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关键词： ISP   高动态范围   多曝光融合   算法   硬件设计  

摘要： 近几年随着社会生活智能化的深入与计算机视觉技术、硬件基础的提升,使得人们对于视觉信息的要求越来越高,这对ISP(Image Signal Processing,图像信号处理)技术提出了更高的性能要求。其中,高动态范围成像(High Dynamic Range Imaging,HDRI)因为能够获取更高的动态范围来保存现实场景更多细节和层次的属性,在各种ISP新进入的如自动驾驶、辅助驾驶领域要求ISP拥有低照度图像分析能力和夜视能力、多媒体领域要求ISP拥有场景识别能力等领域受到了更高的要求,成为了ISP继续优化的一个方向。 因为显示技术原因,HDR(High Dynamic Range,高动态范围)图像会被映射到低动态范围来显示。因此HDR成像技术最终的结果是输出具有丰富信息的低动态范围图像。而多曝光融合算法用于产生具有丰富信息的低动态范围图像,就结果而言,多曝光融合算法与HDRI同属于实现HDR图像的算法。本文旨在对于ISP中实现HDR图像的算法进行研究,结合现ISP算法需要优化与硬件化的背景,完成软件算法的优化与硬件实现与加速。 首先提出一种基于分块和分层的改进多曝光融合算法。文中详细分析了多曝光融合算法在融合过程中产生的块效应和鬼影问题与影响这些问题的关键因素。基于一定原有算法,针对关键因素的分析,提出基于分块和分层的改进多曝光融合算法,将图像块级的对比度权重与亮度权重分别作为分层的细节层和基础层的权重因子,同时引入基于色彩先验的像素级曝光度因子对细节层权重进行修正,使得信息充足的图像块中曝光良好的像素点拥有较好的保留程度的同时,图像整体亮度能够均匀分布。通过主客观评估方法与几种经典算法做对比实验,实验结果表明该算法在结构一致性和信息熵评估上都能有大部分最佳的结果,证明该算法能够在保留住图像细节信息的同时拥有良好的曝光与亮度分布。 然后为了能够将多曝光融合算法在硬件层次中实现,本文根据硬件设计的思路,对算法进行了层次重构,完成了所需的框架设计以及数据流通设计。根据硬件数据流与存储的特点,将图像块级与像素级运算在时间尺度上分开运算,在保证计算量的同时,减少了中间数据的存储量。对部分复杂计算如指数运算,一方面使用并行流水线设计专门设计相应函数;另一方面做近似算法处理,极大地简化了运算复杂度,提高了硬件运算效率。其中,提出了一种无信息反馈控制的硬件化的改进盒式滤波器,提高了盒式滤波器的运作效率。 在完成了基于软件算法优化的硬件设计之后,对该硬件设计进行了功能仿真、综合与形式验证。结果表明,该硬件设计在100MHz时钟频率可综合的情况下,能够于约8.8ms内完成三帧源图像的输入与一帧融合图像的输出。

关键词： 仓储物流   堆垛机系统   硬件设计   软件设计  

摘要： 仓储物流行业逐渐成为国民经济的重要组成部分，然而传统的仓库管理方式已经无法满足现代仓储物流的需求，因此需要寻找更加高效的解决方案来提高仓库效率。堆垛机械是其中一种重要的技术手段，它可以实现对货物的高度控制和分类存储，从而大大提高了仓库的空间利用率和操作效率。因此，对仓储物流中堆垛机系统设计总体方案进行分析，并通过对其系统进行合理设计，有效地提高了仓储物流的工作效率。研究结论可为仓储物流行业的发展提供一些有益的参考意见。

关键词： 后量子密码   格密码   Streamlined NTRU Prime   硬件设计  

摘要： 近些年来,量子技术研究取得了突破性的进展,这意味着在不久的将来,量子计算会被应用到各个领域。然而量子计算的发展会对传统的密码体制带来前所未有的冲击,因此亟需开展后量子密码(Post-Quantum Cryptography)算法研究,从而保证后量子时代信息的安全。现有的后量子密码算法中,基于格的密码算法占据着主流地位,因格密码算法具有结构简单、安全性高等特点,格基后量子密码算法已经成为密码学界的研究重点。SNTRUP(Streamlined NTRU Prime)是一种格基后量子密码算法,本文在详细分析该算法原理的基础上,提出了一种低资源消耗的硬件实现方案,此方案能够快速的执行SNTRUP算法。首先对SNTRUP算法的实现原理及工作流程进行研究分析,确定了该硬件设计的总体方案,并对核心模块进行了优化设计以降低资源占用。针对算法中资源消耗最多的多项式乘法运算单元,开展了多项式乘法算法研究,并提出了一种基于三层Karatsuba算法与Schoolbook算法的乘法器设计方案,该乘法器利用三层Karatsuba算法将两个较为复杂的多项式的乘法运算转化为多个更小粒度的多项式乘法运算,通过降低乘法运算的次数,达到提高计算效率的目的。针对SHA-512模块、编码和解码模块、Short多项式生成模块等,均进行了精简化的架构设计,从而降低系统资源开销。最后完成密钥生成、封装、解封装顶层模块硬件架构设计,顶层模块以SNTRUP内层算法模块为核心,在其外围配置其他核心模块与电路,从而实现SNTRUP算法的全部功能。在Vivado 2020.2中进行硬件设计的功能仿真与实现,从仿真结果可以看出,该设计能够正确的完成SNTRUP算法密钥生成、封装和解封装操作。Vivado给出的时序报告显示本设计最高工作频率为169MHz。从资源使用报告可知,当参数集为sntrup761时,该设计共消耗17766个LUT、1387个LUTRAM、7198个FF及19个DSP。与国际上最新的相关成果对比,本文所提出的硬件设计在性能、资源消耗方面具有一定的优势,适用于资源敏感且对速度有较高要求的边缘计算场景。

关键词： PXIe   波形发生与采集   引脚电子芯片   通道间同步   总线仲裁  

摘要： 作为人类工业设计中的一颗闪亮明珠,集成电路已广泛渗透到我们的日常生活中。集成电路测试作为产业链中不可或缺的一部分,相关的电子测试设备也是至关重要的。数字波形生成和采集模块作为集成电路测试设备的关键功能模块,在产品设计、实验和测试中已获得广泛应用。但是目前国内关于数字测试的技术研究、产品研发仍然较少。该领域的技术研究、商业产品的应用和推广依然主要由西方国家主导,因此,研究数字波形生成和采集设备显得尤为重要。基于此背景,结合专项课题研制数字波形模块中承担的相关研究任务,对数字波形发生与采集功能展开深入研究。本研究的主要内容包括以下几个方面:1、设计基于PXIe平台的32通道数字波形生成和采集模块硬件。首先详细介绍了硬件功能模块的划分,并针对数字波形生成和采集的核心功能,设计了两套方案:驱动电平转换芯片加比较器方案和使用集成IC的引脚电子芯片方案。经过分析和比较,最终选择了引脚电子芯片方案。同时,针对模块在多输入输出时钟的指标需求,设计了相应的时钟网络。2、针对数字波形发送的指标需求设计了基于ODDR双边沿寄存器和可调节边沿的波形生成方案,其中基于ODDR的方案实现了数据的DDR操作;可调节边沿的方案实现了波形边沿的灵活调节,这两种方案都对数字测试具有积极的意义。对于数字波形采集则设计了三种不同的逻辑电路,基于硬件的设计方案最终选择了基于相位插值法的采集方案,实现了高速且相位可调的采集效果。考虑到逻辑电路和传输路径的延时等因素对通道间同步的影响,针对通道间的同步提出了相应的逻辑设计。3、高速数据流存储逻辑电路实现。在数据发送和采集的过程中均涉及到大批量数据的处理和存储。针对数据发送和采集的需求设计了不同的存储方案,并且为了解决同时发送和采集产生的DDR3数据流冲突问题设计了仲裁机制。最后本文结尾给出了PXIe波形发生与采集模块相关指标的测试验证结果,证明设计方案的正确性。测试结果证明,PXIe波形发生与分析模块的通道数、发送和采集速率、通道同步、边沿调节和输出时钟抖动等功能和指标均达到了设计要求。

关键词： 无线充电   平面线圈阵列传感器   金属异物   生物体异物   硬件电路设计  

摘要： 无线充电技术解决了传统有线充电方式存在的电线老化、插头松动等问题,具有灵活便捷、安全可靠的优点,近年来在电动汽车、旋翼无人机、巡检机器人等领域得到了广泛的应用。然而,侵入充电区域的金属异物会在交变磁场中感应出涡流,降低电能传输的效率,甚至因发热而引发火灾。误入的小动物可能会破坏充电装置,造成漏电或短路,同时大功率的电磁场也会对生物组织造成损伤。因此,及时检测无线充电区域内存在的金属异物和生物体异物,对系统的安全运行具有重要意义。本论文使用平面线圈阵列传感器对金属异物和生物体异物进行检测并成像,获得异物的数量、大小和位置等信息,为无人环境下异物的自动清除与驱赶提供数据支持。主要研究与设计工作包括:(1)针对无线充电系统异物检测问题的特点和检测精度要求,设计了一款平面线圈阵列传感器,该传感器以4×4阵列的形式布置线圈,可以同时用于金属异物和生物体异物的检测。(2)使用有限元仿真软件对平面线圈阵列传感器的检测能力进行验证,根据场量公式提取法获得平面线圈阵列传感器模型上方的电导率分布灵敏度矩阵,建立了不同材质、数量、大小和位置的异物模型,基于检测线圈的感应电压,使用Landweber迭代算法对异物进行成像。通过对重建图像的后处理获得异物的数量、大小和位置信息,仿真结果的平均交并比为0.55,平均相关系数为0.73,平均质心偏差为1.18 mm。(3)设计并实现了一套16通道的异物检测系统,该系统使用STM32单片机作为主控制器,针对该系统的DDS信号发生电路、功率放大电路、多路切换电路、片选电路和信号处理电路等进行硬件设计和器件选型。使用两种激励频率对不同材质、数量和形状的金属异物以及由电导率为0.1～5S/m的盐溶液代替的生物体异物进行实验研究,验证本文提出的异物检测方法的可行性。金属异物检测实验结果的平均交并比为0.55,平均相关系数为0.70,平均质心偏差为3.01 mm。生物体异物检测实验结果的平均交并比为0.52,平均相关系数为0.73,平均质心偏差为3.49 mm。

关键词： 机翼抖动   传感器检测   信号调理   模数转换   现场可编程门阵列   傅里叶变换  

摘要： 航空飞机是人类工作生活出行不可或缺的一部分,随着世界新技术的发展和不断应用,航空技术必将取得更大的飞跃。但是对航空飞机机翼抖动的研究却微乎其微,基本没有这方面的研究,其实飞机机翼对航空飞机安全飞行也很有重要的意义。譬如,机翼抖动最大幅度是飞机安全飞行的极限值,机翼抖动的最大应力,机翼抖动是否造成机翼部分的损坏,机翼抖动引起的失速也能造成飞行重大事故等等。所以如何准确的监测机翼抖动及机翼的健康状态可以为后续学者们对航空飞机安全飞行提供参考。本文搭建的机翼抖动监测系统,能够对机翼抖动作出反应,并准确地监测到机翼抖动幅度,并对机翼抖动数据进行分析处理,运用傅里叶变换针对机翼抖动的高斯脉冲信号进行算法运算,得到其从时域的波形图到频域的波形图,然后计算得到其功率谱,机翼抖动幅度作预警提示,机翼抖动功率频率作报警提示,实时监控机翼的健康状态。论文首先概述了机翼抖动监测系统的研究背景与意义,介绍了机翼抖动监测系统的研究现状及主要实现功能,在此基础上,提出了机翼抖动监测系统总体的设计方案,并给出相应设计要求、测量原理及方法。其次,以广东高云半导体FPGA芯片GW2A R-LV18EQ144PC8/I7为核心控制器,外加振动传感器、信号调理模块、A/D模数转换模块、电源电路、USB传输模块等电路完成了设计。再次,基于软件开发环境,分模块设计程序,并给出了各个模块的程序设计流程,并对采集到的机翼抖动数据进行傅里叶算法处理,机翼抖动幅度作预警算法,机翼抖动功率频率作报警算法。最后,对机翼抖动监测系统进行了硬件、软件调试和算法测试,系统能够实时监测机翼的抖动变化,并能够对机翼抖动的异常作出预警及报警提示,检修人员根据提示报警信息也能够对机翼异常部位进行检修,保障机翼的健康状态,达到了设计预期的效果。

关键词： 国产处理器   龙芯2K1000   车载中控系统   高速电路设计   EMC防护  

摘要： 随着我国科技的不断发展,芯片国产化的趋势已经势不可挡。但在车载领域,绝大部分处理器方案仍然被国外垄断。尽管目前国产处理器的性能和稳定性与国外相比还有差距,但熟悉和使用我们自己的处理器是始终要走且重要的一步。本文调查了目前主流车载中控系统的主要功能,以国产龙芯2K1000处理器为核心,尽量选择国产芯片为前提,对主流车载中控系统的功能进行硬件电路设计。在原理图设计中,先对最小系统进行了描述,包括系统的电源、时钟、复位启动和存储等。之后对外围接口功能进行了详细设计。该系统通过HDMI屏幕显示。支持多种上网需求,包括4G、WIFI以及以太网。支持耳机的使用,留出USB接口和M2 B KEY座子支持常用外设。支持导航定位以及CAN总线接口进行通讯等。为了稳定,在电源输入口增加了雷击浪涌防护,在经常插拔的USB接口增加了静电防护。在PCB设计中,列出了基本层叠、布局以及布线的原则。由于涉及到很多高速信号线,为了保证设计的严谨,提出了可能遇到的信号完整性和电源完整性问题以及解决方法,并通过ADS软件进行仿真验证。最后完成对板卡的焊接调试,验证了板卡功能以及EMC防护的有效性。功能调试及EMC测试结果表明此次设计基本实现了功能上以及EMC防护上的目标。此次设计加强了对国产龙芯处理器设计思路的理解,对于类似的原理设计,PCB优化以及EMC防护也有一定的参考意义。

关键词： 多核异构   结构光   硬件设计   测量  

摘要： 结构光三维测量技术以其精度高和非接触测量等优点,在各个领域得到了广泛的应用。然而,现有的结构光三维测量系统主要基于通用PC平台,由于部署灵活性不足和便携性差等缺点,其在许多领域的应用受到限制。本文旨在提高结构光三维测量系统的灵活性、便携性和高速性,并据此提出了一种多核异构的结构光三维测量系统。本文研究工作包括以下4个方面:(1)针对高效性、集成性、通用性和灵活性的要求,设计了一种由三个异构核心,即CPU(Linux)、CPU(Bare Metal)和FPGA,组成的结构光三维测量系统架构。该多核异构架构层次清晰、结构灵活、通用性强,且可兼容多种通用接口的光学器件。同时,通过合理的多核间数据通信设计,克服了多核间数据通信的瓶颈问题。(2)完成了包括电源模块、HDMI接口模块和SD卡模块在内的结构光三维测量系统外围硬件系统的设计,并完成了印刷电路板的设计、布线、焊接和测试。(3)完成了两种异构CPU的任务设计,实现了两种CPU间的协调同步运行。结合多种优化方法,充分发挥了FPGA并行流水计算的优势,实现了相位解调、解包裹和三角测量全流程的结构光算法硬件加速。此外,还对光学系统标定算法进行了研究,在利用局部单应性矩阵标定投影仪的基础上,设计并实现了结构光系统的离线标定。(4)在以上工作的基础上,进一步对所设计的多核异构结构光系统进行了相关的实验研究。实验结果表明,该系统可以对复杂物体的表面进行测量,在精度与PC双精度测量相当的情况下,该系统的处理时间是PC的1/11,绝对测量精度可达到0.1948mm。

关键词： 硬件设计   电磁频谱感知   海上环境   Zynq7020  

摘要： 复杂的海上环境导致了海上电磁频谱检测手段的缺乏,同时也给电磁频谱检测硬件平台的设计带来了挑战。本文面向海上复杂电磁环境,开展了电磁频谱检测硬件平台的设计与研究工作。针对海上电磁频谱检测手段匮乏的问题,结合嵌入式技术的优势,制定了以Zynq7020处理器为检测平台的决策模块、以AD9361射频芯片为核心的射频接收模块、多种海洋环境检测传感器构成感知模块为主体的设计方案。针对海上电磁频谱检测硬件平台需要实现功能多样化以及平台电路复杂度高的问题,对电磁频谱检测的硬件平台进行功能划分,并且分别对各个功能模块的电路进行设计实现。设计硬件检测平台的PCB时,需要解决信号完整性和高速数据传输的问题。通过改善层叠结构、设计拓扑结构和进行阻抗匹配的方式,完成了PCB布局布线。从而实现一种海上复杂环境下可自定义功能的电磁频谱检测硬件平台。最后,完成Zynq7020中的FPGA部分的设计,随后为了测试海上电磁频谱检测节点功能,首先对供电系统进行了测试;然后通过集成逻辑分析仪测试了AD9361转换的IQ信号是否正常;紧接着在此硬件平台上加入Linux操作系统,测试射频接收链路的接收频谱范围和带宽,同时测试硬件平台其它外设的功能是否正常;最后对海上环境数据检测方面进行了测试。实验证明海上电磁频谱检测节点的功能良好,满足预期。

关键词： Viterbi译码算法   数字通信   扩展指令   卷积编码   硬件设计  

摘要： 数字通信利用数字化信号作为载体传输信息，得益于抗干扰能力强、差错可控和易加密的优点，成为生活中常见的一种通信方式。在通信过程中，易受到外界噪声的干扰，导致系统的误码率增加。Viterbi译码算法是基于卷积编码网格图的最大似然译码，因其优良的纠错性能被广泛应用于各种数字通信系统中。在数字通信中，不同通信标准采用不同的编码方式，单一标准的Viterbi译码已经不适用于高速发展的通信领域，可配置的译码成为工程领域的热点。本文基于卷积编码和Viterbi译码算法的原理，通过扩展指令和专用集成电路实现了Viterbi译码算法，主要工作包括:　　1.基于数字信号处理芯片设计了一套Viterbi译码指令。通过对Viterbi译码算法的研究，根据译码过程中存在大量重复运算操作的特点，设计了分支度量计算指令、路径度量计算指令、蝶形运算指令和回溯指令来实现Viterbi译码算法，设计8个ADDSUB部件来实现分支度量计算指令和路径度量计算指令，提高了硬件资源的复用率。　　2.通过专用集成电路设计了可配置的Viterbi译码器。针对高速多标准通信系统，设计了可配置的Viterbi译码器，可支持码率1/2、1/3、1/4,约束长度3-9,任意约束多项式下的通信标准。在传统译码器的基础上进行优化，通过增加标准化单元来实现参数的动态配置;采用矢量差的“1-范数”代替欧几里得距离来计算分支度量值，有效减少了硬件资源的消耗;为实现多标准的译码，在加比选单元增加了数据选择器，回溯单元采用了滑窗回溯译码。　　3.完成了可配置Viterbi译码器的功能验证和误码率分析。在完成Viterbi译码器的硬件设计后，通过仿真软件对子模块和整体进行仿真，验证了译码器设计的正确性。采用MTALAB建立数字通信系统仿真模型，通过控制变量法对Viterbi译码器的纠错性能进行评估。当通信系统的信噪比为4dB时，系统的误码率最低可达10-6以下。　　4.完成了译码器的逻辑综合与物理设计。基于55nm工艺对设计进行逻辑综合，通过分析综合报告对设计进行优化，物理设计后的频率可达310MHz。