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关键词： 远程实验   硬件设计   FPGA   数字实验   模拟实验  

摘要： 随着网络技术的发展及其在各领域的运用,特别是在教育领域的应用,远程实验技术逐渐成为了热点问题。它与传统的实验室相比有着截然的不同,它基于网络技术,同时运用多媒体技术及嵌入式技术,使得用户可以不在实验室现场而完成基本的实验,用户可以根据自己的时间与学习情况,进行实验。 论文首先介绍了远程实验室技术国内外的发展情况及本课题的研究背景,同时对相关技术进行了简单介绍,在此基础上研究并实现了远程实验室的硬件平台设计,本文中远程实验支持远程CPLD数字实验与远程运算放大器模拟实验的设计。远程CPLD实验提供远程的下载功能,从而根据用户需求来完成实验;远程运算放大器实验是通过远程控制放大器的反馈回路,来达到改变放大器的放大倍数,进行用户所需要的放大实验。在论文最后,对系统硬件电路进行了功能测试。经过测试,证明该系统符合远程实验的要求。 本论文致力于研究一种标准的远程实验硬件平台,主要是通过提供标准的接口,用户可以根据不同的实验需求而对不同的实验板进行开发,本文中研究的数字实验板和模拟实验板均为可插拔、可更换,这样能最大限度的提高系统的适用范围,系统硬件升级时,只需更换不同的实验板即可。 通过远程实验平台的开发,可以节省传统实验室的资源,同时可以提高实验室的利用效率,同时,也便于统一管理。

关键词： FPGA原型   eASIC   原理图设计   配置电路  

摘要： 近些年互联网呈现出爆炸式的发展，彻底的改变了人们的生活方式，人们不断的提出新的网络需求，以适应网络带来的变化。应对这种需求，网络设备的核心——网络处理器的设计变得尤为重要。现代设计人员往往采用MPSoC（多核片上系统）结构，在节约成本的同时，大大提高网络处理器性能。 XDNP网络处理器也采用了MPSoC结构，除了内核控制单元，还集成了6个数据包处理器PPE以及SRAM、SDRAM和FBI（快速总线接口）等功能单元。本文首先搭建了XDNP硬件测试平台，并通过此平台，完成了XDNP的系统测试。 XDNP硬件测试平台由上层测试板和下层DEMO板构成。测试板主要集成了包处理引擎专用芯片eASIC PPE芯片和Xilinx Virtex-4芯片，用于XDNP硬件原型的实现;DEMO板集成了存储器芯片以及外围接口，用于实现网络通信。本文的研究对象是上层测试板的设计，从芯片选型、接口电路以及原理图设计等方面做了全面的阐述。其中，重点讨论了芯片配置电路、电源模块和时钟单元的设计，并对PCB板进行了详细的检测与调试，确保测试板和核心芯片可以正常工作。 本文将XDNP系统测试划分为2个阶段，首先通过相关指令验证完成eASICPPE的芯片测试;其次，通过将8个慢口通信的微代码下载到XDNP中，并运行74Bytes ping包在8个慢口之间处理路由、转发数据，完成XDNP系统功能测试。测试结果表明，eASIC PPE芯片和XDNP均能正常完成规定的功能。最后，通过XDNP系统测试平台，本文对ping、UDP、FTP等TCP/IP协议进行了测试，测试结果表明XDNP系统可以完成网络数据包的转发，达到所规定的系统功能。

关键词： 六自由度平台   结构参数   硬件设计   软件设计  

摘要： 六自由度平台作为一种并联机器人,以其刚度重量比大、响应速度快、承载能力强及定位精度高等优势在驾驶模拟器、并联机床及动感电影等领域得到了广泛应用。六自由度平台运动范围的精确可控性,使其应用到大型零部件的工装上成为可能,而作为工装工具能否满足使用要求主要是由六自由度平台的控制方式决定的,因此研究六自由度工装设备的控制系统意义重大。 本文以六自由度平台为基础,设计基于位置模式的控制系统,主要针对六自由度平台的结构参数和控制系统软硬件进行研究,以改变大型零部件装配过程中存在的装配精度低、装配质量差、安全性能差等问题。 首先,对六自由度工装设备的主要结构参数进行优化。针对工装设备的控制点在被装配工件边缘的问题,采用变换矩阵法,建立控制点与系统综合质心的运动关系,并对六自由度平台的运动学及动力学理论进行了重新推导,得出了系统的最大速度、最大加速度、最大静态力以及最大动态力等信息,根据这些信息对系统结构参数进行了优化选择。 其次,对控制系统软硬件进行设计。在硬件设计部分,根据系统工作电压和工作时序,设计了强电电路;根据系统要完成的功能,设计了弱电电路。在软件设计部分,采用Visual C++编程语言,开发了系统人机界面和主要功能模块。 最后,进行运动学理论仿真及控制系统实验。在仿真部分,采用MATLAB的simulink模块对前面推导出的运动学理论进行了仿真验证。在实验部分,通过系统基本功能和动静态特性实验,证明了控制系统的静态精度、动态响应特性和稳态响应特性都满足使用要求,说明该工装设备对同类型大型工装设备的设计具有借鉴意义。

关键词： 野外形变监测站   形变监测终端   风光一体化电源系统   成本优化   硬件设计  

摘要： 本文以野外形变监测系统研发为项目背景,结合GPS定位技术、嵌入式技术、传感器技术和风光一体化发电技术的发展现状,设计实现了一种可用于山体滑坡、泥石流等监测预警的多用途野外形变监测站。该野外监测站的核心部分是野外形变监测终端和风光一体化电源系统。其中,终端可实现GPS接收机、温度监测预警和多种通信方式的功能,能实时向后台中心服务器输送监测点采集到的原始GPS数据。监测站电源系统即风光一体化电源系统为小型离网式结构的风光综合性发电装置,可实现风能和光能的互补综合利用,并可完成对整个野外监测站的智能化供电和电源系统本身的过充和过放有效保护。考虑到野外监测站的外部环境复杂,各个外设对处理器性能要求的差异性,各地区的通讯信号强度的强弱及各个地区风能、太阳能储量的不同,对野外站的野外监测终端及其供电系统的智能化和差异化设计就显得尤为重要。首先本文通过对监测终端的处理器合理升级,结合当前已成熟的传感器和无线数据通讯技术,设计出性能更高的硬件终端,提高了野外形变监测站的数据处理速度和预警能力。其次本文通过对当地的风能和太阳能储量进行调研分析,结合野外监测站的功耗,计算需要的发电数量并以以此为依据建立监测站电源系统寿命期内成本模型,采用美国可再生能源实验室的HOMER软件模型对监测站电源系统成本模型优化求解,寻求监测站电源系统最小成本和系统最优发电匹配方案,由HOMER软件的辅助分析,综合得到合适的参数进而设计出相匹配的发电和储能系统。

关键词： 胰岛素泵   硬件设计   低功耗  

摘要： 胰岛素泵是一个由电池提供能量的微型电子产品，是糖尿病治疗中的一种安全有效的选择。它可以实现全天24小时不同速度的胰岛素输注，完全模拟人体胰腺的工作，并按人体的需要将一个或几段微小剂量的胰岛素不分昼夜的连续输注。总的来说，胰岛素泵更加符合生理状态、灵活、可靠、安全、方便，血糖控制平稳，已经赢得了越来越多患者和医生的青睐。 在对胰岛素泵的工作原理、输注方式、功能特点以及参数指标研究的基础上，本文构建了硬件模块化的结构设计方案，共有9大模块，包括：中央处理模块、电源模块、电机驱动模块、检测模块、时钟模块、外部存储器模块、报警模块、显示模块和键控模块。其中，中央处理模块是该产品的控制核心。在此基础上，逐一的对各个模块进行研究、设计，从器件的具体选型到电路的具体连接，从而完成各个模块的设计，最终完成胰岛素泵电路的设计。 胰岛素泵需要实现的是精确稳定的输注，这就必然要控制好电机的转速。但由于胰岛素泵电机的工作方式是断续周期工作的，并且每次转动的“行程”非常小，所以单纯的控制电机的转速是远远不够的，这里我们需要实现的是电机转角的精确控制。本文通过PIC单片机和电机驱动来控制直流电机，采用PWM调速方式，运用合适的控制算法，最终控制好电机的旋转角度，进而可以控制胰岛泵的输注精度。 低功耗的设计已经是衡量一个电子产品性能好坏的重要标准之一。本文对胰岛素泵的硬件进行了低功耗设计，并通过实验，提出了一种低功耗策略—双机休眠策略，最终实现低功耗的目的，同时就电磁兼容性的问题做了几点考虑。

关键词： 图形处理器   硬件设计   存储管理系统  

摘要： 随着半导体技术的不断发展,频率墙、功耗墙以及存储墙问题不断涌现,单核处理器对于大规模数据并行计算领域已显得力不从心,图形处理器(Graphic Processing Unit, GPU)从协处理器的角色逐渐转变为一种专门用于处理图形数据的超大规模系统芯片。对于大规模并行计算,GPU拥有CPU望尘莫及的处理速度,主要得益于其拥有大量计算单元与高速的存储带宽。因此图形图像数据的存取带宽直接决定着整个图形处理器的性能。 通过对传统GPU结构以及存储管理系统进行详细研究与分析,本文用硬件设计方法实现了异构多核图形处理器(Heterogeneous Multi-core Graphic Processor Unit,HMGPU)存储管理系统,用以满足自主设计的HMGPU在进行实时并行渲染过程中的存取访问需求。 本文首先对HMGPU的编程模型OpenGL1.3标准进行分析,得出需要存储于HMGPU存储系统中的数据有：纹理图像、固定加载程序、缓冲区对象数据和显示列表等数据,其中纹理图像与固定加载程序具有比较连续的规整性,而缓冲区对象与显示列表数据随应用程序变化而变化,为了能够同时兼顾存储空间利用率与存储管理系统设计的简单性,将存储区划分成固定分区与分页式分区两大部分,分别对大片连续数据与小片非连续数据进行管理;与此同时,根据HMGPU流水线部件对每一类数据的具体操作方式,得出存储管理系统的外部接口,设计GPU存储管理系统。本存储管理系统采用HDL语言进行硬件电路描述与仿真,并使用System Verilog语言搭建存储管理系统仿真平台,自动地比较仿真结果,提高了仿真效率,节省了仿真时间。最后,将本存储系统应用于HMGPU中,并在Xilinx DNV62PCIE FPGA开发板上进行验证。实验结果表明,该存储管理系统功能正确,能实时响应HMGPU的存储访问,满足图形渲染过程中存取图形数据的要求。

关键词： 自动落纱系统   MCF5235   CAN总线   电路设计   阻抗匹配  

摘要： 随着纺织产品对纺纱设备性能要求的不断提高,全自动落纱系统的应用也变的越来越广泛。目前国外在纺纱的生产流水线上已经逐步实现了无人化或只需投入较少的劳动力,但国内大多数中小企业仍采用半自动落纱方式,存在着维护成本高、更换纺纱品种过程繁琐、调速精度低、自动化程度低等缺点,其用工多、劳动强度大的问题日渐突出。 全自动落纱系统是集计算机、传感器、测试与信号处理、自动控制以及光机电一体化等技术于一身的高科技机械设备。自动落纱系统的主要功能是巡检定位、自动换筒、自动落纱。 论文在分析参考了国内外自动落纱系统结构与功能的基础上,设计了一种在机构与工作方式上进行了改进的自动落纱系统。通过对新系统的功能和工作原理的介绍,提出了相对应的控制方案。根据控制方案的内容,划分了不同的硬件模块、明确了各类控制对象的功能以及控制方式。论文还对系统中所有的输入输出信号做了归类总结,明确了每类信号应用的场合以及调制的方式。 本次自动落纱系统的设计分别选取MCF5235和Vxworks为主控CPU和实时操作系统,采用CAN总线与RS485相结合的通讯方式,选取了大容量的存储区设计方法,以保证系统大量数据传输的需求,并以上述内容为基础进行整个硬件电路的设计。论文详细介绍了整个硬件系统设计中所有模块的设计方法,并对需要时序控制的部分模块进行了控制分析。 论文通过对自动落纱系统的工作环境以及对信号种类与参数的分析、对PCB板抗干扰以及电磁兼容技术的研究,并结合当前市场上PCB板的加工工艺方法与常用的制作材料性能,依次完成了PCB板层设计的参数选择设计、PCB传输线长度的设计、PCB板的整体布局的设计。针对PCB板中出现的干扰现象,论文利用Cadence软件的信号仿真功能对PCB板的拓扑结构进行了优化从而提高了信号的完整性;提出了各种高速信号处理的方法以及合理利用去耦电容器减少电磁干扰的方法。以上述约束条件为基础最后确定了完整PCB的设计方法,保证了PCB板良好的信号完整性。

关键词： 电力线载波通信   多路复接器   调制解调器V.34协议   以太网  

摘要： 电力线载波通信作为电力系统特有而不可或缺的通信手段,是电力系统经济调度和稳定可靠运行的保证。随着电力系统对通信质量的要求不断提高和其他通信技术的竞争,传统的模拟设备已无法满足实际需要。高性能DSP、FPGA以及高速ADC、DAC器件的应用,使数字化电力线载波机已基本替代了传统的模拟设备;而语音压缩、时分复用、多维编码及多电平调制等数字技术的应用,更使通信系统在不增加带宽的限制下,可实现多路语音和远动数据传输,大大提高了频带利用率。 本文在已实现的数字化SSB电力线载波机的基础上,通过对数字复分接、本地数字交换、以太网技术、V.34协议等关键技术的研究、设计并实现了一种以FPGA为处理器的多路复接器,并对其主要单元电路,如复分接部分、模拟远动Modem和V.34Modem也进行了了软硬件实现和调试,从而完成了一种多路电力线载波通信系统的硬件设计。 本文设计的多路电力线载波通信系统主要用于在电力线上传输语音、数据;本设计在现有同类产品的基础上增加了网络传输、高速线路传输接口、本地数字交换等功能,更能适应现代电力通信的需要。最终可实现多路语音或远动传输,总传输速率达33.6kbit/s。通过过实际工程中的系统性能测试,本系统各项功能都比较稳定,达到设计的指标要求。

关键词： DDS   FPGA   AD9739   AD9783   USB2.0   USB3.0  

摘要： 雷达在军事上可以用来侦察、制导和防御，在生活中可以用来预测天气、探测资源和勘察地质，它不可或缺，无法替代。看的更远、看的更清始终是雷达发展的目标，所以大带宽、高功率的发射信号一直是雷达研究中的热点。雷达信号源作为雷达系统的核心，决定着雷达发射信号的带宽，它性能的好坏影响着雷达指标的实现，甚至可以决定雷达能否正常工作。 用硬件实现宽带雷达信号源面临着诸多挑战，主要原因在发射信号的带宽越大，则硬件电路的时钟频率、数据速率就越高，高速电路会出现许多在低速硬件系统中不会出现的问题，包括信号完整性问题，电源完整性问题和芯片使用难度增大等。 本文首先介绍了基本模拟器件法、锁相环法和直接数字频率合成法（DDS）这三种波形产生方法的原理和特点，本文采用了DDS法，DDS作为信号合成领域重要的合成信号方法之一，具有频率分辨率高、信号带宽大、转换速度快、适用于产生任何波形等优势。本文然后介绍了单DAC芯片1.4GHz采样率、双DAC芯片1.2GHz采样率和多DAC芯片3GHz采样率三种宽带雷达信号源的硬件设计方案，它们均是基于FPGA和高速DAC芯片结构设计的，文中详细的介绍了芯片的选型和基本功能，FPGA内部逻辑设计的方法和要点，高速电路板卡设计的注意事项，信号源板卡相关的时钟电路设计和数据传输设计方法，最后给出了信号源板卡的照片和输出波形的图片，均达到了设计的要求。

关键词： 以太网交换机   88E6097   FPGA   POE  

摘要： 近年来,随着国内地铁建设的兴起,地铁列车网络通信技术有了较快速的发展,由于以太网有数据传输速度快、设备兼容性好、应用广泛的特点,其技术在车辆内部网络通信中的应用已经成为了必然的发展趋势,而交换机作为地铁以太网络通信的关键设备,在其质量、性能和功能方面都有一定的要求。 为了满足地铁列车中越来越多的通信终端设备传输信息的需求,本文设计了一种多端口的地铁列车以太网交换机,其不仅支持百兆和千兆网口的传输速度,而且为了承载VoIP语音服务、多媒体视频点播等多种应用需求,本文以太网交换机提供了四个优先级队列的QoS,保证了关键数据的快速和及时的转发。另外该交换机还支持环网冗余和以太网供电等功能,保证了列车以太网传输数据的可靠性和设备安装的便捷性。 本文首先介绍了地铁列车网络的发展和列车网络交换机的特点,然后介绍了交换机的整体方案设计与主要器件选取,接着对交换机的硬件部分设计进行了详细的讨论,介绍了交换机采用了两片88E6097以Serdes接口模式连接,构成了一个大的网络交换模块。主控芯片片采用FPGA,其外部器件主要包括LPDDR、FLASH、POE、USB接口电路等,之后又结合硬件电路设计介绍了信号完整性知识和PCB的设计。接下来又介绍了在交换机上构建嵌入式SOPC系统,实现对交换机的远程管理功能。最后本文对交换机做了相关的测试,并对本文交换机的设计进行了总结与展望。