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关键词： Instruction set architecture   Datapath   Cryptography   Hardware components   Hardware designs  

摘要： The sea of hardware features is vast. Hardware features range from things as simple and small as a bypass line in the datapath of a processor to as large and complicated as a cache or accelerator. Qualitatively, hardware designers choose what functionality the design will have through the instruction set architecture (ISA). Will the processor support floating-point instructions? Will the processor’s applications require SIMD or cryptography instructions? These considerations lie on a spectrum from limited or specialized ISAs to full featured general processing ISAs. This spectrum intersects with the quantitative spectrum of the microarchitecture. A processor must reach the die area, electrical power, and performance targets in its design. Generally, this ranges from small, low powered, and slow processors to large, power hungry, and fast processors. Should the processor have 4 or 8 cores? How deep should the datapath be? How many levels of cache should the processor contain? To build a hardware characterization, designers carefully select different features to satisfy functional requirements while attempting to satisfy space, power, and performance constraints along the way. We envision a hardware characterization that can evolve both qualitatively and quantitatively. In a feature-oriented characterization of an ISA, say RISC-V, hardware designers could easily swap their features for others. This could open up a marketplace of hardware features where designers could test and create features collaboratively. With a common ISA and feature-oriented characterization, researchers could better understand the nature of hardware components by reducing the variability between different hardware implementations. Instead of starting from scratch, the characterizations could build upon already established features. In this dissertation we work towards this goal of feature-oriented hardware characterization by exploring novel hardware characterization techniques through feature-

关键词： 动态实时监测   硬件设计   软件设计   数据处理   系统降噪  

摘要： 企业为了便于生产和节省资金,常常把工厂建设在山区、乡镇等偏远地区,企业的生产中常常会用到存储罐存放原料和管理粉料。两座山之间常常伴有穿堂风和山谷风,工厂里面常有大车驶过,存储罐常处于这样的环境:昼夜温差大、存在大风等影响传感器精度的因素以及矿山中存在的金属元素、电磁干扰、噪声等对无线信号的传输有干扰的复杂环境中。而现有的料位测量系统存在普适性不强、监测精度不够、抗噪性能不佳等问题。针对该问题,本文提出了一个基于GD32E231C8T6可处于复杂环境下工作的动态料位监测系统。通过对项目的需求分析,提出系统的整体设计方案,系统由采集端、接收端及上位机组成,结合服务器对数据进行分析、处理和存储,最终将结果实时显示在上位机界面。本文分别对系统的硬件及软件设计进行介绍,通过多角度进行抗噪处理,减小噪声对本系统的影响,提高数据的可靠性,以保障企业生产线的安全。本系统采用模块化设计,不仅提高了开发效率,还方便了后续系统的故障排除和升级。通过Altium Designer完成电源模块、称重传感器模块、AD模块、拨码开关模块、GD32最小系统及其外围辅助电路设计相关原理图的绘制及PCB的布局设计和后续的焊接、调试工作。软件方面,首先对系统开发环境进行了介绍,使用C语言完成了对通信模块、传感器采集模块、AD模块的程序设计。然后对采集到的数据进行预处理,并对其中使用到的滤波算法进行介绍。最后,对系统最终的计算结果进行温度补偿、振动补偿,并对重量计算方式进行了说明。通过硬件和软件的设计,多角度对系统进行降噪处理。在生产现场完成了系统的安装和调试工作。并选取了6个企业生产线采集到的实验数据与地磅测量的真实数据进行分析和对比。结果表明:系统能够稳定、准确地监测罐内物料的重量,达到实时监测的效果,精度符合设计需求,验证了本系统的可行性,并且具有较高的实用性和可靠性。

关键词： 智能消防头盔   监控系统   硬件设计   软件开发   巴特沃斯滤波   卡尔曼滤波  

摘要： 近年来，世界各地火灾频繁发生，全世界每年都有消防员因执行救灾任务出现伤亡。引发伤亡事故的一个主要原因是火场环境非常复杂，而消防员和指挥中心却不清楚火场环境。传统消防头盔的主要功能是防护头部，而智能头盔除了具有保护功能外，还具有火场环境和消防员自身信息收集和传输、文字和语音通讯等功能，对火场和消防员的远程监控及消防智能化决策意义重大。　　本研究在传统消防头盔的基础上设计了智能消防头盔，并设计开发了基于智能消防头盔的监控系统。主要研究工作包括:　　(1)设计和开发的硬件系统以主控制器为核心，集成无线通信模块、定位模块、报警模块、摄像头模块、电源模块以及传感模块等。采用无线通信技术(比如4G通讯等)与TCP/IP协议实现了硬件终端与云平台、云平台与客户端之间的通信。　　(2)结合火场的实际情况和消防行业要求，进行了智能消防头盔的硬件模块选型分析，且针对硬件系统进行软件程序驱动设计。　　(3)基于QT平台设计开发了智能消防头盔监控系统客户端，消防指挥中心可通过客户端查看救灾现场的环境信息、人体姿态、报警事项、记录查询以及下发指令等。　　(4)利用华为云平台实现了火场信息和数据的处理、分析和存储。具体而言，云平台可接收头盔上传的数据、进行数据分析、可下发处理后的信息至客户端。　　(5)出于消防员安全考虑，需要准确掌握消防员的姿态和现场位置。本研究使用双重滤波算法处理角度传感器的采样信号，确保了用于解算姿态和位置的信号准确性。具体为:1)通过分析角度传感器IMU901信号噪声产生的主要原因，采用巴特沃斯滤波(Butterworth Filter)对原始数据进行预处理，去除角度随机噪声的干扰;2)使用卡尔曼滤波算法(Kalman Filter)对粗滤波后的数据进一步做平滑处理，去除零点偏移不确定性噪声的干扰。在此基础上，提出了基于EKF(Extended Kalman Filter)算法的人体姿态解算方法，为实现智能化姿态识别、风险评估和报警的功能奠定了理论基础。　　在实验室搭建了硬件系统，结合开发的软件系统，对整个基于智能头盔的火场监控系统进行测试。实验重点测试了系统在数据传输、数据存储、信息显示、指令下达等方面的可靠性。结合仿真火场场景下的实验数据和真实姿态，验证了本研究的信号处理算法和预测模型的准确性。实验测试证明:所开发的系统能够实现实时现场信息的客户端显示、风险评估、预警及报警。本研究对消防装备的发展和保障消防员自身安全具有重要意义。

关键词： 输入阻抗谱   电缆故障定位   阻抗采集   自动平衡电桥  

摘要： 现代社会离不开电力供应,而电力电缆是电力运输的主要组件。电力系统的迅速发展导致了运营中的线路数量和长度的大幅增加,电缆事故发生频率也随之增加。电力电缆安全性将直接影响到能源的供应和社会的稳定运行,及时发现电缆故障具有重大意义。目前普遍使用的电缆故障检测仪大都无法精确定位电缆故障点,而国外的LIRA故障检测仪价格高昂,使用成本较高。针对这一问题,本文研究了基于输入阻抗谱的电缆局部故障检测方法,并提出一种基于相移常数的故障定位方法;设计了一款便携式电缆故障定位仪,使用故障电缆进行实测和验证,实现了故障定位方法的应用。本文的主要内容如下:(1)基于传输线理论搭建电缆模型。分析了电缆的分布参数;探究了输入阻抗谱和传播系数以及特征阻抗之间的关联;建立故障电缆的参数模型;研究了电缆分布参数会受到局部破损影响;确定了局部破损能对电缆输入阻抗谱产生影响。(2)改进了电缆故障定位方法。利用电缆局部故障能影响输入阻抗谱的特性,利用积分变换实现了输入阻抗谱从频率到与电缆长度相关的空间域的转换。提出了一种基于相移常数的故障定位算法,其具有更好的高频特性和更高的定位精确度,并通过仿真进行了对比验证。(3)设计了阻抗采集方案,主要采用放大器作为自动平衡电桥的主体,利用AD8302做增益和相位差测量。并提出一种基于相移的相位极性判定设计,提升了系统精度。设计了硬件系统方案,主要包括信号源设计和滤波器设计、供电装置设计、USB传输设计、以及ZYNQ主控系统设计。(4)搭建了测试平台,对实际电缆进行数据采集,并对测试结果进行故障定位。验证了本系统设计的可行性。对系统各功能模块进行验证和调试,并对测量误差进行改进。

关键词： 水声定位   声信号模拟器   ZYNQ   时钟同步  

摘要： 声信号模拟器是水声定位系统的重要辅助设备。本文拟设计一型声信号模拟器,用来替代真实目标,帮助水声定位系统完成实验、校准、调试任务。本文对声模拟器的功能进行分析,并根据需要完成的功能及指标提出了声模拟器设计的总体方案及实施方案,开发了相应的软硬件及配套的显控软件,最终通过功能测试及整机实验,验证了系统稳定性。论文首先对声信号模拟器的参数及功能需求进行了分析,针对声模拟器信号生成、时钟同步、信号发射等功能给出了系统的总体方案,设计了由显控、信号发生板、GPS信号接收机、水声发射机、水声换能器组成的声模拟器总体结构。并根据总体结构,设计了具体的实施方案,包括使用Qt进行显控软件界面的开发,完成信号生成、参数设置、文件导入等功能;使用ZYNQ作为主控芯片设计信号发生板,负责转存文件、进行与GPS秒脉冲的时钟同步并控制DAC进行数模转换;使用串口、网口等接口完成声模拟器各个部分之间的通讯与数据传输;选用模拟功放放大DAC输出的电信号。之后论文详细的介绍了信号发生板软硬件及显控软件的设计。在信号发生板硬件设计部分分析了各个硬件模块的功能,并给出了相应的芯片选型及电路原理图。在信号板软件设计部分,根据ZYNQ芯片ARM端和FPGA端的特性进行了嵌入式软件功能的分配,并给出了各个软件模块的设计原理及工作流程图。在显控软件的设计部分本着直观、便于操作的原则设计了显控的界面视图,并对显控软件各个功能模块进行了分析与设计。最后,对声信号模拟器各个模块进行测试,完成功能验证。包括声信号的发射、GPS信号的接收及与显控的交互等。结果证明本论文设计的声信号模拟器有良好的稳定性,能满足配合水声定位系统使用所要求的功能及参数需求。

关键词： 无损检测   ACFM   硬件设计   ZYNQ   数字相敏检波  

摘要： 交流电磁场检测技术(ACFM)是基于电磁感应原理发展而来的电磁检测新技术。该技术通过将交变电流导入金属工件表面并提取电流经过缺陷时引发的畸变磁场,从而实现对金属工件表面及近表面缺陷的非接触测量及定量分析。国内针对该项技术的研究起步较晚,大多数仪器存在检测范围小、电路冗杂、信号易受干扰等问题。针对上述问题,本文从ACFM检测原理出发,建立相关数学模型,研制了一套基于ZYNQ的ACFM检测系统,以异构多核架构的ZYNQ芯片为核心实现了激励信号产生、检测信号处理以及与上位机通讯等功能,并针对不同金属材料工件上的不同参数缺陷设计试验进行验证分析。论文具体研究内容概括如下:(1)论述了课题研究背景及意义,介绍了ACFM检测的基本原理并分析了缺陷参数与检测信号之间的关系,同时针对ACFM检测构建了数学模型并求解,得出金属工件表面磁场分布情况。(2)针对探头检测范围问题,选用线圈式传感器来提取检测信号,并设计探头封装与接口,提高检测探头的实用性和稳定性;结合BUF634功率放大器、3PD5651数模转换芯片、DDS算法组成激励源模块,实现激励信号可调频、调相、调幅的功能;以AD620仪表放大器、四阶巴特沃斯滤波电路、3PA1030模数转换芯片为核心组成外围信号处理电路,对检测信号进行放大滤波处理并转为数字信号传输至ZYNQ,随后基于ZYNQ的PL端完成数字相敏检波算法,实现对检测信号的自适应滤波,并提取信号的幅值与相位信息;利用AXI DMA IP核实现PS端与PL端的数据交互,并采取串口传输的方式实现PS端与上位机的通讯;设计ACFM上位机系统,实现信息配置、数据显示及数据存储的功能。(3)采用电火花技术分别在304L奥氏体不锈钢板、45#钢板、铝板、对接钢板焊缝等工件上加工不同参数的矩形槽缺陷。针对研制完成的ACFM检测系统对工件进行检测试验,检测结果由上位机界面显示,结果表明系统可成功实现对不同参数缺陷的检出。对试验结果进行研究分析,系统针对深度较小缺陷的检测信号特征变化较小,但针对长度较小以及焊缝的埋藏缺陷保持着良好的检出效果,验证了本课题所研制的检测系统能够满足ACFM检测应用需求。

关键词： 纠偏控制器   超声波传感器   自动标定   硬件设计   软件开发   模糊PID自适应算法  

摘要： 近年来，随着科技水平飞速发展，工业生产中自动化的程度不断提高，半导体、纺织、印刷、贴标、造纸等行业蓬勃发展。在这些行业的生产线上，纸张、塑料薄膜、钢板、布料、印刷电路板等卷材在进行输送、检测、裁切、加工过程中，由于辊筒的摩擦力、设备的振动、曳引张力不均匀等各种因素影响，会造成卷材左右偏移，从而导致收卷不整齐、定位不准确和裁剪精度下降等问题，此时就要利用纠偏控制器进行纠偏。与此同时，在包括微型印刷电路板、高速印刷机等日益精密的生产需求的要求下，高精度纠偏控制器的设计成为必需。　　本文对纠偏控制系统的国内外的发展情况与研究现状进行了深度调查，对比分析了目前市面上的多种常用纠偏传感器，最终使用超声波纠偏传感器作为纠偏传感器，以提高纠偏检测精度。为了进一步提高检测精度，避免偶然因素干扰，本文设计了超声波纠偏传感器的自动标定方法，解决了卷材纠偏控制器所用超声波纠偏传感器缺少一种在安装现场进行自动标定和高精度标定的问题。　　在硬件设计方面，设计了驱控一体化模组，即控制模组和驱动模组集成在同一电路板上。控制模组包括电源电路、CPU电路、传感器信号输入电路、485通信电路、细分拨码器和限位开关输入电路等，驱动模组包括独立供电电源、驱动芯片、驱动电流的分级控制电路、过载报警灯等。　　在软件设计方面，设计了模糊PID自适应控制算法，能够自适应选择使用模糊控制算法或使用模糊PID控制算法，使用模糊控制算法可以提高响应速度，而使用模糊PID控制算法可以提高纠偏精度，将两种控制算法结合在一起，充分发挥算法各自的优势，并且在模糊PID控制算法中利用BP神经网络整定模糊控制表，提高了系统整体的响应速度和纠偏精度。同时，普通纠偏器在检测到卷材边缘的小孔时，会错把小孔判断为偏移而进行不应该的纠偏，因此本文建立了由卷材边缘小孔引发的超声波纠偏传感器信号变化的数学模型曲线以及判断是否为小孔的规则，能够自动判别出卷材边缘小孔而不予纠偏，从而防止由卷材边缘的小孔导致的纠偏机构振动，从而避免了错误纠偏。除此之外，本文还设计了多种算法提升系统整体稳定性与可靠性，包括卡尔曼滤波估算卷材边缘偏移速度，速度位置双闭环控制，以及在线变行程和抛物线加减速的卷材纠偏器运动平滑方法。　　最后，通过控制算法仿真以及现场测试，验证并测试了纠偏控制器的性能。实验结果表明，本文设计的纠偏控制器精度从普通纠偏器的±0.1mm提高到±0.05mm，纠偏精度为±0.2mm，即使在卷材边缘存在小孔的情况下，系统仍然能够自动对卷材进行高精度自动纠偏。

关键词： 储能蓄电池   交流阻抗   多通道同步检测   交流注入法  

摘要： 蓄电池广泛应用于储能系统、新能源汽车等领域,其性能优良与否关系着众多系统的安全稳定。电池的交流阻抗参数是电池性能状态评估的重要依据,针对当前电池阻抗测量设备依赖进口,国内自主研发技术不成熟等问题,本文设计开发了一套高精度、多通道的电池阻抗检测装置以满足实际检测需求。主要内容如下:首先,通过分析电池交流阻抗测量原理选定了基于电流激励的阻抗检测方法。依据检测方法进行系统设计需求分析,基于目标需求提出电池阻抗检测系统的总体设计方案,以硬件平台为主体,与PC端上位机相结合实现激励信号的输出、响应信号采集及数据处理解析进而实现阻抗参数获取。其次,为了实现上述功能,通过参数计算与器件选型进行系统硬件设计。基于模块化思想,将硬件系统划分为主控模块、激励模块、采集模块、功率接口模块。激励模块基于直接数字频率合成技术配合功率转换电路实现可控的激励电流信号输出,采集模块以可扩展的采集卡为基础配合信号提取电路实现多路信号的同步采集和传输,主控模块选用STM32作为控制核心,通过以太网与上位机进行数据交互,通过CAN通信对采集模块进行控制。功率接口模块通过预充电电路、故障检测电路的设计为阻抗检测主体测量回路的构建提供保障。之后,在硬件系统设计基础上,依据目标需求进行系统软件设计。以硬件平台为主体进行系统总体软件程序设计,包括激励信号的生成与控制、多路信号的同步采集与传输、采样频率的自适应调整、系统故障检测与保护。在PC端完成采集数据的接收,基于Python完成原始数据的解析,基于MATLAB利用FFT算法对解析后的离散数据进行信号特征提取以及阻抗参数求解。最后,搭建完整的检测平台进行实验测试。在基本模块功能测试完成后,为了进一步提升检测精度进行系统测量结果校准,在此基础上对铅酸电池和锂电池开展阻抗检测实验,结果表明系统功能指标已达到设计要求。

关键词： 信号捕获算法   软硬件协同设计   北斗三号   卫星导航系统  

摘要： 2020年，中国北斗三号卫星导航系统（BeiDou-3NavigationSatelliteSystem，BDS-3）建设完成，为全球用户提供授时、导航和定位服务。随着卫星导航信号接收技术的迅速发展，传统导航信号的性能已逐渐无法满足定位需求。针对于如何提高导航频率资源的利用率和定位精度的问题，中国的BDS-3在BDS-2的基础上增加了B1C信号和B2a信号的播发，其中B1C信号通过“数据+导频”双通道播发，分别使用BOC（BinaryOffsetCarrier）和QMBOC（QuadraturemultiplexedBOC）调制，实现了与其它卫星导航系统的兼容并提高了伪距测量的精度。在B1C信号的捕获过程中，需要本地复现导航信号的测距码，而该信号的结构比传统BPSK(BinaryPhaseShiftKeying)信号的结构更加复杂，复现难度更大。B1C信号的新型结构使得北斗B1C信号的自相关特性中存在许多副峰，导致了B1C信号捕获的模糊性。B1C信号捕获是北斗导航接收机设计中的关键环节之一，研究B1C信号的捕获算法和硬件设计对于提高北斗接收性能有着重要意义。　　论文的主要研究内容如下：　　1、研究了传统BPSK类导航信号、现代化BOC类导航信号和北斗B1C信号的结构和特性。给出了北斗B1C数字中频信号发生器的硬件设计方案，基于SystemC平台对伪码发生器、载波发生器和副载波发生器等关键模块进行了实现，最后完成了北斗B1C信号发生器的设计，为后续B1C信号捕获的研究提供了数据来源。　　2、研究并分析了BOC类调制信号的四种捕获算法性能，并基于B1C数字中频信号发生器对北斗B1C信号进行了捕获算法实现，在捕获峰均比、均方根误差和误捕率等方面进行了对比，选择ASPeCT算法作为B1C信号的捕获方法。　　3、使用软硬件协同的设计方法并基于SystemC平台给出了北斗B1C信号的捕获方案。针对基带处理数据量过大的问题，添加了数据打包模块，进行了非相干累加和副载波频率的打包，能够降低捕获后续模块的工作频率和数据量，相关运算峰值提高了2.5%。

关键词： 数控机床   刀具状态监测   软件开发   硬件设计  

摘要： 数控机床是制造业的不可或缺的加工装备，其关键部件——刀具的磨损状态直接影响机床加工质量，同时带来安全隐患。在趋向于数字化和信息化的今天，运用实时数据对机床刀具进行精准状态监测甚至剩余寿命预测具有极其重要的意义。受硬件支持和整体架构的制约，现有的状态监测系统往往难以兼顾监测精准性和实时性。且无法做到数据共享和远程监控。为解决上述问题，本文提出一套基于边云协同的机床刀具状态监测软硬件系统，并提出与之适配的低算力刀具状态监测方法和用于剩余寿命预测的联邦学习框架。具体内容如下：　　1．提出了一种低计算成本数控机床刀具实时状态监测方法，该方法运行于系统边缘端。基于振动信号与电流信号，提取刀具时域、频域的共计79项特征。根据相关性系数择优选取特征后，结合刀具历史数据，使用余弦相似度多通道加权构建健康指标，以反映刀具退化状态。使用阈值法分别解决实际工况下的有效性判定问题和断刀监测问题以解决不同环境下的实际工程问题。　　2．为解决数据黑箱交互和边缘端算力不足的问题，本文提出了一种联邦学习寿命预测框架，该方法适用于边云协同整体架构。该方法包含客户端与服务器之间的两次加密上传-下载过程，通讯交互浅层编码器和低级特征，用较少的通讯资源完成数据聚合。该方法隐匿结合多客户端知识，保证框架的泛用性。针对各方数据可靠性不同的问题，训练时参考各方信息权重，避免低质量数据的影响。　　3．基于边-云协同整体框架，通过硬件选型、制定通讯协议、IO拓展板电路设计、软件开发等工作，设计开发刀具状态监测软硬件系统。该系统为上述算法提供系统支持。其中，边缘端软件能够以较低的硬件成本换取算力，完成数据采集、数据分析、数据存储、故障报警、云端通信等多项功能。云端软件系统能够获取各边缘端的数据，运用深度学习等计算能力需求高的算法，换取更高的计算精度。同时，远程运维人员能够通过云端软件系统全局查看设备的运行情况，辅助现场运维。