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关键词： 数字信号合成与采集   模块化仪器   数字测试   多通道   精密延时  

摘要： 数字技术的迅速进步推动了电子信息行业的蓬勃发展,随之而来的是在复杂数字电路系统的研发与验证过程中,需要使用功能多样的数字测试设备进行各种阶段性测试,以确保系统的有效性与准确性。传统的数字测试仪器存在着体积较大、测试通道少、功能单调匮乏等诸多不足之处,无法胜任现代化数字测试领域的复杂测试任务。针对上述问题,同时结合课题具体需求,本文提出设计一种基于FPGA的多通道数字测试模块。该测试模块基于模块化仪器的思想,在体积有限的板卡上集成了多种数字信号发生和采集功能,能够为数字电路系统提供完备的功能和参数测试。本文的主要研究内容包括: 1、数字测试信号合成方法的研究。本研究对比分析了不同数字测试信号合成技术,深入探讨了这些技术的优势与局限。通过引入一种高度灵活的数据块编辑机制,将码型数据内容划分为序列参数信息和序列数据信息分别存储,合成了可编辑长度远大于存储深度的自定义码型序列。通过对时间信息的有效数字化编码,并利用FPGA内置GT高速收发器将低速并行数据转换成高速串行数据,实现了高分辨率数字-时间脉冲序列的合成。 2、多通道数字测试模块硬件电路设计。通过分析功能指标,制订模块整体硬件设计方案,并在此基础上进一步细分为不同的功能电路。针对整体时钟需求,采用分段分频处理的方法设计时钟电路。基于延时范围和分辨率指标要求,采用粗调+细调相结合的延时电路设计方案,实现了对输出信号的精密可控延时。采用基于引脚驱动器的非线性调理的设计方案,实现了对数字信号输出电压的有效调节。 3、数字测试信号合成与采集时序逻辑设计。针对所采用的不同数字测试信号合成方法,合理利用FPGA内部资源,完成了自定义编辑码型序列、协议码型序列、伪随机码型序列、数字-时间脉冲序列的时序逻辑设计。同时通过采用多相时钟并行采样技术,实现了对数字信号的有效采集。 通过对上述关键内容的深入研究,本文成功完成了多通道数字测试模块设计与实现。最后通过测试和验证,所设计的数字测试模块拥有16个双向测试通道,能够模拟多种数字测试信号合成与采集。数据率可在1kbps～100Mbps内动态调节,分辨率为1kbps,输出电压可在-1.5V～+5V内动态调节,分辨率为10m V,且不同通道间具备0～10μs的精密延时输出,延时分辨率可达20ps。

关键词： 干涉式光纤陀螺   四态方波调制   硬件设计   FPGA程序设计   性能测试  

摘要： 干涉式光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的新型角速度传感器。目前,基于闭环反馈控制的全数字光纤陀螺已经广泛应用于各个行业,并且随着科学技术的发展,各新兴行业对高精度光纤陀螺表现出大规模需求。然而,我国目前在高精度光纤陀螺的生产制作方面还与国外存在较大差距。因此,本文围绕着如何设计制作一支高精度干涉式光纤陀螺进行了如下工作: 1.详细介绍分析了干涉式光纤陀螺的基本工作原理以及两种调制解调方案,即方波调制和四态方波调制,并指出四态方波调制方案在抑制闭环反馈通道增益变化方面的优势。此外,本文还对干涉式光纤陀螺的噪声源进行了详细分析,并建立了闭环系统数学模型,为后续的工作奠定理论基础。 2.根据四态方波调制方案光纤陀螺的工作原理,确定了整个系统的硬件结构,并根据信号流向对各个硬件模块进行划分,完成了硬件原理图设计。根据所设计的原理图,按照信号完整性、低噪声和高可靠性的要求,高质量地完成了信号处理电路的PCB设计。 3.根据四态方波调制方案,确定了FPGA程序实现的整体结构,并对各个模块进行功能划分,主要包括用于反馈跟踪角速度误差的第一闭环系统和用于补偿反馈通道增益改变的第二闭环。然后依次介绍分析了各个模块的功能和实现思路,并给出了必要的波形仿真,证明了FPGA程序的正确性。 4.使用Sagnac干涉法对Y波导相位调制器的半波电压进行了测量,验证了本设计光纤陀螺的第一闭环、第二闭环以及通信接口的功能正确性。此外,按照国军标对光纤陀螺的各项性能参数进行了测试,得到了3.802 ppm的标度因数非线性为1.23 ppm的标度因数不对称度以及0.0043°/h的常温零偏稳定性。最后通过Allan方差分析得到了本设计光纤陀螺的角度随机游走系数为0.0007°/h1/2。

关键词： 汽车线控制动系统   功能安全   概念设计   软件设计   硬件设计   故障注入测试  

摘要： 电动化和智能化是当前汽车工业发展的重要方向，自动紧急制动、制动能量回收、自适应巡航等高级驾驶辅助技术的发展在提升了汽车的安全性、经济型和舒适性的同时对汽车制动系统提出了新的要求。线控制动系统因其具有集成度高、响应速度块、压力控制精确等优势，可以满足汽车的智能化需求，是当前行业内的研究热点之一，在另一方面，线控制动系统应用了大量的电子电气零部件，带来了电气失效的风险，因此如何将该风险降低到合理的范围之内对于汽车安全有着重要意义。在ISO 26262道路车辆功能安全国际标准发布之后，功能安全作为降低汽车电子电气系统失效风险的有效方法在汽车安全领域的研究中逐渐普及，且行业内对其的重视程度越来越高。在此背景下，基于功能安全标准对线控制动系统进行设计与研究具有较大的意义与价值。　　本文以满足线控制动系统的功能安全需求为目标，在功能安全国际标准ISO 26262的指导下对线控制动系统进行了设计与测试。主要研究内容如下：　　（1）线控制动系统功能安全概念设计。首先分析了线控制动系统的功能需求和工作原理，并设计了基于电子制动装置与电子稳定控制装置的系统构型，总结了系统中的功能安全相关项。然后基于危险与可操作性分析方法进行了危害分析与风险评估，从严重度、暴露率和可控性三个维度对危害事件进行汽车安全完整性评估并导出了系统的功能安全目标，通过使用故障失效模式与后果分析以及故障树分析两种方法导出了线控制动系统的功能安全需求，并在此基础上设计了更为具体的技术安全需求，完成了功能安全概念和系统阶段的开发。　　（2）线控制动系统控制器硬件设计。首先，将技术安全需求分配到硬件部分，并以此为指导进行控制器主要芯片选型和硬件架构设计。然后对主要硬件部分包括MCU、供电模块、CAN通信模块、驱动模块和信号采集模块进行了电路原理图设计，之后在功能安全标准的指导下计算了主要元器件的失效率和失效模式分布并设计了硬件的安全机制，最后对硬件架构失效指标和随机硬件失效指标进行了计算，结果表明所设计的控制器硬件满足功能安全的指标要求。　　（3）线控制动系统软件设计。依据功能安全软件阶段开发流程，将技术安全需求分配到软件层级，据此进行软件架构和软件单元的设计。本文基于E-GAS分层监控架构设计了线控制动系统三层软件架构，包括功能层、功能监控层和全局监控层，并对功能层和功能监控层算法进行了开发，设计了人工驾驶模式和自动驾驶模式下的制动策略、双绕组执行电机控制算法以及传感器故障诊断方法，并对传感器故障容错安全机制和安全状态进行了设计，完成了满足功能安全需求的线控制动系统软件开发。　　（4）线控制动系统故障注入测试。使用软件故障注入的方法对线控制动系统踏板行程传感器和主缸压力传感器进行故障检测和容错能力的验证。首先进行了双绕组执行电机与控制板和驱动板的装配与调试并搭建了线控制动系统试验台，然后对传感器故障注入方法和故障测试用例进行了设计，最后对踏板行程传感器和主缸压力传感器进行了故障注入测试，测试结果表明所设计的故障诊断方法可以有效的检测和定位传感器故障，且后续的故障处理机制可以保证系统功能稳定，避免失效风险，满足线控制动系统的功能安全目标。

关键词： 双舵轮自动导引车辆   车载控制系统   硬件设计   软件开发   运行测试  

摘要： 自动导引车辆（AGV，Automatic Guided Vehicle）作为现代化工厂中不可或缺的物料运输设备，广泛应用于制造业、农业、物流业等多种行业。本文针对工业生产过程中的物料配送场景，进行了双舵轮AGV的同步控制、组合导航和路径规划方法的研究，设计并实现了双舵轮AGV控制系统。　　本文通过查阅 AGV 的相关文献，对 AGV 在国内外的发展和研究现状进行了分析和总结，并对其关键技术进行了探讨。根据制造生产车间的实际需求和车间环境的特点，明确了其基本功能和技术指标。在此基础上，对控制系统总体架构进行了设计，确定了AGV的驱动方式为对角式双舵轮驱动，完成了控制系统的结构设计。　　在建立双舵轮 AGV 位姿误差模型的基础上，制定了双舵轮 AGV 的控制策略。首先针对行进电机的速度同步问题，提出了一种基于交叉耦合结构的模糊PID同步控制方法。该方法结合了模糊PID算法与交叉耦合结构的优点，实现了对PID参数的动态调整与速度的相互补偿。其次针对转向电机的角度同步问题，提出了一种基于角度补偿的串级 PID 同步控制方法，通过角度补偿可以更快地调整角度同步误差值。最后在MATLAB/Simulink 平台上分别搭建行进速度同步仿真模型与转向角度同步仿真模型，并分别进行仿真对比分析。仿真结果表明：在面对负载变化不均匀时，行进速度与转向角度的同步能力相比于传统的控制方法，具有更快的响应速度和更理想的同步误差。　　针对双舵轮AGV的导航方式的问题，首先分析了单一导航方式的局限性，进而设计了一种基于二维码导航和惯性导航的组合导航方法。在这种方法中，惯性导航提供了两个二维码信标之间的位置信息，而二维码导航则用于消除惯性导航的累积误差，从而有效地提高了导航的灵活性和可维护性。针对物料配送中路径规划的问题，提出了一种改进的Floyd路径规划算法，通过引入转向时间权重系数来进行优化，减小了实际行驶的时间，优化了物料配送的效率和精确性。　　针对双舵轮AGV车载控制系统进行了软硬件设计以及运行测试。首先在硬件方面，完成了主要硬件的选型以及设计集成工作。其次在软件方面完成了车载控制系统软件的开发，实现了导航定位、运动控制、路径规划等功能。最后在实际场地搭建测试线路，对双舵轮AGV车载控制系统进行了运行测试，测试数据表现出良好的稳定性，能够满足生产配送的需求。

关键词： 插件式框架   农业气象灾害   服务保障系统   功能设计   硬件设计  

摘要： 农业气象灾害是制约农业生产的重要因素，传统的预警和评估方法难以满足现代化农业的需求。本文针对现有系统集成度低、扩展性差的问题，提出了一种基于插件式框架的农业气象灾害服务保障系统。该系统通过模块化设计，实现了气象数据监测、灾害预警推送、灾害损失评估和农业生产建议等关键功能。硬件设计上，该系统采用了高性能服务器、数据存储设备、传感器网络和专业气象监测仪器，确保了数据的实时采集与处理。经过严格的功能与性能测试，系统展现出了良好的稳定性和实用性。

关键词： 图像超分辨率   深度学习   轻量化   实时性   FPGA  

摘要： 随着移动设备与物联网设备的普及,对于能够在资源受限环境中高效执行的图像处理算法的需求日益增长。基于深度学习的图像超分辨率技术作为一种能够改良图像质量的关键技术,在许多领域都有着重要的应用价值,包括医疗成像、安全监控、卫星遥感以及民用电子领域。在这些领域中往往需要快速处理大量的图像数据,提供实时且高质量的图像内容。然而,早期的超分辨率算法无法进行高质量的图像重建,近年来的算法结构复杂并且对于计算资源要求极高,难以满足边缘设备的实时性要求。针对以上问题,本文从算法与硬件协同设计的角度出发,提出了一种软硬件一体化解决方案,实现在边缘设备上的实时高质量图像超分辨率处理。本文的主要工作内容如下: (1)针对边缘计算中图像超分辨率算法需要同时满足高重建质量与低复杂度的问题,设计了一种高效轻量化的超分辨率算法。该算法基于残差学习机制进行构造,结合像素注意力机制与残差块内短跳跃连接方案,在几乎不提升算法复杂度的同时获得了较好的算法性能。与主流算法IDN相比,本文算法在四个标准测试集(Set5、Set14、BSD100、Urban)上的平均性能相近,而其参数量下降了63.1%,在相同GPU上的推理时间下降了71.7%。 (2)针对边缘计算中对于图像重建的实时性要求,基于本文算法搭建了高速FPGA硬件架构。包括合理规划电路中子模块的数据流以及资源分配,降低数据传输时延。对于其中的卷积操作进行高并行展开计算,提高卷积计算效率。基于流水线的设计思想对像素注意力模块进行优化设计,使其可以与卷积模块进行流水工作,提升了整个硬件电路的数据吞吐量。采用优化的查找表方案实现了Sigmoid函数与双三次插值权重生成单元,降低了建立查找表所需的存储资源。 (3)基于Xilinx XC7K325T FPGA对所设计高速硬件架构进行实现,完成功能仿真与时序验证,分析硬件设计方案对于片上资源的利用率并进行综合性能对比。该硬件实现方案在工作频率为100 MHz时,与CPU相比平均推理速度达到3.66倍,并且功耗大幅降低,通过实验分析说明该电路在性能与功耗之间取得了较好的平衡,适合应用于边缘计算场景。

关键词： 煤矿巷道   锚杆支护   锚孔定位系统   硬件设计   软件开发  

摘要： 国内煤矿采煤以地下开采为主，需要构建大量的地下巷道，为了保证巷道的畅通和周围围岩的稳定性，防止冒顶和片帮事故的发生，需要对巷道进行锚杆支护。传统的锚杆支护作业以人工为主，其存在两方面的问题:一是打锚孔需要耗费大量的人力成本，整体工作效率较低;二是煤矿采掘和支护工作面附近存在较高的安全隐患，特别是在未完成支护的巷道中，工人现场操作危险性较高。国内煤矿生产正在朝向智能化方向发展，而锚孔定位自动化是其中的关键环节。本研究针对煤矿井下巷道中高粉尘、光线差等复杂环境，设计并开发了锚孔定位系统。主要研究内容包括:　　(1)整体方案设计和硬件平台搭建。首先，由煤矿巷道中的作业环境对锚孔定位系统的功能需求进行分析，并对整体系统方案进行设计。其次，根据设计的方案对主控制器、通讯模块、动力模块以及位移定位模块等硬件进行选型，并完成硬件平台的搭建。　　(2)软件系统的设计。根据控制系统对实时性和操作性等进行分析，选用FreeRTOS作为控制系统的操作系统。在设计通信驱动时，为了使得数据的传输更为稳定，通过对RS-232、RS-485两种转换器的通信性能进行对比，选取RS-485 作为转换器。在设计电机驱动时，由于不需要对电机转动角度进行精确控制，所以电机采用开环控制。对位移输出模块进行编码器模式数据采集。由电感式位移传感器进行电压数据采集，设计了 ADC转换驱动程序。　　(3)对电感式位移传感器感应头线圈进行电磁感应仿真分析，选取垂直采样距离为15-20 mm。使用锚孔定位平台对钢带进行检测之后，对采集的数据进行分析，由于数据中有噪声存在，需要对数据进行滤波处理。通过对均值滤波、中值滤波、高斯滤波等滤波效果进行分析对比，最终选用均值滤波作为滤波降噪的方式。　　(4)在对实验测试数据进行滤波处理之后，对数据进行阈值分割，提取锚孔边界信息，对最小二乘法和霍夫圆变换两种圆拟合方法进行对比，选用霍夫圆变换对锚孔边界进行拟合及定位。　　(5)使用QT平台设计开发了锚孔定位监控系统客户端，操作人员可以通过客户端对锚孔定位平台的运行状态、锚孔坐标信息以及故障警报进行监控。