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关键词： 相位敏感光时域传感技术   背向散射   硬件电路设计   性能测试   模分复用  

摘要： 分布式光纤传感技术在长距离安防、周界安防等领域具备广阔的应用市场。因其具备不受外界电磁干扰、监测范围大、对外界扰动灵敏等优点,适合于易燃易爆、周围环境复杂的特殊场合或者需要智能化管理的重点场合使用。本文基于相位敏感光时域反射原理(Phase Sensitive Optical Time Domain Reflectometer,Φ-OTDR),研究并设计了能够预处理传感信号和进行系统控制并具备视频联动等功能拓展的高速信号处理板,搭建了Φ-OTDR传感系统。所设计的高速信号处理板以现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)芯片为控制核心,能够同时控制系统中光源、光信号接收板,与上位机通信。具体的工作内容如下:(1)对分布式光纤传输技术研究背景与意义进行了介绍,并对Φ-OTDR技术研究现状进行了阐述。从理论上分析了光纤中的散射效应以及Φ-OTDR传感系统工作原理。(2)针对实验室上一代Φ-OTDR传感系统中,信号处理板的FPGA型号较老、内部资源耗尽、缺乏高速信号接口、无法进行视频联动等功能拓展的问题。通过器件选型和原理图绘制等硬件电路设计,提出了一款高速信号处理板。不仅具备预处理传感信号、控制光源、控制光信号接收板的功能模块,能够满足Φ-OTDR传感系统的基本需求;新增数据缓存模块最高可缓存512 MB数据。新增以太网模块和光模块,为系统接收视频光信号实现视频联动或实现板间通信打下硬件基础;设计了电源电路和时钟电路,为高速信号处理板中各功能模块的正常运行提供稳定的电源电压和时钟信号。(3)针对高速信号处理板的电源模块和时钟模块进行功能验证,确保电源芯片输出的供电电压能够满足处理板的需求以及时钟芯片输出稳定的时钟信号。在此基础上实现程序烧录和FPGA工作状态信息读取以及内部波形抓取,确保满足系统联调的前提条件。(4)搭建Φ-OTDR传感系统,并实现系统联调。在实验室环境中,针对系统性能,进行传感距离、扰动数量、定位精度、响应时间、误报率等方面的实验。实验结果表明传感距离可达44 km,能够监测到5点同时扰动。单点以及两点、三点同时扰动情况下的定位精度可达±10 m,响应时间<1 s,误报率≤3%;四点和五点同时扰动情况下的定位精度可达±30 m,响应时间<2 s,误报率≤5%。然后介绍了耦合模理论以及模式选择耦合器。以实现视频联动技术和Φ-OTDR传感技术结合为目标,提出了一种基于模分复用视频联动的Φ-OTDR传感系统架构。

关键词： 灌溉用水   无喉道量水槽法   自动测流系统   硬件设计   软件开发  

摘要： 全世界可用的淡水资源极少，而且大部分被冻结在南北极，导致能利用的水资源很少。我国是个农业大国，农业用水量很大，而一些传统的量水方式精度较低且造成水资源的浪费，为了实现对灌区的科学用水，需要先进的量水方式对灌溉用水进行精准测量。　　本文在对灌区量水技术的发展历程、国内外发展现状的基础上，研究了一种量水槽法自动测流系统。该自动测流系统采用槽式测流方法，选用矩形渠道和梯形渠道无喉道量水槽作为基本测量部件，使用超声波水位传感器测出量水槽上游水位信号并输出给单片机，经过单片机转换、处理然后送入到上位机监控系统，根据相应的水位-流量函数，计算出过槽流量，最后生成水位和流量的数据过程线并将数据导出保存。　　根据以上的设计思路，本文完成了以下工作：　　在量水槽方面，选择矩形渠道和梯形渠道无喉道量水槽作为测量板，对量水槽进行了结构和尺寸的设计和对流量计算公式进行了探讨与研究。　　在硬件方面，选择HC-SR04的超声波传感器和STM32F103C8T6的核心芯片和设计各重要模块电路连接图，主要包括：电源模块、时钟模块、显示模块、A/D转换模块、通信模块等。　　在软件方面，使用Keil5软件编写程序并下载到单片机上，上位机利用Visual Studio中的C#语言编制上位机监控软件对水位信号进行监控，上位机监控软件可实现以下功能：①通过编程输入各种断面渠道流量计算公式实现多种类型断面的流量计算;②将实时水位、流量数据做成折线图;③可实现年、月、日水量的汇总与Excel导出存储。　　最后，经过调试证明，该系统具有可靠性，有一定的开发应用前景。

关键词： 射频识别   超高频   蜂窝物联网   远距离通信  

摘要： 蜂窝物联网（Cellular Internet of Things,CIo T）作为物联网无线通信系统的重要研究领域,以其低功耗广覆盖、低延时高可靠性的业务特征受到广泛关注。射频识别（Radio Frequency Identification,RFID）作为构建物联网系统的关键技术之一,具有可快速扫描、数据记忆容量大、应用成本低等特点,在物流环节尤其是运输和仓储领域具有重要的应用价值,但当前仍无法满足市场对标签大容量接入及长距离可靠通信的应用需求。本文针对此诉求,设计一种可远距离通信的蜂窝物联网系统,在传统基站读写器与标签构成的RFID系统基础下,添加辅助基站作为中继转发,使得基站与标签的有效识别距离增加,进一步提升基站读写器对标签的覆盖范围及可接入容量。本文的主要工作和成果如下:1、用自由空间中能量传输的路径损耗对超高频RFID系统上、下行通信链路的有效距离进行分析,阐述了限制当前RFID系统通信距离的主要因素,提出蜂窝物联网系统架构并解析其工作原理,通过引入辅助基站、改进系统架构来提升蜂窝物联网系统的通信距离。2、提出了一种远距离蜂窝物联网系统的技术实现方案,通过基站与多个辅助基站组网通信,控制多个辅助基站工作状态来构建蜂窝物联网,增加终端标签的能量供给来解除系统下行链路的传输距离限制,从而提升系统的通信距离及有效覆盖范围。3、使用射频读写器芯片、射频收发芯片以及通用型微型处理器芯片等器件设计实现出满足ISO/IEC 18000-6C协议的高性能基站以及辅助基站的硬件电路,并在此基础上搭建了蜂窝物联网系统的测试验证平台,对基站和辅助基站的样机功能以及系统的主要性能指标进行了测试分析,验证了远距离蜂窝物联网系统基站-辅助基站协同工作的可行性。结果显示基站与辅助基站P压缩点为31d Bm,最大输出功率为32 d Bm,系统对接入标签的通信识别距离可达100 m,通过配置构建多个辅助基站的多蜂窝网络,可实现大容量标签的接入通信。本文研究的远距离蜂窝物联网系统,将传统的超高频RFID系统覆盖距离提升了一倍,且支持大容量的标签无漏识别通信。在物流管理、公共交通等领域具有较高的应用价值。

关键词： 分布式   多协议无线通信   数据采集   无线触发技术  

摘要： 数据采集是获取信息的主要手段,但随着电子信息技术的发展以及测试多样性的提高,当前的单一采集系统已经无法满足某些大规模测试场景的需求。并且传统分布式数据采集系统,存在采集终端有线电缆布线困难,多个采集终端相互配合与控制,以及分布式测试系统针对不同测试场景的适应性问题。所以采用多种无线通信协议进行数据交互的分布式无线数据采集系统逐渐受到重视。本论文基于上述问题,设计了一种分布式多协议无线数据采集模块。该模块通过单一数据采集板搭配多种具备不同无线通信方式的无线通信板,使得模块具备数据采集、多协议无线通信、无线触发等功能。论文的主要研究内容有:1.设计分布式多协议无线数据采集模块的总体框架,将模块划分数据采集、无线通信、电源三部分,分别为并详细阐述各组成部分的方案设计。2.设计数据采集板的硬件电路与逻辑。硬件方面,基于模数转换器(Analog-Digital Convert,ADC)+现场可编程逻辑门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)+大容量存储器的架构,实现双通道模拟信号采集、存储以及数据传输。数字逻辑方面,采用双阈值数字边沿触发技术实现通道边沿触发功能,避免毛刺对触发功能的影响。并设计大容量数据缓存逻辑,实现模块的深存储功能。3.设计无线通信板的硬件电路与逻辑。硬件方面,采用北斗授时模组与射频收发模组,构成单独的定时触发与随机触发通道。基于嵌入式模块+无线通信模组(包含Wi-Fi,蓝牙,Zigbee,Lo Ra,Halow,LTE其中之一)架构,实现与采集系统上层设施的数据交互。数字逻辑方面,基于北斗授时模组输出的秒脉冲与射频收发模组的工作流程,产生定时触发信号与随机触发信号。4.详细阐述分布式多协议无线数据采集模块中功能指标的测试方法,完成对分布式多协议无线数据采集模块的指标测试。通过对以上内容的研究,完成了分布式多协议无线数据采集模块的硬件系统设计,最后通过实验验证,实现了多协议无线传输功能且覆盖范围为50m×100m,模块实时采样率250MSPS,存储深度512Mpts,定时触发延时小于2μs,随机触发延时小于2ms的指标要求,为分布式多协议无线数据采集系统提供了硬件支持。

关键词： 形貌检测   硬件设计   图像采集   畸变校正   图像拼接  

摘要： 在现代工业生产中,管道被广泛应用于各行各业。由于长时间的使用,管道内壁产生的划痕,腐蚀等问题,会造成不可逆的危害,例如火炮内膛炸裂或者输送管道泄漏等,所以必须对深管内部形貌进行定期检测。但是,管道内部情况复杂,传统检测方法对操作人员要求高且效率低。因此对深管内部形貌智能检测技术研究显得尤为重要。本文根据深管内部形貌检测控制系统及采集系统工作原理,设计了一种利用STM32结合FPGA的深管内部形貌智能检测系统,从而实现了对管道内部形貌的智能化、实时性采集;同时采用FPGA与上位机结合的图像处理技术,对采集到的深管内壁图像进行了滤波、畸变矫正、图像拼接处理,增强了成像质量,提高了检测效率。本文主要研究内容如下:(1)对深管内部形貌检测控制系统进行设计。系统硬件设计包括STM32主控单元、电源电路、串口电路、无线通讯模块电路;围绕硬件框架进行了控制系统的软件设计,上位机与底层硬件结构之间使用串口通信,能够根据指令实现对深管形貌检测装置的智能控制。(2)对深管内部形貌采集系统进行设计。在FPGA中设计IIC接口模块,完成CMOS相机配置;设计DDR3＿control模块,控制AXI总线将采集到的图像缓存到DDR3 SDRAM存储器中;根据以太网协议设计图像传输模块,对图像数据进行打包并传输到上位机进行实时显示。使用硬件描述语言Verilog实现了深管图像采集传输各模块的逻辑设计,使用仿真软件Questa Sim对各模块进行仿真,在仿真波形无误的情况下搭建实验平台,对深管图像采集传输模块进行验证。结果表明,在系统工作时钟下,图像数据传输实时性良好,无丢包现象,并符合分辨率及帧率要求。(3)对采集到的深管图像开展图像处理技术研究。首先使用FPGA实现均值滤波算法对深管图像进行降噪处理;使用matlab设计图像畸变校正算法,通过插值法进行深管图像畸变校正,有效消除深管图像采集过程中存在的畸变现象;基于SIFT算法在深管图像拼接中配准精度高,拼接效果好的优点,选用该算法给出具体特征点提取、关键点定位以及匹配结果,通过RANSAC算法进行特征点拟合,使用matlab完成图像拼接模块设计并进行验证,拼接后视场扩大为待拼接深管图像视场的2.7倍,同时拼接质量较高。

关键词： 人体抗视觉眩晕能力评测系统   硬件设计   软件开发   场景完成度   特征提取  

摘要： 在中国每年大约有5700万人患有眩晕，眩晕的发生大部分情况是由视觉刺激引起的。视觉性眩晕作为前庭系统的功能障碍，常伴有头晕、不稳定、空间定位困难等症状。在抗视觉眩晕能力训练过程中，常有场景单一，受试者沉浸感不强等问题存在。目前临床上对人体抗视觉眩晕能力评估主要依赖医师的经验判断，没有具体的量化指标，带有强烈的主观性，对于表征人体抗视觉眩晕能力的特征提取和评估量化方法还需要进一步深入研究。　　首先，本文根据人体抗视觉眩晕能力特点，设计一套系统化人体抗视觉眩晕能力评测系统，系统分为硬件层、软件层和应用层三层架构。硬件层方面，采用压力传感器等硬件设备，搭建可获取人体压力重心信号的测力平台;软件层方面，利用Java编程语言设计人体抗视觉眩晕能力管理系统，主要包括受试者信息管理、数据分析等功能;应用层方面，根据医学视觉眩晕模拟量表并结合虚拟现实技术，设计易诱发视觉眩晕的模拟场景。　　其次，通过实验采集到的人体重心压力轨迹信号为非线性的时间序列数据,采用多元多尺度熵与最大Lyapunov指数的方法，对人体抗视觉眩晕评测实验数据进行特征提取，研究结果表明上述方法可有效分析人体抗视觉眩晕的能力。本文提出场景完成度概念，并将场景完成度与上述两种方法进行相关性对比分析。实验结果分析表明，场景完成度与两种特征提取方法的皮尔逊相关性均在90％以上，表明场景完成度能够有效评测人体抗视觉眩晕能力。本文根据场景完成度设定人体抗视觉眩晕能力量化表，将人体抗视觉眩晕能力分为优秀、正常和差三个分级，初步给出人体抗视觉眩晕能力评测实验范式。　　最后，本文基于虚拟现实及人机交互技术制定场景复杂度更高的训练实验方案，训练结果表明受试者在经过此训练实验后其抗视觉眩晕能力得到了显著提高。为了进一步表明场景完成度能够有效评估人体抗视觉眩晕能力，本文将首次评测数据与训练后受试者评测数据进行对比分析，结果表明训练后的受试者评测数据与场景完成度的相关程度依然均在90％以上，证明场景完成度能够对人体抗视觉眩晕能力进行有效性评估。

关键词： 车内噪声   主动控制   数字信号处理器   噪声控制实验   FxLMS算法  

摘要： 汽车行业快速发展引起了消费者对汽车舒适性的要求日益提高，而车内噪声是影响驾乘人员感受和整车舒适性的重要因素之一。因此，车企厂商一直致力于研究汽车车内噪声控制。传统无源噪声控制技术在车内低频噪声控制方面存在局限性，因此有源噪声控制技术因其体积小、低频噪声控制效果卓越等优势成为研究的热点。目前国内汽车噪声主动控制大多停留在仿真实验阶段，极少真正用于实车使用，因此本设计针对这一问题设计一款用于实车的多频噪声主动控制器。　　说明汽车噪声主动控制研究方法，分析主动降噪声学原理;并提出控制器整体设计要求以及对部分声电器件的性能参数要求，以确保控制器性能稳定可靠。噪声控制器硬件部分以TI高性能DSP（DigitalSignalProcessor）芯片TMS320F28335为核心。该控制器硬件电路主要包括控制器电源供电电路、信号放大电路、滤波电路、AD/DA（模数/数模）转换电路、功率放大电路以及DSP芯片外扩存储电路等，阐述了各部分功能模块硬件电路的选型、工作原理以及设计思路等问题;并对部分放大、滤波电路进行仿真分析;完成各个部分电路的电路原理图、PCB（印制电路板）图设计与绘制并进行电路板焊接制作与调试，以确保硬件系统的功能完整可靠。　　软件方面选用噪声控制领域经典的FxLMS算法及多通道FxLMS算法进行算法推导与性能分析，进行算法仿真，并研究了算法步长对于系统收敛速度影响，对次级通道特性以及次级通路建模进行了介绍分析。通过CCS（CodeComposerStudio）软件进行代码编写与调试，对DSP芯片进行功能配置，将FxLMS算法转换为C语言程序，烧录进DSP芯片中，对下一步实验分析做好准备。　　车内噪声主动控制系统的实验验证，在车内分别完成单频噪声主动控制降噪实验和实车匀速行驶状态下的多频噪声主动控制实验。并对汽车车内噪声信号进行分析，说明汽车车内噪声主要频段为低频段，解释本次设计的控制器的针对低频噪声范围的合理性;最终实验结果表明，在单频噪声控制实验时最高有11.48dB的降噪效果;在实车多频噪声控制实验时，最高有4.4dB降噪效果。表明噪声控制效果良好，验证了本文中所设计的噪声控制器的有效性。

关键词： FDA   MIMO雷达   硬件设计   FPGA  

摘要： 频控阵(Frequency Diverse Array,FDA)雷达在发射天线施加不同频偏,形成角度和距离相关的波束,在抗干扰以及目标定位等领域表现优异。近几年,将FDA和多输入多输出(Multiple input Multiple output,MIMO)雷达相结合,构成新型的FDA-MIMO雷达。该新型雷达同时具有FDA的距离依赖性波束和MIMO的自由度大的特征。对于FDA-MIMO体制的雷达硬件系统,国内外研究尚在起步阶段。本文开展C波段的FDA-MIMO雷达发射与接收模块的硬件设计与软件设计,主要工作概括如下:(1)从FDA雷达和MIMO雷达的基本理论出发,进行FDA-MIMO雷达信号模型的推导。(2)设计FDA-MIMO雷达发射与接收模块的硬件系统。系统主要分为频率源系统、射频前端、数据采集、数据存储等部分。该雷达采用FPGA芯片提高系统的拓展性;频率源采用DDS激励锁相环PLL方式来提高雷达系统的稳定性。采用4×4阵列天线确保雷达的分辨率。(3)本文针对雷达多样化提出了基于硬件的频偏调节方案,并通过测试验证;设计LCD显示模块显示雷达各通道参数信息;数据采集后进行DDR3存储,同时也为后续研究打通数据传输链路。(4)验证FDA-MIMO雷达发射与接收模块。对发射信号进行频谱、噪声和杂散的测试;对电源纹波进行测试以确保雷达工作的稳定性。在实验室条件下,对接收信号数据进行测试,验证数据链路的准确性和雷达工作的稳定性。最后对系统进行调试,并分析遇到的问题,使雷达发射模块和接收模块达到工作指标要求,完成设计。

关键词： 噪声主动控制   数字信号处理器   硬件设计   FxLMS算法   噪声控制实验  

摘要： 汽车行业快速发展引起了消费者对汽车舒适性的要求日益提高,而车内噪声是影响驾乘人员感受和整车舒适性的重要因素之一。因此,车企厂商一直致力于研究汽车车内噪声控制。传统无源噪声控制技术在车内低频噪声控制方面存在局限性,因此有源噪声控制技术因其体积小、低频噪声控制效果卓越等优势成为研究的热点。目前国内汽车噪声主动控制大多停留在仿真实验阶段,极少真正用于实车使用,因此本设计针对这一问题设计一款用于实车的多频噪声主动控制器。说明汽车噪声主动控制研究方法,分析主动降噪声学原理;并提出控制器整体设计要求以及对部分声电器件的性能参数要求,以确保控制器性能稳定可靠。噪声控制器硬件部分以TI高性能DSP(Digital Signal Processor)芯片TMS320F28335为核心。该控制器硬件电路主要包括控制器电源供电电路、信号放大电路、滤波电路、AD/DA(模数/数模)转换电路、功率放大电路以及DSP芯片外扩存储电路等,阐述了各部分功能模块硬件电路的选型、工作原理以及设计思路等问题;并对部分放大、滤波电路进行仿真分析;完成各个部分电路的电路原理图、PCB(印制电路板)图设计与绘制并进行电路板焊接制作与调试,以确保硬件系统的功能完整可靠。软件方面选用噪声控制领域经典的FxLMS算法及多通道FxLMS算法进行算法推导与性能分析,进行算法仿真,并研究了算法步长对于系统收敛速度影响,对次级通道特性以及次级通路建模进行了介绍分析。通过CCS(Code Composer Studio)软件进行代码编写与调试,对DSP芯片进行功能配置,将FxLMS算法转换为C语言程序,烧录进DSP芯片中,对下一步实验分析做好准备。车内噪声主动控制系统的实验验证,在车内分别完成单频噪声主动控制降噪实验和实车匀速行驶状态下的多频噪声主动控制实验。并对汽车车内噪声信号进行分析,说明汽车车内噪声主要频段为低频段,解释本次设计的控制器的针对低频噪声范围的合理性;最终实验结果表明,在单频噪声控制实验时最高有11.48d B的降噪效果;在实车多频噪声控制实验时,最高有4.4d B降噪效果。表明噪声控制效果良好,验证了本文中所设计的噪声控制器的有效性。