数据融合算法进行MATLAB仿真和分析。为验证数据融合算法的可行性,本文完成了系统的软硬件设计,硬件电路包括飞行控制系统硬件电路和RTK GPS定位系统硬件电路。飞行控制系统需要提供AHRS的基本数据,其主控制器芯片采用高性能的STM32F4系列芯片,完成数据的接收、发送和处理,而所需的陀螺仪、加速度计、磁感应强度、气压等等数据通过外部传感器进行采集。RTK GPS定位系统硬件电路中采用NEO-M8P定位芯片为系统提供高精度的定位数据。飞行控制软件系统主要包括嵌入式Linux系统开发环境的搭建、Nuttx系统的配置和编译、飞行控制系统的编译和固件的烧写。同时构建地面站,通过无线传输设备实现与飞行控制系统进行飞行指令、通信数据的传输,而RTK GPS定位软件设计主要需要通过u-center对硬件电路进行配置以实现卫星信号达到最强。论文最后对整个系统的数据融合算法、软件和硬件平台进行测试。通过对系统数据融合算法输入实际飞行数据来实现仿真,并与输出数据进行对比,结果表明在飞行控制系统中实现该融合算法使得输出数据更加接近于实际值,单位时间内数据量增多,并有效地降低了噪声对系统的影响;同时对软硬件平台进行整体分析和测试,可知该系统具有处理数据快、定位时间短、精度高、稳定性高等特点,并能够实时得到高精度的定位信息;然而,本方案采用NEO-M8P定位芯片增加了系统成本与芯片维护难道,有进一步提升的空间。

关键词： 虹膜识别   门禁系统   硬件设计   STM32  

摘要： 随着生物特征识别技术的不断发展成熟,在门禁系统中的应用逐渐成为主流。在目前的生物认证领域中,由于虹膜特征具有唯一性、稳定性、难以伪造和非接触式等突出优点,使其作为身份认证的信息最受重视和应用。本文主要介绍了虹膜识别技术与门禁系统相结合的过程,使系统在实际应用中更加安全、可靠、便捷,以满足智能安防、智能家居等众多领域的需要。

关键词： 信号处理平台   FPGA+DSP架构   ADC   DDS   信号完整性  

摘要： 信号处理平台具有信号采集、汇总和处理的功能,从民用的图像采集系统到国防使用的雷达系统等信号处理领域都离不开信号处理平台。随着科技的进步与发展,信号处理平台在民用、工业以及国防领域的应用越来越广泛。然而受限于硬件研发的周期长,投入大等因素,信号处理平台的开发受到严重制约,如何快速高效低成本的开发信号处理平台成为了一个新的研究方向。本论文针对此问题,提出一种通用的信号处理平台硬件设计方案,使相同的硬件结构可以应用于不同的信号处理领域,达到缩短研发周期和降低研发成本的目的。通用信号处理平台包括两块单板,分别是负责数据采集处理的AD单板和基带信号产生的DDS单板。论文的主要工作是设计一款可以通用的信号处理平台,论文中涉及到了需求分析、系统设计、器件选型、原理图设计、PCB设计、信号完整性分析、焊接调试等工作。本论文的内容主要有以下几点:一、通过分析通用信号处理平台的不同应用场景,从中提取出通用信号处理平台的具体需求。然后从系统级设计出发,将整个系统分为两块单板,并提出了每一块单板的硬件总体设计方案。二、根据总体设计方案,对AD单板和DDS单板进行了芯片选型和关键电路的原理图设计:FPGA外围电路设计、DSP外围电路设计、高速串行链路设计、电源分配网络设计和时钟网络设计等。三、结合信号完整性分析,对PCB设计进行了详细的介绍。四、对AD单板和DDS单板上主要模块进行了焊接和调试,对存在的问题进行了实验分析,找出优化解决方法。论文中设计的通用信号处理平台完成了第一版的设计,可以初步应用在信号处理平台的研发过程中,但仍需要后续的调整修改。