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关键词： SRing   随机冷却   pickup/kicker   周期性陷波滤波器  

摘要： 强流重离子加速器装置（HIAF）的重要实验平台高精度环形谱仪（SRing）将建造随机冷却系统,用以和电子冷却相结合快速降低次级束横向发射度及纵向动量分散,制备高品质放射性次级束,完成相关核物理、原子物理实验。本论文主要内容为随机冷却系统关键硬件pickup/kicker的仿真优化设计以及用于束流纵向冷却的陷波滤波器的搭建与测试。论文在完成国内外束流随机冷却系统的调研之后,介绍了随机冷却原理及硬件组成,详细讨论了随机冷却系统pickup/kicker的具体作用及设计指标,介绍了分路阻抗概念。利用高频结构仿真软件（HFSS）分别仿真模拟并优化了slot-ring结构和Faltin结构的分路阻抗。结果显示slot-ring结构有更高的分路阻抗,更适用于高β束的冷却,但其为一驻波谐振腔结构,有较多的信号输入/输出端口,需要更多的配套信号放大器,成本较高。而Faltin结构为一周期性开槽的行波结构,端口数目少,更适用于在高流强环境下使用。此外设计并加工实测了与slotring结构相匹配的十六路合路器/功分器,测试结果显示该合路器/功分器具有各端口输出幅度平坦度好、隔离度大、插入损耗低、电压驻波比小等特点,满足随机冷却系统使用需求。最后阐述了随机冷却系统陷波滤波器的设计搭建与测试结果。其中同轴陷波滤波器搭建方便并且造价低,但带宽内整体陷波效果较差,在带宽两端陷波深度较低,通过设计加入均衡器后有较大改善。而光纤陷波滤波器带宽内陷波效果整体较好,整体陷波深度大于45 d B,但价格较高,同时需要使用稳相光纤及恒温箱结构防止其陷波随温度变化而产生漂移情况。

关键词： 电力巡检机器人   融合导航算法   硬件设计   软件设计   图像处理  

摘要： 随着我们国家的工业迅速发展,对电力能源的需求也随之快速扩张,维护电力系统的稳定运行显得尤为重要。目前,变电站、发电厂这些电力系统关键部分的巡检维护均采用人工巡检方式,传统人工巡检方式面临诸多问题,为解决这些问题,本文研制一套电力智能巡检机器人系统,以此替代传统人工巡检方式。首先,根据变电站、升压站等电力关键场所进行实地考察,分析各种电力环境的巡检需求,确定机器人的运动性能参数与智能巡检机器人的功能需求。将巡检机器人分为结构设计、导航方法、硬件设计和软件设计四个部分,并确定各个部分的总体设计方案。其次,机器人导航采用拓扑图法对实际电力环境进行地图构建,结合Floyd路径规划算法实现环境内最短路径搜索。针对目前常用路径跟随算法精度低、稳定性差等问题,提出一种将视觉与激光融合的导航与定位算法;在导航过程中,分别对视觉和激光导航方法的准确性进行评判,并对评判结果归一化处理,根据评判结果将两种导航方式进行融合,得到更准确、稳定的机器人位姿信息。再次,对智能巡检机器人硬件系统中轮式机器人平台、导航与控制系统、机器人充电房三个部分进行设计。在此硬件平台上,制定机器人工作流程,并开发运行于嵌入式平台的导航控制软件、运行于人机交互计算机的上位机软件、运行于后台服务器的图像识别算法。最后,对导航定位方法、红外图像设备识别算法、可见光表计识别算法进行实验,得到量化的效果数据。并且对系统各个模块进行软硬件联调,在变电站、升压站进行现场测试,验证本文研制的电力智能巡检机器人系统的可行性、稳定性和实用性。

关键词： 时序控制器   帧过驱动   递归过驱动   误差滤除   显示驱动  

摘要： 随着人们对更高的显示品质和更好的显示效果的不断追求,包括高帧频、高亮度、高清晰度、高色彩饱和度等,故而对显示驱动TCON(Timing Controller,时序控制器)内嵌图像处理算法的研究提出了更高的要求。FOD(Frame Overdriving,帧过驱动)综合算法模块对于提高显示屏的显示效果和显示品质具有重要的作用,本论文针对FOD综合算法模块进行研究和改进,以期能够提高显示屏画面的清晰度,改善亮度,滤除数据误差,并满足可选择不同帧频率等需求。本论文对显示驱动TCON内嵌图像处理算法中的FOD算法提出了一种综合算法优化方案并完成硬件设计,包括以下内容:1.提出一种改进型ROD(Recursive Overdriving,递归过驱动)模式算法优化方案,此方案可以极大程度上解决一般FOD模式算法进行OD(Overdriving,过驱动)操作之后,其显示的实际效果并不能够达到预期显示效果的问题。OD操作正确率可达98%以上。2.提出一种增量值模式算法优化方案。本文分别设计了目标值模式和增量值模式,其中增量值模式有效提高了系统数据精度。3.提出一种变频模式算法优化方案。为了实现FOD算法满足不同帧频率的目标,本文分别设计了定频模式和变频模式,定频模式中的频率由输入频率决定,变频模式中的频率拥有两种不同的频率区间、不同的频率步长和取值。在75Hz～200Hz帧频率之间,变频模式可对任意帧频率下的图像像素数据进行FOD算法处理,目前已达到国内先进水平。4.提出一种Filter(误差滤除)模块算法优化方案。本文设计与实现了OD-Filter模块算法,使其在进行误差滤除和实现静态区域精确检测的同时,不会造成真实的运动区域误判,保证OD效果。最终,本文进行了软件测试和硬件仿真波形的验证。软件测试实验结果表明,对于像素值发生变化的像素点,系统都进行了OD操作并确保其结果无误,硬件仿真实验结果表明,本文硬件系统满足时序以及总线协议等要求,并且数据结果无误。本论文研究的FOD综合算法可使目前市场主要使用的LCD显示屏和硅基OLED显示屏的性能实现了极大的提升。主要体现在解决以下问题:1.对于LCD液晶显示屏而言,过快的帧刷新率可能会导致下一帧帧像素值达不到当前值,而FOD算法可以调整参数以加快GTG(Gray-To-Gray,灰度值变化)的响应时间,并且OD操作能够产生更高清晰度的显示画面。2.对于硅基OLED显示屏而言,OLED显示屏像素充电慢,导致移动画面在交界处亮度很弱,而FOD算法可以给予OLED显示屏像素驱动电路较大的电压驱动,从而解决亮度较弱的问题。

关键词： 超宽带合成孔径雷达   数字采集系统   硬件设计   传输链路   数据预处理  

摘要： 在超宽带合成孔径雷达中，为获得距离向高分辨率，需增大雷达信号的带宽。而随着信号带宽的增大，超宽带雷达系统对信号采集的性能要求也不断提高。数字采集系统需要更高的采样率和采样带宽才能完成更大带宽的信号采样，随之而来的是更高速的数据传输需求和更大容量的数据存储需求。为满足高速信号采样和高速数据传输的需求，本课题设计并实现了超宽带雷达数字采集系统。主要研究内容如下:　　首先，根据本课题的设计需求，在VPX6U标准板卡上，以Xilinx公司KintexUltraScale系列FPGA为控制核心，采用TI公司的超高速模数转换器ADCl2DJ5200RF作为信号采集芯片，组成FPGA+ADC的数据采集结构，并以此来选择合适的芯片和器件，搭建超宽带雷达数字采集系统，对各部分硬件模块进行设计，给出系统的总体硬件设计方案。　　其次，介绍了JESD204B标准规范，并基于JESD204B子类1进行信号采集部分的设计，完成时钟链路方案的设计，在FPGA上实现对各个芯片的配置、对JESD204B传输链路的控制以及对采样数据的预处理，从而实现超高速的信号采集。　　然后，基于PCIe Gen3.0设计了与存储计算机之间的高速数据传输，并设计了两组大容量的DDR4以乒乓传输的方式对采样数据进行缓存。　　最后，对本文所设计的超宽带雷达数字采集系统进行了测试与验证，测试结果表明该系统能够实现分辨率为8位的两通道9.4GSPS或四通道4.7GSPS信号采样及高速数据传输，性能达到设计指标需求，具有良好的工程应用价值。

关键词： 呼吸状态检测系统   硬件设计   软件开发   呼吸音   血氧饱和度  

摘要： 呼吸是人体进行代谢循环的重要过程，该过程可以反映人体的健康情况。患有呼吸问题的病人由于呼吸道腺体不受意识控制、异物或者其本身肺部病变等原因会出现呼吸异常，因此通过呼吸状态可以判断导致病人出现异常呼吸的病理原因。目前对于呼吸状态的检测一般是专业的医护人员通过听诊器对肺部进行听诊，在此过程中听诊结果的准确性往往取决于医护人员的专业经验和相关参数。　　本文旨在对人体呼吸状态相关生理参数和检测技术进行研究，进而去寻找可以实时检测并且判断呼吸状态的方法。通过分析异常呼吸的病理表现，提出了结合呼吸音和人体血氧饱和度来判断人体的呼吸情况的方案。通过使用多模块组建的方式搭建了测试和研究系统，该测试研究系统包括：硬件设计和软件设计。通过使用模块搭建方式的硬件设计可以快速方便的搭建硬件测试平台。这种方式可以省去电路设计的麻烦并且可以快速排查电路出现损坏的原因。软件设计主要包括采集光电脉搏波信号和呼吸音信号的传感器驱动、处理语音信号的芯片驱动、主控芯片驱动和硬件数据处理算法，除此之外，还包括处理呼吸音信号和计算血氧饱和度的可视化上位机程序。　　使用搭建好的测试系统进行实验验证及测试，结果显示：使用自制和改良后的血氧传感器均可以检测到较为准确的人体血氧值，其中改良后的传感器采集的血氧值与血气分析仪得到数据误差仅有 2.31%。通过聚偏二氟乙烯（Polyvinylidene fluoride，PVDF）传感器采集的微弱呼吸音经过 K 最邻近分类之后的二分类平均识别率可达96.56%，种类较多的四分类平均识别率为89.84%。最后对慢性阻塞性肺疾病（Chronic Obstructive Pulmonary Disease，COPD）患者同时采集和分析血氧饱和度和呼吸音类型，发现 COPD 患者的血氧值一般低于96%，同时COPD患者在呼吸过程中会出现各种异常呼吸音。综上来看，通过结合血氧值和呼吸音的识别结果，该测试系统可以大大提高医护人员对病人呼吸状态的识别正确率并且可以减少医护人员漏诊、错诊和延误等情况。个人也可以根据识别的结果更好的监测自己呼吸的健康状况。

关键词： 坐标测量系统   硬件设计   软件开发   误差补偿  

摘要： 现代制造业对工件制造精度的要求逐渐接近机床的加工极限，传统单次加工的方法成品率较低。集加工、检测为一体的自动化工艺系统不仅提高了工件的加工速度，还能通过误差软件补偿的方式提高工件的加工精度，工件加工误差软件补偿是通过修改加工代码的方式来修形，能以较低的成本实现工件加工精度的提升。为提升以球面为代表的高陡度曲面零件的加工精度，本文将传统车床与三坐标测量机进行集成，研制一款专用于球面加工—检测—面形误差补偿的自动化加工补偿工艺系统。主要内容包括：　　首先，完成了自动化加工补偿工艺系统的硬件集成。在现有车床的基础上引入工件转移装置，实现工件在机床与测量机快速转移，同时为了实现工件的精准定位，在机床主轴与测量机底座上引入零点快换系统;设计自动化总控系统的方案，实现机床、工件转移装置与测量机集成控制;三坐标测量机作为系统中的关键部件，为提高测量机测量精度，建立三坐标测量机误差补偿模型，对测量机的几何误差与温度误差进行补偿，实现测量机测量精度的提高。　　然后，分析球面加工误差测量与补偿原理，设计能实现球面工件误差测量与补偿功能的总控软件。对球面的测量路径和密度展开分析，确定合适的测量路径与测点密度;通过编写面形拟合算法实现测点数据的加密，得到完整的球面工件面形误差数据，在此基础上对球面工件的对刀误差和面形误差展开研究，分析两种误差的补偿原理;编写软件并实现球面工件的自动加工与误差补偿。　　最后，开展加工实验，验证自动化加工补偿工艺系统对球面工件误差补偿的有效性。将测量得到的工件实际面型数据进行拟合，计算出工件的对刀误差和面型误差，对这两种误差进行补偿加工，提高工件的加工精度。　　本文研制了针对球面工件加工的自动化加工补偿工艺系统，对球面工件的测量轨迹进行规划，提出了兼顾精度和效率的测量方法;建立了球面对刀误差的计算模型;提出了使用样条插值算法进一步加密测点数据并修改数控代码实现修形加工的方法，通过实验证明了误差补偿方法的有效性，提高球面零件的加工精度。

关键词： 实境脑电   硬件设计   事件同步   架构设计   热舒适  

摘要： 脑电作为一种非侵入式的大脑神经功能成像技术,反映了人脑对外部世界的感知。传统的基于高度受控条件下的脑电研究成果,在外界环境复杂且动态变化的现实生活场景中,不再具备生态有效性(Ecological Validity)。然而,当前基于现实场景的实境脑电(Real-World EEG)研究,受限于脑电采集系统软硬件的局限性,难以配合跨领域研究者对感兴趣的科学问题展开充分的研究。本文着眼于面向实境脑电的采集系统,对系统目前尚有欠缺的若干关键技术进行了研究,实践了跨领域的系统工程构建方法,设计了分层的脑电采集系统的硬软件系统架构,并通过研究实例验证本文提出的系统实现方法的可行性。首先,本文采用模块化设计思路设计了面向实境脑电采集的设备层。以片上系统(SoC)芯片为核心,结合电源路径管理,无线硬件同步技术,研制了适用于实境脑电的低功耗便携式的脑电采集设备主机,以及具有广播和单播功能的精密无线事件同步子系统。通过对脑电采集设备核心嵌入式软件架构的设计,使得脑电采集设备层能够支持多模态的硬件拓展。通过测试,脑电采集设备主机符合国家标准的性能要求。系统重点设计并验证了无线事件同步子系统,证明其具备μs级的同步精度,满足实境脑电研究中跨设备同步以及环境事件同步的多种同步需求。其次,本文采用Web技术对面向实境脑电的采集平台层进行优化设计。采用分离式架构,提出设备代理的新概念,对于不同厂家、不同硬件规格的设备,由不同的设备接入代理适配接入,并由其实现数据格式的转换,进而实现了统一的工作流的构建。最后,基于本文所设计的脑电采集系统,就建筑热舒适领域中瞬变热环境这一典型现实生活场景展开了基于脑电的相关研究,并运用功率谱密度分析、脑地形图分析以及统计学分析方法对瞬变热环境中人体热舒适的脑电表征进行分析。结果表明,瞬变热环境中脑电的变化与人体热舒适的变化有良好的线性关系;脑电与皮肤温度多模态结合分析,是研究现实生活场景中人体热舒适相关生理参数表征的有效手段。本文研制的脑电采集系统可以满足实境脑电研究的诸多定制化需求,为当前跨学科领域的实境脑电研究提供了便于扩展的基础平台支持。

关键词： 配电自动化   配网终端   硬件设计   软件设计  

摘要： 配网终端是配电网自动化的重要组成部分,主要采集实时运行信息上送给主站,同时接受主站指令对设备进行控制,其安全性将直接影响整个配电网的可靠运行。CPU芯片是配网终端的核心,但是目前采用的CPU芯片大多没有实现国产化,容易遭受来自国外的技术封锁,从而被“卡脖子”。为了解决配网终端的自主可控,实现核心芯片的国产化,对保障电网的安全运行具有至关重要的意义。配网终端具有采集、监测、控制等功能。为了实现配网终端的自主可控改造,在硬件上选择了自主可控的全志T3芯片,在操作系统上使用了完全开源的Linux。基于全志芯片,设计了CPU板件,各板件之间采用并行总线互联,保证板件之间的传输速度,确保保护装置的可靠性。软件方面,采用了完全开源的Linux,开发了和板件相适配的驱动程序,并完整的实现了配网终端的所有功能。对所研制的配网终端进行了全面的测试,测试结果表明配网终端能够可靠运行并准确实现各个功能。电力设备中频率偏移会导致交流量计算结果产生偏差,针对频率偏移问题采用频率跟踪,不定周期采样的方式进行处理。本装置提出了一种新思路,即采用固定采样周期方法,对不同频率下的输入信号进行拉格朗日插值实现每周波的固定点数采样,然后采用傅里叶变换计算各次谐波分量。从理论上分析了该种插值方法对谐波幅值计算结果的影响,并推导了最大误差,通过MATLAB仿真平台验证理论的正确性。装置的测试结果也表明了理论分析的正确性和新方法的可行性。

关键词： SM2密码算法   素数域   改进Montgomery算法点乘运算   功耗分析攻击  

摘要： 现如今物联网设备正逐渐融入到人们的生活中,使得我们的生活变得更加便捷,如:智能摄像头、智能汽车、智能机器人等。但随着大量物联网设备出现,这给信息攻击者提供大量的窃听机会,这对物联网设备的安全芯片的安全性提出更为严格的要求。因此,针对面向物联网设备的安全芯片,我们首先考虑其采用的密码算法安全性,接着是安全芯片的硬件资源成本,最后是安全芯片的性能。在设计中,若遇到安全性与资源冲突时,需增大硬件资源消耗以满足安全性;若遇到资源与性能冲突时,需牺牲性能以满足轻量级的要求。在众多密码算法中,我国自主开发的首款非对称密码算法——SM2密码算法正满足上述要求。在密码算法发展的同时,攻击者对密码算法攻击力度及手段也不断升级,以破译安全芯片获取信息。其中功耗分析攻击破译安全芯片的效率,对安全芯片威胁最大。因此,SM2密码算法的轻量级实现及抗功耗分析攻击能力的设计对物联网的发展有着巨大的推动力。本文分析了 SM2密码算法中公钥生成,即椭圆曲线上的点乘运算在遭受功耗分析攻击时的容易将私钥还原出来,成为SM2密码算法安全性的薄弱点。同时,椭圆曲线运算效率直接影响着SM2密码算法的性能,这也是SM2密码算法硬件实现的关键点。因此,本文针对面向物联网设备的安全芯片设计一款具有抗功耗分析攻击能力的轻量级SM2密码算法硬件电路。本文主要工作特色和创新点如下:采用自下而上的设计思想完成的硬件设计与功能仿真验证。为了提高算法安全性,本文提出二进制拓展Euclidean算法负模逆运算。并设计出了一款素数域模逆、负模逆兼容的运算模块,以降低硬件资源的消耗;采用坐标轴随机化处理方案改进了 Montgomery算法点乘运算同时具有错误注入攻击防护能力,并且联合Prime Time功耗分析工具与Matlab数据分析工具对设计改进Montgomery算法点乘运算进行功耗分析攻击测试,测试结果表明其具有抵抗攻击分析攻击能力。采用TSMC 28nm工艺库,在400MHz频率要求下完成逻辑综合,面积报告表明SM2密码算法核心运算逻辑面积约为31000μm2,这满足了轻量级的设计规格要求。对比同类型文献报道件资源消耗,本文设计的硬件电路降低了 70%的硬件资源消耗,突出了该电路轻量级的特点。

关键词： 油气管道   杂散电流检测   磁通门传感器   硬件设计   软件设计   实验样机  

摘要： 油气管道被称为我国能源的“生命线工程”。杂散电流是造成油气管道外腐蚀,影响油气管道安全运行的重要因素之一。随着近些年埋地钢质管道与电气化铁路、高压输电线路等干扰源出现并行或交叉的状况增多,形成“公共走廊”,杂散电流的危害也日渐严重。针对目前国产杂散电流检测设备存在功能单一、抗干扰能力差、智能化程度低等问题,本文提出了一种对国外SCM检测技术进行国产化改进并集成多种检测技术的油气管道杂散电流检测仪。围绕杂散电流检测仪的关键技术,本文主要完成了以下四个方面的工作:(1)推导油气管道杂散电流检测仪的检测原理。通过电磁场理论和Maxwell软件建模对管道上杂散电流产生的磁场进行定性分析,提出由六个高精度的三分量磁传感器组成传感器阵列的方案,并在此基础上建立杂散电流磁场值和电流值的数学模型。(2)完成油气管道杂散电流检测仪的硬件功能设计。首先进行传感器选型设计,选用F902高精度三轴磁通门传感器作为磁传感器,选用便携式硫酸铜参比电极作为电位传感器;其次,进行模块化硬件电路设计,包括信号调理模块、信号采集模块、主控模块、存储模块、远程通信模块、LCD显示模块、试片断电法控制模块、电源及其转换模块等;最后,进行杂散电流检测仪的外观结构设计。(3)完成油气管道杂散电流检测仪的软件功能设计。下位机软件设计是基于MDK5开发环境,使用STM32函数库进行模块化编程开发;上位机软件设计是通过Lab VIEW和Qt分别搭建电位信号和磁场信号上位机平台;远程云平台基于B/S架构,采用前后端分离方式进行开发。(4)搭建油气管道杂散电流检测仪实验样机,并完成样机测试和实验。结果表明:本文所研制样机可以对多个杂散电流评价指标进行检测,其中,管地电位、交流干扰电压和土壤表面电位梯度的测量误差低于0.1%,满足标准要求;检测精度约为35m A@1m,即埋深1m时能够检测到的最小杂散电流约为35m A。