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关键词： 后量子密码   格密码   Streamlined NTRU Prime   硬件设计  

摘要： 近些年来,量子技术研究取得了突破性的进展,这意味着在不久的将来,量子计算会被应用到各个领域。然而量子计算的发展会对传统的密码体制带来前所未有的冲击,因此亟需开展后量子密码(Post-Quantum Cryptography)算法研究,从而保证后量子时代信息的安全。现有的后量子密码算法中,基于格的密码算法占据着主流地位,因格密码算法具有结构简单、安全性高等特点,格基后量子密码算法已经成为密码学界的研究重点。SNTRUP(Streamlined NTRU Prime)是一种格基后量子密码算法,本文在详细分析该算法原理的基础上,提出了一种低资源消耗的硬件实现方案,此方案能够快速的执行SNTRUP算法。 首先对SNTRUP算法的实现原理及工作流程进行研究分析,确定了该硬件设计的总体方案,并对核心模块进行了优化设计以降低资源占用。针对算法中资源消耗最多的多项式乘法运算单元,开展了多项式乘法算法研究,并提出了一种基于三层Karatsuba算法与Schoolbook算法的乘法器设计方案,该乘法器利用三层Karatsuba算法将两个较为复杂的多项式的乘法运算转化为多个更小粒度的多项式乘法运算,通过降低乘法运算的次数,达到提高计算效率的目的。针对SHA-512模块、编码和解码模块、Short多项式生成模块等,均进行了精简化的架构设计,从而降低系统资源开销。最后完成密钥生成、封装、解封装顶层模块硬件架构设计,顶层模块以SNTRUP内层算法模块为核心,在其外围配置其他核心模块与电路,从而实现SNTRUP算法的全部功能。 在Vivado 2020.2中进行硬件设计的功能仿真与实现,从仿真结果可以看出,该设计能够正确的完成SNTRUP算法密钥生成、封装和解封装操作。Vivado给出的时序报告显示本设计最高工作频率为169MHz。从资源使用报告可知,当参数集为sntrup761时,该设计共消耗17766个LUT、1387个LUTRAM、7198个FF及19个DSP。与国际上最新的相关成果对比,本文所提出的硬件设计在性能、资源消耗方面具有一定的优势,适用于资源敏感且对速度有较高要求的边缘计算场景。

关键词： 热电偶温度采集   冷端补偿   多通道   信号调理   电压测量  

摘要： 热电偶传感器是一种基于热电效应实现温度测量的传感器,其测量原理为将热电效应电势差和冷端补偿两部分合成得到被测温度值。该传感器常用在发动机检测、冶金、生物和农业等行业,在这些应用中通常存在着多测温点、宽测温范围和多种热电偶类型使用的情况,基于这些场景,热电偶采集系统应运而生,大大提高了用户测量的便利性。随着技术的发展和国际形势的变化,对国内热电偶采集系统的研究提出了多通道、高精度、高分辨率、快速测量和支持多种热电偶类型的要求。因此本文以高精度和多通道为核心,就高精度热电偶采集系统的硬件设计和实现开展了研究,并且提出一种实现高精度热电偶采集的硬件系统,其具备48个通道,测温范围覆盖-200～1820℃,温度准确度最高达±0.25℃。主要研究和创新内容如下:1、高精度信号调理和采集设计。首先根据不同电压档位和温度测量的精度要求,利用继电器和模拟开关组合的方式,设计程控增益电路;设计信号输入端的低通滤波器以及可编程滤波器以提高信噪比;设计多路复用电路和采集电路分组形式。2、冷端补偿设计和优化。热电偶采集的误差除了电势差测量的误差之外,还包括冷端温度的误差。通常的热电偶采集仪器冷端补偿结构非常简单,仅通过温度传感器和热电偶插座冷端电极接触的方式连接,该方式存在冷端温度响应时间较长的问题,并且容易受到外界干扰。为此,本文设计了专用的冷端补偿结构,自主设计热电偶插座和等温块,提高导热速率和热容,减小对外界干扰的敏感度和提高冷端温度响应速度。3、多通道切换控制设计。在多通道分时复用电路中,因为所选模拟开关通道数不足,所以采用了多片拼合方式,但这种方式在两片模拟开关之间切换时会带来信号干扰问题,为了解决这一问题,提出了一种片间切换的控制方法。最终,搭建测试平台,通过系统的测试验证,温度测量和电压测量的精度和范围以及各项功能均满足预期目标。

关键词： 噪声主动控制   数字信号处理器   硬件设计   FxLMS算法   噪声控制实验  

摘要： 汽车行业快速发展引起了消费者对汽车舒适性的要求日益提高,而车内噪声是影响驾乘人员感受和整车舒适性的重要因素之一。因此,车企厂商一直致力于研究汽车车内噪声控制。传统无源噪声控制技术在车内低频噪声控制方面存在局限性,因此有源噪声控制技术因其体积小、低频噪声控制效果卓越等优势成为研究的热点。目前国内汽车噪声主动控制大多停留在仿真实验阶段,极少真正用于实车使用,因此本设计针对这一问题设计一款用于实车的多频噪声主动控制器。说明汽车噪声主动控制研究方法,分析主动降噪声学原理;并提出控制器整体设计要求以及对部分声电器件的性能参数要求,以确保控制器性能稳定可靠。噪声控制器硬件部分以TI高性能DSP(Digital Signal Processor)芯片TMS320F28335为核心。该控制器硬件电路主要包括控制器电源供电电路、信号放大电路、滤波电路、AD/DA(模数/数模)转换电路、功率放大电路以及DSP芯片外扩存储电路等,阐述了各部分功能模块硬件电路的选型、工作原理以及设计思路等问题;并对部分放大、滤波电路进行仿真分析;完成各个部分电路的电路原理图、PCB(印制电路板)图设计与绘制并进行电路板焊接制作与调试,以确保硬件系统的功能完整可靠。软件方面选用噪声控制领域经典的FxLMS算法及多通道FxLMS算法进行算法推导与性能分析,进行算法仿真,并研究了算法步长对于系统收敛速度影响,对次级通道特性以及次级通路建模进行了介绍分析。通过CCS(Code Composer Studio)软件进行代码编写与调试,对DSP芯片进行功能配置,将FxLMS算法转换为C语言程序,烧录进DSP芯片中,对下一步实验分析做好准备。车内噪声主动控制系统的实验验证,在车内分别完成单频噪声主动控制降噪实验和实车匀速行驶状态下的多频噪声主动控制实验。并对汽车车内噪声信号进行分析,说明汽车车内噪声主要频段为低频段,解释本次设计的控制器的针对低频噪声范围的合理性;最终实验结果表明,在单频噪声控制实验时最高有11.48d B的降噪效果;在实车多频噪声控制实验时,最高有4.4d B降噪效果。表明噪声控制效果良好,验证了本文中所设计的噪声控制器的有效性。

关键词： 荧光检测   实时PCR   共聚焦光路   硬件电路设计  

摘要： 核酸检测广泛应用于临床诊断、生物分析、环境监测等领域,对疾病诊断和基础研究具有重要意义。随着新冠肺炎疫情的爆发,对样本快速、高通量检测的需求急剧增加。与传统核酸检测方法相比,自动化核酸检测系统具有低成本、节省时间和便携等优点。本课题组为突破传统核酸检测技术的局限,研制了一种基于实时PCR(Polymerase chain reaction)的便携式核酸检测系统,用于传染病病原体的即时检测。该系统包含一体化的核酸检测卡盒和用于驱动卡盒的便携式检测装置,可以实现“样本入,结果出”的全自动检测。为了保证系统的紧凑,在有限的空间内集成了光学、温度和运动控制模块,用于核酸的提取、纯化、扩增和检测。其中荧光模块是最重要的模块之一,因为它的性能直接影响检测结果的精确度和灵敏度。 基于以上背景,为便携式核酸系统设计了一种高集成度和高灵敏度的一体式双通道荧光模块,其硬件主要由几何光路和控制电路组成。其中光路结构基于共聚焦原理,将两组不同波长的激发-发射光路耦合在一起,所有的光学元件可以放置在三维打印的框架盒体之中,与电路板焊接之后成为光电一体的荧光模块,提高了模块的集成度。硬件电路包括微控制器外围电路、光源驱动和光电信号处理电路。其中对于激发光源,采用电流-光强双反馈的发光二极管(Light emitting diode,LED)驱动电路,从而提高激发光源的稳定性。对于光电信号,采用光电二极管前置放大电路以及相应的滤波电路采集微弱的荧光信号并提高信噪比。所有光学和电子元件都集成在一个55 mm×45 mm×15mm的金属盒中,从而屏蔽环境中的电磁干扰。为了适应各种荧光染料或探针的激发和发射,一共组装了两个不同的模块:模块1#:470 nm/525 nm,570 nm/630 nm;模块2#:520 nm/570 nm,630 nm/690 nm。 电路测试结果表明,激发光源光强可达427μW,5 s内波动±0.07%,10 min内波动±0.11%。使用荧光素钠溶液测试470 nm激发光通道的检测灵敏度,检测限为0.077n M。最后,将这两个模块集成到课题组自研的便携式系统中进行乙肝病毒浓度梯度检测和新冠假病毒不同基因靶点的多重检测。本文设计的荧光模块可以完成实时PCR检测并具有良好的检测性能。

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： 数控机床   刀具状态监测   软件开发   硬件设计  

摘要： 数控机床是制造业的不可或缺的加工装备，其关键部件——刀具的磨损状态直接影响机床加工质量，同时带来安全隐患。在趋向于数字化和信息化的今天，运用实时数据对机床刀具进行精准状态监测甚至剩余寿命预测具有极其重要的意义。受硬件支持和整体架构的制约，现有的状态监测系统往往难以兼顾监测精准性和实时性。且无法做到数据共享和远程监控。为解决上述问题，本文提出一套基于边云协同的机床刀具状态监测软硬件系统，并提出与之适配的低算力刀具状态监测方法和用于剩余寿命预测的联邦学习框架。具体内容如下：　　1．提出了一种低计算成本数控机床刀具实时状态监测方法，该方法运行于系统边缘端。基于振动信号与电流信号，提取刀具时域、频域的共计79项特征。根据相关性系数择优选取特征后，结合刀具历史数据，使用余弦相似度多通道加权构建健康指标，以反映刀具退化状态。使用阈值法分别解决实际工况下的有效性判定问题和断刀监测问题以解决不同环境下的实际工程问题。　　2．为解决数据黑箱交互和边缘端算力不足的问题，本文提出了一种联邦学习寿命预测框架，该方法适用于边云协同整体架构。该方法包含客户端与服务器之间的两次加密上传-下载过程，通讯交互浅层编码器和低级特征，用较少的通讯资源完成数据聚合。该方法隐匿结合多客户端知识，保证框架的泛用性。针对各方数据可靠性不同的问题，训练时参考各方信息权重，避免低质量数据的影响。　　3．基于边-云协同整体框架，通过硬件选型、制定通讯协议、IO拓展板电路设计、软件开发等工作，设计开发刀具状态监测软硬件系统。该系统为上述算法提供系统支持。其中，边缘端软件能够以较低的硬件成本换取算力，完成数据采集、数据分析、数据存储、故障报警、云端通信等多项功能。云端软件系统能够获取各边缘端的数据，运用深度学习等计算能力需求高的算法，换取更高的计算精度。同时，远程运维人员能够通过云端软件系统全局查看设备的运行情况，辅助现场运维。

关键词： 告警避碰一体声纳   硬件设计   软件开发   现场可编程门阵列  

摘要： 21世纪，越来越多的国家参与到海洋探索、海洋资源开发利用这一潮流中。与此同时，与海洋领土争端相关的事件频频发生，告警避碰一体声纳的市场需求与日俱增。本论文以告警避碰声纳应用为研究背景，根据功能和需求，开展告警避碰一体声纳的硬件电路设计以及控制逻辑开发与实现工作。　　本论文首先对告警避碰一体声纳的国内外发展现状进行了介绍，给出了系统的主要技术指标，完成了各电路板在声纳电路舱内的结构设计，并且完成了各电路板的方案设计。　　其次，分别根据不同电路板的技术指标，结合方案设计，进行芯片选型，最终完成电源转换、发射机、接收机及系统控制与信号处理平台的原理图设计，并分别完成发射机及电源、前置放大板、接收机、系统控制与信号处理平台的PCB绘制。　　再次，开发FPGA控制逻辑并调试，主要实现的功能有:系统同步及复位、A/D采集控制逻辑、D/A增益控制逻辑设计、串口命令收发及命令解算、PS与PL端EMC参数互传、FDMA数据上传等功能。　　然后，对PS端应用层软件进行开发，包括系统初始化、中断服务程序、四个功能线程（网络监控线程、数据接收线程、数据上传线程、调试信息线程）的开发与实现。　　最后，对各电路板进行调试，完成电源板电源转换功能调试;完成发射机功能调试;完成接收机测试与调试，调整其输出信号的相位幅度一致性至指标要求;完成系统控制与信号处理平台调试，确保FPGA逻辑的可行性。完成实验室联调，评估系统的稳定与可靠性。

关键词： YOLOv5s   深度学习   嵌入式系统   RISC-V   硬件设计  

摘要： 基于边缘智能的目标追踪系统是将人脸检测、人脸识别等技术在边缘设备上完成,使用户可以在边缘端高效筛选出目标人物的活动轨迹,这对边缘设备的性能提出更高的要求。深度学习算法由于其突出的分类能力,成为人脸检测、识别的首选方法。如何将卷积神经网络部署在边缘设备上,成为目标追踪系统的研究重点。本文对该问题进行了研究,主要工作如下:1)针对卷积神经网络的运算量过于庞大、难以在嵌入式设备上部署的问题,本文提出一种轻量级人脸检测算法。该算法以YOLOv5s为基准模型,使用轻量级网络Mobile Net替换其主干网络,并引入了注意力机制CBAM和模型剪枝方案。对所提改进算法的性能测试表明该算法在维持较高准确率的前提下大大减小模型体积,实现了轻量化的人脸检测。2)针对多节点的高并发数据传输需求,本文移植了基于RISC-V架构的Sparrow RV处理器核、总线系统和中断系统。该处理器使用了RV32I基础整数指令集、M和Zicsr扩展,使用ICB总线协议和PLIC平台级中断控制器,具有两级流水线,经Coremark跑分测试,本设计功耗低,性能足够满足应用场景需求。3)设计目标追踪系统,硬件系统分为主控节点和监测节点,主控节点由微处理器模块、通信模块等组成,负责汇聚并处理数据;监测节点由微处理器模块、通信模块、视频采集模块等组成,负责视频采集、存储和无线传输等功能,并具有人脸检测的功能。通过对采集到的信息进行有选择的保留,减少了无意义的信息。测试结果表明,本文设计的目标追踪系统工作可靠,基本满足了实际应用的需求。

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： 卷积编码   Viterbi译码算法   扩展指令   可配置Viterbi译码  

摘要： 数字通信利用数字化信号作为载体传输信息,得益于抗干扰能力强、差错可控和易加密的优点,成为生活中常见的一种通信方式。在通信过程中,易受到外界噪声的干扰,导致系统的误码率增加。Viterbi译码算法是基于卷积编码网格图的最大似然译码,因其优良的纠错性能被广泛应用于各种数字通信系统中。在数字通信中,不同通信标准采用不同的编码方式,单一标准的Viterbi译码已经不适用于高速发展的通信领域,可配置的译码成为工程领域的热点。本文基于卷积编码和Viterbi译码算法的原理,通过扩展指令和专用集成电路实现了Viterbi译码算法,主要工作包括: 1.基于数字信号处理芯片设计了一套Viterbi译码指令。通过对Viterbi译码算法的研究,根据译码过程中存在大量重复运算操作的特点,设计了分支度量计算指令、路径度量计算指令、蝶形运算指令和回溯指令来实现Viterbi译码算法,设计8个ADDSUB部件来实现分支度量计算指令和路径度量计算指令,提高了硬件资源的复用率。 2.通过专用集成电路设计了可配置的Viterbi译码器。针对高速多标准通信系统,设计了可配置的Viterbi译码器,可支持码率1/2、1/3、1/4,约束长度3-9,任意约束多项式下的通信标准。在传统译码器的基础上进行优化,通过增加标准化单元来实现参数的动态配置;采用矢量差的“1-范数”代替欧几里得距离来计算分支度量值,有效减少了硬件资源的消耗;为实现多标准的译码,在加比选单元增加了数据选择器,回溯单元采用了滑窗回溯译码。 3.完成了可配置Viterbi译码器的功能验证和误码率分析。在完成Viterbi译码器的硬件设计后,通过仿真软件对子模块和整体进行仿真,验证了译码器设计的正确性。采用MTALAB建立数字通信系统仿真模型,通过控制变量法对Viterbi译码器的纠错性能进行评估。当通信系统的信噪比为4d B时,系统的误码率最低可达10-6以下。 4.完成了译码器的逻辑综合与物理设计。基于55nm工艺对设计进行逻辑综合,通过分析综合报告对设计进行优化,物理设计后的频率可达310MHz。