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关键词： 图像采集处理系统   硬件设计   图像融合   USB接口  

摘要： 目前，图像传感器数据采集系统都需要进行数据的储存、传输和处理。通用串行总线（Universal Serial Bus，USB）标准由于具有较快的处理速度、较好的兼容性和支持热插拔等优势，已经成为众多传输系统的主流应用接口。现场可编程门阵列（ Field Programmable Gate Array，FPGA）由于其运算速度快、能够重复使用多种功能而逐渐在传输系统领域占有一席之地。因此，以USB 3.0技术和FPGA技术为基础的数字信号采集处理系统已逐渐发展起来。　　本文提出了一种基于FPGA和USB 3.0技术的CMOS图像传感器采集与传输系统。FPGA用于控制图像采集，成像数据通过USB 3.0接口实时传输到PC端。该系统由高动态互补式金属氧化物半导体（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS）图像传感器模块，FPGA核心控制模块，USB 3.0数据传输接口模块，最后在PC端进行显示。具体内容如下：　　首先，对FPGA核心板进行设计，选用XC7A100T-2FGG484I芯片作为控制芯片，连接一块第三代双倍数据率同步动态随机存取存储器（Double-Data-Rate 3 Synchronous Dynamic RAM，DDR3）芯片，核心板外接搭载CMOS图像传感器的PCB测试板。　　其次，在硬件设计中，USB 3.0数据传输是关键部分，选用FTDI公司提供的FT600芯片作为核心USB 3.0芯片，大多数计算机都配备了USB 3.0接口，因此USB 3.0图像采集模块可以非常方便地在生活中应用。　　最后，使用MATLAB进行图像融合，选用高动态图像融合算法，来调整融合效果，使图像显示更大的动态范围。　　使用VIVADO对USB 3.0通信进行仿真，在PCB板供电调试完成之后，用逻辑分析仪采集验证时序信号的正确性，最后使用上位机进行图像显示。通过实际工程验证了基于USB 3.0图像采集模块的设计方案，根据测试结果，USB 3.0能以180MB/s左右的速率对图像传感器的数据进行传输。FPGA 加 USB 传输数据的使用主要在于其可编程性、高速性、实时性、灵活性和可靠性，可以满足不同应用场景下的数据传输需求，具有广泛的应用前景。

关键词： YOLOv5s   深度学习   嵌入式系统   RISC-V   硬件设计  

摘要： 基于边缘智能的目标追踪系统是将人脸检测、人脸识别等技术在边缘设备上完成,使用户可以在边缘端高效筛选出目标人物的活动轨迹,这对边缘设备的性能提出更高的要求。深度学习算法由于其突出的分类能力,成为人脸检测、识别的首选方法。如何将卷积神经网络部署在边缘设备上,成为目标追踪系统的研究重点。本文对该问题进行了研究,主要工作如下:1)针对卷积神经网络的运算量过于庞大、难以在嵌入式设备上部署的问题,本文提出一种轻量级人脸检测算法。该算法以YOLOv5s为基准模型,使用轻量级网络Mobile Net替换其主干网络,并引入了注意力机制CBAM和模型剪枝方案。对所提改进算法的性能测试表明该算法在维持较高准确率的前提下大大减小模型体积,实现了轻量化的人脸检测。2)针对多节点的高并发数据传输需求,本文移植了基于RISC-V架构的Sparrow RV处理器核、总线系统和中断系统。该处理器使用了RV32I基础整数指令集、M和Zicsr扩展,使用ICB总线协议和PLIC平台级中断控制器,具有两级流水线,经Coremark跑分测试,本设计功耗低,性能足够满足应用场景需求。3)设计目标追踪系统,硬件系统分为主控节点和监测节点,主控节点由微处理器模块、通信模块等组成,负责汇聚并处理数据;监测节点由微处理器模块、通信模块、视频采集模块等组成,负责视频采集、存储和无线传输等功能,并具有人脸检测的功能。通过对采集到的信息进行有选择的保留,减少了无意义的信息。测试结果表明,本文设计的目标追踪系统工作可靠,基本满足了实际应用的需求。

关键词： 调速器试验台   数据处理系统   硬件设计   软件开发   物联网  

摘要： 随着近十年物联网技术（IoT）、通信技术和云计算的高速发展，很大部分传统制造企业也开始朝着信息化、数字化、智能化方向转型。工业加物联网形成的工业物联网（IIoT）应用遍及电网、交通、物流、车辆、智能家居以及智能工厂等各个领域。而在传统试验台研究、架设以及改进等方面，发展和实现基于物联网思维的智能化数字试验平台已经是当前的主流趋势。调速器作为为柴油机的一个重要零部件，用于控制柴油机的运行速度和输出功率，而调速器试验台可以对调速器在不同负载和工况下的性能进行精确测试和分析，来为开发人员和柴油机制造企业提出精确的数据支持和技术指导。现有的调速器试验台由于是独立的整体结构，在试验数据存储方面仍旧以纸质和外接硬盘的方式进行保存，当试验人员需要对历史数据进行检索或远程查看试验结果时，整体较为不便。　　针对上述问题，本文设计并开发了一套内燃机电子调速器试验台数据处理系统。该系统以STC8H4K64单片机作为试验台端控制中心，采用触摸屏作为下位机的人机交互工具并控制转速的采集和试验数据上传。同时利用 Tomcat 和 MySQL 作为服务器和数据库，对下位机传输的数据进行存储和性能指标分析。最后基于Android系统设计整个系统的应用终端，试验人员可以通过 App 访问和检索调速器试验台的历史数据和相应的试验数据处理结果。本文的主要内容如下：　　（1）针对整体系统的功能需求进行了总体方案设计。完成了相应的转速采集和数据传输电路，包括系统电源电路、转速信号采集电路和单片机与触摸屏之间的通信电路，并在硬件电路设计基础上完成相应的单片机和触摸屏软件程序开发，实现了调速器试验台数据采集和传输功能。　　（2）结合系统需求分析系统的实体和属性并完成数据库物理结构的设计，包括人员信息表、台架信息表、试验数据表和转速数据表。利用SpringBoot框架和Mybatis框架实现了服务器软件的开发，并通过分析柴油机调速器性能指标的处理方法，在此基础上设计相应的处理算法和程序，同时完成相应的服务器访问接口设计，实现试验数据的可靠分析和终端的访问需求。　　（3）基于Android系统设计并开发移动端应用程序，结合试验人员需求，完成了历史数据检索和数据可视化功能。

关键词： 智能电柜   数据采集传输模块   硬件设计   软件开发   功能模块  

摘要： 当今时代，人民生活需要电，企业生产也离不开电，电力使用在社会生产生活中具有重要地位。作为电网系统末端的配电柜，具备着对用电设备的控制、监视及分配电能的作用，其性能状态直接影响部分电力系统的安全及稳定，因此需要对配电柜进行安全监管。目前，配电柜大多采取传统方式监管，即使用简单的数显或者指针式仪表监测，且监测的参数有限，同时也未将监测方式深入至配电柜内部。当配电柜内部运行状态异常时，无法做到及时告警，也无法快速确定故障类型，只能人工逐一排查，这样不仅耗时耗力，而且在排查时还可能发生意外，造成人身安全事故。随着科技的不断发展，传统的配电柜监管方式已经逐渐落后，需要更加智能、高效的监管方式。　　为解决上述问题，本文将嵌入式技术、物联网技术和计算机技术综合应用，设计了一个采集配电柜内部运行状态数据的监测系统。该系统利用传感器模组智能采集配电柜内电压、电流等电能信息，同时实时采集柜内温度、湿度、烟雾气体浓度等非电能环境信息，将这些数据通过 4G 无线网络实时上传至OneNET物联网平台，实现人机交互，同时转发给移动智能端，形成一套完整的采集、上传和查看的监测系统。一旦配电柜运行状态数据异常，可形成多维度警报方式，即现场语音异常类型警报、云端平台警报和短信提醒警报，力求做到第一时间告警、第一时间定位以及第一时间检修。　　本文主要工作内容如下：　　（1）针对数据异常告警，舍弃传统的蜂鸣器告警方式，改变数据异常故障时告警类型不清晰的缺点，创新使用智能语音模块告警。将录制好的语音异常类型告警下载至模块中，通过改变模块的引脚高低电平触发I/O口发出不同语音告警。本论文共有五种语音告警，即电压、电流、温度、湿度和烟雾气体异常告警。如此可使检修人员快速知晓故障类型，减少排查故障点时间，做到针对性检修，增加检修效率。　　（2）完成前端数据采集板硬件设计。硬件设计流程采用模块化方式设计，一共三大模块，包括以STM32F103ZET6为核心的微处理主控模块、采集配电柜电力电能信息及非电能环境数据的前端数据模块和将采集到的数据通过4G无线网络上传至物联网平台的无线传输模块。　　（3）完成与硬件协同的软件设计。对软件设计也进行模块化设计，首先将μC/OS-Ⅲ实时操作系统移植进STM32中，使得各个硬件模块功能能够有序、高效的调用CPU，解决以往采用while()循环的编程方式。然后是对重要硬件模块功能的实现，包括温湿度模块、烟雾气体模块、电能采集模块及无线传输模块等。　　（4）针对数据上传至云平台进行设计，使用OneNET物联网平台，做到数据可视化和平台告警功能。同时对移动智能端进行设计，选择开发周期和成本更低的微信小程序，数据可从云平台转发至移动智能端，可使管理人员脱离PC端束缚，使用手机即可便携查看数据。　　（5）在实验室对系统的软硬件进行测试，包括模块供电电压检测、软硬件协同测试、采集数据精确度以及整体功能检测。测试结果表明，硬件各模块所需供电电压平稳无波动;软硬件协同工作正常，监测的电能数据精度满足0.2级别，非电能环境数据符合国家标准要求;系统的整体功能正常，数据的采集、上传、云平台的接收和转发至微信小程序流程顺畅无误，异常告警及时准确，有效解决了配电柜监测方式落后、检修效率低下等问题。

关键词： 卫星通信终端   应用处理单元   硬件设计   软件开发   海上浮标  

摘要： 中国海洋幅员辽阔，资源丰富，但当今对海洋资源的开发利用程度明显不足。随着我国科技和经济的发展，对大范围海洋数据的实时采集、安全传输已成为国家海洋安全、经济发展的重要需求。目前，海上数据传输主要依靠铱星、海事卫星等国外卫星资源，无法满足数据安全保密要求。我国自主研发的天通一号卫星投入使用，为海上通信提供了新的方案和途径。相比其他国外卫星，天通一号卫星具有保密性高、覆盖范围广、干扰小、运行稳定等优势。　　本文主要研究了通信终端应用处理单元的硬件与软件的设计与实现。应用处理单元可以安装在海上微小型浮标的通信终端上，通信终端基于我国天通一号卫星设计开发，包括伺服单元、射频单元和应用处理单元。应用处理单元与伺服单元一起实现天线跟踪卫星信号波束的功能;并控制射频单元的CP（Communication Processor，通信处理器）模块使通信终端接入天通一号卫星移动通信网络，实现数据实时传输。本文主要工作为：　　(1) 针对海上浮标通信终端在四级海况下稳定进行数据实时传输的需求，以FET1028A-C 核心板为基础，完成应用处理单元的硬件设计，并根据实际需求完成了嵌入式系统环境搭建。　　(2) 设计并实现了应用处理单元对伺服单元的控制方案。通信终端采用定向天线替代全向天线以获得更高的天线发射增益。在四级海况下，通信终端受海浪影响进行无规则剧烈运动，定向天线会偏离最佳卫星通信区域。应用处理单元实现了天线姿态实时计算及控制伺服单元调整天线姿态进行卫星信号波束跟踪的功能。同时设计并实现了基于libModbus协议的通信方案及卫星信号波束跟踪模式（自动/手动）自动切换功能。　　(3) 设计并实现了通信终端接入卫星网络功能。通过分析 3GPP 协议及天通卫星通信框架，采用GSM07.10协议实现多路复用功能，完成应用处理单元与CP模块的通信方案设计。　　(4) 模拟四级海况条件，对通信终端进行了仿真测试，对应用处理单元的功能进行了测试，并分析了测试结果。

关键词： 智能温度变送器   HART协议   现场总线   硬件设计   软件开发  

摘要： 温度变送器是一种能够测量物体温度并将其转化成标准信号输出的仪器，在工业控制领域有着广泛地应用。社会对仪器智能化的需求越来越高，现场总线仪表逐步取代传统仪表已成趋势。HART协议是一种用于智能型现场工业仪表的双向通讯协议，HART协议可以通过4~20mA模拟电流环路同时传输模拟信号和数字信号。　　本课题的主要任务是研制一款基于HART协议的智能温度变送器，测温范围为-200℃~100℃，通信方式为HART通信，且完全采用国产元器件。硬件部分，以铂热电阻PT100作为感温元件，采用GD32L233系列单片机作为微控制器，采用SGM48751模拟开关实现通道切换，以CS1232模数转换器芯片搭建模数转换电路，使用SD2057作为HART调制解调芯片搭建HART通信电路，使用SD2421芯片搭建数模转换电路输出电流模拟信号，将HART调制解调电路输出的频移键控信号耦合到电流输出信号上，从而完成了标准的HART信号输出;软件部分，按照主程序、测控程序、通信程序三大部分编写了初始化程序、数据采集程序、模数转换程序、温度计算程序、信号输出程序、接收发送程序等一系列子程序;另外，使用LabView集成开发工具开发了HART温度变送器上位机程序，可与变送器联合使用调用功能。　　最终对温度变送器进行精度测试与功能测试，结果表明此变送器误差不大于0.2℃，符合项目要求对各温度区间的精度需求。

关键词： 自动导引车   控制电路系统   硬件设计   软件开发   I/O接口  

摘要： 随着智能制造的推进和控制技术的发展，自动化设计在各类工业场景中的应用越来越广泛，其中自动导引车（Automated Guided Vehicle，AGV）对于工业制造和自动化物流运输的发展具有重要的作用。控制电路系统是AGV正常运行的基础，本文根据工业物流 AGV 的应用需求，设计并实现了一个 AGV 车载控制电路系统，论文的主要内容和成果如下。　　（1） 对现有的 AGV 车载控制系统的硬件架构进行了分析，搭建了基于麦克纳姆轮的AGV平台，设计了一种基于MCU+FPGA的控制电路架构方案，确定了芯片选型和数据传输的方式，建立了一个具有多路数据采集、全向运动控制和安全监测功能的控制电路系统，其设计组成包括以 MCU 作为主控芯片的运动控制处理子系统，和以FPGA作为主控芯片的I/O接口扩展子系统。　　（2） 运动控制处理子系统硬件、软件设计。通过编码器接口以及和 FPGA 连接的并行通信总线，采集AGV的状态信息并传输到上位机进行显示;通过串行通信接口和无线通信模块实现和上位机的通信。通过嵌入式软件编程，建立麦克纳姆轮速度转换方程，解析上位机的控制命令，并对采集的数据进行校验、处理和判断，形成数据帧通过总线传输给接口电路，实现对AGV的闭环控制。　　（3） I/O 接口扩展子系统硬件电路、接口逻辑设计。通过工业现场总线接口和开关量输入模块并行采集AGV的状态信息和相关参数，经过缓冲后通过并行总线发送给MCU，并通过接收 MCU 的数据，进行接口总线输出、继电器和电机驱动控制。通过硬件编程，在 FPGA 平台内搭建数据交互接口、时钟模块、FIFO 缓冲、安全监测、读写控制和数据收发接口等数字电路模块。　　在本系统中，完成了硬件平台的搭建和软件的编程工作。设计了电路原理图和多层印刷电路板，进行了元器件的工装焊接和电路模块调试，完成样机制作;其次，完成两个主控芯片和上位机平台的编程工作，对系统的逻辑功能进行验证;最后在样机中进行软硬件联合调试与测试。测试结果表明，系统可以正常运行，且符合设计指标的要求。

关键词： 微动仪器   STM32   AD7177   动圈式检波器   低频补偿  

摘要： 随着社会和经济的不断发展,合理开发利用地下自然资源成为社会热点,而利用微动技术进行地质勘察已经成为主流研究方向。传统的有缆勘探系统造价高昂,且施工困难,为了降低成本、提高效率,无缆勘探系统应运而生。但是目前还缺乏专门适用于微动探测的无缆系统,现有的无缆地震仪体积较大、精度不高,用于微动探测时效果不理想。为了解决这一问题,本文设计了一种适用于微动探测的一体便携式微动采集仪器。本文所设计的微动仪器以STM32单片机为核心,使用正交型三分量动圈式速度检波器采集振动信号,同时采用32位的高精度A/D转换模块AD7177,配备大容量的存储空间、无线及以太网传输、GPS定位,用以满足微动野外探测的数据采集、监测、存储和回收。并在信号处理的关键问题上做了以下几项研究,首先,在其低频信号关键问题上进行了处理,设计了一个低频补偿电路,通过零极点补偿法使检波器的低频下限从4Hz提升至0.2Hz,让仪器对低频信号的获取能力得到提升。其次在仪器的噪声、功耗与精度方面进行了研究,通过电路与元器件选型设计实现了一种低噪声、低功耗且具有高精度的微动采集仪器。仪器整体由硬件与软件两部分所组成,硬件部分分为模拟电路、数字电路以及电源电路,模拟电路由前置的信号放大电路、滤波电路、程控放大电路及模数转换电路组成;数字电路包含单片机最小系统以及各种外设模块和接口;电源电路包括了各级的电压转换电路。软件部分分为上位机与下位机设计,上位机负责对仪器进行参数设置和指令下达,以及后期的数据回收;下位机负责完成上位机的指令,其中包括同步采集和模数转换等。最后,在仪器设计完成之后,对整体系统进行了测试,通过室内的性能测试确定仪器能够满足微动探测的需求,之后在城市隧道顶部上方(深圳大运公园内)进行了小规模的野外试验,进一步验证了仪器的有效性,证明仪器整体设计合理,适用于地质勘察之中。

关键词： 无损压缩   Zstandard   硬件设计   UVM验证  

摘要： 计算机技术和互联网技术的快速发展,使许多应用领域产生和存储的数据不断增多,数据压缩已经成为数据存储和传输过程中不可缺少的环节。Zstd（Zstandard）是一种快速高效的无损压缩算法,相较同类算法具有更好的压缩率和压缩速度,广泛应用于大数据传输和存储等应用领域。由软件实现的Zstd算法在压缩数据时会占用大量中央处理器（Central Processing Unit,CPU）资源,且因软件串行执行的特性导致性能瓶颈,使其难以应用于实时压缩领域。硬件实现Zstd压缩算法可以充分利用硬件并行计算的特性,提高压缩速度,并且在压缩过程中无需使用中央处理器的资源,是有效解决上述问题的一种方法。 本文通过对Zstd及其相关压缩算法的研究和分析,设计并验证了一种由硬件实现的Zstd压缩模块,工作内容具体如下: 1.对Zstd压缩算法展开研究,分析Zstd压缩算法的实现流程和输出格式,对Zstd中的LZ77算法、Huffman编码和有限状态熵编码（Finite State Entropy,FSE）进行分析。基于软件模型测试确定LZ77中哈希函数的选择和哈希表的大小,均衡压缩模块的压缩性能和硬件开销。 2.基于Verilog硬件描述语言完成了Zstd压缩模块的RTL实现和电路优化。根据算法流程将硬件设计划分为LZ77模块、Huffman模块、FSE模块和数据打包模块。在电路优化方面,使用资源共享的方式实现Huffman模块和FSE模块中具有相同功能的统计排序子模块,根据压缩数据的信息确定压缩表的大小,达到优化面积的目的;加入门控时钟电路控制子模块的时钟使能,减少子模块时钟的无效翻转,达到降低功耗的目的。 3.对Zstd压缩模块进行功能验证和逻辑综合。搭建了基于UVM（Universal Veri-fication Methodology）的Zstd压缩模块的验证平台,并对相关组件进行设计,实现了对Zstd压缩模块的数据驱动和采集,通过回归测试生成覆盖率报告,代码覆盖率各项在95%以上。之后在TSMC 12nm工艺库下,逻辑综合报告显示时序无违例,时钟频率可以达到666MHz,面积为58024.45um2,功耗为4.8m W。 4.使用Silesia数据集作为标准压缩源进行性能测试,测试表明,Zstd压缩算法的硬件压缩率基本可以和软件持平,硬件压缩速度是软件压缩速度的10倍以上,最快压缩速度达到了1126.2MB/s。 综上所述,本文设计的Zstd压缩模块结构完整,硬件电路功能正确,验证工作完备,具有良好的压缩性能,可以满足实时压缩海量数据的需求。