课程文献中心 更多>>

关键词： 矩阵重构   稳健自适应波束形成   CG算法   高速收发   波束形成平台  

摘要： 数字波束形成(Digital Beam Forming,DBF)技术广泛应用于雷达、通信等领域。在实际应用中,工作环境复杂,受到快拍数限制、导向矢量误差、以及采样协方差矩阵中包含的期望信号影响,波束形成算法性能可能急剧下降。同时,随着雷达阵列技术的发展,阵列规模也越发庞大,需要处理的数据也急剧增加,对数字波束形成硬件平台的性能需求越来越高。因此,针对以上问题,本文研究内容由两部分组成:稳健自适应波束形成算法及DBF硬件平台设计。本文主要工作内容如下:1、首先研究了加载样本矩阵求逆(Loading Sample Matrix Inversion,LSMI)等经典稳健自适应波束形成算法,并对其进行仿真对比。针对样本协方差矩阵求逆(Sampling Matrix Inversion,SMI)算法复杂度过大的问题,采用集员共轭梯度(Set Membership-Conjugate Gradient,SM-CG)算法利用时变边界对加权向量进行选择性更新从而降低计算复杂度,并与共轭梯度(Conjugate Gradient,CG)算法进行仿真对比。对于上述算法存在对慢快拍数和导向矢量误差敏感从而导致算法性能下降的问题,提出了一种稳健自适应波束形成算法,将SM-CG算法与协方差矩阵重构相结合。该算法利用主模式抑制协方差矩阵相关性,并对导向矢量和噪声进行重估,完成协方差矩阵重构,再通过SM-CG算法完成加权向量的求解与更新。通过仿真建模验证了该算法的稳健性、并且计算复杂度低。2、完成了一种基于Zynq Ultra Scale+MPSo C系列FPGA和宽带RF收发器ADRV9009的数字波束形成硬件平台设计。首先对硬件平台指标进行分析,提出了无杂散动态范围优于50 d Bc等指标要求,完成包括收发模块、FPGA模块、时钟模块、电源模块和DDR4模块的选型和方案设计。最后完成相应模块的具体硬件电路设计,包括收发电路的前后端设计、FPGA的上电复位和高速收发电路设计、时钟电路设计和电源电路设计。3、对于设计出的波束收发平台,完成了接口逻辑设计和DBF系统测试与验证等工作。针对时钟芯片和ADRV9009,完成了配置程序设计。根据JESD204B接口协议,完成了高速收发逻辑驱动设计,实现了8 Gbps串口接口速率,并对DDR4接口进行逻辑设计。测试了收发配置程序、发射端和接收端的性能、DDR4的读写功能,满足设计要求指标。利用该平台完成了DBF系统的FPGA原型验证,证明DBF系统硬件电路工作正常,能够实现数字波束形成功能。

关键词： 无损压缩   Zstandard   硬件设计   UVM验证  

摘要： 计算机技术和互联网技术的快速发展,使许多应用领域产生和存储的数据不断增多,数据压缩已经成为数据存储和传输过程中不可缺少的环节。Zstd（Zstandard）是一种快速高效的无损压缩算法,相较同类算法具有更好的压缩率和压缩速度,广泛应用于大数据传输和存储等应用领域。由软件实现的Zstd算法在压缩数据时会占用大量中央处理器（Central Processing Unit,CPU）资源,且因软件串行执行的特性导致性能瓶颈,使其难以应用于实时压缩领域。硬件实现Zstd压缩算法可以充分利用硬件并行计算的特性,提高压缩速度,并且在压缩过程中无需使用中央处理器的资源,是有效解决上述问题的一种方法。 本文通过对Zstd及其相关压缩算法的研究和分析,设计并验证了一种由硬件实现的Zstd压缩模块,工作内容具体如下: 1.对Zstd压缩算法展开研究,分析Zstd压缩算法的实现流程和输出格式,对Zstd中的LZ77算法、Huffman编码和有限状态熵编码（Finite State Entropy,FSE）进行分析。基于软件模型测试确定LZ77中哈希函数的选择和哈希表的大小,均衡压缩模块的压缩性能和硬件开销。 2.基于Verilog硬件描述语言完成了Zstd压缩模块的RTL实现和电路优化。根据算法流程将硬件设计划分为LZ77模块、Huffman模块、FSE模块和数据打包模块。在电路优化方面,使用资源共享的方式实现Huffman模块和FSE模块中具有相同功能的统计排序子模块,根据压缩数据的信息确定压缩表的大小,达到优化面积的目的;加入门控时钟电路控制子模块的时钟使能,减少子模块时钟的无效翻转,达到降低功耗的目的。 3.对Zstd压缩模块进行功能验证和逻辑综合。搭建了基于UVM（Universal Veri-fication Methodology）的Zstd压缩模块的验证平台,并对相关组件进行设计,实现了对Zstd压缩模块的数据驱动和采集,通过回归测试生成覆盖率报告,代码覆盖率各项在95%以上。之后在TSMC 12nm工艺库下,逻辑综合报告显示时序无违例,时钟频率可以达到666MHz,面积为58024.45um2,功耗为4.8m W。 4.使用Silesia数据集作为标准压缩源进行性能测试,测试表明,Zstd压缩算法的硬件压缩率基本可以和软件持平,硬件压缩速度是软件压缩速度的10倍以上,最快压缩速度达到了1126.2MB/s。 综上所述,本文设计的Zstd压缩模块结构完整,硬件电路功能正确,验证工作完备,具有良好的压缩性能,可以满足实时压缩海量数据的需求。

关键词： 结构测量   直线位移测量   USB3.0   以太网口  

摘要： 受海洋环境的复杂性以及海洋平台结构的长期受力、氧化、腐蚀等因素的影响,海洋平台存在着结构安全性和稳定性方面的问题,如结构疲劳、振动、位移等问题。这些问题如果不及时发现和处理,可能会导致海洋平台的结构失效、破坏或者事故发生。为了监控海洋平台的结构安全性和稳定性,本文设计一套海洋平台动态结构监测硬件系统。该硬件系统分为测量终端和信号综合转换单元两个部分。测量终端有四种,每种若干套,布放在海洋平台的各个测量点位,负责对平台的动态结构参数进行实时测量,信号综合转换单元位于控制室,负责将收到的测量数据及时快速转发至上位机中。按照实际工程需求的情况,使用者可以在几乎不修改硬件设计的情况下,灵活选取任意种类和任意数量的测量终端,并将其布放于海洋平台的各个位置。本套系统可以对海洋平台的动态参数进行实时、准确的监测,帮助工程师及时发现和处理平台结构的问题。根据实际项目的需要,论文设计了四种测量终端,分别用于测量海洋平台的加速度、倾斜度、机械结构位移和应变等情况。信号综合转换单元负责把位于平台各处的若干只测量终端发送的数据进行汇总,然后通过USB3.0接口或以太网接口将测量数据实时准确地传输至上位机。本文还对硬件系统各个部分进行了详细测试,测试结果证明各功能单元均满足系统指标要求。单个应变测量终端中包含4个应变计,可以准确测量4个点位的应变参数;加速度终端测量频率为50Hz,测量误差小于50mg,对10Hz以下的振动可以的得到准确的频率估计结果;倾角测量终端可以实现三轴倾斜度的准确测量,精度优于0.5°;直线位移测量终端可以实现对微小位移进行10Hz频率的测量,在10mm量程范围内线性度为0.25%,且在30～50℃环境下均可保持良好性能;信号综合转换单元的USB3.0和以太网口均可准确快速的进行数据传输工作,USB3.0接口速率可达约429MB/s。目前这套系统已经在2艘船舶和1座海洋平台中安装调试完成,其中安装最早的一套已平稳工作一年以上,证明系统具备长时间稳定工作能力。

关键词： SM2密码算法   标量乘运算   防御功耗攻击   防御故障攻击   旁路攻击  

摘要： 人工智能、网络通信等技术在为人们的生活带来便利的同时,也引发了众多信息安全问题。密码算法作为密码技术的核心,是保证信息安全传输最有效的防护手段。SM2密码算法是我国自主研发的首款椭圆曲线密码算法,集成了安全性高、带宽要求低、时效高等众多优点,因此作为安全IP广泛地集成于密码芯片中。标量乘运算作为SM2密码算法协议层流程中的关键步骤,其运算过程涉及到重要的私钥信息,是目前密码芯片主流攻击手段——旁路攻击最主要的攻击目标,因此研究可有效防御旁路攻击的SM2密码算法标量乘运算电路对物联网时代信息传输的安全性具有重要意义。 论文主要设计并实现既可防御功耗攻击（Power Attack,PA）又可防御故障攻击（Fault Attack,FA）的标量乘运算电路。本设计采用自下而上的思想进行实现。首先,对SM2密码算法底层模运算、椭圆曲线点群运算进行详细的原理分析及算法设计。接着基于对旁路攻击技术原理的分析提出一种基于改良版Double-and-Add算法的坐标轴随机化联合冗余校验点的防御方案,并基于此方案设计具有功耗分析攻击防御功能的基点加扰模块、具有故障注入防护功能的故障检测模块以及标量乘调控模块和坐标转化模块。最后在素数域中模运算的基础上设计了点加倍点运算实现的具体调度策略以及可防御旁路攻击的标量乘运算具体调度策略,基于调度表中步骤完成可防御旁路攻击的标量乘运算电路的具体硬件实现。为提高该算法电路对操作环境的适配度,电路对功耗攻击以及故障攻击防护做了使能控制,可根据当前运算环境的安全程度自主选择是否开启防护功能。 在TSMC 28 nm工艺库及500 MHz时钟频率的条件下,使用Design Compiler工具对所实现的可防御旁路攻击的标量乘运算电路进行逻辑综合,结果显示无建立时间和保持时间的违例,电路总面积约为67450μm,门电路消耗约为134 K,相较于已有同类型文献中需消耗547 K门电路的标量乘防护电路,本设计降低了硬件资源的开销,具有更低的防御成本。

关键词： 标识密码算法   硬件加密系统   硬件设计   软件开发  

摘要： SM9算法是一种由我国自主研发的基于椭圆曲线的标识密码算法，在我国商用密码体系中具有重要意义。但受限于椭圆曲线配对计算中复杂的数学公式，计算性能低成为了限制SM9算法在国内发展的关键因素。　　本文研究内容为SM9签名验签算法计算的性能提升，利用软硬件协同的方式设计了一款基于标识密码SM9的硬件加密系统。　　系统的硬件设计部分，本文提出了一种基于256比特素域，在Barreto-Naehrig曲线上，安全强度达到128比特的高性能最优化ate对硬件加速器。本文在椭圆曲线配对计算的各个不同层次探索并行性和流水线技术可行性，最终提出了高基-128的蒙哥马利模乘并行结构，二次扩域模乘并行-流水线的优化结构，以及基于二次扩域运算的流水线-并行-运算简化加速结构。该硬件加速器支持椭圆曲线配对、基域模运算、基域点运算、二次扩域点运算、二次扩域模运算、十二次扩域模运算等SM9子算法运算。　　所设计的最优化ate对硬件加速器计算一次最优化ate对需要37,271个时钟周期。在ASIC平台上，利用TSMC-90nm工艺库综合结果显示计算一次需要0.10ms，消耗751,000个二输入与非门的硬件资源，该结果在面积?时间指标至少优于其他同类设计60%左右。而在FPGA的Virtex-6平台上，消耗25,000Slices和240DSP资源，计算一次需要0.52ms。　　系统的软件部分则是将优化ate对硬件加速器挂上AHB总线，再利用CPU通过AHB总线控制最优化ate对硬件加速器实现SM9签名验签算法。该部分完成了总线与控制寄存器的地址分配和SM9签名验签算法的软件控制设计。　　对于该基于标识密码SM9的硬件加密系统的计算结果验证，本文首先采用官方文档提供的验证数据对该加密系统进行定点数据验证，再引入SM9算法模型对系统进行多次随机测试。

关键词： 伺服压力机   控制系统   硬件设计   软件设计   运动控制  

摘要： 近年来,随着制造业的不断智能化和柔性化发展,传统的机械式压力机由于难以实现变速调节、难以改变运动特性以及能耗高、精度差等缺点,越来越难以适应未来的工业需求。伺服压力机以伺服电机作为动力源,实现了压力机运行的柔性可控,成为压力机行业的发展趋势。作为压力机系统的核心控制单元,近年来自主研发压力机控制系统也成为国内压力机行业的研究热点和难点。为此,设计开发一款满足企业使用需求,高效、高精度、节能化的伺服压力机具有重大意义。 本文以压力机控制系统为主要研究对象,在已设计完成的压力机总体结构基础上,分析功能需求,设计了压力机控制系统总体方案。压力机主体结构采用“伺服电机+减速机构+滚珠丝杠”的结构形式,采用四台伺服电机同步加载的方式实现合模与分模。控制系统采用工控机作为上位机,运动控制器作为下位机,采用模块化设计思想实现压力机运行的自动化控制。 针对伺服压力机四轴同步精度以及伺服压力机在速度变化较大时容易发生冲击、振荡等情况,对不同的多轴同步控制方案和加减速控制算法进行了比较分析和仿真,选择基于电子虚拟主轴的同步控制方案进行伺服压力机多轴同步控制,采用S曲线加减速算法对伺服压力机滑块的运动曲线进行合理的规划。为提高压力机的运行精度,构建了全闭环控制方案来消除系统误差,保证系统运行精度。 在控制系统硬件方面,根据伺服压力机的结构设计和控制需求,对控制系统的核心硬件进行了选型与配置,根据电气元件完成了压力机电气系统设计和控制柜的设计制作。在控制系统软件方面,提出了软件设计框架,主要分为上位机IPC和下位机运动控制器两部分。下位机软件设计包括伺服通讯模块、输入输出模块、运动控制模块和流程测试模块等方面。上位机软件采用模块化设计思想,主要从上下位机通讯模块、数据交互模块、数据库模块、自动化模块、其它功能模块和日志信息模块等方面进行设计,为整个压力机控制系统提供了可靠的运行思维逻辑。最后设计出简洁易操作的人机交互界面,实现操作人员与控制系统之间的友好交互。 为保证压力机的稳定可靠运行,分别在实验室环境中和工业现场对压力机进行了系统调试和整体实验,目前该压力机样机已经完成了第一阶段的调试工作。

关键词： 关键词唤醒   片上训练   存内计算   神经网络加速器  

摘要： 随着人工智能(Artificial Intelligence,AI)的发展,智能化的人机交互已经成为改善人们日常生产生活必不可少的手段,关键词唤醒(Keyword Spotting,KWS)通常被用作大型系统的“开关”,其相对简单的识别任务、需要保持常开(Always On)的状态以及用于边缘设备的特性决定了关键词唤醒电路对功耗和能效具有极高的要求。目前的实现方式都是在云端训练、端侧部署,然而在实际场景中,由于不同用户和地区的口音差异会导致实际准确率骤降。为提高实际场景下模型的准确率,需要对模型进行再训练,由于边缘设备的电量和硬件资源有限,因此针对关键词唤醒应用,需要一个高能效的片上训练(On Chip Training,OCT)加速器。 为此,本文设计了面向关键词唤醒的高能效片上训练电路,采用从算法到电路级的自上而下的设计优化策略,来提高实际场景下模型的准确率以及片上训练电路的能量效率。主要研究内容如下:(1)在模型再训练中,为降低训练的硬件代价,采用INT8的数据精度对3分类的关键词唤醒网络的最后两层进行再训练,训练准确率达到了98.9%。(2)在算法级,设计了基于存内计算的反向传播数据流,降低了至少22.9%的数据访存量,同时避免了卷积核缓存的开销。(3)在架构级,设计了层间数据流水的计算架构来降低损失值的缓存开销,基于此计算架构,设计了三个数字域存内计算(Compute In Memory,CIM)宏单元(macro)对训练中三个过程进行分开优化实现,配合乒乓存取的数据调度方式,能将逐点卷积层的损失值缓存开销降低95%,同时将存内计算宏单元的利用率提高至100%。(4)在电路级,对于存内计算macro,采用串行移位累加的数据输入方法,降低输入寄存器的硬件开销;针对macro在数据读出时会造成计算单元的无效翻转而导致功耗骤增的问题,设计了一种基于位线隔离的计算单元将macro的功耗降低了41%;针对macro中功耗占比最大的加法电路,设计了一种基于反相逻辑的加法树,将macro的功耗降低了16.8%; 基于以上技术,在28nm工艺下进行了面向关键词唤醒的高能效片上训练电路的设计与实现,并搭建了完整的测试验证平台。根据版图后仿真结果,系统的识别功耗为1.13μW,训练能效达到91.7TOPS/W,两个词的再训练准确率为98.9%,相比于同类别的先进研究成果,在训练能效和准确率方面具有一定优势,达到了预期的设计指标。

关键词： 站内轨道电路   直接数字频率合成   数字功率放大   安全与门   倒机切换  

摘要： 轨道电路是铁路信号系统的重要组成部分,其主要作用是实现占用与完整性检查以及传递行车信息,对保证行车安全、提高运行效率起到重要作用。我国普速铁路站内轨道电路最主要采用的制式是25Hz相敏轨道电路。随着科技进步及应用需求的不断变化,传统25Hz相敏轨道电路逐渐暴露出了系统结构松散、数字化程度不高、抗干扰能力不足等问题。因此,本文对普速铁路站内轨道电路收发一体机硬件设计开展了研究。 首先,本文对25Hz相敏轨道电路原理及电码化方式等进行分析,总结其中不足并提出变“轨道电路叠加机车信号”为“轨道电路转发机车信号”的主要设计思路,进而展开对站内轨道电路收发一体机硬件设计中信号调制、信号功率放大及安全冗余结构等几个主要问题实现原理的探究。针对信号调制技术,选择数字化程度更高、信号纯度更高且易于实现各类数字信号的直接数字频率合成技术为信号调制方案的基本原理;根据工作效率更高、集成度更高等优点选择使用数字功率放大技术替换传统的乙类互推挽放大电路;通过结合三种常见设备冗余结构的特点与传统轨道电路收发设备应用现状,选择了二乘二取二的硬件结构。 然后,本文拟定了站内轨道电路收发一体机的基本设计原则,结合已确定的主要问题的设计方案对站内轨道电路收发一体机进行了总体设计,阐述了设备主要构成及其功能,通过描述主要工作场景说明了各构成之间的关系。随后,针对设计中出现的安全与门、倒机切换两个关键问题开展了研究与设计,运用Multisim仿真优化并验证了安全与门电路设计;基于硬件互锁机制设计了主备系自身协同的倒机切换电路。 接着,本文依据站内轨道电路收发一体机总体设计及关键电路设计,具体实现了运算单元板卡、逻辑控制板卡、安全控制板卡以及信号收发板卡,设计了板卡的内部模块布局与对外接口,实现了板卡各模块的具体电路设计。 最后,本文为安全与门电路、倒机切换电路等关键电路以及收发一体机的发送和接收主功能搭建了实验环境,进行了功能验证实验。实验结果表明设计基本实现了预期目标。 综上所述,本文设计的站内轨道电路收发一体机改变了普速铁路站内轨道电路的电码化方式,使之与区间保持统一;在保证安全及实现基本功能的基础上,运用直接数字频率合成技术、数字功率放大等技术提高了设备数字化程度,尽可能地优化了设备结构,使设备结构更加简统化。经实验室搭建环境的验证,设计满足基本功能需求,但距实际工程应用还有调制信号选择、抗干扰研究、系统工程设计等一系列问题需要研究。

关键词： 近海养殖区   水质监测系统   硬件设计   软件开发   远距离无线电  

摘要： 为保障海水养殖业的高质量发展，响应“十四五”规划提出的构建绿色海洋空间，缓解部分近海养殖水域水质污染问题，满足近海养殖区养殖户进行养殖策略调整的需求，监测系统需提供实时水质数据支持并对水质变化的趋势加以预测，本文针对传统水质采集与监测系统中出现的采集监测数据难、有线电缆数据传输不易以及缺乏数据预测等问题，在近海养殖区域内以无线浮标的形式，设计并实现了一套基于MicroPython的近海养殖区水质采集与监测系统。本文的主要内容如下:　　(1)根据实际需求分析，对水质检测技术进行对比研究，确定所需采集数据的检测方法;采用LoRa无线通信作为系统的主要通信方式，完成多采集节点与网关汇总节点的海水水质信息和指令传输;再对收集到的溶解氧以及酸碱度等监测数据进行预测研究，实现对近海养殖区域的水质异常情况提前预测，便于养殖户提前获取异常信息并及时决策。　　(2)研究近海养殖区实际可行的监测系统整体架构，搭建系统开发平台。采用可移植MicroPython的ESP32以及海水检测、数据传输所需的各功能模块搭建硬件开发平台，并以Thonny、Qt等上位机软件作为系统的开发环境，实现MicroPython的嵌入式开发和上位机设计，完成对近海养殖区水质监测系统的实时监测。　　(3)完成近海养殖区水质采集与监测系统的硬件设计，主要以系统的数据采集端和数据传输端的硬件架构为主，对各部分硬件电路进行搭建，并采用太阳能电池板、可充电电池组和降压电路对系统的供电电路进行设计，为整个系统的正常运行提供硬件基础。　　(4)设计了近海养殖区水质采集与监测系统的软件系统。主要包括采集端节点、网关汇总节点、预测处理、上位机界面、云平台、移动客户端以及数据库，实现在近海养殖区域采集到的海水水质数据信息的可视化。　　通过对整个监测系统的硬件和软件设计的功能测试，达到了预期效果，能较好实现对近海养殖生产范围内的海洋环境数据收集和监测的工作。

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。