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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： 汽车维修专业   CAN总线通信系统   车窗控制系统   硬件电路设计   软件程序设计  

摘要： 随着汽车电子化的发展，CAN总线通信系统在汽车维修专业中的重要性日益凸显。本文探讨了基于CAN的车窗控制系统，结合硬件电路和软件程序设计以及示波器和CAN分析仪的使用，来加深学生对CAN总线通信系统原理和协议及数据收发过程的理解。这种实践性学习方法能够增强学生的学习兴趣，提高学生的创新能力，为未来做好汽车维修等岗位工作打下坚实基础。

关键词： 水下航行器   可见光通信模块   数据采集系统   硬件设计   软件开发   数据传输  

摘要： 随着科学技术的发展和社会的进步，陆地资源的短缺迫在眉睫，而90%的海洋资源仍待开发。水下航行器由于其适用性逐渐成为海洋资源开采的常用装备，而海洋资源勘探、海底管道巡检等复杂作业场景下单一水下航行器难以单独执行作业，因此需要群体的协同作业，其中难点问题就是群体之间的通信。传统的有线通信在群机器人水下作业环境中受限较多，无线通信中声通信的设备体积大、功耗高，射频通信在水下衰减剧烈使其不适用于小型水下机器人，而水下无线可见光通信具有较低的传输延迟、传输速率高等优点。为了实现群体水下航行器之间的高速近距离通信要求，该文设计了一款具备低成本、小型化和通用性的基于蓝色发光二极管（LED）的水下可见光通信模块。　　考虑水体对光的散射和吸收作用，研究了水下无线光通信的信道特征。针对群体水下航行器之间的光通信常用的直射式链路模型，使用蒙特卡洛方法对其建模和仿真计算，分析了不同参数对于水下光通信的影响。最后，根据仿真结果给出了关于水下无线光通信模块的硬件电路设计和调制方案选择的建议。　　分析和设计了基于蓝光LED和光电二极管（PIN）的近距离水下无线可见光通信模块的硬件电路。根据仿真建议选择发光器件和接收器件并设计了对应的硬件电路以实现光电信号之间的相互转换，再结合电源、AD/DA和FPGA等模块最终构成可见光通信模块的硬件部分。　　对水下光通信的调制方案进行研究，选用多载波调制中的正交频分复用（OFDM）调制方案降低水下光通信的多径效应带来的影响。针对群体水下航行器常见的作业要求，优化了OFDM调制流程使其可以完成大量数据的传输并采用Verilog语言编写程序应用于现场可编辑逻辑门阵列（FPGA）中，其后对设计的各模块进行逻辑功能验证。　　设计了水下航行器传感器数据采集系统并针对所设计水下可见光通信模块的硬件电路和软件程序进行了测试和试验研究。对所设计的硬件电路进行实物测试并与理论计算和仿真验证对比，根据对比结果验证其达到设计要求。在陆地和水下进行了通信试验，其能够实现水下2 m的数据传输，最大传输速率约为19Mbps，误码率为10-3。

关键词： 长基线定位   移动型浮标   硬件电路设计   软件设计  

摘要： 为了保障水下作业工具工作的顺利进行,使用高精度的定位导航系统为其定位与导航是必要的,长基线定位以其精度高、可靠性高等优点被广泛的应用在水下作业工具的定位导航系统中。移动型浮标长基线定位系统使用载有浮标设备的水面船代替传统浮标,水面船在保持定位解算阵型的同时,对水下目标进行跟踪定位,使系统拥有可移动的定位范围,适用于作业范围大的水下作业工具的定位与导航,本文设计出一套基于移动型浮标长基线定位的水下轨迹测量装置。 整个系统由浮标、水下目标、解算单元组成,将浮标的数字信号处理核心电路板应用为解算单元。利用核心板估算出信号从水下目标到浮标的传播时延,各浮标通过GPS获取实时位置,核心板将估算出的时延信息与浮标的位置信息通过无线电上传至解算单元,解算单元通过位置信息与时延信息解算出目标位置。本文设计出了以两片TMS320C6416为主控芯片并搭载A/D数据采集电路、串口通信电路、时钟同步电路、片间通信电路、FLASH存储电路、电源电路的核心板,完成了信号的采集、信号检测与时延估计、串口通信、程序的加载与FLASH数据存储、片间通信、定位解算的软件设计,实现了系统与GPS和无线电交互信息、信号的采集与检测、时延估计、信号的发射、存储相关数据、定位解算等功能。 经过实验室测试与浅海试验验证,本文设计的水下轨迹测量装置各项指标均满足设计要求,在浅海环境下,系统能够在保持定位解算阵型的同时,实现对目标的跟踪定位。利用卡尔曼滤波算法剔除、优化定位轨迹的野值点,将目标定位轨迹的各个点位与自身轨迹的拟合直线的垂直距离视为水平方向定位误差,经计算得出系统的水平方向定位精度优于0.57m。

关键词： 窄线宽   恒流驱动   温度控制   光纤激光器  

摘要： 近年来窄线宽光纤激光器,因其线宽窄、强度噪声低、相干性好等特点,越来越多的领域使用窄线宽光纤激光器代替固体激光器和半导体激光器。在窄线宽激光器应用各个领域的同时,国内外研究人员都对其性能及功率提升做出了许多研究工作,主流的方案是采用主振荡功率放大器(MOPA)结构来实现窄线宽光纤激光器的功率提升,通过MOPA结构提升功率不会改变窄线宽激光的优良特性。本文针对MOPA结构的1.5μm窄线宽光纤激光器进行光学和电学分析和设计。 在本文研究中,深入分析1.5μm窄线宽光纤激光器的种子源、预放大和主放大MOPA结构。着重于设计一个集成度高的双驱动双温控单模泵浦源电路,用于种子源和一级预放大,同时针对MOPA结构中的多模泵浦源设计基于PSo C3控制的大电流驱动系统和高功率TEC温控系统。具体工作如下: 对半导体激光器的光电特性进行分析,并探讨激光器损坏机制及其保护措施。DFB窄线宽光纤激光器种子源性能,特别受恒流驱动和温度控制影响,通过模拟和实验搭建,设计出低噪声驱动电路和高稳定温控电路,并通过长时间稳定性测试,确保了激光器驱动电路和温控电路长时间高稳定工作。 搭建MOPA系统提高窄线宽激光输出功率,设计了针对该MOPA放大的高稳定大电流驱动和大功率TEC温控电路。最终,设计出激光器的输出功率通过MOPA系统能够有效放大。通过与其前一级1.5μm窄线宽种子源与预放大结构输出的激光进行光学特性对比测试。测试结果分析得出,经过MOPA放大后的激光,中心波长发生0.0316nm偏移量;3d B线宽偏差为0.1k Hz;强度噪声未发生明显变化,弛豫振荡频率偏移约0.02k Hz。这些测试变化都在测试仪器的精度误差之内,表明搭建的MOPA结构输出高质量激光,证实了激光器的性能主要由种子源的特性所决定。 本论文的工作为1.5μm窄线宽光纤激光器提供了一套高稳定的硬件电路设计方案,对于未来在高性能、高功率、高集成度的窄线宽光纤激光设计方面的研究具有重要意义。

关键词： 化学发光免疫分析仪   硬件结构   软件设计   自动化操作  

摘要： 化学发光免疫分析（CLIA）是通过特定的免疫反应引起的化学发光现象来检测和量化样本中的目标物质。主要包括三个关键步骤:首先是样本准备,其中将待测样本、过量的抗体和酶标记抗体添加到反应管中，形成磁微粒-抗体-抗原-酶标记抗体的复合物。其次是通过磁分离技术去除未结合的过量物质，并加入发光底物。最后是测量由酶催化反应产生的发光信号强度，据此计算样本中待测物的浓度。本设计采用的是酶促化学发光法，特点在于通过辣根过氧化物酶（HRP）的催化作用产生高能中间体，进而诱导发光分子进入激发态并发光。通过这一过程实现了高灵敏度和高特异性的检测。　　本设计采用多层架构，包括上位机软件、中位机软件、下位机软件和嵌入式硬件。上位机软件使用C#语言和.NET框架开发，实现了 UI界面、用户交互、数据管理、指令解析等功能。中位机主要负责时序控制、方法学的生成和运动控制，下位机嵌入式软件采用RT-Thread实时操作系统，用C++语言开发，使用工业常用的Modbus TCP作为总线协议，控制各硬件功能模块完成检测流程，如样本进样、试剂扫码、样本吸取、磁分离、发光检测、反应盘、清洗盘等。硬件部分采用Altium Designer进行原理图和PCB的设计，整机通过TCP/IP网络互联通信。实现了自动化和并行化操作，简化了人机交互，提高了检测效率，操作界面友好，可靠性高。　　全自动化学发光免疫分析仪按照国家药品监督管理局的全自动发光免疫分析仪（YY/T 1155-2019）标准进行了系统测试，实现了每小时200Test检测速度，其加样正确度与重复性、温度控制、仪器噪声、发光值线性、重复性和稳定性、携带污染率以及临床项目批内精密度等8个技术指标均达到了标准要求，其中高浓度时CV为2.88%,低浓度时CV为3.92％,均不超过5％，其余各项测试数据也符合相应的标准和规范。

关键词： 数据采集   低功耗   多采集模式   分段存储   波形录制  

摘要： 数据采集是信息技术领域的一个关键组成部分,它在计算机与外部环境之间构建起一座信息交互的桥梁,是实现信息获取的核心途径。在当今时代,数据采集技术在诸如无人机自动巡航、分布式基站管理以及智能监控哨所等多个应用领域发挥着重要作用。鉴于在复杂多变的环境中长时间稳定运行的需求日益增加,对采集设备的微型化和低功耗性能提出了更高的要求。本研究旨在针对微型化、低功耗以及多样化采集模式等关键技术和功能指标,设计并实现一种微型低功耗高速数据采集模块,并开发波形记录等相关功能。具体研究工作如下: 1)完成高速数据采集模块示波器模式的整体设计。采用低功耗模数转换器和系统级芯片进行数据采集,实现最高采样率为1 GHz的高速数据有效采集,结合多条件可选的数字触发机制以及多类型多时基的数字抽取降采样技术,完成基本的示波器采集存储,最大工作功耗低于14 W。 2)根据硬件电路的需求设计硬件电路原理图。基于上电顺序要求对电源需求进行分析并设计电源树及具体电源分支电路原理图;根据研发需求以及器件操作的可行性,分析配置功能的设计,采用多种配置模式结合,适应于实际设计需求;并针对信号输入要求及垂直灵敏度指标要求,对信号调理电路各级硬件设计电路,确认各级增益调节设计;合理构建电路,实现模块板卡尺寸微型化,长边≤13.5 cm,短边≤10 cm。 3)通过波形录制采集模式实现波形捕获率指标。对波形捕获率的指标进行分析,采用分段存储的的设计思想,设置示波器模式之外的波形录制模式;通过对DDR3的工作机制及存取指令分析,结合Xilinx用于FPGA设计的MIG IP核读写时序,通过DDR3分段存储实现波形录制模式的数据采集存储方案,实现波形捕获率20000 wfm/s的指标。 完成硬件设计与逻辑编程之后,搭建验证测试平台,进行各项功能的实验性调试。在确保信号准确性基础上,实现功能的完整性,并确保低功耗等关键性能指标满足预定的设计要求。

关键词： 芯片设计   移动处理器   摄像头串行接口2   高性能接口  

摘要： 移动行业处理器接口(Mobile Industry Processor Interface,MIPI)协议是专为移动处理器设计的开放标准。其制定旨在规范移动设备内部的接口，以简化设计复杂性并提高设计的灵活性，因此成为当前移动领域的主流协议。MIPI协议涵盖多个应用领域，包括图像采集和显示接口标准，其中包含物理层、协议层和应用层。摄像头串行接口2(Camera Serial Interface 2,CSI-2)是接口标准中的协议层，其连接应用层和物理层，是整个接口中的枢纽，具有至关重要的地位。随着协议的不断升级换代，加上协议层需要考虑对物理层(Physical Layer,PHY)协议的兼容性，包括D-PHY和C-PHY还有将来会推出的A-PHY。因此，研究一款具有高速;高可靠性;高兼容性的CSI-2芯片具有重要的研究意义和充分的研究价值。　　本文主要完成了MIPI视频图像传输部分协议层CSI-2发送端的数字设计与验证。在此前与MIPI CSI-2芯片相关的论文中，对整个CSI-2协议的数字设计部分介绍不够系统和完善，本文针对这些方面进行了补充，使其更加系统化。MIPI CSI-2发送端芯片使用MIPI CSI-2 v2.1协议版本，能够同时兼容MIPI D-PHY v2.1版本与MIPI C-PHY v1.2版本。主要的模块包含摄像头接口模块、字节打包层模块、跨时钟域模块、底层协议层模块、通道分配层模块、加扰模块、时钟通道控制模块、寄存器配置模块以及复位模块。摄像头时钟域支持350 MHz至750 MHz，对于D-PHY物理层，最多可以支持四个数据通道，支持的传输速率为96 MHz至750 MHz。C-PHY物理层最多支持三通道，支持的传输速率为39 MHz至1249 MHz。　　在高性能接口的设计上，有以下创新点：MIPI CSI-2发送端芯片的整体架构设计划分为两个时钟域，时钟域之间加入跨时钟域设计。分别在两个时钟域的模块间使用状态机联动的设计方法，控制数据的传输，传输符合握手传输规则。整个设计拥有完整的寄存器配置模块设计，可以通过先进外设接口 (Advanced Peripheral Bus,APB)总线配置协议层和物理层的相关寄存器。本模块有着极强的兼容性，在协议的基础上，支持单、双和四像素模式的输入，支持RAW、RGB、YUV和用户自定义类型在内共32种像素格式，还可以兼容D-PHY和C-PHY两种物理层。在实际应用中，可以根据实际需求配置改变模块的模式，极大地降低成本。　　本文完整描述了MIPI CSI-2发送端从协议内容、数字前端设计、验证、综合到使用现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)进行原型验证的整个流程。设计的代码部分使用Verilog HDL硬件语言，并且搭建了验证环境来保证设计的正确性和完备性。得到的波形数据与协议规定相符合，能够对两种物理层实现兼容。还对设计进行了时钟域交叉(Clock Domain Crossing,CDC)检测，确保存在跨时钟域设计的模块不出现未同步的跨时钟域问题、聚合问题、可能出现毛刺的逻辑等问题。设计在综合时使用TSMC 22 nm工艺，综合结果显示模块的电路总面积为26855.72??m2，总功耗为4.8234 mW，时钟门控插入比例为82.36%，没有出现时序违例。最后对设计进行FPGA原型验证，在开发板上，本设计可以按照配置模式正常处理图像数据。

关键词： STM32   交通信号灯控制系统   主程序设计   硬件设计  

摘要： 文章围绕STM32开展智能交通信号灯控制系统设计与实现，结合光电开关、超声波传感器实现信号灯控制系统自动切换，旨在通过设计成果提升交通信号灯智能化水平，以应对新时期下车流量不断加大的挑战以及降低交通事故的需求。最后，基于Proteus软件仿真分析与硬件分析，本次研究成果具备实际应用价值，可用于交通管理系统。

关键词： 海水   总磷   总氮   在线分析仪   校准模型  

摘要： 在当代环境监测领域,实现对海水中总磷和总氮的在线分析至关重要,它不仅对人们了解海洋生态系统的健康状态有重要意义,也是全球气候变化研究和海洋污染防控的关键。针对现有技术在海水总磷、总氮在线监测中所面临的挑战,本文通过一系列技术升级和优化,提高了总磷总氮在线分析仪的检测准确度和系统稳定性,对海洋环境保护与可持续发展提供了一定的技术支持。 本文首先调研了海水总磷、总氮检测的理论基础及方法,通过改进光学检测装置并解释了光学检测原理,实现了对分析仪测量原理与过程的改进,为后续的技术开发奠定了坚实的理论基础。 在硬件设计与温度控制方面,本文详细介绍了一套全新的电路控制系统设计方案,包括电源模块、最小系统供电电路等关键部分的设计。特别是通过采用过零触发型固态继电器和双闭环PID控制策略,本研究成功实现了对加热与冷却模块的温度控制,提高了系统的响应速度和化学消解效率。 为了校准环境因子对总磷、总氮检测结果的影响,本文构建了一套环境因子校正模型,为海水总磷总氮分析仪的准确测量提供了技术支持。在深入讨论了温度和盐度变化对检测精度的影响后,通过系列实验和数据分析,验证了模型的有效性,为海水总磷总氮在线分析仪提供了可靠的校准方法。 最后,总磷总氮在线分析仪通过性能测试及海水现场试验,验证了测量范围、检出限和重复性等关键性能指标,证实了其在实际海水监测中的实用价值。 本文在海水总氮和总磷现场分析技术方面取得了重要进展,提升了检测的准确度和系统稳定性,为海洋环境监测和保护提供了技术支持。通过技术升级和系统优化,为海洋科学研究和环境保护提供了保障,对于推动海洋环境的可持续发展具有重要意义。