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关键词： 宽视场高分辨率   硬件系统   FPGA   DDR3缓存  

摘要： 传统成像作为一种“所见即所得”的探测形式,存在一些致命的缺陷:传统成像的图像分辨率一般较低,特别是在对地夜间观察与监控的红外成像系统中,其传感器空间分辨率低,图像解析度差。在一些特定的应用场合,人们希望可以从尽可能大的角空间获取足够多的信息。目前,宽视场高分辨率成像系统大多具有复杂的光机结构、视场盲区或图像畸变等缺点。共心透镜系统在解决上述难题的同时,可以兼顾宽视场和高分辨率成像的要求。针对球透镜的小畸变和大视场成像的特点,共心宽视场高分辨率成像仪采用共心物镜系统和多孔径微相机阵列的设计,利用计算重建技术将具有一定视场重叠的多帧子图像拼接重建成一幅图像,最终实现宽视场高分辨率成像的目的。基于这种共心宽视场高分辨率成像仪的成像机理,本文设计了一款由CMOS传感器和单元成像电路共同组成的图像采集传输硬件系统,来保证系统大数据的采集和传输处理。本系统以CMOS传感器作为微相机单元,设计了CMOS传感器的驱动电路。利用FPGA并行处理与运行速度快的优点,同时对多路CMOS传感器进行数据采集,并且采用了FPGA与DDR3架构组成的存储系统,满足了存储带宽和容量的要求。最后,通过千兆以太网完成向图形工作站的数据传输,满足了系统对于高速传输的要求。结合上述内容,本文首先论述了宽视场高分辨率成像系统的发展现状,并结合系统要求设计了共心宽视场高分辨率成像仪硬件系统;针对硬件电路设计中大数据的采集与存储,以及如何进行数据快速传输等难点,完成了以FPGA为核心,以DDR3为大容量存储单元并以千兆以太网为主要传输方式的硬件电路设计,之后对硬件电路进行调试,完成了对CMOS芯片的配置,大数据的采集和存储调试,以及向图形工作站的数据传输的准确性测试,最后验证硬件系统的可行性,实现了宽视场高分辨率成像的目的。硬件系统的调试结果表明:本文设计的共心宽视场高分辨率成像仪硬件系统集成度高,能够采集和存储大量图像数据并具有较强的实时处理能力,达到了预期设计要求。同时本系统的硬件处理电路具有一定的通用性,其中FPGA核心板采用FMC接口。接口设计满足FMC夹层卡标准,属于ANSI标准。FPGA核心板提供标准的夹层卡尺寸、连接器和模块接口,可以用作同类电路设计的处理平台。

关键词： 选煤厂   机器视觉   图像采集   硬件设计  

摘要： 近年来，随着计算机与图像处理技术的发展，机器视觉技术正广泛应用于工业、农业、医学、军事等领域，作为一种高精度、高智能化的先进技术已越来越引起人们的重视。而机器视觉技术在矿业工程上的应用并不多，尤其是在矿物加工领域，但煤炭洗选的工作环境迫切需要先进的具有智能控制的在线检测系统。煤质组成的在线快速检测已经成为制约选煤过程自动化的技术瓶颈。对于一个机器视觉系统来说，最关键的就是图像的获取，任何在图像获取方面的缺陷都会给后续图像分析和理解带来困难。同时图像采集也是进行图像处理、图像压缩、图像识别的基础，所以对图像采集系统的研究与设计有着重要的现实意义和价值。 本文首先介绍了机器视觉系统的组成机构和特点，并综述了其在工业检测与矿业工程领域中的应用，概述了论文的选题意义、背景及研究内容。 根据选煤厂的生产情况、工艺要求及在线检测系统功能要求，从图像采集系统整体的硬件构成方面对整个图像采集系统进行了总体设计。系统包括信息采集、照明、相机的防振与除尘三个分系统。并针对信息采集部分中主要硬件进行了详细的性能比较和选型。 为消除选煤厂皮带周围光照、振动、粉尘污染，构建良好的图像采集环境，开发了遮光和照明系统，并对系统相机的防振与除尘措施进行了分析论述。 论文开发的图像采集系统应用于太西洗煤厂一分区末精煤皮带上，文中给出了部分工业试验结果。对现场采集到的180张不同灰分的精煤图像，提取了7个特征值并对其归一化，采用最佳参数的SVM神经网络对训练集构建煤粒灰分识别系统。利用测试集进行验证，最终末精煤测试集灰分预测绝对误差平均值为0.12%，预测效果好，验证了图像采集系统的可行性。 机器视觉技术对推动煤炭加工的智能控制将起到重要的作用。本文设计开发的煤用机器视觉图像采集技术为选煤厂基于物料组成的在线过程控制提供了成功的示范。

关键词： 语音识别   孤立词汇   SoC   硬件设计   验证平台  

摘要： 随着计算机技术的发展,电子产品的功能日渐强大,语音识别技术已经开始慢慢的走进我们的生活,只是具体应用仍然不够成熟。语音识别系统多在PC机上实现,但是因为PC机体积大,价格高,携带不便等原因并不适合应用到普通生活中。嵌入式系统易于裁剪,便于内嵌到生活中常用设备中,如果将语音识别在其平台上实现,将带新的生活体验,并且在特定领域能实现特别的效果,比如在较为危险的工业控制中,语音控制能解放人的双手,通过没有实体接触的说话声去控制可以避免危险操作;对于手脚不便的残疾人或者年迈的老人,语音控制能给他们生活极大的方便。本文的目的就是在嵌入式系统上,以最精简的软硬件系统去实现语音识别功能,这样能够便于后期将语音识别系统应用到生活设备的控制上。设计的语音识别类型属于孤立词汇识别,在设定的时间内以正常语速说话,系统检测到语音并识别语音,下一段时间系统开始检测第二句话。另外,非特定人说话,只要是标准的普通话,系统也能正常的识别出来。论文主体设计了以语音识别专用So C为基础设计的验证平台。论文分析了语音识别研究的背景和意义,语音识别算法以及本文的课题所采用的语音识别算法系统设计。然后论文以专用So C为核心,完成了整体的硬件电路设计,包括电源模块设计,存储模块的设计,输入输出模块设计,音频编解码电路设计以及用于调试的JTAG和串口等等各个功能模块。论文最后是电路板设计和功能调试。电路板设计主要涉及到电路板层数选择和元器件布局布线,论文对此详述了相关设计的基本原则及其改进事宜。最终实现了电路预期的功能。这里采用的语音验证方式是系统识别到语音结果后,将词条在词汇表中的位置显示出来,表明识别正确。另外,So C设计和硬件电路设计时预留了通用接口,便于语音识别的应用扩展。

关键词： 高精度   油冷机   硬件设计   μC/OS-II   TFT触摸屏   模糊控制   PID控制  

摘要： 随着科技的发展，高精度加工扮演着越来越重要的角色。稳定工作的数控机床是高精度加工的保证。影响数控机床稳定的主要因素是热误差。油冷机通过对机床润滑油冷却来稳定机床工作的温度，减小机床工作的热误差，从而确保加工精度。目前国产油冷机存在着精度不高的缺点，因此设计出高精度的油冷机控制系统有着非常重要的现实意义。 论文分别对油冷机控制系统的硬件、软件进行设计。然后用实测数据来验证温度测量精度，在控制上用MATLAB对控制算法进行仿真，最终完成高精度油冷机控制器的设计。 论文首先分析了油冷机应用的现状和发展趋势，提出高精度油冷机控制系统的总体设计方案，并从测量精度的保证、控制精度的实现等方面，对方案进行了详细的分析与深入的研究。 依据油冷机控制系统的总体构架，论文分模块的设计了硬件电路。硬件电路包含开关电源电路、相序检测电路、温度测量电路、报警输入电路、温度控制输出电路、报警输出电路、电子膨胀阀控制电路、TFT触摸屏控制输出电路以及STM32处理器工作电路。同时对于硬件电路设计中应该注意的电磁兼容做了相应的介绍，并在PCB电路制版中予以实现。 接着，论文阐述了高精度油冷机控制系统的软件编程方法，并对μC/OS-II的移植和油冷机控制系统的工作模式做了详尽的剖析。对TFT触摸屏驱动的编程实现、高精度测量、相序检测等功能的实现做了简要的介绍。 然后，论文对设计的油冷机控制系统进行了调试，提出了在硬件电路的测试和运行时应该注意的问题。对温度进行了测量实验，并就测量得到的数据进行分析，对误差进行补偿。 论文还对温度控制的算法进行了分析介绍。阐述了PID控制算法的和模糊控制算法的优缺点，并把它们结合，实现优势互补以提高油冷机的温度控制的精确性。对PID控制的理论、模糊控制规则的建立、控制参数的生成等步骤做了详细的说明。然后在MATLAB上进行仿真验证，实验结果证明结合模糊控制的PID控制算法可以很大程度上提高温度控制的精度。 最后，论文对所进行的研究和设计工作做了总结，并对设计实现的高精度油冷机控制系统进行了评价与展望。

关键词： PDA   软件设计   关口计量   数据采集  

摘要： 用于电能结算的关口计量设备——电能表及电流、电压互感器的正常工作直接关系着电网及电厂的经济利益，一旦设备精度低于国家标准，就会在短期内使供用电双方承受巨大损失。目前现场计量装置校验仍处于“手抄、拷贝”的阶段，不能及时回馈后台系统，其次，没有有效的管理平台为现场的校验业务提供及时的辅助决策支持。因此，针对实际工作环境需要，需要研发一套现场计量作业管理信息PDA系统，该系统应具有现场数据采集、监控及调度等功能，为现场作业的智能化管理提供有力的技术支撑。 本文根据对计量现场工作需求的分析，设计出一款集计量校验数据采集、智能信息管理为一体的PDA系统。该系统将GIS、GPS、3G三种技术融合在一起，并采用Web Service技术，通过GIS、GPS技术定位到计量点目的地;通过3G及Web Service技术可监控现场作业人员的地理位置以及工作状态，PDA也可随时接收任务工单，并回送采集的信息。 本文首先对硬件做出选型和接口设计，然后采用模块化设计方法设计整个软件，每个功能占据一个模块。通过RS232串口控制智能校验设备，并设计PDA与WDX-2A智能校验仪的通信协议，改变了传统USB接口拷贝数据的采集方式。本文采用SQLite轻型数据库，占用内存小，几乎不影响系统运行的速度。最后，加入了离线分析的功能，现场作业人员可以通过PDA手持终端对工作的进度有一个整体的判定，能够更好的规划下一段工作行程。 本文设计的软件已通过测试，基本满足前期调研的需求，目前在冀北部分地区运行良好。

关键词： 室内组合导航   导航计算机   微机电系统   ARM   视觉导航  

摘要： 室内导航技术的利用和发展有效弥补了一般空间导航技术在室内环境下的弊端和盲区。论文对室内环境下微惯性/视觉组合导航方案进行了深入研究，完成了基于微机电系统惯性传感器和摄像头器件的微型组合导航计算机平台基本设计，并对研制的组合导航计算机系统进行了试验测试和各独立模块数据准确性与可靠性分析。 通过对导航计算机的性能和应用环境需求的分析，论文提出了基于ARM产品中STM32F4系列的处理器电路设计方案，该导航计算机以STM32M4为核心处理器，通过其丰富的外设资源完成各部分传感器模块的数据采集，并通过调用其内部的DSP内核来完成航位推算和图像算法的数据分析处理等相关任务。 为满足系统的微小型体积要求和低功耗设计，论文为导航计算机选择了合适的传感器芯片，并最大限度的利用片内资源完成导航计算机功能实现，减少外部电路设计造成的体积扩充。摄像头模块电路设计则通过外部接口来完成电路连接，保证了导航计算机图像采集的灵活性。同时计算机上还嵌有GPS模块、TF卡数据存储模块和数据远传模块，扩充了系统的应用范围。 在导航计算机硬件平台基础上，论文针对各部分硬件资源进行了详细的驱动设计。通信总线的合理使用和片内资源的软件调用弥补了导航计算机硬件资源的不足，保证了导航计算机处理器对各部分数据的顺利访问和有效处理。 最后论文就导航计算机工作情况进行了试验测试，试验测试结果表明系统各模块的基本性能满足系统的功能需求。

关键词： 开放式机器人   控制系统   硬件平台   运动学分析   油茶果采摘  

摘要： 随着科技的发展,机器人技术在各个行业得到了日益广泛的应用,己经成为自动化生产的组成部分。油茶果采摘机器人是集动态决策、环境感知、动态规划、运动控制与运动执行等多功能的一个综合系统。研究油茶果采摘机器人的的关键技术,不仅在降低劳动强度、适应市场需求、提高经济效益上有一定的实用性价值,而且对加快我国林业现代化进程、追踪世界林业新技术有着至关重要的现实性意义。本文针对油茶果采摘机器人的开放性控制问题,首先从油茶果采摘机器人的机械部分着手,分析了该机器人的机械结构;其次对开放式机器人的控制器功能和特点做出了分析,确定了油茶果采摘机器人的控制系统硬件方案,根据载荷的实际情况,计算出各个轴的惯量或负载情况,选择合适的驱动电机,再结合输出转数、输出电流以及驱动电压等电机参数选择合适伺服驱动器,最终搭建出了油茶果采摘机器人控制系统硬件平台。本论文简要介绍了控制系统的调试软件,同时,对油茶果采摘机器人机械臂的误差进行了测量和分析并开展了控制系统性能测试。在油茶果采摘机器人控制系统硬件和软件的密切结合下,圆满地完成了机器人采摘油茶果的实验过程。实践证明这种机器人控制系统运行平稳,定位精度高,具有良好的开放性和扩展性。

关键词： 模块化技术   FMC总线   兼容性   高速高精度采样   CPCI  

摘要： 随着高集成化电路和FPGA应用的快速发展,测试系统模块化架构设计已经成为一种趋势。FMC(FPGA Mezzanine Card)是一种专门针对FPGA所定义的互联接口,在模块化数据采集系统的设计与实现中得到广泛应用。一方面,FMC模块之间的复用性和重构性为实现多功能数据采集系统奠定了基础;另一方面,FMC接口的高速多针特性有助于提升系统的采样率及带宽等性能指标。因此,基于FMC模块化构架的数据采集系统设计逐渐成为国内外学者研究的热点。论文基于FMC互联技术,设计了四种型号的FMC采集模块,分别为FMC3028(双通道3GSPS/8bits)、FMC1548(双通道1.5GSPS/8bits)、FMC4214(双通道400 MSPS/14 bits)和FMC5212(双通道500 MSPS/12 bits);同时,还设计了一种能兼容这四种采集模块的数据处理载板。模块与载板之间在物理互联的基础上,由载板FPGA中的接口逻辑进行控制而完成通信;其不同的组合方式可以实现功能特性各异的数据采集系统,适用于各种高速、高精度采集场合,具有高带宽、大动态范围等优势。FMC采集模块的兼容性接口逻辑设计划分为三种通用功能电路:型号识别及加密电路,采样时钟生成电路以及温度电压监控电路。其中,型号识别及加密电路采的主要功能是识别FMC采集模块的型号和保护系统设计的知识产权;采样时钟生成电路的主要功能是通过SPI总线配置采样时钟参数,产生相应的时钟供给ADC完成模数转换;温度电压监控电路的主要功能是对模块子板卡的温度、电压进行采集,并且把数据及时传给上位机显示和分析。在载板的数据流控方面,首先采用ChipSync技术实现对并行高速数据流的接收和处理;然后调用FPGA的DDR3 SDRAM存储控制IP核,完成大数据触发存储;最后,通过CPCI标准总线实现与上位机的命令通信,并完成高速大容量的数据流上传与显示。最后通过对型号识别及加密、采样时钟生成、温度电压监控、数据流接收以及触发存储电路的测试,验证了各个模块的功能实现;而且,上位机对采集数据的分析结果表明,每个FMC采集模块的SNR、SFDR及输入带宽等参数指标均到达了设计要求。

关键词： 光接入网络   宽带接入网   波分复用无源光网络   无色光网络   单元   信道均衡  

摘要： 随着视频点播、互动游戏等新兴互联网应用的不断发展和快速普及,普通网络用户对于带宽需求快速提高,原有的包括ADSL等接入形式已经无法满足用户的需要,波分复用无源光网络(WDM-PON)凭借其更高的网络带宽、与原有光纤接入网络相兼容、易随着视频点播、互动游戏等新兴互联网应用的不断发展和快速普及,普通网络用户对于带宽需求快速提高,原有的包括非对称数字用户环路(ADSL)等接入形式已经无法满足用户的需要,波分复用无源光网络(于后续系统升级等优点,日益引起人们的重视,并成为下一代光无源接入网络技术的研究热点。 本论文作者作为研究人员之一,在实验室修硕士研究生学位期间参加了国家自然科学基金资助的项目“基于RSOA的光射频信号处理的机理研究与实验验证”和“基于SOA和MZI的全光信号处理技术的研究”。其间,利用专业的光通信仿真软件平台VPI Transmission8.5、Modelsim6.5、电子电路开发设计软件Mentor Graphics2005等软件和实验室其它无源接入网络的实验平台,研究了基于反射型半导体光放大器(RSOA)实现远端波长重用10Gbp/s数据速率的WDM-PON系统原型的设计和实现方法。本论文的主要研究内容如下所示： 1、分析现在广泛使用的无源接入网络(PON)的发展现状,在对现有无源接入网络,如以太网无源光网络(EPON)和吉比特无源光网络(GPON),存在的问题进行分析的基础上,引出作为下一代接入网络研究重点的波分复用无源光网络(WDM-PON)。详细说明WDM-PON接入网络技术进一步发展的若干关键技术发展现状和技术不足,主要包括光网络单元(ONU)的无色化技术、波分复用器件的设计、前向纠错编码技术(FEC)和信道均衡技术。 2、充分考虑实验室在RSOA器件建模和基于RSOA的ONU无色化方面进行的理论研究和实验积累,在进行WDM-PON实现和设计技术调研的基础上,提出基于RSOA实现波长重用的WDM-PON实验系统设计方案并利用电子电路设计软件进行相关的电原理图设计在该设计方案中使用RSOA作为ONU无色化的关键器件,利用串并变换器件实现物理媒介适配层(PMA)的基本功能,物理编码子层(PCS)的功能实现,例如高速数据信号同步接收、64B/66B编码变换等由FPGA芯片编程实现。另外,为解决RSOA器件有效带宽不足的问题,方案综合利用前向纠错编码等技术保证整个系统的工作性能。 3、提出一种基于信号误差的LMS自适应算法(ESD-LMS)并在专业光通信仿真软件中进行系统仿真分析。该算法通过相邻两次迭代的输出误差值进行自适应系统步长的调整。论文中详细分析了基于所提出算法的自适应滤波器的几个关键参数并通过MATLAB软件仿真了在信道均衡和系统识别应用场景下的算法性能;在专业光通信仿真软件VPI中对所提出的WDM-PON光接入网络实验设计方案进行性能仿真。通过基于RSOA的双向10Gb/s的数据传输的仿真,测得的误码率和眼图结果表明所提出的算法可以降低OLT端的上行数据信号误码率并提高眼图张开度。在使用基于所提算法的信道均衡技术之后,在基于RSOA的双向10Gb/s的系统中可以在1E-4级别的误码水平可以提高接收灵敏度约2.5dBm。

关键词： 能效监测   SOC   RN8316  

摘要： 随着智能电网的深入发展,为了满足国网公司对能效监测的要求,设计了一种基于SOC技术的三相电力能效监测终端。它采用锐能微RN8316(SOC)为主控芯片,通过管脚资源配置,实现了电流电压采样计量、直流模拟量采样、电压质量监测、通信等功能。文中介绍了电力能效监测终端的硬件设计,提供了完整的设计方案,该方案不仅能提高终端的稳定性和可靠性,还能降低物料数量和生产成本。