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关键词： 预应力张拉   硬件设计   软件设计   控制模型及策略  

摘要： 随着中国城镇化的逐步推进,预应力张拉技术凭借其诸多优点已得到了广泛的应用。由于预应力张拉是一个复杂的非线性过程,且会遇到多种异常情况,故至今还没有一套完善的张拉控制算法,以及相应的智能化张拉设备。本文旨在建立一个符合预应力张拉施工要求、张拉精度高的控制模型,并在此基础之上设计研发一套精度高、性能先进、操作简单,价格适中的张拉设备。首先,通过对新型智能预应力张拉设备的功能需求进行分析,确定张拉系统的整体方案,即采用分布式控制系统将工业触控平板电脑、微控制器、通信系统、传感器测量系统和千斤顶-变频器-油泵调速系统组合起来,并采用总线型网络和星型网络的混合组网方式。其次,根据模块集成化原则,将控制前端的硬件电路划分为供电电源模块、基于DSP的核心控制模块和外围辅助电路模块。在此基础之上,进行详细的电路设计,并将基于DSP的核心控制模块设计成四层板,外围辅助电路模块和电源模块设计成2层板。再其次,根据程控主站和控制前端各自性能的差异,对其软件分配不同的任务。程控主站的软件主要包括人机交互、过程控制、信息存储和串口通信等模块,其在Windows环境下,使用VC++语言完成。控制前端的软件主要包括数据采集与处理、控制算法和串口通信等模块,其在CCS环境中,使用C语言完成。最后,搭建关于张拉千斤顶-变频器-油泵调速系统的数学模型。通过分析该系统的不足之处,完成转速补偿。研究并设计基于转速补偿和模糊自整定PID的控制算法,并使用MATLAB/SIMULINK进行仿真,结果表明该算法静态和动态性能都非常优异。利用此算法,实现预应力同步张拉的控制策略,张拉结果表明该控制模型性能优异,张拉力和张拉伸长量的精度分别达到1%和2%,符合国家标准。本文研究设计的智能预应力张拉程控系统经调试和改进之后,在全国各预应力张拉施工场合都得到了广泛的应用,其运行稳定、张拉精度高,符合张拉施工的各类标准,很好的推动了我国预应力设备的发展。

关键词： 可燃气体   泄漏事故   红外光谱分析   气体探测器   电路设计   NDIR技术  

摘要： 可燃气体，尤其是甲烷给我们的生活带来便利，但是同时可燃气体的泄漏事故也时常发生，给我们的安全造成了极大的威胁。现在，大多数的石油，石化，天然气企业会配备气体报警仪，随着红外技术的发展，红外气体报警仪正在逐渐取代催化燃烧传感器成为可燃气体报警仪的主流产品，较之催化燃烧传感器，红外气体报警仪具有更高的精度，更稳定的性能，以及更长的使用寿命。　　红外气体报警仪主要是基于比尔-朗伯红外吸收原理，根据不同的气体对不同波长的红外光产生吸收原理制作而成。本设计以此为理论基础，以 STM32F407为核心处理器，以红外光源，热释电传感器为主要器件，利用3.31μ m波长的红外光为测量信号，4μ m波长的红外光为参考信号，完成了0-100％LEL甲烷气体浓度的测量，本论文主要研究了非分光红外气体报警仪的硬件实现，主要分为七个部分：　　第一部分主要介绍了红外气体报警仪的研究背景和意义，介绍了红外气体报警仪的优势，分析了国内外关于红外气体报警仪的研究现状及发展趋势，并且明确了论文的主要工作。　　第二部分主要对红外气体报警仪的技术原理进行了介绍，首先介绍了红外光谱吸收的原理及产生吸收的条件，说明了红外吸收的基本定理：比尔-朗伯定律，随后介绍了两种常用的红外气体分析方法，最后明确了本设计整体的技术方案及设计指标。　　第三部分主要是对光机结构设计的介绍，主要介绍了本设计中的两个核心的器件光源和探测器的选择，以及气室的设计。　　第四部分主要是对硬件电路的设计，是本论文的核心部分。首先提出整体的设计方案，并对 MCU模块，控制电路模块，接口电路模块，信号处理模块，以及电源模块进行详细的叙述，最后对PCB设计中的要点进行了总结。　　第五部分我们主要对红外气体报警仪的软件工作流程进行了简要的介绍。　　第六部分主要是对单板测试和整机测试结果进行描述，验证我们的设计满足了最初的设计要求以及国家关于报警仪的标准要求，证明设计的可行性。　　第七部分是对全文的总结和展望。

关键词： HEVC   帧内预测   硬件设计  

摘要： 视频作为多媒体信息的重要组成部分,近年来呈现出以超高分辨率为特征的新趋势,而以宏块为基础的H.264/AVC压缩标准却越来越难以满足高清和超高清视频的压缩需求。为适应超高分辨率视频的压缩需求,国际电联和国际标准化组织共同提出了HEVC视频压缩标准,其压缩效率相比于H.264/AVC提高了近一倍。但是算法改进的同时也引起了复杂度的提升,这也给实时编码器的设计带来了巨大的挑战。由于FPGA在数据的处理速度上有着通用处理器无法比拟的巨大优势,因此对算法尤其是帧内预测算法的硬件化设计成了近年来研究的热点。此外,利用Xilinx公司推出的Vivado-HLS工具能将软件代码描述的硬件电路进行RTL级的综合实现和验证,与传统的基于Verilog/VHDL等硬件描述语言的硬件开发相比,使用HLS工具能够方便的对模块的设计架构进行不断地迭代优化,从而极大地缩短了硬件设计开发的周期,这也逐渐成为了FPGA开发的新方式。本文首先介绍了HEVC帧内预测的算法,然后根据帧内预测中参考点预处理模块和粗选模块的特点设计了适合硬件实现的流水和并行架构:(1)参考点预处理模块的流水设计。HEVC标准软件中预处理算法的可用性判断、赋值和平滑是串行处理的。模块的时钟延迟很大,吞吐率不高,为降低延迟和提高吞吐率,设计了一种预处理模块的流水结构,使其数据吞吐率相比于标准算法的串行缓存结构提高了四倍。(2)粗选单元模块的并行化设计。基于粗选模块中存在的并行特性,设计了以8*8块处理单元为基础的、支持不同块尺寸的粗选单元模块处理架构。其中,8*8块处理单元采用64点全并行的方式进行预测和STAD值的计算,且不同块间的预测和STAD计算均以流水的方式进行,使模块的数据吞吐率提高到1.5Gbps。本文在设计上述两种硬件架构的基础上,还使用Vivado-HLS工具对两种硬件架构进行了实现,并解决了实现过程中存在的影响硬件并行化设计的数据依赖性问题。最后,对设计实现的两种硬件架构进行了RTL级的仿真测试。仿真结果显示,本文设计实现的硬件架构能够有效地提高HEVC帧内压缩的效率。

关键词： 电动轮椅   PI控制器   硬件设计   软件设计   MATLAB工具箱   系统辨识  

摘要： 本论文研究的主要内容是按照一定的要求,对实验室的电动轮椅的控制系统进行改造,使其成为一个能够验证各种无人驾驶技术及脑电波控制技术的实验平台。电动轮椅控制系统的具体要求如下:(1)控制系统能够和上位机进行通信,且与上位机之间的通信速率需满足一定的要求,以保证通信的实时性。(2)控制系统应具有速度自动调节功能,使得轮椅的线速度和角速度能在规定的时间内以一定的精度跟踪上给定值。(3)控制系统应该保证轮椅运行的平稳性和舒适性,特别是在轮椅加速起动、减速停止以及速度变化较大的情况下。对轮椅控制系统的改造工作主要涉及硬件设计和软件设计两个方面。在硬件设计方面,本论文以DSP芯片TMS320F2812为控制核心,其主要功能是和上位机进行通信,接收上位机程序发送的线速度和角速度指令,然后结合增量式数字PI算法对电动轮椅进行运动控制。硬件模块主要包括USB转UART口,JTAG仿真接口,电机H桥驱动电路,脉冲信号采集及滤波系统,电源系统等设计。软件方面主要为轮椅控制算法的实现,包括PI算法的实现以及轮椅加减速时的速度控制算法的实现。软件功能模块主要包括系统初始化的模块、对电机进行运动控制的模块、通信的模块以及转速采集的模块等。同时,本文还对电动轮椅进行了建模工作,获得了其近似的数学模型,在一定程度上保证了电动轮椅控制系统设计的性能。本文主要通过MATLAB系统辨识工具箱,对电动轮椅的模型进行辨识,获得其离散形式的传递函数,然后通过d2c函数进行连续化,并进行降阶处理,简化PI控制器的设计。实验测试表明本课题设计的合理性与可靠性,达到了设计要求。

关键词： 参量阵浅剖仪   硬件设计   软件设计   差频信号特性  

摘要： 参量发射阵能以较小的换能器尺寸实现低频、窄波束、低旁瓣发射声波,在浅地层剖面研究中,对于对换能器尺寸有严格要求的情况下是一种优良选择。本文从非线性声学原理出发,结合参量发射阵技术设计参量阵浅地层剖面仪,应用于浅地层掩埋管线探测。在讨论了参量阵的形成机理的基础上推导得到差频波的声压表达式,增益表达式和指向性表达式,得出应用于宽带参量阵模型的差频声压值与包络函数平方的二阶偏导成正比的结论,并对不同包络信号条件下的差频特性进行了仿真,为系统设计打下基础。系统硬件设计部分分五个功能电路进行介绍。电源板介绍了系统的供电设计,测试输出得到各电路工作需要的稳定直流电压;发射板介绍了信号的形式,信号的单片机产生,发射信号经驱动电路被D类功放电路放大供给换能器,储能电容为发射供能的设计,测试得到发射信号声源级225.6d B,输出电功率720.4W;接收板介绍了可变增益放大电路、固定增益放大电路、以及无源滤波器的设计,测试得到可变增益输出范围-8d B2d B,固定增益输出20.8d B;数字信号处理板设计介绍了DSP的最小系统设计,利用DSP的ADC外设对回波信号进行采样,从XINTF接口扩展内存,扩展网口实现与上位机的通信,以及对发射的同步控制和接收机的增益控制设计。系统设计满足参量阵浅剖仪的工作需要。参量阵浅剖仪软件设计主要介绍了软件的功能流程和信号处理流程,并对软件中的核心算法模块进行设计说明。算法包括带通FIR滤波器、包络检波、抽取压缩、触底检测、TVG补偿等几个主要模块。完成了对参量阵浅剖仪的运行控制。水池试验对参量阵浅剖仪产生的差频信号特性进行了测试,得到原频声源级226d B,差频声源级169.9d B,原频波-3d B开角2.9°,差频波-3d B开角3.5°,适当展宽,差频转换效率0.16%,差频增益-56.1d B,与理论基本相符。

关键词： S5PV210   IBIS模型   信号完整性仿真  

摘要： 针对视频教学的相关问题,分析现有的视频监控系统,包括全模拟的视频监控系统、半数字及全数字的视频监控系统,其中详细分析基于PC机构成的监控系统和基于嵌入式设备构成的监控系统的优缺点;设计了一款基于高性能多媒体处理器芯片的视频监控教学系统的硬件。该硬件其具有高清CMOS摄像头接口和HDMI输出接口。由于设计采用三星公司的芯片S5PV210作为处理器,主频达到上百赫兹甚至是1GHz,所以这属于一个高速电路板设计,需要使用高速电路板设计方法进行设计,并且必须考虑到信号完整性问题。 信号完整性方面的问题有以下四种：(1)单独一条传输线上面的信号完整性;(2)相邻传输线间的串扰问题;(3)与电源和地分布相关的信号完整性问题;(4)由于系统自身高速信号传输缺陷,造成传输路径上的部分能量对周围环境产生电磁干扰和污染问题。大多数情况下,反射、串扰是造成信号完整问题的主要原因,本文详细分析了反射和串扰的产生原理以及预防措施。 本文详细介绍了IBIS模型,并对比了IBIS模型和SPICE模型的优缺点,最终选择IBIS模型完成信号完整性仿真。使用Cadence Allegro软件,通过反射、串扰和差分接口电路的相关仿真来分析信号完整性问题。重点分析摄像头和处理器的并行连接和差分连接两种方式,在连接线长度不同的情况下通过反射仿真和串扰比较两种连接方式的优劣。当摄像头与CPU之间连接线很短的情况下,两种摄像头接口都可以实现视频采集的功能。但在传输线较长或干扰严重的情况下,并行接口传输信号容易失真,最终选用差分连接方式。 电路板制作、焊接调试后,进行系统软件开发,包括U-boot、内核移植、挂载根文件系统等,最终测试运行稳定,系统满足应用要求,有较强的应用价值。

关键词： 乳腺活检   正电子发射成像系统   硬件设计   软件开发  

摘要： 乳腺活检是一种临床上取乳腺病变组织进行病理诊断的微创手术，用医学图像引导活检可以极大的提高穿刺精确从而提高手术成功率减少穿刺次数。本论文的主要工作就是基于高能所自主研发的乳腺PET(Positron Emission Tomography)成像系统设计设备配套的活检系统。整个活检系统分活检系统的硬件设计和实现、软件设计和实现两部分。　　硬件系统首先针对自然下垂的乳腺进行恰当的固定，针对乳腺PET封闭且内部空间小的特点，在保证安全的基础上，通过控制器控制四轴运动系统，从乳腺PET床体内部下端实施全方位多角度全自动灵活进针方式。　　软件系统在获取乳腺PET三维图像后，手动勾画病灶，自动识别乳腺边界并规划最优穿刺路径，然后与控制器通信并控制机械系统完成整个活检过程。同时，软件系统还能实时接收并显示机械系统中的各种状态信息和活检针的位置信息，每次记录并报告运行情况，并自动做出相应的安全措施。　　最后通过实验检验活检系统的有效性。制作乳腺模型用本活检系统在乳腺PET图像引导下对乳腺模型进行全自动的穿刺活检，通过模型实验已初步验证本活检系统的有效性和安全性。

关键词： XC2267M芯片   硬件设计   CAN网络   SAE J1939协议   CANoe  

摘要： 近年来电子技术与现场总线技术的快速发展使得越来越多的新技术应用在船舶自动化领域,而主机遥控系统又是我国当今船舶自动化研究的核心之一,它能准确可靠的对发动机工作过程实施监控,若有故障发生,系统就能根据设置发出声、光报警,并提供安全保护机制。以现场总线为基础的网络型控制系统已经成为船舶主机遥控系统的发展方向,对船舶自动化、数字化的不断提升,提高主机监控系统的自动化技术有一定意义。本文是根据某科研项目,通过分析系统的需求、不同模块的具体功能,然后对国内外比较流行的总线技术进行详细的比较,确定了需要的技术参数、故障的标准和选用了CAN总线作为模块间信息交换的通道。针对船舶主机监控系统的功能要求及控制信号和报警信号的采集特点,设计出由驾驶台、集控室及机舱控制器组成的CAN网络,并且其应用层协议符合以CAN总线为基础的SAE J1939协议。在确定了整个网络的基础上,把系统分成功能各自独立的模块,并根据每个独立模块所要产生的功能,对主机监控系统智能节点进行硬件设计。本文首先介绍了监测系统的总体结构和本课题所设计模块的总体结构,然后对Infineon XC2267M芯片的管脚功能和CAN功能进行了分析说明,最后以模块化的设计方法设计了模块的CAN总线通信接口电路,柴油机重要脉冲信号、模拟信号和开关信号采集、储存及传输的调理电路以及LCD显示电路和单片机外围电路等。最后本文在参照SAE J1939协议的基础上,使用CANoe总线仿真软件进行了柴油机CAN总线网络信息提取、解析的半实物仿真试验,验证了系统电路设计的合理性和可行性。

关键词： AVS   整像素运动估计   分像素运动估计   并行处理  

摘要： 近年来,随着数字媒体和互联网的高速发展,高清视频、手机视频、网络视频、视频监控等新应用不断出现,使得视频数据呈爆炸式增长。我国目前产品主要是采用的H.264的国际标准,需要花费昂贵的专利费用。在这样的背景下,AVS视频标准应运而生。本文主要对整像素运动估计模块和分像素运动估计模块作了深入的研究和探讨。本文针对高清视频编码设计需求,综合考虑芯片面积、编码速度以及复杂度等原则,对AVS编码标准中的整像素运动估计模块和分像素运动估计模块的算法进行了深入的分析,并对硬件结构进行了优化,然后对优化了的各个模块编写RTL代码。在整像素运动估计模块的设计中,采用分层的二维阵列全搜索运动估计硬件结构,该结构以8×8子块为最小处理单元,主要在处理单元的并行结构设计以及存储器设计方面作出了改进,实现了一列像素并行处理,节约了硬件资源和编码时间。在分像素运动估计模块的设计中,采用1/2像素运动估计和1/4像素运动估计并行处理的硬件结构,该结构数据流规则,控制简单,同样也实现了一列/行像素并行处理,提高了分像素运动估计速度。本设计采用的是Atera公司Cyclone Ⅱ EP2C35F672C6芯片,使用QuartusⅡ进行编译综合。在完成各个模块的RTL设计后,编写testbench仿真文件,使用ModelSim仿真工具进行功能仿真。验证和综合的结果表明,本设计模块达到了预期的目标,完全能满足1080P@30fps高清视频编码的要求。

关键词： WiFi   射频   数位   IEEE802.11n  

摘要： 当今社会,无线技术越来越受到消费者的青睐,它带来了空前的便利,同时,也促使无线网络的用户得到提高生产力的回报。伴随着802.11n标准获批,无线网络Wi-Fi技术也提升到一个新的高度,Wi-Fi在PC(个人电脑)、消费电子和移动通信三大领域的应用也更加的广泛。传统的无线接入点,在协议IEEE802.11b,IEEE802.11g上,因传输带宽的限制,传输速率仅能达到54Mbps。为了提高产品的竞争性,本文所研究的无线接入点系统化加入了现下最先进的协议IEEE802.11n,其带宽达到40MHz,使得传输速率增加到300Mbps。本设计采用Arthos公司的主芯片Ar7242作为CPU,配合RF部分控制芯片Ar9283实现无线路由功能。在供电端采用802.11af的POE协议,以实现网口供电功能,供电电压范围达到41V-57V,满足市场需要。在射频方面功率可达到27dbm,EVM达到-28db,传输带宽达到40MHz保证了传输距离及速率的要求。该设计通过欧盟CE认证,并颁发了欧盟准入证书。作为本公司首款802.11n产品,实现了从低传输速度到高性能,高速的性能转变。本文将对于无线路由设备从产品规划到成品完成进行详尽的研究及记录,通过一系列功能、性能、指标以及防干扰测试验证产品最终满足产品预期需求,得以顺利投入市场。