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关键词： 电阻抗断层成像   压控电流源   相敏解调   数据采集  

摘要： 电阻抗断层成像技术(Electrical Impedance Tomography,EIT)是一种新兴的非侵入性的可视化成像技术,与传统医疗成像方法相比,其更适用于长时间陪床监测,具有检测病变组织和监测生理活动的能力,有广泛的应用场景。EIT通过电极阵列施加电压或电流信号,从对应电极采集电压信号,并根据重建算法求解逆问题,获得组织相关信息。本文设计了一套电阻抗成像数据采集系统和相对图像重建算法,主要完成的工作有:设计了电阻抗成像系统的激励电流源,使用直接频率合成芯片生成正弦电压信号,结合电压控制电流源得到频率可调、高输出阻抗的激励电流源。设计搭建了 EIT数据采集电路,包括高通滤波电路、前置两级放大电路、四阶巴特沃斯带通滤波电路、模拟解调电路和低通滤波电路。基于单片机设计了数据采集控制程序,编写了上位机程序进行串口数据传输和图像重建。为避免电极接触阻抗影响成像,在EIT系统电流源的驱动模式和电压测量模式上采用相邻激励、相邻测量法。搭建了圆柱形盐水槽物理模型,对EIT软硬件系统进行了实验,实验结果表明该系统能够识别定位目标物体。搭建了卷积神经网络模型,使用有限元法建立了 EIT数据库,解决了用于机器学习的训练样本少的问题。以物体的位置、形状、数量作为先验信息,对网络模型进行训练和测试。该算法为绝对EIT图像重建算法,无需提前采集背景测量值,实验结果表明本文神经网络模型具有一定的泛化能力和较好的抗干扰能力。

关键词： LLC谐振变换器   参数优化   保护策略   硬件设计  

摘要： 轻量化、绿色化和集成化是当前电力电子变换器技术的重要发展方向,而LLC谐振变换器凭借着结构简单、高功率密度和全负载范围内实现逆变网络开关管的零电压开通和整流网络二极管的零电流关断等特点成为了隔离型开关电源的研究热点。随着宽禁带器件的不断发展,LLC变换器的开关频率也随之提高,但高频下的寄生效应使得变换器的传统等效模型不能真实反映电路参数间的耦合关系,常规的控制策略无法保证变换器的高效可靠。本文针对LLC变换器谐振参数设计的精度差和设计过程不明确等问题,提出了一种多约束条件的LLC变换器优化设计方法。利用基波等效法对LLC谐振变换器的工作模态的剖析以及高频寄生参数对LLC变换器设计的影响分析,得出了更为精确的直流电压增益模型;针对LLC谐振变换器本身过载能力较差的问题,通过分析不同的保护方法,确定了一种多级混合的保护策略,在脉冲频率调制的控制过程中分阶段插入移相调制来提升变换器的过载性能,并利用PSIM软件进行了仿真验证。为了实验验证参数优化和保护策略的理论正确性,本文最后根据工程实际完成了 LLC谐振变换器的器件选型与电路设计,搭建了一台额定功率为20V/5A的实验样机,实验结果表明了多约束条件的优化方法和混合保护策略的可行性。

关键词： ISP   高动态范围   多曝光融合   算法   硬件设计  

摘要： 近几年随着社会生活智能化的深入与计算机视觉技术、硬件基础的提升,使得人们对于视觉信息的要求越来越高,这对ISP(Image Signal Processing,图像信号处理)技术提出了更高的性能要求。其中,高动态范围成像(High Dynamic Range Imaging,HDRI)因为能够获取更高的动态范围来保存现实场景更多细节和层次的属性,在各种ISP新进入的如自动驾驶、辅助驾驶领域要求ISP拥有低照度图像分析能力和夜视能力、多媒体领域要求ISP拥有场景识别能力等领域受到了更高的要求,成为了ISP继续优化的一个方向。 因为显示技术原因,HDR(High Dynamic Range,高动态范围)图像会被映射到低动态范围来显示。因此HDR成像技术最终的结果是输出具有丰富信息的低动态范围图像。而多曝光融合算法用于产生具有丰富信息的低动态范围图像,就结果而言,多曝光融合算法与HDRI同属于实现HDR图像的算法。本文旨在对于ISP中实现HDR图像的算法进行研究,结合现ISP算法需要优化与硬件化的背景,完成软件算法的优化与硬件实现与加速。 首先提出一种基于分块和分层的改进多曝光融合算法。文中详细分析了多曝光融合算法在融合过程中产生的块效应和鬼影问题与影响这些问题的关键因素。基于一定原有算法,针对关键因素的分析,提出基于分块和分层的改进多曝光融合算法,将图像块级的对比度权重与亮度权重分别作为分层的细节层和基础层的权重因子,同时引入基于色彩先验的像素级曝光度因子对细节层权重进行修正,使得信息充足的图像块中曝光良好的像素点拥有较好的保留程度的同时,图像整体亮度能够均匀分布。通过主客观评估方法与几种经典算法做对比实验,实验结果表明该算法在结构一致性和信息熵评估上都能有大部分最佳的结果,证明该算法能够在保留住图像细节信息的同时拥有良好的曝光与亮度分布。 然后为了能够将多曝光融合算法在硬件层次中实现,本文根据硬件设计的思路,对算法进行了层次重构,完成了所需的框架设计以及数据流通设计。根据硬件数据流与存储的特点,将图像块级与像素级运算在时间尺度上分开运算,在保证计算量的同时,减少了中间数据的存储量。对部分复杂计算如指数运算,一方面使用并行流水线设计专门设计相应函数;另一方面做近似算法处理,极大地简化了运算复杂度,提高了硬件运算效率。其中,提出了一种无信息反馈控制的硬件化的改进盒式滤波器,提高了盒式滤波器的运作效率。 在完成了基于软件算法优化的硬件设计之后,对该硬件设计进行了功能仿真、综合与形式验证。结果表明,该硬件设计在100MHz时钟频率可综合的情况下,能够于约8.8ms内完成三帧源图像的输入与一帧融合图像的输出。

关键词： 无损检测   ACFM   硬件设计   ZYNQ   数字相敏检波  

摘要： 交流电磁场检测技术(ACFM)是基于电磁感应原理发展而来的电磁检测新技术。该技术通过将交变电流导入金属工件表面并提取电流经过缺陷时引发的畸变磁场,从而实现对金属工件表面及近表面缺陷的非接触测量及定量分析。国内针对该项技术的研究起步较晚,大多数仪器存在检测范围小、电路冗杂、信号易受干扰等问题。针对上述问题,本文从ACFM检测原理出发,建立相关数学模型,研制了一套基于ZYNQ的ACFM检测系统,以异构多核架构的ZYNQ芯片为核心实现了激励信号产生、检测信号处理以及与上位机通讯等功能,并针对不同金属材料工件上的不同参数缺陷设计试验进行验证分析。论文具体研究内容概括如下:(1)论述了课题研究背景及意义,介绍了ACFM检测的基本原理并分析了缺陷参数与检测信号之间的关系,同时针对ACFM检测构建了数学模型并求解,得出金属工件表面磁场分布情况。(2)针对探头检测范围问题,选用线圈式传感器来提取检测信号,并设计探头封装与接口,提高检测探头的实用性和稳定性;结合BUF634功率放大器、3PD5651数模转换芯片、DDS算法组成激励源模块,实现激励信号可调频、调相、调幅的功能;以AD620仪表放大器、四阶巴特沃斯滤波电路、3PA1030模数转换芯片为核心组成外围信号处理电路,对检测信号进行放大滤波处理并转为数字信号传输至ZYNQ,随后基于ZYNQ的PL端完成数字相敏检波算法,实现对检测信号的自适应滤波,并提取信号的幅值与相位信息;利用AXI DMA IP核实现PS端与PL端的数据交互,并采取串口传输的方式实现PS端与上位机的通讯;设计ACFM上位机系统,实现信息配置、数据显示及数据存储的功能。(3)采用电火花技术分别在304L奥氏体不锈钢板、45#钢板、铝板、对接钢板焊缝等工件上加工不同参数的矩形槽缺陷。针对研制完成的ACFM检测系统对工件进行检测试验,检测结果由上位机界面显示,结果表明系统可成功实现对不同参数缺陷的检出。对试验结果进行研究分析,系统针对深度较小缺陷的检测信号特征变化较小,但针对长度较小以及焊缝的埋藏缺陷保持着良好的检出效果,验证了本课题所研制的检测系统能够满足ACFM检测应用需求。

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： 硬件设计   电磁频谱感知   海上环境   Zynq7020  

摘要： 复杂的海上环境导致了海上电磁频谱检测手段的缺乏,同时也给电磁频谱检测硬件平台的设计带来了挑战。本文面向海上复杂电磁环境,开展了电磁频谱检测硬件平台的设计与研究工作。针对海上电磁频谱检测手段匮乏的问题,结合嵌入式技术的优势,制定了以Zynq7020处理器为检测平台的决策模块、以AD9361射频芯片为核心的射频接收模块、多种海洋环境检测传感器构成感知模块为主体的设计方案。针对海上电磁频谱检测硬件平台需要实现功能多样化以及平台电路复杂度高的问题,对电磁频谱检测的硬件平台进行功能划分,并且分别对各个功能模块的电路进行设计实现。设计硬件检测平台的PCB时,需要解决信号完整性和高速数据传输的问题。通过改善层叠结构、设计拓扑结构和进行阻抗匹配的方式,完成了PCB布局布线。从而实现一种海上复杂环境下可自定义功能的电磁频谱检测硬件平台。最后,完成Zynq7020中的FPGA部分的设计,随后为了测试海上电磁频谱检测节点功能,首先对供电系统进行了测试;然后通过集成逻辑分析仪测试了AD9361转换的IQ信号是否正常;紧接着在此硬件平台上加入Linux操作系统,测试射频接收链路的接收频谱范围和带宽,同时测试硬件平台其它外设的功能是否正常;最后对海上环境数据检测方面进行了测试。实验证明海上电磁频谱检测节点的功能良好,满足预期。

关键词： 扩频通信   码元差分   ZYNQ   TMS320C6678  

摘要： 远距离、低信噪比水声通信等主要依靠水声扩频通信技术。扩频技术有诸多优点:抗干扰能力强、安全性高、带宽利用率高、较好地抗衰落能力等,因此在军事和民用无线通信中得到广泛应用。本文将结合扩频通信技术设计一套可应用于水下无人平台的水声通信机。本文首先对水声扩频通信技术进行了研究。扩码良好的自相关特性使得直扩系统具有一定的抗多径能力,但直扩系统的抗多普勒能力较差。针对多普勒效应导致的载波相位跳变问题,对差分扩频系统进行了研究,在差分相关检测器的基础上提出了一种基于正交解调的码元差分相关器。在对多普勒因子的估计中,介绍了模糊函数估计法和基于LFM信号的多普勒估计法,并通过仿真对两种方法进行了对比。其次,根据通信机的应用场景,给出了水声扩频通信机的整体设计方案,重点对A/D、D/A电路、信号调理电路、压力采集和同步模块、供电模块进行了详细设计。根据水声通信机的实际需求,选取ZYNQ7020作为核心控制单元的主控板卡,选用八核TMS320C6678芯片作为核心处理器。然后,在ZYNQ7020和DSP C6678平台上对系统的软件进行了设计。FPGA端主要实现对信号的采集和发射功能,ARM端实现了采集数据的打包传输以及上位机指令的接收发送功能,DSP端则主要实现了同步信号的检测、多普勒估计以及信息码的解码等功能。最后,对水声扩频通信机进行了测试及验证工作:在实验室环境下,对信号调理电路的参数指标、A/D、D/A的采集和发射功能、ZYNQ平台的网络传输、指令收发功能以及DSP解码功能进行了测试。最后进行了湖试验证,所设计的水声扩频通信机各模块稳定可靠,能够实现较远距离的低误码率通信。

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： MIMO雷达   软件无线电   信号处理射频系统   硬件设计   软件设计  

摘要： 随着科学技术的发展和电磁环境日益提高的需求,雷达在军用和民用领域的重要性不言而喻。雷达系统的技术在不断推陈出新,新体制雷达就是为提高雷达的生存能力和抗干扰能力,改善其检测性能而生的。其中,MIMO雷达基于空间分集技术,具有更强的多目标分辨能力和检测能力等优势,是当下雷达领域研究的热点。然而传统的雷达数字系统存在硬件难以升级、制作周期长、功能单一等设计局限,不利于发挥MIMO雷达的性能,而信号处理射频系统是MIMO雷达系统中决定其性能的关键部分。因此本文从这两点出发,基于软件无线电的可扩展性和灵活性等特点,提出了将软件无线电思想应用于MIMO雷达领域的方案,对软件无线电的关键技术和MIMO雷达信号处理算法进行剖析,通过软硬件协同完成MIMO雷达信号处理射频系统设计,实现了雷达参数的可重配置和收发通路的可重构化。本文的主要研究内容如下: 首先,本文从系统要求及功能出发,分析了软件无线电的技术和组成部分,对比了三种常用平台、体系结构和处理器,重点引出软件无线电与雷达系统的射频前端的相似性,阐明了所使用的集成一体化的宽带零中频带通采样结构和ARM+FPGA+DSP的联合处理器架构。再以单基地集中式MIMO雷达为模型介绍基本原理,研究并设计了OFDM-LFM的模拟回波,为系统奠定理论基础。 然后,根据设计目标实现系统的硬件设计。确定核心器件AD9361、Zynq和TMS3206678,并基于硬件设计的原则进行总体设计。接着设计各模块的原理图,包括AD9361的收发通路设计;以Zynq为核心的主控模块的LVDS和SPI接口设计;以SRIO为核心的FPGA与DSP通信模块设计;满足同步要求的时钟模块设计;为系统所有器件提供工作电平的电源模块设计;能够连接多种外设的预留接口设计。最终完成了轻小型MIMO雷达信号处理射频系统的实物,其具有较强的可扩展性和实用性。 随后,基于前文的理论基础和硬件系统,完成系统的软件设计。详述了软件无线电平台的总体结构设计,给出了信号处理的相关时序和逻辑设计,分析了MIMO回波进行信号处理的算法并仿真,其中对比了脉冲综合不同处理方法和运算量,验证了本文算法的合理性。并研究了AD9361重要寄存器的配置和数字基带同步实现的方法,重点论述了基于Vivado平台对FPGA进行Verilog语言编程实现四路OFDM-LFM信号产生、DBF、脉冲综合的方法;使用SRIO接口通信在FPGA端和DSP端分别设计的方法;基于CCS平台对DSP进行C语言编程实现MTD、CFAR、目标参数解算的方法。其中对单脉冲比幅测角进行改进,对多波束多点迹的信息通过相邻波束依次比较得到鉴角曲线。 最后通过实验测试,得到了目标的距离、速度、角度等信息。由回环测试证明了收发通路的可行性。由系统的信号处理算法结果与MATLAB仿真结果对比,极小的误差数量级验证了算法和软件设计的合理性和正确性,并且本系统的运行时间达到毫秒级,具备高速实时性,有较强的工程实用意义。

关键词： 多核异构   结构光   硬件设计   测量  

摘要： 结构光三维测量技术以其精度高和非接触测量等优点,在各个领域得到了广泛的应用。然而,现有的结构光三维测量系统主要基于通用PC平台,由于部署灵活性不足和便携性差等缺点,其在许多领域的应用受到限制。本文旨在提高结构光三维测量系统的灵活性、便携性和高速性,并据此提出了一种多核异构的结构光三维测量系统。本文研究工作包括以下4个方面:(1)针对高效性、集成性、通用性和灵活性的要求,设计了一种由三个异构核心,即CPU(Linux)、CPU(Bare Metal)和FPGA,组成的结构光三维测量系统架构。该多核异构架构层次清晰、结构灵活、通用性强,且可兼容多种通用接口的光学器件。同时,通过合理的多核间数据通信设计,克服了多核间数据通信的瓶颈问题。(2)完成了包括电源模块、HDMI接口模块和SD卡模块在内的结构光三维测量系统外围硬件系统的设计,并完成了印刷电路板的设计、布线、焊接和测试。(3)完成了两种异构CPU的任务设计,实现了两种CPU间的协调同步运行。结合多种优化方法,充分发挥了FPGA并行流水计算的优势,实现了相位解调、解包裹和三角测量全流程的结构光算法硬件加速。此外,还对光学系统标定算法进行了研究,在利用局部单应性矩阵标定投影仪的基础上,设计并实现了结构光系统的离线标定。(4)在以上工作的基础上,进一步对所设计的多核异构结构光系统进行了相关的实验研究。实验结果表明,该系统可以对复杂物体的表面进行测量,在精度与PC双精度测量相当的情况下,该系统的处理时间是PC的1/11,绝对测量精度可达到0.1948mm。