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关键词： 步进电机   细分控制   硬件设计   矢量控制   全闭环控制  

摘要： 步进电机是一种由脉冲控制的特种电机,结构和运行原理与同步电机相似,可以将其当作低速永磁同步电机来使用,由于步进电机优越的性能,被广泛应用于工业和自动化领域,因此对步进电机的驱动控制技术进行研究具有重要意义。本文选择两相混合式步进电机作为研究对象,对其开环控制技术与闭环控制技术进行研究。步进电机开环控制的方式有很多,在所有的开环控制方式中,最为经典的是细分控制,但细分控制高度依赖于细分驱动芯片,近年来全球出现了一定程度的“芯片荒”,影响了国外细分驱动芯片厂商的生产,进而造成了国内细分驱动芯片一定程度上的短缺,因此细分驱动芯片的国产化替换方案迫在眉睫。针对细分驱动芯片国产化替代的需求,本文提出了一种主控模块+电流采集模块+驱动模块的替换方案,作为细分驱动芯片短缺时的备选方案。首先完成了硬件设计(包括原理图设计与PCB设计)和硬件的调试工作;其次完成了软件程序设计;最后进行了实验验证,利用自行设计的实验平台实现了对两相混合式步进电机的细分控制。步进电机闭环控制主要分为超前角控制和全闭环控制两种,超前角控制方式无法直接控制相绕组电流,转矩输出性能和动态性能一般。因此本文重点对全闭环控制进行研究:步进电机全闭环控制的第一种方式是在电机上安装光电编码器来采集转子的位置/速度信息,针对两相混合式步进电机在跟踪给定速度信号时易受系统不确定性等因素影响而导致的速度闭环系统控制精度会降低的问题,提出一种基于麻雀搜索算法的模糊神经网络滑模控制器(SSA-FNNSMC)。首先,在滑模控制(SMC)的基础上,利用模糊神经网络对滑控制器的等效控,制项与切换控制项进行模糊逼近;其次,采用麻雀搜索算法(SSA)代替自适应律对模糊神经网络的权值进行实时优化,最后通过仿真实验验证了所设计的基于麻雀搜索算法的模糊神经网络滑模控制器具有较强的鲁棒性和动态性能。步进电机全闭环控制的第二种方式是利用观测角对角度进行估计,即无传感器控制方式。本文对基于滑模观测器的两相混合式步进电机无传感器控制系统进行研究,针对传统滑模观测器中存在的抖振问题,提出一种新型滑模观测器。首先,通过引入新型幂次趋近律,解决了传统趋近律中趋近速度慢、抖振大等问题;其次,针对传统反正切函数会将滑模观测器中高频抖振扩大的问题,本文采用锁相环进行替代;最后通过仿真实验验证了本文设计的新型滑模观测器的优越性。

关键词： 全自动螺丝机   控制系统   硬件设计   软件开发   速度控制   误差补偿  

摘要： 随着工业自动化水平的不断提高，自动螺丝机在国内外市场占据着越来越重要的地位。此类机器不仅适用于零部件加工，还可应用于大型船舶建造等众多领域。为满足市场需求，对于自动螺丝机的功能和工艺需求也日益增多。而控制系统作为自动螺丝机的核心组成部分，在进行螺丝锁付的运动控制过程中起到了决定性作用。因此，如何设计出性能卓越、效率高、成本低、适用范围广的自动螺丝机控制系统具有重要的现实意义。　　本文在查阅国内外自动螺丝机及其控制系统的研究成果基础之上，开发了一款人机交互友好、运动控制稳定、性能全面、工作效率高的全自动螺丝机控制系统，主要研究内容和成果如下：　　（1）基于对自动螺丝机控制系统的功能与技术需求分析，提出了整套控制系统的设计架构方案;结合嵌入式系统的特点，进行控制系统的硬件设计及芯片选型;最后介绍了螺丝机的机械组成结构。　　（2）针对自动螺丝机在运动控制过程中出现的速度阶跃问题，提出一种基于加速度精插补的速度控制方法。并将此方法分别与梯形加减速算法和S形加减速算法结合进行插补控制，通过仿真验证了在经过精插补后速度阶跃程度有所降低。考虑到加速度精插补控制方法的控制过程中会出现脉冲计算误差，提出了一种基于加速度精插补控制方法的误差补偿策略，仿真验证了该方法可有效补偿计算过程中的累计脉冲误差。　　（3）基于控制系统的设计架构方案，对控制系统的软件设计进行了细致划分，包括手持控制系统的软件设计和运动控制系统的软件设计。并根据其对应的功能不同，进行模块化设计。如手持控制系统中的示教功能、手动调试功能和系统设置;运动控制系统中通信功能、回归原点和动作输出等。　　（4）为验证自动螺丝机控制系统设计的性能和本文所提算法的有效性，搭建了实验验证平台。首先对各硬件模块进行功能性测试，测试通过后对加速度精插补的速度控制方法进行验证，包括梯形和S形加减速算法的加速度精插补控制方法实验验证和加速度精插补的速度控制过程中误差补偿策略实验验证。　　最后，对本文的全部研究内容进行总结和展望。

关键词： FPGA   DSP   硬件平台   数据采集   激光陀螺  

摘要： 在导航领域中,由多个独立导航系统结合而成的组合导航系统逐渐成为研究的热点。随着科学技术不断地进步与研究不断地深入,组合导航系统结构与相关的算法日益地成熟与完善。因为组合导航有系统实时性、高速导航解算等需求,所以组合导航硬件平台提出了更高的要求。设计一种具有高性能、低功耗、实时性好的硬件平台不仅满足了组合导航系统的需求,还对组合导航系统的研究与实现具有重大的意义。硬件平台是组合导航系统的基础部分。首先,需要对GNSS/INS组合导航系统的需求进行分析,得到硬件平台设计总体框架并采用FPGA与DSP双CPU结构、选用TMS320C6713B与XC7K325T-1 FFG900I为核心处理器。其中,FPGA实现接口的拓展以及数据采集与预处理,DSP专注导航解算。其次,根据硬件平台设计总体框架确定了硬件平台的电路设计。设计中主要分为DSP系统电路设计与FPGA系统电路设计两部分。之后,本文对电路的设计原理以及器件选型进行了分析。根据组合导航硬件平台的功能要求以及所采集信号的特征,使用Verilog HDL硬件描述语言实现了FPGA对多路信号数据采集与预处理以及对外部通讯,使用C语言完成DSP实时操作系统的搭建与EMIF接口配置。其中,对FPGA实现的各个功能模块的功能进行仿真验证测试,保证功能的实现。最后,完成组合导航硬件平台样机的实现并对组合导航硬件平台进行功能测试。测试结果表明:组合导航硬件平台能够达到预期的设计要求,能够长时间进行数据采集且数据采集精度较高,具有小型化、集成度高的特点。

关键词： 数据采集系统   多路数据同步   采样点抽取   深存储   触发点定位  

摘要： 数字存储示波器作为数据采集系统的代表性产物,是电子信息产业必需的仪器之一,但是目前大部分国产示波器指标较低,应用范围比较狭窄。鉴于此,本文着力于设计一款国产示波器中的数据采集系统部分,实现单通道最高10GSPS采样率、2.5GHz带宽、8bit垂直分辨率、1Gpts存储深度的指标要求。本文的主要研究内容如下:1、完成了 10GSPS数据采集系统硬件平台的搭建。根据项目指标要求,对ADC、FPGA等关键芯片进行选型,并对采集系统中的ADC驱动、供电模块等关键部分的电路原理进行设计,通过合理的PCB布局保证其能在电路板上正常工作。2、设计了 FPGA接收多路ADC数据时的降速处理和误差校正方案。通过研究ADC数据的降速接收过程,对现有的多路数据同步方案进行改进,提出基于IDELAYE3(Input Delay,输入延迟单元)延时步进累加的多路数据同步校正方法,该方法能在保证ADC多路数据同步的情况下具有更好的稳定性和时序裕量。3、基于DDR4存储颗粒和AXI4(Advanced eXtensible Interface,高级可扩展接口)接口的MIG(Memory Interface Generator,存储接口解决方案)IP核设计了采样数据深存储方案。通过在现有方案中引入AXI4协议,简化了数据的跨时钟处理过程,同时为了让用户感兴趣的波形准确地显示在屏幕上,对基于触发控制的读写过程进行研究,在完成数据读写状态切换和读写地址生成的控制后,提出了基于移位寄存器的触发地址校正方法,实现了 10GSPS采样数据并行存储时触发点的精确定位。4、设计了并行数据流中串行数据点的抽取方案。为了解决现有抽取方案在多种采样率模式下实现不同抽取倍率时消耗硬件资源过多的问题,以尽可能在多种倍率下实现抽取单元复用为前提,根据抽取倍率的特点,设计了最小数量的基本抽取单元,通过对抽取倍率进行多级分配,以流水线抽取的方式实现并行采样数据中串行数据点的精确抽取,此外还在深存储模式下通过峰值比较的方式减少了大容量数据抽取时波形信息的丢失,提高了抽取模式下对毛刺信号的捕获能力。通过对硬件电路的调试和整机性能的测试,整个采集系统在单通道模式下具有最高实时采样率10GSPS、实际模拟带宽2.9GHz、存储深度1Gpts,逻辑功能得到了成功验证。

关键词： 图像传感器   辐射效应测试系统   硬件设计   软件开发  

摘要： CMOS图像传感器因其具有低功耗、高集成度、较强抗辐射能力等优势被逐步应用于空间科学探索等领域成像，应用在空间环境下的CMOS图像传感器，产生空间粒子辐照损伤，导致性能退化，严重时甚至功能失效。因此其空间粒子辐照损伤问题研究倍受关注，但国内对CMOS图像传感器辐照损伤效应的研究以实验和仿真为主，对辐照敏感参数测试系统的研究开展相对较少。因此本论文以CMOSIS公司型号为CMV4000的CMOS图像传感器为研究对象，开发了一套适用于辐照实验的测试系统，并进行了 60Coγ射线辐照实验，以获得CMOS图像传感器辐射敏感参数随总剂量的变化规律，验证了系统的可靠性和适用性。具体包括:　　(1) CMOS图像传感器辐射效应测试系统的硬件电路设计。硬件电路主要包括电源模块、CMOS图像传感器外围电路、FPGA主控芯片外围电路、DDR2 SDRAM缓存芯片外围电路及USB 2.0传输芯片外围电路的设计。采用CMOS图像传感器辐照板和FPGA数据采集与传输板分离的结构，避免了实验过程中辐射源对其它器件单元造成损伤，影响系统输出稳定性，并且提高了系统的可重复使用性。　　(2) CMOS图像传感器辐射效应测试系统的时序设计。软件设计主要包括CMOS图像传感器SPI配置接口时序、LVDS数据接收时序、时钟域和位宽转换FIFO、DDR2 SDRAM缓存器读写时序以及USB 2.0传输时序的设计。使用Verilog HDL硬件描述语言对各模块驱动时序进行设计，采用ModelSim软件对各模块时序代码进行功能仿真验证，分析各模块时序仿真图，验证了时序设计的正确性。　　(3) 60Coγ射线辐照损伤效应实验分析。以CMV4000图像传感器为研究对象，开展了 60Coγ射线辐照实验，获得了 60Coγ射线辐照前后CMOS图像传感器平均暗信号、暗信号尖峰、暗信号分布等辐射敏感参数随总剂量的变化规律。实验结果表明:平均暗信号和暗信号非均匀性随着总剂量的增加逐渐增大，且平均暗信号近似线性增大;暗信号分布曲线呈高斯分布，且随总剂量的增加，分布曲线逐渐右移;暗信号尖峰相比于辐照前无明显变化。　　实验结果表明该系统可以稳定工作，满足开展CMOS图像传感器辐照试验的要求。本论文为CMOS图像传感器抗60Coγ射线辐照加固及辐照损伤评估等提供实验技术支持和数据支撑。

关键词： 扫描探测   多波束算法   多通道接收机   多通道发射机   数字信号处理平台   FPGA  

摘要： 随着中国在海洋资源的开发和海洋安全的维护方面的需求不断加大,对各种军用与民用海洋装备的发展提出了更高的要求。本文基于目前水下设备自动化的趋势,提出了一种基于水下无人运动平台的扫描探测声纳硬件平台设计方案。本文主要包括系统的总体设计、模拟电路设计、数字电路及FPGA逻辑设计以及系统软硬件平台测试与验证,主要工作内容如下:1、介绍了扫描探测声纳系统的总体设计,包括其基本原理、指标、组成结构和各个部分的具体方案论证,证明了设计方案的可行性。在系统芯片选型方面,对系统消耗资源量进行了分析,并选用了FPGA和DSP作为信号处理芯片,以满足系统性能要求。2、结合设计指标,完成了接收机与发射机电路的设计,接收机有滤波器、增益控制器和A/D采样电路等模块,能够对接收到的信号进行放大、滤波以及采样;发射机有功率放大器、变压器、储能电路等模块,能够作为信号源发射不同形式的脉冲信号。3、设计并实现信号处理平台的硬件电路,在FPGA平台上完成A/D采集、波束形成等相关信号处理算法,并能够将处理后的数据上传到上位机。本文最后对系统各个模块进行测试以并完成了水池实验,验证了扫描探测声纳系统的可行性和有效性,对扫描探测声纳系统的设计具有一定的参考价值。

关键词： 机器人禽类分割系统   工厂应用   高效分割  

摘要： 家禽产品作为人类获取蛋白质的重要途径,已经成为人们餐桌上不可或缺的必需品。但禽类产品加工生产中的分割环节目前在世界范围内仍属于人工密集型工种,需求持续增长和零售商越来越高的肉类品质要求给禽类加工操作带来了挑战,禽类分割环节机器人化实现成为加工工厂未来发展趋势。迫切需要一种面向工业生产的机器人分割工艺和应用到工业现场的机器人禽类分割系统。基于此,本文发展了一种应用于工业现场的机器人禽肉分割工艺及对应的机器人禽肉分割系统,具体内容包括如下:第二章提出了一种面向全无人化操作的禽类机器人分割工艺,利用机器人操控灵活性的优势,集合了目标对象行进中动态抓取、生物体与夹具对准装配、夹持操作等,实现了鸡胴体脱钩、套锥、扯翅、分块、剔骨的自主分割。搭建了实验室环境下的机器人分割实验平台,设计了能够多姿态切换的末端执行器,采用了满足食品行业需求的纯气源驱动;基于医疗手术中对生物材料无损夹取过程的探索,确定了禽类无损夹取方式;基于单台机器人点到点轨迹规划,完成了鸡胴体脱钩、套锥、扯翅等系列连贯动作,并得到与人工分割相似的结果,验证了机器人自主分割工艺流程的可行性。第三章和第四章面向工厂高效分割的应用要求,开发了多机械臂多工位协同的禽类肉品机器人分割硬件系统,包含多工位协同工艺优化、多工位末端执行器结构设计及多机器人多工位协同控制软件系统。设计了面向多工序协同操作的多工位末端执行器,并根据工厂环境进行了结构优化,实现了生产线中抓取、脱钩、撑翅、扯翅等单个工位的功能验证。基于此,开发了全自动地面输送线用于连接多台机器人对应的不同工序,设计了基于无源信号的通讯系统,服务于多机器人协同控制。开发了集成红外传感信号、PLC和继电器信号控制的机器人分割系统控制程序,实现了机器人分割生产线系统的全流程循环。第五章完成了禽类肉品机器人自主分割系统的软硬件集成及应用验证。在河南极鲜达公司现场对机器人禽类分割系统进行了搭建与实验测试,证明机器人分割系统能有效代替人工完成禽类分割环节的全流程,分割质量符合要求。

关键词： 图像神经网络   卷积神经网络   专用神经网络加速硬件   验证方法学  

摘要： 随着深度学习及人工智能的发展与突破,图像处理、语音分析和自然语言处理等依托神经网络的应用逐渐兴起,神经网络规模愈发庞大、算法设计愈发复杂。随着神经网络参数量和计算量的急剧提升,算力和带宽已成为制约神经网络发展和应用的瓶颈。合理高效的算法能够在一定程度上优化网络的表现,但基于硬件的加速优化能够在底层的维度更好的解决这一问题。图像处理是神经网络的重要应用方向,包括图像检测、图像增强、图像生成等基础应用领域,并已实现包括人脸识别、自动驾驶、计算摄影等终端应用。图像神经网络具有数据量庞大、算法复杂、对速度及准确率要求高的特点。本文聚焦图像神经网络的上述特点设计一种专用集成电路加速硬件以实现对图像神经网络运算加速,尝试解决其在发展应用中遇到的问题。本文首先分析了神经网络的理论、发展及应用,并对神经网络专用硬件加速器的相关研究做了总结。重点介绍了广泛应用于图像处理的卷积神经网络,对网络结构和算法做了详细的分析。随后基于卷积神经网络的算法特点设计硬件映射,确定包括计算模块、存储模块和控制及数据处理模块在内的图像神经网络加速硬件架构,并确定设计思路。本文还介绍了基于System Verilog语言的UVM验证方法学,阐述了集成电路验证平台的结构及工作机制。随后本文详细阐述了所设计的图像神经网络加速硬件,本设计采用AXI协议、APB协议实现读写交互,可以实现多种卷积图像神经网络算法的映射。本设计通过基本矩阵运算单元构成的交叉矩阵脉动阵列加速卷积运算和矩阵乘法运算;设计激活单元、池化单元对算法流程实现硬件映射。本文还设计片上存储模块以加速权重数据,激活数据等数据的存取;设计控制及数据处理模块以实现对指令和数据的高效译指控制与读写配置。在完成设计后搭建基于UVM验证方法学的验证平台对本文所设计加速硬件进行验证。通过测试点分解完成验证规划并搭建验证平台,构建测试用例以输入激励,对硬件设计的时序特性、功能特性等做验证。加速硬件各子模块先通过了模块级验证,在此基础上加速硬件整体通过了系统级验证。本文设计图像神经网络算法对加速硬件做算法验证,并与通用计算平台对比分析其加速性能。本文所设计图像神经网络加速硬件在200MHz工作频率下,平均仅需65.3749ms就能完成对1000张MNIST手写数字测试集的识别推理任务,并达到97.6%的准确率。本设计能够在工作频率显著低于通用CPU、GPU计算平台的基础上,保证准确率的同时实现了加速性能的大幅领先,达到预期设计目标。

关键词： 标识密码算法   硬件加密系统   硬件设计   软件开发  

摘要： SM9算法是一种由我国自主研发的基于椭圆曲线的标识密码算法，在我国商用密码体系中具有重要意义。但受限于椭圆曲线配对计算中复杂的数学公式，计算性能低成为了限制SM9算法在国内发展的关键因素。　　本文研究内容为SM9签名验签算法计算的性能提升，利用软硬件协同的方式设计了一款基于标识密码SM9的硬件加密系统。　　系统的硬件设计部分，本文提出了一种基于256比特素域，在Barreto-Naehrig曲线上，安全强度达到128比特的高性能最优化ate对硬件加速器。本文在椭圆曲线配对计算的各个不同层次探索并行性和流水线技术可行性，最终提出了高基-128的蒙哥马利模乘并行结构，二次扩域模乘并行-流水线的优化结构，以及基于二次扩域运算的流水线-并行-运算简化加速结构。该硬件加速器支持椭圆曲线配对、基域模运算、基域点运算、二次扩域点运算、二次扩域模运算、十二次扩域模运算等SM9子算法运算。　　所设计的最优化ate对硬件加速器计算一次最优化ate对需要37,271个时钟周期。在ASIC平台上，利用TSMC-90nm工艺库综合结果显示计算一次需要0.10ms，消耗751,000个二输入与非门的硬件资源，该结果在面积?时间指标至少优于其他同类设计60%左右。而在FPGA的Virtex-6平台上，消耗25,000Slices和240DSP资源，计算一次需要0.52ms。　　系统的软件部分则是将优化ate对硬件加速器挂上AHB总线，再利用CPU通过AHB总线控制最优化ate对硬件加速器实现SM9签名验签算法。该部分完成了总线与控制寄存器的地址分配和SM9签名验签算法的软件控制设计。　　对于该基于标识密码SM9的硬件加密系统的计算结果验证，本文首先采用官方文档提供的验证数据对该加密系统进行定点数据验证，再引入SM9算法模型对系统进行多次随机测试。

关键词： 医院管理   自助终端机   硬件设计   软件开发   适老化特征  

摘要： 我国即将进入深度老年化社会，老年人口比例日益增加，老年患者看病难的问题也愈发突出。各大医院为提高就医效率，缓解医疗资源紧张的问题，开始引入自助化设备，如自助挂号机、自助缴费机等。但对于老年人而言，现有自助化设备学习门槛高，操作难度大，导致老年人使用体验感差、效率低下。　　基于此，本文从适老化的角度出发，结合直觉化交互理论，旨在研究设计一款适合老年用户使用的医院自助终端机及交互界面。首先，梳理国内外医院自助终端人机交互研究现状和自助终端机适老化研究现状，并探究适老化设计和直觉化理论的可行性路径，输出“基于直觉化交互理论的适老化设计方法模型”为后文奠定理论基础。其次，通过调研深入挖掘老年用户的就医需求和直觉化生活经验，并将“用户需求”与“生活经验”作为医院自助终端机的重要设计依据。随后依据人机工程学、老年心理学等理论对医院老年自助终端机的硬件外观和软件界面进行设计分析，并提出医院老年自助终端机的设计策略和原则。最后，结合前文研究结果，进行医院老年自助终端机硬件和软件设计实践，通过高保真模型开展直觉化满意度评估，得出进一步的改良优化建议。　　通过评估发现，优化设计后的医院自助终端机更加符合老年用户的直觉习惯,不仅能有效提高老年用户就医效率，同时也能为其他老年交互产品设计研究提供支撑。为医疗系统适老化建设作出贡献一定贡献。