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关键词： 地基伪卫星   导航定位   组网布局   硬件设计   定位算法  

摘要： 地基伪卫星导航定位系统是一种由地面伪卫星基站与用户接收机构成的陆基无线电导航系统,其既可作为GNSS的辅助增强系统以提高定位精度与可靠性,又可在GNSS拒止环境下作为独立的导航定位系统为用户提供PNT服务。目前军民应用领域对室内外位置信息的准确性、实时性与可靠性等方面均有着越来越高的要求,GNSS已难以满足纷繁复杂的各种需求,故对地基伪卫星导航定位技术进行研究具有十分重要的意义。然国内现有的地基伪卫星导航定位系统精度低,限制了其实际工程应用的推广。为此,本文对高精度地基伪卫星导航定位技术进行了较为深入的理论分析与仿真验证,主要研究工作如下:1.针对如何确定基站的组网布局问题,本文对单元区域内不同的基站组网布局方案进行了设计与仿真,并利用遗传算法对其进行优化,得到单元区域内不同数目基站的最优组网布局方案,GDOP均值较优化前分别降低了0.28%、20.6%、7.3%与21.4%;在此基础上,将单元组网布局方案扩展至更大区域内进行仿真验证,为系统的基站组网布局方案设计给出了理论指导。2.为提高系统的定位精度与速度,本文提出了一种厘米级定位算法。针对定位算法模型的病态性问题,采用Tikhonov正则化对病态性进行矫正;利用单基站双频双天线四信号以增加接收机的观测量,使用单差载波相位观测量进行定位解算,并使用LAMBDA算法对周整模糊度进行整数固定。利用该厘米级定位算法可实现平均误差8 cm的定位精度,并与现有算法进行对比分析,验证了本算法的优越性。3.为减小系统硬件带来的定位误差,本文通过建立信号通道模型确定了收发机硬件设计与系统伪码测距偏差之间的数理关系,分析了多器件级联时测距偏差满足线性叠加的条件并进行了仿真验证;基于此,对项目收发机中的LNA、BPF进行了测试,并利用实测数据代入数理模型得出两器件级联造成的伪码测距偏差约为4.30 ns,为系统收发机的硬件设计给出了理论指导。本文通过对高精度地基伪卫星导航定位技术进行研究,为基站的组网布局与收发机的硬件设计提供了理论指导,并提出了一种厘米级的定位算法,有助于推动地基伪卫星导航定位系统的研究与应用。

关键词： 飞轮储能   电磁轴承   PID控制   遗传算法  

摘要： 在“双碳”和可再生能源利用的大背景下，储能技术被认为是解决可再生能源分散性、不稳定性以及间歇性，提高可再生能源大规模并网电能质量、电网稳定性和供电可靠性问题的有效方案。在不同应用场景下，包括物理储能和化学储能在内的各类储能技术具有不同的优势。相对于化学电池，飞轮储能系统具有高功率密度、高效率和低损耗等特点，在不间断电源和电网调频等领域有广阔应用前景。飞轮储能系统在运行过程中可能会受到外界干扰造成飞轮储能系统失稳导致设备损坏，甚至发生重大安全事故。轴向电磁轴承控制系统决定了转子轴向稳定性，本文主要针对30kJ/2kW飞轮储能轴向电磁轴承控制系统进行理论分析和实验研究，主要工作包括:　　1)推导30kJ/2kW飞轮储能轴向电磁轴承系统数学模型，对轴向电磁轴承系统数学模型进行线性化处理，求出控制系统偏置电流i、位移刚度kx和电流刚度ki表达式。　　2)类比弹簧系统“质量-弹簧-阻尼”动力学模型求出轴向电磁轴承系统动力学模型，推导出飞轮转子偏置电流、控制参数对等效阻尼和等效刚度的影响;根据30kJ/2kW飞轮储能轴向电磁轴承系统实际结构选择合适偏置电流，求出相应位移刚度和电流刚度。　　3)采用临界比例度控制算法对30kJ/2kW轴向电磁轴承数学模型进行PID参数整定;利用轴向电磁轴承系统开环相角裕度、闭环带宽与超调量、调节时间之间的关系，提出满足一定相角裕度，求解系统最大闭环带宽的适应函数，编写并运行遗传算法程序，代入轴向电磁轴承Matlab/Simulink数学模型中进行仿真验证。　　4)设计轴向电磁轴承控制系统控制板和功率板PCB电路原理图，优化功率器件，光纤器件和电源芯片等关键器件布局，并对信号线和电源线排线进行设计，提高器件之间电磁屏蔽;对轴向电磁轴承电流内环进行控制参数设计，在Matlab/Simulink中搭建相应仿真模型并进行仿真验证。　　5)编写、调试控制板PWM信号、功率板电压、电流传感器等软件程序，基于30kJ/2kW飞轮储能设备完成控制系统电流内环PI控制实验，实验结果表明设计DSP控制程序、控制板和功率板能实现内环电流跟踪;采用抽A4纸方法对位置外环电涡流位移传感器进行校正，控制系统能够准确显示金属盘位置。

关键词： 新能源汽车   整车控制器   UDS协议   XCP协议   测量与标定   Bootloader下载  

摘要： 随着新能源汽车的普及,汽车新四化进程的加快,汽车产品迭代周期缩短,行业对汽车ECU的开发效率要求也越来越高,与此同时,基于智能驾驶,汽车网联化的需要,对ECU安全性和易用性也提出了更高的要求。整车控制器作为新能源汽车众多ECU中的重要部件之一,目前国内高校对整车控制器的研究普遍针对其某一特定技术展开,缺少对其软硬件设计,诊断协议及标定协议及周边工具链系统性研究的成果。本文基于恩智浦MPC5744P微控制器设计了一款用于快速验证整车控制策略模型的整车控制器,通过对整车控制器代码分层架构和ISO 14229、ISO 15765、XCP等协议的研究,搭建了Simulink控制策略的集成框架,编写实现了:底层驱动、UDS诊断协议,XCP标定协议及代码集成、Boot Loader、A2L集成等周边工具链。硬件设计上,通过多次设计迭代,满足了整车控制器对新能源汽车数据采集和控制及实验室台架的定制化测试需求,不仅包含整车控制器常规的模拟输入采集接口、数字输入输出接口,PWM捕获及输出接口,CAN和LIN通信接口,还实现了实验室台架测试所需的温度采集及模拟输出等接口。软件设计上,通过对UDS及XCP协议的研究,首先,实现了UDS协议以满足了车辆诊断及OTA升级需求,并设计实现了基于UDS协议的Boot Loader上位机;同时加入XCP协议的支持,使得本文设计的整车控制器可使用INCA标定软件对控制器的参数进行实时测量和修改,以满足整车控制策略开发的标定需求。由于控制策略部分C代码使用Simulink模型生成,本文还为此设计了代码集成工具,用以集成底层基础软件与控制策略代码。论文最后,对本文设计的整车控制器进行了测试与验证,对其UDS下载、XCP标定、等软件功能及硬件接口进行系统测试与验证,配合企业合作方完成车辆改装和实车测试。测试结果表明,本文研究成果满足整车控制策略的开发验证需求并稳定运行。

关键词： 长基线定位   水声定位浮标   OMAP-L138   FPGA  

摘要： 本文以长基线合作目标水下定位系统为背景,针对浮标定位系统的实际工作原理及过程分析出系统的功能需求,并分析传统定位浮标的不足之处,在此基础上提出小型水声定位浮标的相关设计方案。接着对系统中的处理器So C、FPGA等芯片及其他相关功能模块进行选型。最后对方案中具体的软硬件设计过程及方法进行了详细的叙述。本文所设计的小型水声定位浮标可以分为模拟接收机单元及信号处理与数据通信单元。系统中模拟接收机单元实现了将水听器产生的差分信号转换为单端信号,并将转换后的信号进行前级放大、带通带通滤波、后级放大及光耦隔离处理。最终得到低噪声且幅值合适的模拟原始信号,供信号处理与数据通信单元进行采样及后续的处理操作。信号处理与数据通信单元负责信号的处理、原始数据的存储及与显控平台之间的数据/指令通信,该模块采用Xilinx的Spartan-6系列FPGA实现了对3路水听器原始信号的采集、缓存,并通过u PP接口发送给So C进行处理。以及通过GPS秒脉冲校准后的同步脉冲实现了系统的同步功能。本文采用的So C为TI公司的OMAP-L138,该So C将ARM处理器与DSP相结合构成双核架构。其中的ARM处理器运行Linux操作系统,通过Linux系统的多进程调度功能实现了与FPGA间的数据通信、与显控间的网络指令数据交互及浮标GPS位置坐标记录及数据存储等功能。DSP核主要负责对原始信号进行信号检测与时延估计处理,并通过中断异步通知与共享内存等方式实现了与ARM核之间的核间通信功能。最后通过ARM核将DSP的解算结果与GSP定位数据进行打包处理并通过无线电台上传至显控平台,实现了定位系统中浮标基元的基本功能。本文最后对系统中的模拟接收机单元及信号处理与数据通信单元中主要部分的软硬件功能进行了功能测试并给出了测试结果与分析,最终验证了浮标系统的软硬件设计方案的稳定性与可靠性,满足设计需求。

关键词： SLAM   AMCL   FPGA   A*   硬件加速  

摘要： 近些年来,同步定位与建图(Simultaneous Localization and Mapping,SLAM)技术在算法、硬件等方面都有着显著的发展,产生了广泛的应用,包括送餐机器人、扫地机器人、自动驾驶等,然而,SLAM技术的高计算复杂度限制了它在硬件上的实现。现有的用于SLAM技术实现的主流硬件平台(包括CPU、嵌入式ARM系统等)算力有限,对于高复杂度的SLAM算法,无法达到较好的实时性和较低的计算功耗。因此,本文针对SLAM中的定位导航关键技术,设计了面向SLAM的高能效定位导航硬件加速器,通过算法与硬件的协同设计,在满足定位精度需求的同时,达到了较高的能效。本文的主要内容如下:首先,分析了SLAM技术的国内外研究现状以及整体的发展趋势,并介绍了SLAM中定位导航算法的基本原理。其次,针对现有主流SLAM定位导航算法(AMCL定位算法和A*导航算法)存在的问题进行了分析和优化设计,提高了定位精度,降低了计算复杂度,并分析了算法各个部分的计算复杂度及其占比情况,为后续的软硬件协同设计提供基础。随后,针对优化后的定位导航算法,设计了基于FPGA的高能效定位导航硬件,将计算复杂度较大的算法部分映射在FPGA的PL(可编程逻辑)部分实现对其的加速,将计算复杂度较小以及灵活度较高的部分实现在FPGA平台的PS(处理器系统)部分,并提出了基于乒乓存储的粒子读取技术,双并行流水激光数据计算技术,基于数据缓存的似然域模型计算技术等,提高了硬件计算速度,降低了计算能耗。最后,对设计的高能效定位导航硬件加速器进行了测试与分析,并与CPU和嵌入式ARM系统实现的定位导航硬件进行了对比。相比于后两者,本文设计的定位导航硬件加速器在保持同样的定位导航精度的情况下,大幅提升了计算速度,并降低了计算功耗,具有低延时,高能效的优势。可以应用于基于SLAM技术的移动机器人、自动驾驶等应用。

关键词： 高采样率   深存储   通道同步   marker功能   任意波形发生器  

摘要： 为满足各行业提出越来越高的测试要求,任意波形发生器正朝着高采样率、深存储和通道精确同步的方向不断发展。本课题以10GSPS双通道任意波形合成模块的硬件设计为目标,重点解决设计中面临的高速大容量存储、高速数据传输接口同步以及宽带高分辨率时钟合成等方面的技术难题。主要工作包括如下:1、总体方案设计。通过分析DDFS和DDWS两种波形合成技术对存储器的访问特点,结合本课题4G样点每通道的存储要求,在对比多种存储器性能的基础上选择DDWS实现波形合成,并确定“FPGA+DDR3 SDRAM+DAC”的系统框架;针对宽带高分辨的采样时钟要求,采用DDS激励PLL的时钟合成方法,实现2.5GHz～5.0GHz频率范围和100Hz分辨率的指标要求;针对DDR3 SDRAM的复杂读写控制和数据读取不连续问题,采用存储器接口控制IP核与异步FIFO相结合的数据读取与处理方案,将DDR3 SDRAM的输出处理成均匀、连续的数据流;针对通道精确同步要求,通过分析多片JESD204B接口DAC的同步需求,并设计基于JESD204B确定性延迟的DAC同步方案;针对精密延迟与大动态调节范围要求,设计基于波形数据点粗调和采样时钟精调的通道定时方案,实现250fs延迟步进和±2ns延迟范围的指标要求;针对400ps脉宽且可同步marker信号的合成与调理,选择与波形数据源同源的数据标记合成法合成marker信号,并设计“延迟线+Pin Driver”的高速信号调理方案。2、硬件电路设计。根据12.5Gbps的通道速率计算出JESD204B关键链路参数,并完成DAC——AD9166与FPGA——XCKU060之间的收发端电路设计;通过扇出器HMC7044合成DAC同步所需的关键时钟,并等长分配至2片DAC与FPGA;通过抖动衰减器Si5319与PLL芯片ADF4355,对DDS芯片AD9954输出的12.5MHz～25MHz进行200倍频得到小于100Hz分辨率、2.5GHz～5.0GHz的采样时钟;通过HMC7044延迟功能和延迟线HMC911,实现采样时钟在25ps内的250fs延迟精调;通过高速引脚驱动器ADATE209和延迟线SY100EP196V,分别实现marker信号-0.5V～1.7V的幅度控制、±2ns的延迟范围和±25ps的同步偏差。经测试与验证,设计的波形合成模块具备10GSPS采样率、每通道4G样点波形存储深度、同步偏差小于25ps、±2ns的延迟范围和250fs的调节精度;marker信号达到400ps脉宽、-0.5V～1.7V输出幅度、±2ns的延迟范围和±25ps的同步偏差。

摘要： 简述SRT列车是城市轨道交通车辆多样化的一种，可以充分利用现有道路设施，具有工程造价低、建设周期短的特点，能够降低建设成本。相比传统公交车，SRT列车采用多铰接式车间结构，可降低30%的能源消耗及40%的道路磨损，并且相比小运量的汽车产品具有载客量数倍的优势，成为城市公共交通的有益补充，具有潜在的市场推广前景。人机交互系统作为SRT列车的主要监视设备，采用一体化液晶显示屏（HMI）安装于司机室内的司机操作台，给司乘人员实时显示列车实时状态与故障信息，并记录保存列车故障信息供列车回库检修，HMI实物图见图1。

关键词： 神经网络   脉冲神经计算单元   集成电路  

摘要： 神经网络是人工智能算法中的核心组成部分,通常具有复杂的网络结构。目前神经网络进入了快速发展的阶段,大量研究成果呈井喷状不断涌现,已有大量的神经网络模型被先后提出,在图像识别、语言处理、金融预测等领域实现了广泛应用。但随着研究的深入发展,不断加深的神经网络层数使得运算量急剧增长,传统的硬件平台因算力有限已经逐渐成为限制发展的瓶颈因素,因此进行神经形态芯片的研究十分重要。本文首先介绍了神经元建模、神经网络搭建等基础理论部分,然后概述了本设计的算法部分中所采用的神经网络参数压缩方法,其中包括神经网络的剪枝和参数的量化。由于离散信号组成的脉冲序列具有不可微分的特性,脉冲神经网络无法采用传统的梯度下降监督算法进行训练,目前仍无成熟高效的通用训练算法,因此本设计使用了从卷积神经网络向神经网络映射的方法,即先训练好监督算法成熟的卷积神经网络,再将参数映射到脉冲神经网络中,并使用交叉熵来对映射前后参数序列的相似性进行衡量,使映射造成的误差尽可能小。映射得到的脉冲神经网络可以由所设计的脉冲神经计算单元进行实现。接下来详细介绍了所设计的脉冲神经计算单元,根据抽象得到的数学公式,将其分为输入汇聚子模块和神经脉冲子模块两个部分。其中,输入汇聚子模块通过硬件实现,神经脉冲子模块通过微码实现,并设定了专用指令集以实现高效运行。随后对脉冲神经计算单元进行了功能仿真验证,结果符合设计预期。最后对脉冲神经计算单元进行了逻辑综合和布局布线,得到了时序收敛的结果。本设计通过硬件和微码进行实现,同时使用硬件调度微码,在灵活性和复杂度间进行了平衡,解决了硬件调度灵活性差、软件实现效率低的问题。其中微码实现了神经运算单元运算过程的加速,硬件实现了另一部分的运算加速以及进行整体的调度。微码部分具有专用的指令集,可以灵活映射多种脉冲神经元模型。本设计既可以映射经典脉冲神经网络,也可以映射本设计中由卷积神经网络转换的脉冲神经网络。

关键词： 力矩传感器   驱动器   硬件设计   电机  

摘要： 进入二十一世纪,自动化控制成为热潮,自动化控制核心是电机驱动。电机驱动器性能的优劣,直接影响搭载设备在工作当中的精准性,实时性以及实用性,影响搭载电机的设备的控制效果、驱动能力、工作效率。目前大多数的电机驱动器都是以小型单片机作为“内核”,即主控制芯片,在驱动器工作时其数据传输与交换速率有限,导致电机的运动控制精度受限。在硬件设计上大部分采用电机驱动模块与电机控制模块分离的设计,会导致电机驱动器的体积较大,电路复杂,一定程度上浪费了结构空间,也导致了芯片功能的浪费。为了更加准确的反馈传感器控制效果,我们也要添加外部传感器对驱动器控制效果进行反馈。所以设计一款结构简单、控制性能稳定、驱动模块和控制模块一体的小型电机驱动器具有较高的实用价值。针对驱动器应用场合,对无刷直流电机的工作原理进行分析,根据驱动场合对无刷电机驱动器的控制要求以及技术参数,设计基于电容式关节力矩传感的驱动器的总体设计方案。根据本文驱动器应用场合。对其电路设计进行介绍,其硬件设计包括主控制模块及其外围电路、高集成度的功率模块、电源模块、采样模块等电路。同时由于该驱动器应用场合为足式机器人,还设计了一款基于霍尔传感器的电源控制器配合使用。针对驱动器和电源控制器重要部分做抗干扰保护,对驱动器和电源控制器的硬件性能做相关分析。针对电机驱动器设计外部反馈部分,即对电容式力矩传感器进行设计,包括传感器的外观结构,内部电路,以及驱动程序。在此基础上,搭建相应的测试平台对电机驱动器硬件电路、霍尔传感器电源控制器与电容式力矩传感器进行实验研究和仿真分析。并对实验结果进行分析,实验结果表明,电机驱动器、电源控制器、均实现了预定功能,达到了预期效果。电容式关节力矩传感器实验和仿真表明,其数据采集理论合理,结构设计较为合理。

关键词： 双路径功率分析仪   高精度   大带宽   调理电路   优化设计  

摘要： 电子信息行业与新能源行业的迅猛发展,使得兼具功率测试和瞬态信号分析的功率分析仪高速发展。电子信息行业的低功耗发展趋势与新能源的快速充放电特性都对功率分析仪提出了更高的要求。本文以高精度、大带宽和广测量范围为核心,就双路径高精度功率分析仪硬件设计与实现展开研究,主要研究内容如下:(1).电压/电流采集方法设计与优化。电压采集方面,通过对比主流电压采集方案,分析其优劣势与使用场景,结合本设计需求采取阻容分压方案。针对此方案存在的电阻电容寄生参数、电容容值误差和PCB堆叠产生的寄生电容,理论与COMSOL仿真结合分析其影响。采取PCB布局优化削弱寄生电容与多级可调补偿电容的组合方式,确保阻容分压网络的高精度,后接电压跟随实现电路的阻抗匹配。电流采集方面,同样在比对主流电流采集方案后分析各自优劣势与使用场景,结合本设计需求选取多路采样电阻采样的方式。针对此方案存在的采集信号弱与温漂问题,低侧采样与差动放大结合的方案,提高电流采集的共模抑制比;散热和温漂难题,则通过选取散热片与独立电流采集小板形式,使其得到有效改善。(2).信号调理电路设计。在满足高精度和大带宽的前提下为采集信号设计调理电路,将其调理至ADC输入范围内实现采样量化。包括程控增益电路、ADC选型、单端转差分ADC驱动电路。设计满足带宽要求的高精度程控增益电路,反馈电阻并联小电容以实现滤波、相位补偿和寄生电容补偿;在分析ADC关键指标后结合成本考量进行选取,并对选取的ADC设计低delay slew驱动电路,并仿真获得其delay slew;针对高精度要求,分析噪声来源,结合噪声叠加和传递,计算电路等效输入噪声,结合仿真验证设计的合理性。(3).功能电路设计。设计了双路径采样电路、电源管理电路、隔离(电源/信号)、过压/过流保护电路和测频电路。相比传统单路径测量,双路径滤波采样电路同时获得待测信号的宽频带与窄频带信息,极大提升测量精确度;电源管理包含AC/DC、开关电源(隔离型/非隔离型)和LDO,三者结合完成整体电源架构设计;电源隔离利用隔离型开关电源实现,信号隔离实现模数隔离以避免信号间相互干扰;过压/过流防护保证系统安全运行;频率测量电路则在带宽指标内实现频率测量功能。最终,进行详细的验证测试,测试结果表明精度指标、带宽指标与各项功能达成预期目标。