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关键词： 示波分析仪   多通道同步   高速并行数据处理   USB通信   任意波发生  

摘要： 在许多高速信号测试领域,如雷达、通信和集成电路等,不仅要求测量分析仪器具有高指标、多功能的技术性能,还要求设备具有便携化、轻型化的特点以适应多种测试环境。然而,传统的台式数字示波器性能较高,但具有体积大、笨重、成本高等缺点,无法适应外场测试。因此为给小空间、多参数、高灵活度的电子系统分析场合提供一种多功能的综合测试解决方案,本文设计了一种基于USB 3.0的便携式高速信号示波分析仪,它不仅具有2GHz采集带宽,6.4GSPS实时采样率、12bit垂直分辨率的采集性能,还具有任意波形发生、自动低功耗调节、多机同步等功能和小巧、轻便的机身设计。本文的主要研究内容如下:1.完成系统方案与硬件电路设计。以系统性能指标和功能需求为目标,确立以ADC+FPGA+DAC为核心结构的系统方案。通过对采集性能、功耗、体积、成本等因素的综合考虑完成系统核心器件选型,据此提出了模数转换、数据处理、数据通信等方案和电路设计。围绕便携式、低功耗的研究需求设计了紧凑型电路结构和可控电源管理电路。2.完成数据采集和波形发生逻辑设计。在FPGA接收端配置JESD204B IP核建立传输链路,完成对8路、12.8Gb/s的高速采集数据接收和解析。设计双向数据通信结构,完成FPGA与上位机高效稳定的数据交互。基于DDS原理设计了一种任意波形发生器,采用一种多项式分段拟合算法对输出幅度进行校正,并设计一种任意波触发功能,拓展了示波分析仪的测试能力。最后设计一种基于功能匹配的动态低功耗管理方法,满足整机低于35w的功耗设计要求。3.完成示波分析仪多机同步系统设计。设计了一种多芯片同步算法实现主从时钟系统同步,提出了一种误差估计和调节模型校正多机时钟偏斜问题。基于两级触发方案提出了主从控制的触发结构,通过触发控制信号同步与校正设计实现同步触发精度满足±100ps的指标要求。提出对数据延迟进行调节的设计以解决数据在传输过程中的亚稳态问题。本文最后对示波分析仪各系统指标和设计功能进行测试与验证,测试结果表明,示波分析仪达到最高实时采样率6.4GSPS、模拟带宽2.2GHz、任意波带宽110MHz、多机同步精度±80ps等设计指标和便携式机身,核心指标高于同类型最新产品是德P924x A系列USB示波器,完成了高水平示波分析仪的研究目标。

关键词： 巩膜交联仪器   硬件设计   软件开发   紫外线   核黄素  

摘要： 病理性近视是近视类型中会对患者造成严重影响的一种眼科疾病。患者表现为，其巩膜局部的生物力学性能下降、变薄，眼轴进行性延长及近视度数逐年增大。在对患者不施加任何医疗干预的情况下，单纯的依靠佩戴近视眼镜不能解决巩膜逐年变薄这一根本性问题，往往还会耽误病情，最终造成患者失明。目前，对病理性近视还缺少有效的治疗手段。巩膜交联术作为治疗因巩膜生物力学性能下降导致的病理性近视的一种潜在方法，其前景被许多科研人员看好。由于巩膜发生变薄的部位通常处于巩膜的后极部，因此在对巩膜病变部位实施交联时，事先需要大面积地剪开结膜囊，分离球周组织，牵拉眼外肌，暴露出需要进行交联的巩膜部位，才可对该部位实施交联。这种手术流程不仅复杂，而且会对患者的眼球造成较大的创伤和感染风险。这一问题已成为影响巩膜交联术进入临床的一个主要瓶颈。考虑到近年来，微创诊疗技术的兴起，本文拟设计一种微创巩膜交联仪器，该仪器一方面可以简化巩膜交联的操作流程;另一方面，该仪器可以在小创口且无需外翻眼球的条件下对巩膜后极部的病变部位进行交联。本文主要工作如下：　　1、本文首先对微创巩膜交联仪器的结构进行了设计。根据巩膜交联手术的操作流程，确定了微创巩膜交联仪器应该具备的基本功能。按所需具备的功能将微创巩膜交联仪器划分为操作杆、伸缩交联头、定位、密封、交联液导入、氧气导入、交联光辐照、清洗液输送和回收以及自动控制共9个部分。为了实现巩膜交联的微创操作，本文设计了一种伸缩式的巩膜交联头，该交联头可以在牵引钢丝的作用下实现伸缩变形。在此基础上，对微创巩膜交联仪器的每一部分及整体结构进行了相应的设计和模型的建立。　　2、其次，本文根据微创巩膜交联仪器所需具备的功能对其各部分的功能硬件进行了相应的选型和设计。最终确定了以STM32F411CEU6单片机作为主控制器，与内窥镜、真空泵、蠕动泵、LED光源辐照板、氧气泵等共同构成微创巩膜交联仪器的硬件功能系统。首先，在交联头上内窥镜的作用下，可以实现对巩膜病变部位的定位;接着，单片机控制真空泵将交联头上密封圈底部的环形凹槽内抽至真空状态，使交联头吸附固定在巩膜上的病变部位;随后，单片机控制蠕动泵将交联中所需的交联液递送至病变部位;紧接着，单片机控制辐照光源对病变部位进行照射，实现巩膜交联;最后，当交联完成后，单片机控制蠕动泵向交联区域输送适量的清洗液对其进行清洗消毒，并在完成后，将清洗液抽出交联区域。在整个交联过程中，氧气泵可以及时地为交联区域输送适量的氧气，以解决交联过程中交联区域因封闭而产生的氧气含量不足的问题，提高巩膜交联的效果。　　3、最后，本文针对所选取的微创巩膜交联仪器的各个功能硬件进行相对应的软件设计。分别对按键、蠕动泵、真空泵以及 LED 光源辐照灯板的驱动程序进行了设计和编写。在软件设计方面，本文整体采用了面向对象、模块化和代码分层的程序设计思想，使得程序具有良好的可阅读性、可维护性以及可移植性。　　本文所设计的伸缩式巩膜交联头实现了微创巩膜交联的要求，且其所具备的功能较为完善，大大简化了巩膜交联术的操作流程，具有操作简单、系统稳定等特点。本文中的部分设计已经通过仿真得到验证，以期为巩膜交联术未来应用于临床作出一定参考。

关键词： 扫描探测   多波束算法   多通道接收机   多通道发射机   数字信号处理平台   FPGA  

摘要： 随着中国在海洋资源的开发和海洋安全的维护方面的需求不断加大,对各种军用与民用海洋装备的发展提出了更高的要求。本文基于目前水下设备自动化的趋势,提出了一种基于水下无人运动平台的扫描探测声纳硬件平台设计方案。本文主要包括系统的总体设计、模拟电路设计、数字电路及FPGA逻辑设计以及系统软硬件平台测试与验证,主要工作内容如下:1、介绍了扫描探测声纳系统的总体设计,包括其基本原理、指标、组成结构和各个部分的具体方案论证,证明了设计方案的可行性。在系统芯片选型方面,对系统消耗资源量进行了分析,并选用了FPGA和DSP作为信号处理芯片,以满足系统性能要求。2、结合设计指标,完成了接收机与发射机电路的设计,接收机有滤波器、增益控制器和A/D采样电路等模块,能够对接收到的信号进行放大、滤波以及采样;发射机有功率放大器、变压器、储能电路等模块,能够作为信号源发射不同形式的脉冲信号。3、设计并实现信号处理平台的硬件电路,在FPGA平台上完成A/D采集、波束形成等相关信号处理算法,并能够将处理后的数据上传到上位机。本文最后对系统各个模块进行测试以并完成了水池实验,验证了扫描探测声纳系统的可行性和有效性,对扫描探测声纳系统的设计具有一定的参考价值。

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： 医疗健康产品服务系统   硬件设计   软件开发   共生理论  

摘要： 随着我国社会老龄化程度的进一步加深，养老服务资源分配不均衡、养老服务质量低、养老服务获取难等问题日益尖锐，为了改变老龄医疗资源零散化、碎片化的现状，缓解老龄化“医养”服务供需矛盾，将共生理论与服务设计思维相结合的研究思路引入到社区老龄化医疗健康产品服务系统的设计中，使相关联的养老服务可以融合发展，形成一条连续的、多元一体化的、闭合循环的老龄医疗健康服务链，改善社区老龄化“医养”服务供给现状。　　首先，通过理论研究分析共生理论与社区“医养结合嵌入式”养老模式的契合点，发现共生理论在揭露自然界之中存在着普遍联系的同时，也寓示了社会各方面之间的相互关系。我国养老服务和老龄医疗健康服务系统的发展符合共生理论的要求，可以借鉴其共生系统的形成过程：探寻各共生单元之间的外在与内在联系，构建互帮互助、互利共生、相互依存的共生模式，在协同发展、信息共享的共生环境中实现“1+1＞2”的系统效益。其次，利用服务设计思维与方法，构建社区“医康养护”共生产品服务系统，优化系统中的资源配置与运营模式，并简化系统服务流程，形成医疗（医）-康复（康）-养生保健（养）-照料护理（护）服务生态链，提供健康养生→疾病预防→患病治疗→术后康复→失能照护多元一体化的连续性服务，将服务对象由患病老年人扩展到全体老年人，将服务内容从医治疾病提前到疾病预防阶段，为社区连续性的老龄医疗健康服务系统的发展优化提供一条全新路径。最后，根据调研分析结果提取目标用户需求点，输出社区“医康养护”共生服务软硬件产品设计，并根据人机交互大师雅各布·尼尔森（Jakob Nielsen）博士的可用性理论制定 CSUQ 可用性问卷量表，对社区“医康养护”共生产品服务系统进行可用性评价，优化设计提案。　　共生理论的介入，打破了各服务供给主体之间的信息壁垒，使其朝着同一方向协同发展，共建共享合作成果，可以最大限度地避免资源重叠所造成的浪费，实现利益最大化。同时，基于共生理论的社区“医康养护”服务共生系统的构建，为其他养老服务资源模块（衣、食、住、行等）的整合和嵌入带来了新的参考和发展方向。

关键词： 矿用自救器   模拟操作系统   硬件设计   软件开发   传感器   人脸识别   数据库  

摘要： 煤矿安全一直是重中之重，矿用自救器是下井工人在灾害发生时唯一的逃生工具。针对自救器使用培训上面存在的诸多问题,本文基于GD32F103CBT6芯片设计了一套集传感器技术、人脸识别技术、数据库技术于一体的自救器模拟操作系统，用于供下井人员在井上进行自救器操作的日常练习，保证每名人员在下井前都能熟练掌握自救器的正确操作方法。本文的研究工作如下:　　(1)通过文献研究并结合市场调研情况，综述了煤矿自救器培训设备研究进展，分析了煤矿企业在自救器培训方法上存在的不足，提出了研发自救器模拟培训系统的技术方案。　　(2)分析目前煤炭企业主要使用的自救器类型，分析其内部的原理构造，对自救器的操作动作步骤进行拆解。仿真设计出自救器模拟结构件，并选择合适的传感器以及传感器的安装位置，通过传感器的触发状态来判断对自救器的操作动作是否完成。　　(3)对硬件电路进行设计，以GD32F103CBT6芯片为核心，实现传感器的触发状态信息采集，并通过串口转网口模块将信息发送到上位机软件，并分析收集到的不同传感器触发状态信息所对应的自救器操作动作。　　(4)对立式一体机进行设计，并将其作为上位机软件的载体以及自救器模拟操作的平台。对PCA算法进行优化，提出了一种融合了图像预处理技术、PCA和LDA的人脸识别算法，实现人脸识别，确认操作人员身份。设计上位机软件，接受硬件电路发送的传感器触发状态数据，通过分析数据的变化来实现自救器操作动作的实时显示以及操作结果的显示，并将结果信息发送到后台服务器。　　(5)基于MySQL数据库搭建后台服务器，用于储存工人的身份信息和操作结果信息,供企业领导随时查看、导出。分析了自救器、一体机、后台服务器三者之间的数据传递方式，实现了三机联动。　　(6)经过在煤矿企业实地测试，结果表明自救器模拟操作系统在提高工人的自救器操作熟练度方面效果显著。

关键词： 图像采集处理系统   硬件设计   图像融合   USB接口  

摘要： 目前，图像传感器数据采集系统都需要进行数据的储存、传输和处理。通用串行总线（Universal Serial Bus，USB）标准由于具有较快的处理速度、较好的兼容性和支持热插拔等优势，已经成为众多传输系统的主流应用接口。现场可编程门阵列（ Field Programmable Gate Array，FPGA）由于其运算速度快、能够重复使用多种功能而逐渐在传输系统领域占有一席之地。因此，以USB 3.0技术和FPGA技术为基础的数字信号采集处理系统已逐渐发展起来。　　本文提出了一种基于FPGA和USB 3.0技术的CMOS图像传感器采集与传输系统。FPGA用于控制图像采集，成像数据通过USB 3.0接口实时传输到PC端。该系统由高动态互补式金属氧化物半导体（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS）图像传感器模块，FPGA核心控制模块，USB 3.0数据传输接口模块，最后在PC端进行显示。具体内容如下：　　首先，对FPGA核心板进行设计，选用XC7A100T-2FGG484I芯片作为控制芯片，连接一块第三代双倍数据率同步动态随机存取存储器（Double-Data-Rate 3 Synchronous Dynamic RAM，DDR3）芯片，核心板外接搭载CMOS图像传感器的PCB测试板。　　其次，在硬件设计中，USB 3.0数据传输是关键部分，选用FTDI公司提供的FT600芯片作为核心USB 3.0芯片，大多数计算机都配备了USB 3.0接口，因此USB 3.0图像采集模块可以非常方便地在生活中应用。　　最后，使用MATLAB进行图像融合，选用高动态图像融合算法，来调整融合效果，使图像显示更大的动态范围。　　使用VIVADO对USB 3.0通信进行仿真，在PCB板供电调试完成之后，用逻辑分析仪采集验证时序信号的正确性，最后使用上位机进行图像显示。通过实际工程验证了基于USB 3.0图像采集模块的设计方案，根据测试结果，USB 3.0能以180MB/s左右的速率对图像传感器的数据进行传输。FPGA 加 USB 传输数据的使用主要在于其可编程性、高速性、实时性、灵活性和可靠性，可以满足不同应用场景下的数据传输需求，具有广泛的应用前景。

关键词： 超声波热量表   硬件设计   温度变化   超声波   传播速度  

摘要： 目前我国大部分地区在冬季依旧采取集中供暖、按面积收费的供暖方式，不仅浪费了大量的资源，还会污染环境，实行热量分户计量的方式符合我国当前的供暖国情。热量表是实行分户计量必要的设备，目前市面上的机械式热量表寿命低、电磁式热量表功耗大，采用超声波技术研发的热量表解决了以上难题，由于目前超声波热量表的发展还不够成熟,在小流量测量上存在精度低、误差波动明显等问题，因此对小口径的超声波热量表进行研究具有重要的意义。　　本文研究设计了一款DN25口径的超声波热量表，硬件方面采用了高精度流量测量芯片MS1030,它具有超声波流量测量和温度测量的集成式模拟前端，不但简化了电路，而且极大的降低了功耗，主控制器采用了低功耗芯片HT32F52352,它通过配置MS1030芯片的相关寄存器完成相应的流量测量以及温度测量功能。软件方面采用了时差法的原理测量流量，主要是通过超声波在水中顺逆流的传播时间差来计算的，由MS1030芯片以及超声波换能器共同完成;温度测量是通过一对PT1000温度传感器分别测量进水温度以及出水温度完成的。超声波顺逆流传播时间以及PT1000温度传感器的电阻值都被存储在MS1030的相关寄存器中，单片机通过调用寄存器中的数据来计算流量以及温度，进而通过焓差法计算出用户所消耗的热量。　　本文对超声波在不同温度水中的传播速度进行了研究，采用COMSOL软件建立热量表模型并在不同温度下对超声波的传播速度进行仿真，从仿真结果可以看出温度变化对超声波的传播速度影响较大，因此根据仿真结果对时差法公式中的超声波速度进行温度补偿,极大的提高了超声波热量表的测量精度以及稳定性。通过软件硬件相互协调，设计了一款高精度、低功耗的超声波热量表，并对样机进行了完整的开发，且试制了多块样机进行超声波收发波形测试、流量测试、温度测试、通讯测试以及功耗测试，测试结果均达到国家热量表标准《GB/T32224-2020》对二级表的要求，具有一定的工程使用价值。

关键词： 信号捕获算法   软硬件协同设计   北斗三号   卫星导航系统  

摘要： 2020年，中国北斗三号卫星导航系统（BeiDou-3NavigationSatelliteSystem，BDS-3）建设完成，为全球用户提供授时、导航和定位服务。随着卫星导航信号接收技术的迅速发展，传统导航信号的性能已逐渐无法满足定位需求。针对于如何提高导航频率资源的利用率和定位精度的问题，中国的BDS-3在BDS-2的基础上增加了B1C信号和B2a信号的播发，其中B1C信号通过“数据+导频”双通道播发，分别使用BOC（BinaryOffsetCarrier）和QMBOC（QuadraturemultiplexedBOC）调制，实现了与其它卫星导航系统的兼容并提高了伪距测量的精度。在B1C信号的捕获过程中，需要本地复现导航信号的测距码，而该信号的结构比传统BPSK(BinaryPhaseShiftKeying)信号的结构更加复杂，复现难度更大。B1C信号的新型结构使得北斗B1C信号的自相关特性中存在许多副峰，导致了B1C信号捕获的模糊性。B1C信号捕获是北斗导航接收机设计中的关键环节之一，研究B1C信号的捕获算法和硬件设计对于提高北斗接收性能有着重要意义。　　论文的主要研究内容如下：　　1、研究了传统BPSK类导航信号、现代化BOC类导航信号和北斗B1C信号的结构和特性。给出了北斗B1C数字中频信号发生器的硬件设计方案，基于SystemC平台对伪码发生器、载波发生器和副载波发生器等关键模块进行了实现，最后完成了北斗B1C信号发生器的设计，为后续B1C信号捕获的研究提供了数据来源。　　2、研究并分析了BOC类调制信号的四种捕获算法性能，并基于B1C数字中频信号发生器对北斗B1C信号进行了捕获算法实现，在捕获峰均比、均方根误差和误捕率等方面进行了对比，选择ASPeCT算法作为B1C信号的捕获方法。　　3、使用软硬件协同的设计方法并基于SystemC平台给出了北斗B1C信号的捕获方案。针对基带处理数据量过大的问题，添加了数据打包模块，进行了非相干累加和副载波频率的打包，能够降低捕获后续模块的工作频率和数据量，相关运算峰值提高了2.5%。