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关键词： 感觉统合训练产品   硬件设计   软件开发   多动症儿童   需求分析  

摘要： 儿童心理健康水平是评估我国“大健康、大卫生”服务能力的标准之一。ADHD全称为注意缺陷多动障碍也就是俗称的多动症，该疾病作为儿童心理疾病之一长久以来困扰着多动症患儿及其家庭。　　本文意在研究设计多动症儿童感觉统合训练产品，从交互设计的角度入手，以交互设计中的PACT-P系统为参照，结合ADHD儿童训练行为层级分析得出心理模型，建立ADHD儿童感觉统合训练产品设计模型和设计流程。围绕设计模型和设计流程进行设计实践。按照流程，首先对儿童多动症康复产品进行了市场调研和竞品分析，调研的具体工作包括市场分析、产品分类、产品功能等，同时开展用户研究，对象为多动症患儿及其父母，研究的方法包括查阅资料、问卷、电话访谈和用感觉统合训练心理模型对患儿进行分析，绘制用户旅程图，建立用户画像等以此得出用户需求;其次在获取了用户需求后对收集到的需求进行了功能转化，最终设计完成一套软硬件结合的儿童多动症感觉统合训练产品，硬件设计包括CMF分析，尺寸分析，电路仿真等，软件设计包括交互流程设计，游戏策划，高保证设计等;最后对设计出的产品进行了实验验证，实验主要测试产品的有效性。最终实验数据显示产品有效，且数据显著性有效。数据对产品的有效性做出了一定的支撑，验证了本次设计方案的合理性。　　通过设计理论和设计实践的结合应用为ADHD儿童提供一定的康复训练帮助,增强其训练过程的体验感，也给相关研究人员提供参考。

关键词： 深度学习   频域卷积加速器   硬件设计   深度神经网络  

摘要： 近年来，深度学习技术的不断发展使得深度卷积神经网络在许多领域发挥了巨大作用。然而，由于深度学习需要庞大的计算量，特别是在3D卷积计算方面，实现高效的硬件加速计算一直是具有挑战性的问题。因此，研究人员已经提出了许多不同的深度卷积硬件加速器的设计方法。其中，最常用的方法是利用硬件并行化和调度流技术来加速运算，并采用内存层次结构和缓存技术来减少数据移动和存储开销。本文将基于现有的频域卷积硬件加速器并提出新的优化方法，以解决现有方案的不足之处。　　本文的第一个创新点围绕三维生成对抗网络（3D generative adversarial networks，3D GANs）频域硬件加速器设计展开研究。3D GANs广泛应用于模型预测、对象生成等领域。针对当前3D GANs加速器存在计算开销高、访存能耗高问题，本文提出一种新颖的基于快速傅里叶变换（fast Fourier transforms，FFTs）的3D GANs频域硬件加速器设计（简称为FAG）。首先，针对3D GANs加速器计算开销高问题，提出支持频域3D GANs计算的硬件架构，利用频域低计算复杂度特性和频域反卷积中的零值模式以减少计算开销。其次，针对加速器访存开销高问题，提出支持3D卷积和反卷积计算的频域映射调度流，利用频域共轭对称特性和反卷积中的零值模式减少访存开销。最后，基于三种3D GAN模型（3DGAN，3D-IWGAN和3D-PhysNet）的评估结果表明，与具有代表性的频域硬件加速器相比，FAG可使性能提高76%，能效提高141%;与具有代表性的空间域硬件加速器相比，性能提高了5.33倍，能效提高了45.80倍。　　本文的第二个创新点是基于ReRAM的三维卷积神经网络（3D convolutional neural networks，3D CNN）频域硬件加速器设计的研究。3D CNN主要应用于视频分析领域，具有高精度和性能优越的特点，因此受到广泛关注。传统的频域硬件加速器通常采用内存层次结构组织，以实现高吞吐量，但它们常常需要频繁地进行数据移动并消耗大量能量。本文提出了一种基于电阻性随机存取存储器（ReRAM）的频域硬件加速器F3D，能够有效地支持频域复数乘法。F3D通过数据重用和频域数据的共轭对称性来减少频域卷积的复数乘法次数，并降低冗余数据移动的成本。最后，基于三种3D CNN模型（C3D，I3D和3D-U-Net）的评估结果表明，F3D在性能和能效方面均优于现有的最具代表性的硬件加速器。　　本文所提出的两种加速器分别在两种模型深度神经网络（3D GANs和3D CNNs）上进行了充分的实验，并将所提出的两种加速器与前人最具代表性的硬件加速器进行性能和能效评估。实验表明，所提出的两种加速器都能获得优异的效果。

关键词： 钛合金   表面裂纹   检测系统   硬件设计   软件开发   深度学习  

摘要： 钛合金以其优异的理化性能被广泛应用于智能农机、航天航空和医疗设备等多个领域，但在实际生产过程中由于锻造工艺以及与其他化学元素的影响，使钛合金表面产生裂纹缺陷，不仅会影响钛合金表面质量，还会影响设备精度。因此，钛合金表面裂纹缺陷检测对剔除含裂纹缺陷的不合格产品、保证成品质量具有重要意义，准确识别表面裂纹缺陷可为后期工艺改进及机械修磨工作提供数据支撑。本文以钛合金表面裂纹缺陷图像为研究对象，设计了一种检测精度较高、检测速度较快的钛合金表面裂纹缺陷检测系统，为金属材料表面质量快速无损检测提供了参考方法。主要内容如下：　　（1）检测系统硬件设计。从钛合金表面裂纹缺陷检测系统的功能分析入手，根据检测需求，设计了检测系统的总体结构，提出了缺陷检测系统关键环节的硬件设计方案，具体包括图像采集模块中的相机、镜头和光源选型，龙门式三维运动机构中的可编程逻辑控制器和相关组件选型及数字I/O端口设计，最后利用PLC编程控制机构运动。　　（2）建立钛合金表面裂纹缺陷数据集。利用搭载了图像采集模块的龙门式三维运动机构垂直拍摄钛合金板材表面，根据钛合金表面裂纹缺陷的颜色、纹理特征并通过数据标注、数据增广等图像预处理方式构建数据集。　　（3）构建检测模型。提出了一种基于改进YOLOX-s的钛合金表面裂纹缺陷检测模型，并对比分析了不同模型对裂纹缺陷的检测效果以验证其检测性能。针对钛合金表面裂纹尺寸多样性问题，在YOLOX-s模型中的特征融合层中加入了多尺度通道注意力机制，将多尺度特征层信息聚合在通道维度中，提升模型对不同尺度裂纹的检测精度;针对钛合金小目标裂纹，在模型解耦头部分添加自适应空间特征融合模块，增强模型对目标高层语义信息的提取。实验结果显示，本文提出的改进YOLOX-s模型精确率、召回率、平均精确度、F1分数和FPS分别达到88.31%、87.30%、93.95%、87.80%和55帧/s，相较于CenterNet、YOLOv5s模型和YOLOX-s原模型，其平均精确度分别提升了11.64%、6.14%和3.72%。　　（4）检测系统软件的开发与设计。开发与检测系统配套的检测软件并利用钛合金表面裂纹缺陷图像验证软件检测功能，使得用户能够正确识别裂纹缺陷并且查看其具体情况，软件整体检测精度为 90.1%，系统对于单张图像的检测时间保持在 300ms 以内，验证了检测软件在检测精度与检测速度上满足使用需求。

关键词： 基带信号收发   多通道同步   JESD204B   高采样率  

摘要： 伴随电子信息与通信技术的发展,在雷达与通信领域,电磁环境越发复杂,信号工作频率逐渐提高,带宽也不断增加,对这些领域的信号测试变得愈发困难,同时也对信号测试仪器性能提出了更高的要求。与只有单个信号接收与发送通道的测试设备相比,具有多个通道的收发一体信号测试模块通过标准化结构设计,提高了信号测试系统的测试效率与扩展性,能良好应对信号收发测试领域的诸多挑战。本文所设计的多通道基带收发模块采用紧凑型外设部件互联标准(Compact Peripheral Component Interconnect,CPCI)结构,基于JESD204B高速串行数据传输接口搭建“模数转换器(Analog to Digital Converter,ADC)+现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)+数模转换器(Digital to Analog Converter,DAC)”的双收双发架构,实现多通道高速高带宽信号采集、合成与同步转发功能。论文的主要研究内容如下:1、对主流信号收发架构进行分析对比,根据系统采样率为5GSPS,最大信号频率为2.01GHz的指标要求,采用直接采样方案搭建硬件总体框架并对基带信号收发模块进行功能划分,结合系统硬件指标对关键器件选型。根据所选硬件框架,分析系统延时来源,确定通道同步延时补偿对象,提出基于波形数据点与基于器件延时调节的同步补偿方案。2、根据系统指标要求,结合所选器件与JESD204B接口时钟需求完成ADC、DAC的驱动与调理电路、系统电源、系统时钟等电路设计,同时确认转换器收发端链路参数配置。3、根据转换器数据接口要求,在FPGA内部完成收发端JESD204B IP设计,结合数据映射关系,对采样数据解映射与合成数据映射进行设计。设计主动数据生成模块与采样数据跨时钟域位宽转换模块以满足系统主被动信号合成需求。4、基于确定性延迟原理,并结合多通道补偿方案,实现系统从高速宽带采样、处理和合成过程中的高精度同步设计。通过对上述关键内容的设计研究,完成标准CPCI 6U结构的多通道基带收发模块硬件设计。经过测试验证,所设计的模块满足5GSPS采样率,0.01GHz～2.01GHz工作频率范围,2GHz实时带宽的指标要求,具备双通道信号收发能力,能实现通道间同步精度小于±100ps的宽带信号转发功能。

关键词： 电梯智能监控系统   硬件设计   软件开发   窄带物联网  

摘要： 电梯事故的发生屡见不鲜，为了提高电梯检修的效率以及保障电梯乘客的安全，本文以ARM公司的STM32为核心，设计了一种基于NB-IoT的电梯智能监控系统，主要对电梯运行速度、所在楼层、井道温湿度、轿厢内有无人情况进行监测，然后将采集到的电梯运行状态数据通过NB-IoT无线传输模块上传至电信云平台，同时转发给上位机监控平台和手机APP，并与预设的安全范围值进行对比，以达到事先预警的目的，从而实现完整的监控功能。为防止电动车进入电梯轿厢内，选用了电动车检测识别报警摄像头。　　（1） 应用物联网、嵌入式软硬件和网站开发技术，研制了一套独立于电梯控制柜、可兼容不同品牌的电梯智能监控系统。针对电梯常见故障，开展电梯智能监控系统的功能需求分析，从感知层、传输层和应用层三个层次出发，提出了电梯智能监控系统的总体设计方案。感知层主要由STM32微处理器获取电梯运行状态信息，以及调配各传感器运行模式;传输层为NB-IoT终端建立传输通道，传输电梯运行状态数据;应用层主要负责数据的汇集和存储，并呈现在上位机监控界面和手机APP上，便于管理员监管后台信息。　　（2） 对系统进行硬件设计。运用模拟电路和数字电路设计方法，设计电路原理图、元器件封装库和PCB板布线，对微处理器主控模块、最小系统电路、电源电路、外围控制电路、无线传输电路、数据采集端的各传感器模块进行选型及设计。　　（3） 对系统进行软件设计，包括传感器的数据采集程序设计、 NB-IoT 模组通信程序设计;接入电信云平台，包括 NB-IoT 模组接入电信云平台的配置和上位机接入电信云的步骤;针对电梯智能监控系统的应用层需求，基于网站设计原则，搭建了基于 B/S 架构的电梯智能监控系统平台，完成了网站服务器的配置、网页前端页面的制作及实现。　　（4） 对系统进行测试。搭建了测试环境;对电源模块进行了测试，保证各模块、模组都能获得其需要的工作电压;对终端与电信云平台之间的通信进行了测试，保证电梯运行数据实时上传到监控平台;提出了智能监控系统中有关电梯运行参数的安全指标，开展了电梯远程监控功能的测试包括实验室软硬件协同测试和实地测试。测试结果表明：该系统能实现预期功能，上位机监控平台和手机APP能实时显示电梯运行状态数据，且当电梯出现异常时，界面能够弹出电梯故障信息，可实现自动报警功能。

关键词： 线结构光三维测量系统   硬件设计   软件开发   Scheimpflug定律  

摘要： 伴随着我国先进制造业的快速发展，各种智能制造装备及产线对精密检测技术的需求及其性能指标要求越来越高，高精度、大景深的三维测量技术已成为当前精密产品制造过程中的关键技术需求。基于线结构光的三维视觉测量技术凭借高精度、易扩展及低成本等突出优点，如今已在精密检测领域中得到了实际应用，但目前线结构光三维测量系统面对大尺寸被测物体时，图像中的条纹会由于被测物体高度超过相机景深范围而出现不同程度的模糊现象，导致测量误差较大等问题。本文针对基于Scheimpflug定律的线结构光三维测量系统进行相机标定算法、条纹中心点提取算法及误差补偿等算法研究与优化，设计并开发一套基于Scheimpflug定律的大景深线结构光三维测量系统，实现软硬件平台的搭建及相关算法实现，完成从图像采集到三维点云生成的整个测量与重建过程，通过实验验证所提算法与系统的有效性。本文研究工作内容包含以下几个方面：　　（1）深入调研采用线结构光原理的三维视觉测量技术标定算法与线结构光条纹中心点提取算法，并对比国内外线激光轮廓仪产品分析目前线结构光三维测量方法的组成原理及应用难点，比较激光三角法与光平面法两种常规线结构光测量模型的坐标求解过程，明确本文的研究内容与方案。　　（2）设计出一种基于Scheimpflug定律的大景深线结构光三维测量系统，将Scheimpflug定律使用到传统的线结构光三维测量方法中;利用该定律形成恒聚焦光路与线结构光系统光平面相重合的方法来提高系统景深范围，并采用建立理想图像坐标系和张正友标定的方法，推导并说明镜头倾斜后的相机标定原理及流程。　　（3）根据线结构光三维测量系统中相机所捕获条纹图像特征的不同，将其分为线段状条纹图像和非线段状条纹图像，并分别提出一种基于自适应的卷积质心法和一种基于Steger法的优化算法作为线结构光条纹中心点提取算法，最后进行相关实验来说明所提出算法的有效性。　　（4）针对线结构光三维测量系统中固定世界坐标系空间位置的问题，提出一种基于运动方向的世界坐标系位姿标定方法;利用相机所捕获棋盘格运动前后的角点坐标计算平台运动方向与图像像素坐标轴的夹角，并构建与平台运动方向平行的虚拟二维像素坐标完成线结构光三维测量系统中固定世界坐标系的空间位置确定。　　（5）基于所提出的相关算法，结合C++编程语言、OpenCV、PCL、MFC等开源库，实现系统各项计算与显示功能，并采用VisualStudio的集成开发环境实现基于Scheimpflug定律的大景深线结构光三维测量系统的软件开发;通过测量平面与曲面物体的三维测量实验，验证所开发系统功能的可行性与所提算法的有效性，同时明确所开发三维测量系统的景深范围和测量精度。

关键词： 水声扩频通信机   软硬件设计   码元差分  

摘要： 远距离、低信噪比水声通信等主要依靠水声扩频通信技术。扩频技术有诸多优点:抗干扰能力强、安全性高、带宽利用率高、较好地抗衰落能力等，因此在军事和民用无线通信中得到广泛应用。本文将结合扩频通信技术设计一套可应用于水下无人平台的水声通信机。　　本文首先对水声扩频通信技术进行了研究。扩码良好的自相关特性使得直扩系统具有一定的抗多径能力，但直扩系统的抗多普勒能力较差。针对多普勒效应导致的载波相位跳变问题，对差分扩频系统进行了研究，在差分相关检测器的基础上提出了一种基于正交解调的码元差分相关器。在对多普勒因子的估计中，介绍了模糊函数估计法和基于LFM信号的多普勒估计法，并通过仿真对两种方法进行了对比。　　其次，根据通信机的应用场景，给出了水声扩频通信机的整体设计方案，重点对A/D、D/A电路、信号调理电路、压力采集和同步模块、供电模块进行了详细设计。根据水声通信机的实际需求，选取ZYNQ7020作为核心控制单元的主控板卡，选用八核TMS320C6678芯片作为核心处理器。　　然后，在ZYNQ7020和DSPC6678平台上对系统的软件进行了设计。FPGA端主要实现对信号的采集和发射功能，ARM端实现了采集数据的打包传输以及上位机指令的接收发送功能，DSP端则主要实现了同步信号的检测、多普勒估计以及信息码的解码等功能。　　最后，对水声扩频通信机进行了测试及验证工作:在实验室环境下，对信号调理电路的参数指标、A/D、D/A的采集和发射功能、ZYNQ平台的网络传输、指令收发功能以及DSP解码功能进行了测试。最后进行了湖试验证，所设计的水声扩频通信机各模块稳定可靠，能够实现较远距离的低误码率通信。

关键词： 饮品生产线   智能检测系统   硬件设计   软件开发  

摘要： 成熟的制造业是一个国家立国之本、强国之基，饮品生产隶属于制造业，我国是饮品生产和消费大国，但人均资源占有量低，为了资源能够得到更充分的利用，在饮品生产过程中对PET瓶、玻璃瓶的可重复使用提出了更高要求。随着中国市场消费逐渐复苏，人均消费水平提高，对瓶装饮品的需求量变大，这就要求饮品生产的质量和数量需要进一步提升。国外相关检测技术已十分成熟，但大多成本较高，且设置的检测参数不适用于国内市场，而传统的人工检测模式效率过低，同样无法适应国内饮品市场多元化、个性化的发展，因此饮品生产线必须向智能化、信息化的方向转变。为拥有自主独立的知识产权，缩小与国外饮品制造业的差距，根据以及“中国制造2025”的相关要求，必须设计和研发更加适合国内市场的饮品生产线智能检测设备。　　本文首先介绍“RAMI4.0”的三维尺度，确定背景要求。然后分析国内饮品市场的发展趋势，总结市场所需并结合饮品生产质量相关文件，确定生产速度、检测精度等相关技术指标。接着通过分析比较现有的检测技术，取长补短以弥补市场检测技术的缺点。最终通过研究和设计将回收玻璃瓶缺陷检测、清洗液残留检测和灌装成品液位检测集成化、信息化、一体化，并对检测系统相关算法、理论模型和等效电路做出详细介绍，做出整体设计方案。检测系统各模块分工配合，待测产品经光电触发后，玻璃瓶缺陷由机器视觉检测系统完成检测;残留液和成品液位由变介质耦合电容传感器完成待测信息采集，通过接收、主控模块处理和判断完成检测;主控模块控制剔除器进行不合格产品的剔除操作;相关检测数据通过Zigbee组网和WIFI局域网上传至阿里云平台进行数据云储存，实现历史数据的可追溯性，并通过手机移动客户端APP进行检测系统的远端监测与控制。　　本课题主要对检测系统软硬件进行研究和设计，其中硬件部分主要有机器视觉硬件选型;残留液及成品液位检测系统的发射信号源、接收、温度采集、剔除和主控等模块电路设计;为实现检测现场和远端两种监测和控制功能，进行显控触摸屏和无线传输模块的选型和电路设计;为提升检测精度和系统稳定性，对检测系统的硬件部分进行降噪优化设计。软件部分主要包含图像处理软件与算法、主控模块处理与控制程序、接收模块信号采集处理程序、显控触摸屏界面、无线传输模块软件程序和手机移动客户端APP界面等设计。　　最后为确保检测系统能够真正的运用到饮品生产现场，根据生产现场环境的复杂情况,进行大量回收玻璃瓶缺陷识别实验和残留液及成品液位的静态测试、动态测试实验，并对测试结果进行分析，确定系统最优检测效果。

关键词： 虚拟仪器   自动测试系统   舵机检测   硬件设计   软件设计  

摘要： 舵机是导弹转向机构的关键部件,其性能参数直接影响导弹的飞行质量。通过舵机测试能够判断舵机的性能指标是否达到制导武器的使用标准,从而降低导弹的事故率。近些年导弹的精度日益提高,舵机的性能要求也越来越高。为提高舵机测试的自动化程度,解决舵机性能测试效率低下,测试精度不足的问题,高精度的舵机综合测试系统的需求应运而生。本文设计了一个导弹舵机综合性能测试系统。实现了多个舵机参数的高精度检测。 本文的主要研究内容如下: 1.分析舵机测试需求,提出了测试系统的整体设计方案。根据测试需求完成硬件搭建。以工控机为上位机,舵机控制器为下位机,实现导弹舵机的自动化测试。配合加载台可以完成舵机加载性能测试。 2.测试系统硬件整体方案设计。首先,结合加载台工作原理,对加载台进行了整体设计,完成了扭矩加载单元和角度测试单元的设计。其次,依据强度理论,进行了扭杆弹簧的尺寸计算和材料选择。完成了舵机控制器的硬件电路设计。最后根据方案需求进行了硬件选型工作,完成舵机测试系统的硬件设备搭建。 3.测试系统软件方案设计。完成包括上位机测试软件和舵机控制器软件在内的整体软件方案设计。使用LabWindows/CVI编写了上位机测试程序,与舵机控制器软件配合,利用多线程技术,完成舵机上电自检、信号反馈、数据采集与显示等功能模块的设计。结合测试信号与反馈数据,通过编程实现了包括行程检测、速度检测、动态特性检测、频率特性检测在内的多种舵机性能参数的测量。使用三参数正弦曲线拟合算法完成相位差的准确计算。最后针对各项数据与测试结果完成数据存储与数据可视化工作。 4.完成测试平台的搭建。通过对四个通道的待测舵机的测试,验证了测试系统的准确性。测试结果表明了本测试系统能够完成舵机多项性能参数的测试,测试系统的幅值比测试误差为0.3%,相位差测试误差小于1%,速度测试误差为0.3%,超调量测试误差为0.5%,行程测试误差为0.01mm,零位精度测试误差为0.02mm,调节时间测试误差为5ms左右,各项指标达到了预期的设计效果,具有实际的工程应用价值。