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关键词： 水声采集存储单元   软硬件设计   实时监测  

摘要： 海洋中存在着大量由舰船、生物、地质变化等产生的噪声，在进行水下探测或通信时，该噪声是水声信道的主要干扰源。同时也可通过海洋环境噪声反演获取各种海洋环境信息。因此通过分析大量有效的噪声数据而得到海洋环境噪声的特性及工作模型非常重要。为了能获取大量频率范围较大的噪声数据，本文所设计的采集存储单元选用了较高采样率的模数转换芯片，并将采集数据存入大容量TF卡中。同时，还设计了遥控单元用于远程控制设备的启动并实时监测设备的存储状况。将采集存储单元与遥控单元结合，设计了一种具备水声遥控功能的水声采集存储单元。　　本文具体完成了采集存储单元和遥控单元的硬件设计、功能仿真及基于FPGA的逻辑功能设计。其中，硬件部分完成了模数转化电路、存储电路、数据缓存电路、控制电路及数模转换电路的器件选型、原理图绘制和PCB绘制;仿真部分使用相关软件及MODELSIM完成了基于Notch滤波的BFSK解调算法的仿真;逻辑功能设计部分使用Verilog语言设计了模数转换逻辑、数据缓存逻辑、数据存储逻辑、地址存储逻辑、计算Notch滤波逻辑、计算自适应门限逻辑、检测遥控指令逻辑和发送应答信号逻辑。　　本文所设计的采集存储单元其采样率可调且最大为1MSPS、三路通道同时采集、存储容量2TB。同时遥控单元可对水声遥控指令进行检测，然后根据指令内容执行相应操作及回复相应的应答信号，并且可实现的遥控距离不少于2km。

关键词： 厨余垃圾处理设备   控制系统   硬件设计   软件设计  

摘要： 随着人们生活水平的逐渐提高，餐饮业的迅速发展,使得厨余垃圾不断增加,若不及时进行厨余垃圾处理工作，不仅会占用大量土地资源，污染环境，甚至会影响人们的身体健康。近几年，我国已经在各大城市陆续普及垃圾分类，并通过人们的积极配合取得了很不错的成果，但如何对厨余垃圾进行有效处理，仍然是我国所面临的重大问题。　　本文主要对厨余垃圾处理设备结构与控制系统进行优化设计。根据减量化、资源化、无害化的原则，首先对厨余垃圾处理工艺进行分析，然后在工艺的基础上对厨余垃圾处理设备进行总体设计和仿真分析，接着对厨余垃圾处理设备控制系统软硬件进行设计，最后对样机进行了试验与分析。主要研究工作如下:　　首先对厨余垃圾进行取样、检测、分析，了解到其组分含量和营养成分含量,通过对比国内外厨余垃圾处理工艺，确定了集分拣、撕碎、挤压脱水、发酵、烘干、堆肥为一体的厨余垃圾处理工艺。在工艺确定后，针对现有设备在工作中经常出现的问题，基于SOLIDWORKS软件，对提升装置、撕碎装置、挤压脱水装置和排湿除臭装置等进行设计，基于Ansys Workbench软件，对提升液压缸、绞龙进行结构强度仿真与分析，并基于fluidsim软件，对提升机液压系统进行仿真。　　然后进行控制系统软硬件设计。系统硬件设计，先确定硬件系统整体设计方案，接着根据方案对所需元器件进行选型设计，基于元器件数量，确定系统I/O点数。根据设备控制要求，基于SOLIDWORKS Electrcial软件，对系统电气原理图和电控柜进行设计。系统软件设计，先简单介绍了软件操作流程，进行PLC软元件分配。接着总结设备操作流程，基于GX Works2软件，使用梯形图语言对各部分程序进行逐一设计，并进行程序调试，验证程序编写是否有误。基于McgsPro组态软件，设计人机交互界面。　　最后进行了样机试验与分析。总结了样机的试制流程，进行了样机机械部分与电路部分的试制。针对传统和新型提升装置，做了单人操作和双人操作提升耗时实验，实验结果表明，新型提升装置与传统相比，单人操作时间减少约9 s,双人操作减少约1.5 s,并且提升稳定性较传统更高。对样机进行了生产实验，对比传统与新型设备产出物料。实验结果表明，新型设备产出物料颗粒较传统更小，并且新型设备各装置故障率有所降低，验证了设备结构优化设计的必要性。

关键词： 静脉输液设置   测速系统   硬件设计   软件开发  

摘要： 静脉输液在临床医学中被广泛应用，以快速实现治疗效果，将治疗液体直接输送到静脉血管中。然而，输液速度对治疗效果有直接影响，不恰当的输液速度设置可能导致不良反应。因此，在静脉输液过程中需要实时监测输液速度。目前，已有光电脉冲测速和超声波测速等方式用于测量输液速度，但其精度有限。因此，本文提出了一种基于热传递原理的静脉输液速度测量技术。技术利用红外温度传感器和微处理器来检测和计算输液管中加热液体在流动过程中的温度变化，并利用互相关算法实时推算流速。这种技术具有极高的准确性和稳定性。本文对该技术进行了深入研究，主要包括以下几个方面：　　（1） 理论公式推导。根据实际应用场景，建立了静脉输液测速的物理模型，并判断了管内液体的流动状态为层流。通过推导，得出了层流状态下管内液体的速度分布，并基于液体的传热理论推导出液体在流动状态下与位置、时间和流速相关的温度分布函数。同时，从宏观角度对流速相关的温度分布进行了分析，得出测得流速与实际流速存在比例系数的结论。该比例系数与输液管的内外径大小、输液管以及液体的恒压热容和密度相。　　（2） 数值模拟与分析。使用COMSOL软件对液体在输液管内的流动进行了数值模拟。通过互相关算法计算信号延迟时间获得的流速，矫正后的流速与设定的流速之间存在极小差异。对不同输液速度进行了仿真，结果表明所得速度结果呈线性关系，说明测得流速与实际流速之比为常数，可以利用比例系数进行矫正。对不同输液管的内外径大小以及不同恒压热容和密度的液体进行了仿真，结果验证了它们与比例系数公式相吻合，因此可以根据实际情况获得比例系数，对测得的流速进行矫正。　　（3） 系统实现设计。根据理论公式和数值模拟结果，设计了一种基于热传递原理的静脉输液测速系统。该系统包括红外温度传感器、加热驱动模块、蓝牙收发模块等硬件组成部分，以及温度监控算法、互相关测速算法、上位机监控等软件组成部分。通过综合设计硬件和软件两个方面，实现了对输液速度的实时测量和记录。　　（4） 实验验证。制作了实物并搭建了实验测试平台。通过对流速计算结果的深入分析，证实了基于热传递原理进行静脉输液测速的方法的可行性。测得的流速与设定值之间的相对误差稳定在10 %以内。长时间连续测试结果表明，该系统具有高度的稳定性和可靠性。通过信噪比分析，确定了最佳的流速测量区间为1.22 mm/s至12.75 mm/s，远远超过了静脉输液的流速范围要求。在流速发生突变时，该系统仅需要一个测量周期的响应时间即可准确测量管内液体的流速。此外，为了获得更高的精度，可以延长冷却时间，但需要综合考虑，因为过长的冷却时间可能延长系统测速的时间。　　综上所述，基于热传递原理的静脉输液速度测量技术具有重要的研究价值，可以为医疗行业提供准确、可靠的输液监测手段。

关键词： 水下定位   数据采集   信号处理   嵌入式平台  

摘要： 海洋有着广阔的空间和丰富的能源,随着科技的发展和进步,人们对于水下探测的需求也越来越高。以水下无人潜航器为代表的小平台作为水下目标搜探定位系统的载体具有隐蔽性高、机动性强、安全性高的优点,因此对于小平台水下搜探定位系统的声纳设备的研制具有重要价值。与此同时,由于小平台对声纳孔径和硬件尺寸做出了限制,这对水下搜探定位平台的运算能力、传输速率和探测定位精度都提出了更高的要求。本文针对这一问题,设计了一种可以搭载于水下无人潜航器或小型舰艇的水下搜探定位信号处理硬件平台。平台基于SOM-TLZ7x H和TL6678核心板,集信号采集、数据打包、数据存储和信号处理于一体,具有高速传输和实时运算能力。本文完成了信号处理平台的硬件电路设计、调试和软件程序设计,以及软硬件测试工作,验证了平台的可行性和稳定性。首先对系统的需求和指标做出分析,并提出总体设计方案。在硬件设计中考虑到平台对于传输速度和实时处理能力的要求,采用“Zynq+DSP”的系统构成。以Zynq-7000芯片作为主控核心,其内部集成了双核ARM处理器Cortex A9和Kintex-7可编程逻辑资源,以两个TMS32C6678芯片作为信号处理模块核心,可以满足小型化、性能高和适应复杂环境的需求。再配合外围电路设计和外设接口设计,实现数据收发、网络通信、数据存储等预期功能,为软件实现提供基础。在硬件平台搭建完成后进行软件设计。在ARM端对主控程序进行设计,完成了在Linux操作系统下的指令接收以及数据接收、打包和存储。在FPGA端通过verilog语言进行采集程序设计,对时序进行控制并且对相应管脚进行约束,采用菊花链模式对32路水听器信号进行采集。同时实现FPGA与DSP间的数据通信,通过EMIF16总线进行数据传输,两块DSP进行信号处理后将处理结果通过网络在显控终端上显示。最后,通过多项性能指标测试和湖上实验,对预期功能进行验证,验证了系统的功能和性能。

关键词： 相位敏感光时域传感技术   背向散射   硬件电路设计   性能测试   模分复用  

摘要： 分布式光纤传感技术在长距离安防、周界安防等领域具备广阔的应用市场。因其具备不受外界电磁干扰、监测范围大、对外界扰动灵敏等优点,适合于易燃易爆、周围环境复杂的特殊场合或者需要智能化管理的重点场合使用。本文基于相位敏感光时域反射原理(Phase Sensitive Optical Time Domain Reflectometer,Φ-OTDR),研究并设计了能够预处理传感信号和进行系统控制并具备视频联动等功能拓展的高速信号处理板,搭建了Φ-OTDR传感系统。所设计的高速信号处理板以现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)芯片为控制核心,能够同时控制系统中光源、光信号接收板,与上位机通信。具体的工作内容如下:(1)对分布式光纤传输技术研究背景与意义进行了介绍,并对Φ-OTDR技术研究现状进行了阐述。从理论上分析了光纤中的散射效应以及Φ-OTDR传感系统工作原理。(2)针对实验室上一代Φ-OTDR传感系统中,信号处理板的FPGA型号较老、内部资源耗尽、缺乏高速信号接口、无法进行视频联动等功能拓展的问题。通过器件选型和原理图绘制等硬件电路设计,提出了一款高速信号处理板。不仅具备预处理传感信号、控制光源、控制光信号接收板的功能模块,能够满足Φ-OTDR传感系统的基本需求;新增数据缓存模块最高可缓存512 MB数据。新增以太网模块和光模块,为系统接收视频光信号实现视频联动或实现板间通信打下硬件基础;设计了电源电路和时钟电路,为高速信号处理板中各功能模块的正常运行提供稳定的电源电压和时钟信号。(3)针对高速信号处理板的电源模块和时钟模块进行功能验证,确保电源芯片输出的供电电压能够满足处理板的需求以及时钟芯片输出稳定的时钟信号。在此基础上实现程序烧录和FPGA工作状态信息读取以及内部波形抓取,确保满足系统联调的前提条件。(4)搭建Φ-OTDR传感系统,并实现系统联调。在实验室环境中,针对系统性能,进行传感距离、扰动数量、定位精度、响应时间、误报率等方面的实验。实验结果表明传感距离可达44 km,能够监测到5点同时扰动。单点以及两点、三点同时扰动情况下的定位精度可达±10 m,响应时间<1 s,误报率≤3%;四点和五点同时扰动情况下的定位精度可达±30 m,响应时间<2 s,误报率≤5%。然后介绍了耦合模理论以及模式选择耦合器。以实现视频联动技术和Φ-OTDR传感技术结合为目标,提出了一种基于模分复用视频联动的Φ-OTDR传感系统架构。

关键词： 凿岩台车   远程监控系统   数据通信   硬件设计   软件开发   数据加解密算法  

摘要： 随着国家各项基础建设工程的持续推进，隧道掘进已成为交通、能源、水电水利、国防建设等基础设施工程中不可或缺的重要环节。凿岩台车作为隧道掘进的先锋设备，取代了传统的人工凿岩施工方式，伴随着信息技术的飞速发展，智能凿岩台车已成为我国隧道掘进工程机械的重要发展趋势。为了实现台车故障预报警，便于远程排障，亟需设计一种可用于凿岩台车的远程监控数据通信系统。　　本文提出了基于嵌入式硬件系统和阿里云物联网平台的凿岩台车远程监控数据通信方案，主要包括硬件系统设计、软件平台设计和数据加解密算法研究三部分。硬件系统的设计包括电源电路、时钟电路、ARM主控电路、多路CAN通信和RS422电路、FRAM存储电路、Wi-Fi通讯电路等硬件电路，其中FRAM存储电路完成数据的缓存，ARM主控电路主要完成数据的加密，Wi-Fi通讯电路完成数据的上云;软件平台设计则由阿里云物联网平台和 PC 端软件平台两部分组成，其中阿里云物联网平台负责接收硬件系统传输的数据并按照相应的 Topic 转发给PC端软件平台，PC端软件平台则完成数据的接收解析并解密显示的功能;数据加解密算法研究则先是对 AES 算法进行了原理分析，针对其在本研究场景下存在的问题，通过优化轮函数结构和采用有限域GF(28)上具有最简形式的列混淆矩阵，并提出一种新的轻量化实现方法，达到了降低算法执行的复杂度并提高数据加解密速度和降低内存占用的目的，其中数据加解密功能的实现是通过C语言程序代码分别融入硬件系统的 ARM 主控模块和软件平台中的数据加密功能中来完成的。硬件系统、软件平台和数据加解密算法三部分共同完成凿岩台车远程监控数据通信功能的实现。　　实验表明：相较于已知的最优实现方法，本文所提出的 AES 改进算法及其轻量化实现方法的存储空间占用减少了 40%，加解密速度分别提高了 6.28%和6.61 %，具有较高的执行效率;数据通信硬件模块和软件平台能够较好地完成凿岩台车远程监控的数据通信，可满足工程的实际需要。

关键词： 控制系统   硬件设计   软件开发  

摘要： 随着高功率微波技术的发展，对高功率微波控制系统在高集成化、高实时性等方面提出了越来越高的要求。控制系统首先控制启动脉冲功率源，提供触发脉冲激励，产生精确同步的高压电脉冲，然后加载到微波产生系统，并将输出的高功率微波脉冲馈入天线系统，最后通过控制天线波束扫描来实现波束的精确指向。为了使各个分系统工作运行的有机结合，便于系统任务的实时统一管理以及更多的功能扩展，研究设计了一款基于RT-Thread实时操作系统SoC FPGA控制系统，用于实现高功率微波系统的实时控制。　　基于控制系统的高集成化、功能可扩展性需求，采用在单片上集成了双核ARM处理器和FPGA的Zynq-7000芯片，设计了双核SoC控制平台的总体架构。结合高功率微波控制系统控制功能需求，完成了SoC控制平台的硬件设计，主要包括SoC最小系统和以太网、CAN、UART、SDIO、GPIO等外设接口。采用AXI总线通信方式，实现ARM处理器系统和FPGA可编程逻辑部分的软硬件单元高速互联，利用FPGA可编程逻辑部分扩展外设UART控制器接口和设计自定义功能IP核，完成控制系统的软硬件协同设计。　　基于控制系统运行的实时性需求，设计了RT-Thread实时操作系统的SoC双核系统。以RT-Thread作为底层操作系统，移植RT-Thread到Zynq-7000平台，配置驱动相关硬件外设。然后根据控制系统实现的功能不同，将以太网通信、脉冲功率源控制和天线波束指向控制等实时任务以及供电系统、辅助系统和日志管理等非实时控制任务分别在Zynq-7000的ARM1和ARM2内核处理器实现。针对单核任务之间的通信数据传输多样性和数据访问互斥性的需求，利用 RT-Thread 的优先级抢占式任务调度方式和消息队列、邮箱和信号量等通信机制，实现了控制系统的多任务实时通信和同步控制。对于控制系统的双核多任务运行和交互实现，设计了基于SMP架构的双核启动和任务调度，实现了RT-Thread对于Zynq-7000平台ARM双核的SMP架构运行模式的支持，并且利用核间中断、自旋锁以及邮箱通信的方式实现双核之间的任务同步通信功能。　　最后，构建了测试平台，进行了硬件平台接口功能测试，并进行了SoC双核系统间多任务通信和性能测试。测试结果表明，本论文实现的RT-Thread的SoC FPGA控制系统在控制功能方面实现了网络通信、CAN通信和串口通信等主要通信接口的相关协议控制，实现了SMP架构运行模式的双核控制;在控制性能方面网络传输时延平均值低于1.05ms，平均抖动值低于0.04ms，丢包率为0%，具有与低时延、低抖动、低丢包率的优点，系统执行时间最差情况在118.6μs，平均值为93.10μs，实现了系统任务的实时控制。提出的RT-Thread的SoC FPGA控制系统方案充分考虑到系统的扩展性和模块化设计，具有较高的研究及应用价值。

关键词： 灌溉用水   无喉道量水槽法   自动测流系统   硬件设计   软件开发  

摘要： 全世界可用的淡水资源极少，而且大部分被冻结在南北极，导致能利用的水资源很少。我国是个农业大国，农业用水量很大，而一些传统的量水方式精度较低且造成水资源的浪费，为了实现对灌区的科学用水，需要先进的量水方式对灌溉用水进行精准测量。　　本文在对灌区量水技术的发展历程、国内外发展现状的基础上，研究了一种量水槽法自动测流系统。该自动测流系统采用槽式测流方法，选用矩形渠道和梯形渠道无喉道量水槽作为基本测量部件，使用超声波水位传感器测出量水槽上游水位信号并输出给单片机，经过单片机转换、处理然后送入到上位机监控系统，根据相应的水位-流量函数，计算出过槽流量，最后生成水位和流量的数据过程线并将数据导出保存。　　根据以上的设计思路，本文完成了以下工作：　　在量水槽方面，选择矩形渠道和梯形渠道无喉道量水槽作为测量板，对量水槽进行了结构和尺寸的设计和对流量计算公式进行了探讨与研究。　　在硬件方面，选择HC-SR04的超声波传感器和STM32F103C8T6的核心芯片和设计各重要模块电路连接图，主要包括：电源模块、时钟模块、显示模块、A/D转换模块、通信模块等。　　在软件方面，使用Keil5软件编写程序并下载到单片机上，上位机利用Visual Studio中的C#语言编制上位机监控软件对水位信号进行监控，上位机监控软件可实现以下功能：①通过编程输入各种断面渠道流量计算公式实现多种类型断面的流量计算;②将实时水位、流量数据做成折线图;③可实现年、月、日水量的汇总与Excel导出存储。　　最后，经过调试证明，该系统具有可靠性，有一定的开发应用前景。

关键词： 射频识别   超高频   蜂窝物联网   远距离通信  

摘要： 蜂窝物联网（Cellular Internet of Things,CIo T）作为物联网无线通信系统的重要研究领域,以其低功耗广覆盖、低延时高可靠性的业务特征受到广泛关注。射频识别（Radio Frequency Identification,RFID）作为构建物联网系统的关键技术之一,具有可快速扫描、数据记忆容量大、应用成本低等特点,在物流环节尤其是运输和仓储领域具有重要的应用价值,但当前仍无法满足市场对标签大容量接入及长距离可靠通信的应用需求。本文针对此诉求,设计一种可远距离通信的蜂窝物联网系统,在传统基站读写器与标签构成的RFID系统基础下,添加辅助基站作为中继转发,使得基站与标签的有效识别距离增加,进一步提升基站读写器对标签的覆盖范围及可接入容量。本文的主要工作和成果如下:1、用自由空间中能量传输的路径损耗对超高频RFID系统上、下行通信链路的有效距离进行分析,阐述了限制当前RFID系统通信距离的主要因素,提出蜂窝物联网系统架构并解析其工作原理,通过引入辅助基站、改进系统架构来提升蜂窝物联网系统的通信距离。2、提出了一种远距离蜂窝物联网系统的技术实现方案,通过基站与多个辅助基站组网通信,控制多个辅助基站工作状态来构建蜂窝物联网,增加终端标签的能量供给来解除系统下行链路的传输距离限制,从而提升系统的通信距离及有效覆盖范围。3、使用射频读写器芯片、射频收发芯片以及通用型微型处理器芯片等器件设计实现出满足ISO/IEC 18000-6C协议的高性能基站以及辅助基站的硬件电路,并在此基础上搭建了蜂窝物联网系统的测试验证平台,对基站和辅助基站的样机功能以及系统的主要性能指标进行了测试分析,验证了远距离蜂窝物联网系统基站-辅助基站协同工作的可行性。结果显示基站与辅助基站P压缩点为31d Bm,最大输出功率为32 d Bm,系统对接入标签的通信识别距离可达100 m,通过配置构建多个辅助基站的多蜂窝网络,可实现大容量标签的接入通信。本文研究的远距离蜂窝物联网系统,将传统的超高频RFID系统覆盖距离提升了一倍,且支持大容量的标签无漏识别通信。在物流管理、公共交通等领域具有较高的应用价值。