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关键词： 小信号电化学检测系统   硬件设计   软件开发   传统三电极传感器   GFET传感器  

摘要： 具有高灵敏度和选择性的化学和生物分子传感检测不仅在广泛的研究领域至关重要，在气体泄漏检测、疾病诊断和医疗保健等各种实际应用中也具有重要意义。本论文基于传统三电极传感器(激光诱导石墨烯-饱和甘汞-铂电极)和 GFET 传感器设计的小信号电化学检测系统，为电化学传感器的实际应用提供了一种简单便携、集成度高、功能多样的检测手段，可以用于铁氰化钾溶液和PAM溶液的实时精确分析以及GFET特性曲线的测定。　　首先，通过对比分析两类检测体系在传感器电极所施加电压类型和所采集电流信号幅值大小等方面的相同点，设计了一套包含有控制模块、恒电位仪、信号发生器和数据采集模块的硬件电路来实现不同信号波形的输出、处理和采集。该电路相对误差均小于5%，具有准确度高、稳定性好、设备小型化、操作方便、成本低的特点。　　之后，通过比较二者在下位机各模块之间信号传输和上位机界面需分析波形图像的横纵坐标设置等方面的相同点，使用C语言和框图语言完成了嵌入式驱动程序、检测算法和上位机软件的设计，可以使用DPV、SWPV、CV、输出特性检测和转移特性检测对两种电化学体系进行检测实验，并将采集到的数据在上位机进行储存和图形化显示。　　最后，对检测系统进行了功能测试。在三电极体系中，分别使用DPV、SWPV和CV法对铁氰化钾溶液和 PAM 溶液进行测试，与实验室原有的 CHI760D 电化学分析仪相比，自制电化学检测系统具有很好的准确度和稳定性;在GFET传感器中，分别使用数字源表和自制电化学检测系统对浸泡在PBS溶液(pH值为7.4)中的GFET进行输出特性和转移特性的检测，实验结果表明，自制检测系统在 GFET 的检测中表现出灵敏度高、重复性良好的特点，在室温条件下，测得的狄拉克电压为435mV，与数字源表测试结果基本保持一致。实验结果也进一步表明了所设计系统检测算法和上位机程序的可靠性。

关键词： 硬件  

ISBN: (纸本)9787111737049

摘要： 本书首先以基本的电容、电感、电阻等器件为基础, 详细介绍了BUCK、BOOST、LDO、电荷泵等常见电源拓扑。既涉及低频敏感的模拟电路注意事项, 又囊括了高速电路关键设计指导, 然后介绍了手机基带几个重要模块的设计原则, 设计就是测试, 无测试则无设计, 最后介绍了测试仪表与板级测试。

关键词： 同态加密   FPGA   模算术   数论变换  

摘要： 在云计算场景中,数据拥有者希望尽量降低敏感数据计算时的泄露风险,但传统加密算法对计算缺乏支持,使得执行方只能处理明文数据。为应对此困境,支持密文计算的同态加密算法被提出。然而,相比明文计算,当前的同态加密计算面临着计算效率的挑战。这成为了进一步部署此类算法的主要障碍。问题在于,面对高开销的同态加密计算,主流架构,如CPU或GPU,未能很好地适应同态加密计算的基本算术和数据流特点,没有很好匹配的硬件算术单元、并行计算及访存机制。为解决上述问题,本文研究了同态加密的算法及其硬件实现,结合同态加密算法仍处不断演进阶段的现状综合考虑了计算效率、算法适应性与部署成本的需求,明确了FPGA相对于CPU,GPU和ASIC等硬件平台的优势。在此基础上,提出了基于FPGA的同态加密计算硬件设计。主要工作如下:(1)针对同态加密进行了理论和算法层面的分析研究,为硬件设计作准备。首先分析了基本算术,即模算术的原理。然后,找到同态加密计算的瓶颈所在密文乘法,并分析了其以多项式为操作数的特殊算术的原理及算法复杂度,继而引入并分析了结合负循环卷积和快速傅里叶变换的基于数论变换(Number Theoretic Transform,NTT)的理论方法,对复杂度进行了优化。(2)针对模算术的计算,设计了基于条件减、加法的模加、减单元及基于Barrett模约的模乘单元。同时通过逻辑复用优化了资源消耗,并通过硬件字长的优化分析确保了硬件乘法器的高效利用。在此基础上设计了模算术蝶形单元,并利用旋转因子可预先计算的特点对蝶形单元的数据通路进行了针对性优化。(3)针对多项式乘法的优化计算,基于前述模算术单元设计了NTT和INTT模块。设计中,通过对NTT复杂数据流的重整挖掘了其跨级不变性,再据此提出了一种并行计算数据映射机制及对应的全流水硬件设计,使数据冒险、流水线气泡及空域数据重排等不利因素全部排除,保证了模块功能正确、计算高效,同时还可节省资源。最后,基于Vivado开发环境对Verilog编写的RTL设计进行了仿真与综合,并与他人研究工作进行了对比,本文所设计的NTT/INTT模块达成了80%～93.9%的fabric资源节省,体现了本文硬件设计的正确性,以及提出的并行计算数据映射机制在节省硬件资源方面的有效性。

关键词： 开放式喷涂工作站   控制系统   硬件设计   软件开发   软PLC技术  

摘要： 随着喷涂行业快速发展，传统封闭式喷涂工作站在硬件设备扩展能力、工艺程序调整和生产准备周期等方面的局限性日益突出，难以满足企业复杂多变的喷涂生产需求。因此，开放式喷涂工作站已经成为目前的研究热点。软PLC技术凭借其开放性、灵活性和高效性等特点，成为实现开放式喷涂工作站的关键技术之一。　　为了满足国内中小型企业对开放式喷涂工作站的实际应用需求，本文在课题组自主研发的具备拖动示教和轨迹再现功能的机器人控制系统基础上，通过集成软PLC技术，设计开发一套开放化、柔性化和易拓展的喷涂工作站控制系统。本文的主要研究工作如下：　　首先，根据喷涂工作站控制系统需求分析和功能设计，提出了三种基于EtherCAT总线的控制系统方案。综合开放性、成本性和供应链安全等因素，选用基于PC全软式控制系统方案。在此基础上，选定Linux+Xenomai系统并将IgH作为EtherCAT主站的协议栈，进一步设计控制系统软件的总体架构。针对IEC61131-3标准的编程语言进行分析对比，选择IL语言和ST语言作为本文的编程语言。　　其次，完成喷涂工作站控制系统的软件设计。根据Linux+Xenomai双核实时操作系统的特点和分层设计思想，将控制系统软件进行模块化设计开发，包括Linux域程序的GUI模块、逻辑处理模块和任务处理模块，以及Xenomai域程序的跨域通信模块、软PLC控制模块和运动控制模块。　　然后，根据喷涂工作站的工艺需求，完成软PLC子系统的核心功能实现。针对编写PLC程序前需要对机器人信号进行绑定，设计参数化PLC配置功能。分析对比PLC程序的执行方式，选择解释执行方式并阐述了解释执行原理。根据IEC61131-3标准规范，设计IL语言和ST语言的解释器，并阐述其具体实现过程。针对模拟喷涂工艺流程场景的需求，设计仿真器并完成了仿真功能的测试。　　最后，本文进行了实验测试和进一步的实际应用生产。针对不同企业的生产需求，本文中搭建了三种不同类型的喷涂工作站，并根据喷涂工艺流程编写了相应的PLC程序。实验结果表明，具备软PLC的喷涂工作站控制系统能够运行稳定，展现出较高的可拓展性和灵活性。在实际的生产中，该系统方案有效地提高企业的喷涂生产效率。

关键词： 金属打磨   表面缺陷检测系统   硬件设计   软件开发  

摘要： 近年来，随着我国制造业的快速发展，金属产品作为制造业中最常见的零件之一，其需求急剧上升，对其质量的要求也日益提高。目前，金属表面缺陷检测主要依靠人工目测，精度低、效率低、劳动强度大，无法满足企业不断提高产品质量的需求。随着科技的发展，越来越多的先进技术被应用于缺陷检测，如计算机视觉、机器学习等，这些技术因其高精度、无接触等特点，开始广泛应用于工业检测。本文以打磨后的金属铝板为研究对象，提出了一种基于线结构光的金属表面缺陷检测方法，结合深度学习，实现了对金属打磨后的表面缺陷检测。本文的研究主要从以下几个方面展开：　　设计了金属打磨后的表面缺陷检测系统，包含硬件设计和软件设计两个部分。其中硬件设计包含相机、镜头、激光器和位移平台的选型和设计，以及系统标定。软件设计为金属表面光条中心提取和缺陷检测等算法的设计。搭建了缺陷检测系统实验平台。　　为了解决金属表面反光严重而导致的光条质量差的问题，提出了一种基于光条特征的改进Steger光条提取算法。该方法首先以图像灰度梯度和灰度值作为双重约束，从背景中大致分割出光条图像。然后利用面积约束和形状因子约束，消除干扰区域，进而精确分割出光条ROI区域。最后根据二维高斯卷积的可分离性和对称性改进Steger算法，提取光条亚像素中心。与灰度重心法和Steger算法对比实验表明，该方法具有良好的计算效率和鲁棒性。　　针对传统视觉金属表面缺陷检测准确性不高的问题，提出了改进的U-Net神经网络模型。首先将点云数据映射为二维深度图，再利用深度学习来进行缺陷检测。针对U-Net网络在应用中出现的类别不平衡等问题，通过采用深度网络中表现更好的ResNet-50特征提取网络替代原有U-Net中的普通特征提取网络、改进卷积操作方式以及选择更优秀的损失函数blobloss等对U-Net进行改进。相比于FCN和U-Net缺陷分割算法，本文提出的改进算法在缺陷分割上有较大的提升。　　实验表明，本文的缺陷检测算法对多种类型的缺陷分割准确率均超过90%，实现了金属打磨后的表面缺陷识别。

关键词： 螺旋桨飞机   双向调速器   液压测试系统   硬件设计   软件开发   模糊PID控制  

摘要： 在螺旋桨飞机中，双向调速器的性能是影响螺旋桨变距调速性能的关键，然而目前国内对双向调速器性能测试的研究十分空缺。因此本文以双向调速器为研究对象，主要以双向调速器和执行机构的输入输出压力、流量、位移等测试曲线来反应双向调速器综合性能为出发点，针对液压测试系统展开设计与开发，包括硬件设计、油温控制、软件设计及调试等，旨在为国内双向调速器制造和测试的各单位提供用于综合性能测试的液压测试系统设计与开发参考。　　首先，阐述了本文的研究背景和意义，分别介绍了国内外液压元件测试系统和调速器液压测试系统的发展现状，从而明确了目前国内急缺双向调速器性能测试相关研究的现状，于是针对双向调速器液压测试系统的设计与开发展开研究，确定了本文的研究内容和总体框架。　　其次，基于双向调速器离心调速原理分析得到了液压测试系统功能需求和技术参数，并据此设计了液压测试系统的总体方案，通过对液压原理图中执行机构负载液压缸的活塞的运动分析验证了该测试方案具有合理性和可行性。　　再次，通过搭建液压测试系统的硬件架构明确了电气控制策略，并在对液压测试系统的主要元件计算与选型的基础上完成了电气控制回路设计和设计布局，从而满足了性能测试的硬件需求。　　之后，在建立油温控制系统数学模型的基础上，分析了油温控制系统的特点，提出了基于模糊PID的油温控制策略，并在MATLAB/Simulink中完成了模糊PID控制器设计与油温控制系统仿真分析，仿真结果得到：对比 PID 控制策略，无论油温控制系统增大滞后时间还是增加油温干扰，模糊 PID 控制都能在几乎无稳态误差的前提下降低超调量，因此应用模糊PID控制可以很好解决性能测试需要的高精度恒温控制要求。　　最后，通过搭建液压测试系统软件架构得到了功能模块设计需求，在对设计的液压测试系统测试流程图分析的基础上，基于LabVIEW完成了包括功能模块设计、界面设计等在内的软件系统设计，最后对目前已有的电气测试和控制部分进行了系统调试，结果表明该部分可满足测试要求。

关键词： 电子引信   升压起爆电路   硬件设计   CPLD   安全控制   软件仿真  

摘要： 引信电子升压与起爆相比传统的机械起爆方式,具有高精度、稳定性强、安全可靠等优点,能够满足现代军事和民用领域的需求,具有广泛的应用前景。本文从电路设计和安全控制角度出发,对设计的电路和程序加以仿真与试验验证,完成了引信电子升压与起爆的研究设计。首先根据对常用开关电源结构及特性的分析,确定以反激拓扑结构作为升压主电路,在此基础上详细研究反激式变换电路的工作原理;分析升压解除保险安全控制理论后,确定了解除保险的环境数目,并根据保险件组合类型确定了两个静态电保险加一个动态电保险的解除保险方式;分析了关键技术并设定了控制流程,完成升压与起爆电路及其安全控制的方案设计。其次设计了能够满足用电需求的电源模块,包括DC-DC隔离、线性稳压器、控制芯片用电以及隔离驱动电源;将解除保险升压电路中两个静态保险开关设置为具有完全不同的有效形式,并完成了动态开关设计;利用固态脉冲开关作为高压开关,配合隔离驱动以及浪涌保护,采用双重保险以及与解除保险电路相反的控制形式设计了起爆触发电路,完成了起爆电路设计。根据安全控制设计方案以及模块化思想,配合设定的解除保险信号,将CPLD与FPGA的内部设计划分为具有不同功能、相互独立的模块,使用Quartus II软件并采用Verilog语言完成了程控设计。最后利用PSpice软件搭建了升压主电路仿真模型,完成了高压电容充电的可行性验证;搭建了起爆回路电路模型,对不同参数的影响进行仿真分析;利用Modelsim对CPLD与FPGA的控制程序进行仿真验证,结果与安全控制流程设定保持一致。设计并完成了解除保险升压充电测试,进行了爆炸箔起爆观察。升压与起爆仿真、控制程序仿真以及试验均表明电路设计、安全控制达到要求,能够完成升压起爆。

关键词： VVC视频解码IP   参考像素处理   环路滤波   LMCS   ALF  

摘要： 随着数字视频技术的高速发展以及人们对4K甚至8K的超高清视频需求的日益增长,视频编码压缩技术已变得愈发重要。为此,联合视频探索小组JVET制定了新一代多功能视频编码标准VVC,与上一代的HEVC标准相比,VVC的编码性能有了显著的提升,应用领域也涵盖了更多视频产业。VVC视频解码芯片是VVC产业链的重要一环,对于VVC技术在应用中的落地及推广起到重要的推动作用。因此,作为VVC视频解码芯片的核心,VVC视频解码IP的开发具有极大的应用价值。基于此背景,本文对VVC视频解码IP中的几个关键部件——参考像素处理模块、环路滤波模块的硬件设计与实现进行了深入研究。本文的主要研究内容如下:1.设计并实现了参考像素处理模块。根据相关算法,将参考像素处理模块划分为参考像素填充、滤波以及映射三个子模块。通过设计并行的基本运算单元,提高各子模块的运算速度,更高效地为后续的帧内预测计算模块提供参考像素。2.设计并实现了环路滤波模块。基于原HEVC解码器IP,复用了DF和SAO模块,对VVC新增的LMCS及ALF模块进行了硬件设计。针对LMCS的工作包括:根据LMCS算法,对LMCS进行模块划分;改进数据处理方式,减少资源消耗;设计并行运算单元,提高LMCS处理速度;通过复用除法器完成算法要求的多次除法运算,减小模块面积。针对ALF的工作包括:根据ALF算法,提出了流水线粒度为8×8亮度像素块的3级流水线架构,将ALF的完整计算过程拆分成三个子模块执行,每个子模块构成流水线的一级,提高了设计的吞吐率。此外,在滤波计算子模块的设计中,通过复用运算单元完成模板相似的两类滤波运算,通过并行的基本运算单元同时处理多个像素,在尽可能减小面积的前提下,提高处理速度。3.基于官方参考软件,搭建验证平台,利用VCS对本文的设计及包含该设计的VVC视频解码IP进行仿真,验证了其功能正确性,同时仿真结果表明,视频解码IP的单帧解码速度可达到4K 120 fps、8K 30 fps的标准。此外,在时钟频率800MHz、工艺库TSMC-12 nm等约束条件下,对本文的设计进行DC综合,得出其面积报告。本文对上述几个VVC视频解码IP的关键部件进行了研究,对于加快VVC视频解码芯片的研发以及促进VVC标准在超高清视频领域的应用有着重要意义。

关键词： 管道机器人   结构设计   硬件设计   闭环控制   负压控制  

摘要： 管道已遍布现代社会各个角落,广泛应用于能源运输、资源调度等领域,是现代社会必不可少的基础设施。在管道长期使用中,会出现生锈、堵塞、老化等问题,这对人们生产生活造成了巨大安全隐患。传统的管道检测方法为人工检测,由于管道深埋于地下且空间较为狭小,往往需要对管道进行挖掘与拆解,工作量大且效率低。因此,研制一种能够替代人工检测的管道机器人具有重要的实际意义。本文研究内容如下:1、吸附式管道机器人总体方案设计。设计一种能够吸附在管道内壁上人工控制自由行进的管道机器人。确定功能需求和性能指标,分析管道机器人不同的行进方式、吸附方式和控制方式,确定了最终方式,并将管道机器人分为驱动行进机构、吸附机构和控制机构。2、吸附式管道机器人驱动行进机构设计。分析管道机器人在管道内的行进模式,通过使用麦克纳姆轮作为驱动轮,降低管道机器人在管道内行进时出现行进困难与漏气的可能性,确定麦克纳姆轮的排布安装方式,建立驱动行进机构正逆运动模型,明确控制方式。设计驱动行进机构硬件结构,对驱动行进机构进行运动分析,选择合适的基础部件,装配驱动行进机构样机。编写驱动电机转速PID控制程序,测试驱动行进机构性能。3、吸附式管道机器人吸附机构设计。采用海绵吸盘做为吸附机构的吸附装置以使吸附装置完全贴合于管道内壁。设计负压估计方法,使管道机器人可吸附在管道内壁上的同时,不会因为负压过大导致难以行进。通过姿态传感器对管道机器人需要的负压进行估算,将连续变化的姿态值离散化,按姿态区间利用电磁阀分段式供给负压。加入负压传感器实时测定吸附装置内的负压并与负压估值作比较,实现负压的闭环控制。设计吸附机构硬件结构,装配吸附机构样机,测试吸附机构性能。4、吸附式管道机器人整体制备与实验测试。设计管道机器人控制机构硬件结构,装配控制机构样机,编写数据收发程序,其能够对驱动行进机构与吸附机构收发信息。为管道机器人制备软体外壳并加入检测装置,以实现无损伤检测管道,将驱动行进机构和吸附机构结合,装备吸附式管道机器人样机。在实际管道中,测试设计的吸附式管道机器人应用效果。

关键词： 矢量网络分析仪   射频微波   S参数   误差校准   TRL算法   信号分离  

摘要： 矢量网络分析仪(Vector Network Analyzer,VNA)作为一款电子设备仪器可以测量频率范围从几千赫兹到几十吉赫兹的信号参数,如电路中信号的相位和幅度。此外,VNA还可以对复杂的网络如阶梯网络或混合网络进行测量。目前市面上的VNA存在一些缺点,例如尺寸笨重、易损坏、成本和价格高昂,尤其是对于大型仪器而言。此外它的使用过程也相对复杂,且需要一定的专业知识,否则会对测量结果的精确性产生影响。后期VNA的维护和保养费用较高,用户需要定期进行保养,以确保仪器的正常使用。针对上述设备的缺点,本论文旨在设计和开发一款便携式VNA,以解决传统VNA存在的问题。该设备可以测量频率范围从100k Hz到6GHz内待测器件的S参数,其价格合适、质量较轻、测量精度较佳、应用范围较广。本论文的主要研究工作内容及成果如下:首先,从理论层面上介绍了微波射频电路的基本概念与原理,介绍了VNA的基本结构,梳理了VNA的各个组成模块以及内部存在的各种类型误差,介绍了误差校准原理其中重点介绍了TRL算法校准。基于这些基本知识引出了本论文研究设计的出发点,从总体层面上研究了便携式VNA的内部结构以及各个组成部分目前存在的组成方案,其中重点介绍了射频源电路、信号分离电路和接收机电路。其次,根据便携式VNA的基本结构,从硬件层面上采用模块化的方式设计了便携式VNA硬件设计,选取合适的芯片构造电路模块具体包括系统电源模块、射频源模块、本振模块、衰减增益模块、信号分离模块、接收变频模块、ADC信号采样模块。其中射频源模块采用锁相频率合成扫频的方式生成,接收机采用两次差分变频的方式保证后续ADC模块更精确的对中频信号采样。然后,根据电路模块采用Cadence软件具体绘制了各个模块的硬件原理图,并且分析了每个模块的工作细节,其中基于各个电路的芯片参数,采用不同的仿真软件对部分电路进行了仿真设计,以便使其符合我们预期要求的结果。最后,根据电路原理图制作PCB板将其做成实物,通过在相同情况下对实物系统进行多方面的测试对比,测试结果验证本项目设计的测试系统可以较为精确的测量S参数,测得参数指标满足本论文所设计的参数指标,和市面上的其他仪器在测量上相差无几,测量精度效果较佳,具备工程实用性,并且本项目所设计的系统小巧轻便,具备便携性的特点。综合本论文的研究目标和研究成果,本项目所设计硬件测试系统满足设计要求,因此本项目所设计的产品可以具备一定的实用价值。