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关键词： OTDR   低成本   变分模态分解   差分累加  

摘要： 光时域反射(Optical Time Domain Reflection,OTDR)技术凭借其单端检测的优势可在光纤铺设沿线分布式测量多种信息,广泛应用于周界安防、大型基础设施的健康监等领域。但现存的高精度OTDR长期被国外垄断且价格昂贵体积巨大;此外传统的OTDR应用平均技术进行事件定位,采集数据量大,工作效率低。课题针对上述问题,设计并研发了一套低成本、小型化OTDR系统,并提出了利用差分累加算法进行异常事件的定位、利用变分模态分解算法对OTDR信号进行去噪处理的检测方案,实现了光纤沿线上异常的弯折事件和断裂事件高效定位。论文完成的主要工作包括:首先,在分析现存OTDR设备存在问题及工作机理基础上,设计并研制了一套低成本小型化的OTDR检测设备,其中包含脉冲激光发射模块、光电转换模块、数据采集模块、数据传输模块和上位机。在制定方案和器件选型方面以低成本、小型化为原则,并设计了印制电路板、进行了电路焊接和调试、编写了硬件电路程序。再次,研究了基于差分累加的事件提取方法,并针对OTDR信号中噪声严重导致定位困难的问题进行了去噪技术的研究。通过仿真对比分析了多种去噪算法的效果表明,变分模态分解去噪算法具有最好的完备性和正交性,有效抑制了经验模态分解算法中的模态混叠和伪分量,信噪比更高;且处理效率更高,计算时间较短。最后,对脉冲激光发射模块、光电转换模块等关键电路进行了性能测试,验证了硬件电路的可行性和可靠性。并将系统在长度为23km、40km、63km的实际光纤中进行了实验,模拟光纤中出现不同事件的情况。统计实验结果表明,课题方案能够在低成本设计条件下使用较低数据量实现对传感光纤中断裂点和异常弯折点的定位,检测精度分别为千分之一和千分之五。

关键词： NVMe   PCIe   DMA   硬件加速   控制器  

摘要： 随着物联网、5G、人工智能等技术的进步,人们在工作与生活中产生的数据越来越多。对于这些数据,很多需要存储到云端,进行挖掘,使其产生价值。这就需要容量更大、性能更好、读取速度更快的存储系统来实现。此前大部分存储系统都是基于传统的机械硬盘而设计的,介质访问延迟相对较高。SATA、SAS等传统的存储接口就足够满足读写速度的要求。但随着半导体存储介质的发展,许多存储系统已经开始使用FLASH等非易失性存储介质。这类介质读取速度快、功耗低、存储密度大、耐用。这意味着介质访问延迟将大大降低,数据传输带宽也会明显增大。因此存储系统接口便渐渐成为存储系统性能提升的关键,此时NVMe应运而生。NVMe是一种高性能、可扩展的基于PCIe物理接口。用于主机软件与非易失性存储介质之间的通信。同时,NVMe可以提供更低的延时,更高的性能、更大的吞吐率。凭借这些优异性能,NVMe接口在多个领域得到使用,例如固态硬盘,加速板卡,数据中心等。此前的NVMe控制器大都使用软件的方式实现,而软件串行执行所带来的延迟会大大降低读取速度。因此要想获得更快的读写速度以及命令处理,就必须使用多核处理器。但这又会导致整个系统变得复杂,功耗也会随之增加。而硬件加速的NVMe控制器可以在不使用多核处理器的情况下有效降低延迟,提高读写速度。基于此背景下,本文对国内外在NVMe技术方面的发展以及其技术原理进行了深入研究,提出了一种全硬件实现的NVMe控制器架构,并通过Vivado软件在FPGA平台上对其进行了仿真与验证。控制器创新性地调用了DMA来进行数据传输。SQ指令的获取、CQ条目的反馈以及数据的读写都是由DMA来完成。DMA读写数据时无需CPU参与,降低了CPU开销,同时提高了读写速度。该控制器也可支持多队列操作,多队列可以进一步加速数据读取。测试结果表明,控制器在250MHZ时钟频率、单个I/O队列情况下,其读速度可达1.72GByte/s,写速度可达1.83GByte/s。

关键词： 雪崩光电二极管探测器   数据获取系统   硬件设计   软件开发  

摘要： 同步辐射光源拥有的高纯净、高亮度、宽频谱、高准直、高计算等诸多优点以及良好的脉冲特性为众多研究领域与学科的发展提供了重要的支持。随着同步辐射光源的不断发展，其性能也逐步提高，在实验过程中对探测器的功能与性能也提出了更高的要求。目前正在北京怀柔建设的高能同步辐射光源(High EnergyPhoton Source，HEPS)是我国首台第四代高能量同步辐射光源，首期预估将建成14条光束线以及相应的实验线站。雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode，APD)探测器是HEPS光源自主研制的高性能探测器系统，用于在同步辐射装置中进行纳秒级时间分辨实验，APD探测器对应的数据获取系统(Data Acquisition System，DAQ)是整体系统中必不可少且十分重要的一环。　　本论文以HEPS光源高分辨谱学线站核共振散射实验为背景，针对自研APD纳秒级时间分辨探测器进行数据获取系统的设计与研制。本论文根据APD探测器时间分辨实验的实际需求，对DAQ系统拟采用的操作系统、软件工作方案、PC端图形用户界面框架和编程语言等方面进行了充分的调研与选型，最终选择了在Linux操作系统下使用C++语言，采用QT平台图形用户界面应用程序开发框架等技术设计并开发数据获取系统。APD数据获取系统的数据流处理部分实现了对电子学系统数据的网络读出、数据质量检查、在线数据处理以及数据存储等功能;在线软件部分实现了对电子学系统的配置、系统的运行控制、实验数据的实时图形化显示以及系统状态的实时监测等功能，系统内部采用多线程并行的工作方式来提高软件运行的速度。　　在系统设计初期，首先对DAQ系统的读出性能和存储性能进行了综合模拟测试，测试结果符合实验需求。而后通过在北京同步辐射装置和上海光源光束线站进行的多次取数实验，证明了本文研制的DAQ系统在功能和性能方面均满足实验需求，具有良好的可移植性与软件复用性。此外，为实现APD系统在美国先进光子源(Advanced Photon Source，APS)线站上进行验证实验，本论文设计并完成了数据获取系统与实验物理与工业控制系统(Experiment Physics and Industrial Control System，EPICS)的集成方案。实验结果表明，该集成方案达到了EPICS系统远程控制APD数据获取系统开展实验的预期目标。

关键词： 语音关键词唤醒   低功耗   神经网络   硬件设计  

摘要： 随着物联网等移动终端的大规模普及,对语音人机交互的需求日益增长。语音关键词唤醒通常作为人机交互的入口,需要保持长时间开启,为后续更为复杂的语音内容识别等应用提供开关控制,因此,实现低功耗的语音关键词唤醒具有重要意义。传统的语音关键词唤醒技术主要基于传统机器学习,存在准确率较低的问题,随着深度学习技术的兴起,神经网络技术开始应用于语音关键词唤醒任务,大幅提升了其准确率。然而,神经网络技术的计算复杂度较高,导致了较高的处理功耗和较大的硬件开销。针对这一问题,本文重点研究基于神经网络的低功耗语音关键词唤醒硬件设计。首先,本文对国内外的相关工作进行了调研,对现有语音关键词唤醒算法进行了分析和对比,包括基于传统机器学习和基于神经网络的方法,总结了现有方法面临的问题,并对本文的章节结构做出了介绍。其次,针对现有问题,在算法层面,本文提出了一种低复杂度的语音关键词唤醒算法,基于深度可分离卷积神经网络,在保证算法准确率的同时,大幅减少了算法模型的参数量和计算量。同时,本文还对网络结构做出了有利于低功耗硬件设计的调整。通过以上优化,大幅降低了基于神经网络的语音关键词唤醒算法的参数量和计算量,为在硬件层面降低处理功耗和硬件开销奠定了基础。接着,在硬件层面,本文提出了事件驱动式的硬件架构、近似计算技术、混合精度乘法计算技术等,并在FPGA和ASIC上分别进行了实现。具体工作包括:设计了一种事件驱动式的硬件架构,用复杂度极低的语音过滤算法滤除了短噪声、长时间静音等状态,极大降低了后续特征提取和神经网络的计算功耗;设计了近似计算技术,跳过了计算过程中的近零值的读写与运算,减少了存储单元和计算单元的动态功耗;设计了混合精度乘法计算技术,减少了低精度的特征数据计算过程,进一步地降低了计算单元的动态功耗。通过以上技术,大幅降低了语音关键词唤醒的处理功耗和硬件开销。最后,对设计的基于神经网络的低功耗语音关键词唤醒硬件进行了测试与分析,通过分析发现,提出的低复杂度语音关键词唤醒算法相比已有算法减少了20～200倍的参数量和计算量,针对谷歌命令数据集下的10个关键词分类准确率高达90.31%。此外,基于40nm工艺的ASIC芯片面积为0.318)8),关键词分类时间为200ms,动态功耗为3.15u W,静态功耗为4.90u W。该设计可广泛应用于物联网智能终端设备,为其提供语音人机交互的关键技术支撑。

关键词： 人工智能   审计平台构建   软件设计   硬件设计  

摘要： 设计了一种采用人机互动模式的人工智能审计平台。介绍了平台的整体架构、软件系统和硬件系统。该平台能够对传统审计业务和特殊审计业务进行判断,对于传统审计业务,直接从数据库调取审计方案进行审计;对于特殊审计业务,自动开启人机互动模式,进行人工干预审计方案。另外,人机互动还能对难以判定的审计过程进行人工判定,并将判定结果进行储存。该平台功能强大,具有数据采集、数据持续分析、审计预警和人机互动功能,很大程度上弥补了传统人工智能审计平台时效性差、判断不准确、安全性差等不足。

关键词： 嵌入式PLC   STM32F407   FreeRTOS   硬件设计   软件设计  

摘要： 可编程序逻辑控件(PLC)由于程序编写容易、安全性高、通用性强等优点,在工业生产控制领域中应用非常普遍。但随着社会的多样化、自动化以及嵌入式科技的不断进步,PLC兼容性差、计算能力不强等局限性也显露了出来。同时,国内的PLC市场一直被国外产品所垄断,国内PLC研究与国外厂家的差距仍然很大,国内市场需要自主知识产权的新型PLC出现。而在最近几年,微控制器和嵌入式技术飞速发展,因此针对上述问题,本文使用单片机作为硬件支撑平台、利用嵌入式系统实现PLC的基本功能,设计了一种基于STM32的嵌入式PLC,具有成本低、可移植性强、灵活小巧等特点。本课题深入研究了西门子、三菱等公司的小型PLC的组成结构和内部运行原理,并对国内部分高校的PLC研发成果进行分析,确定了本课题的小型嵌入式PLC的系统设计及实现方案。本论文的主要工作包括硬件电路设计和软件设计。在硬件方面,采用整体式PLC结构,由核心板和信号板组成。核心板使用STM32作为主控芯片,使用EEPROM作为存储器,同时还集成有以太网通信、RS485通信和CAN总线通信等通信接口。信号板上设计了12路数字量输入接口和12路数字量输出接口,使用光耦或继电器进行隔离,同时还设计有24V输入电压的开关电源模块。在软件方面,主控芯片上移植了Free RTOS嵌入式操作系统,能够更加合理的调度任务和分配系统资源并实现PLC循环扫描的工作方式,设计了PLC指令的解释程序,实现了PLC的基本指令和部分高级指令,使PLC具备基本的工作能力。本文完成了小型嵌入式PLC早期样机的开发设计,并对本文设计的嵌入式PLC的部分功能进行测试,测试结果表明本系统可以实现PLC的基本逻辑控制功能和部分高级功能。本文的工作对于国产PLC的研发具有一定的参考价值。

关键词： 太阳磁像仪   稳像观测系统   空间自校正   硬件设计   软件开发   跟踪算法  

摘要： 太阳物理学是一门依赖于观测的科学，磁场是当前太阳物理研究中最重要的观测量，与太阳磁场观测研究相关的科学问题是当前太阳物理研究的前沿和热点，通过对太阳磁场的高分辨观测能够极大地推动领域内的研究工作。自1908年首次测得太阳黑子磁场以来，太阳磁场的观测已经有了110多年的历史。随着当前太阳物理研究的不断深入，对观测数据提出更高的要求，为了保证获取到高分辨率的观测数据，需要更好的观测手段。在地面上，太阳观测会受到大气的严重干扰，大气扰动会导致观测数据的时间分辨率和空问分辨率降低，无法观测到太阳大气中的短时间太阳活动，也无法观测到活动区中的小尺度结构，而将望远镜发射至大气层外可以有效改善太阳观测结果。因此，具备高时空分辨率的空间太阳磁场测量成为目前太阳磁场研究的重要方向。　　太阳磁像仪是开展太阳磁场观测研究的核心仪器，其中稳像系统是空间太阳磁像仪的关键技术之一，影响着观测数据的空间分辨率。本课题针对深空探测卫星系统对载荷重量、尺寸限制严苛的要求，设计了基于图像自校正方法的稳像观测系统。本论文通过理论分析、系统研制、仿真实验和实际测试相结合，完成自校正稳像观测系统的设计、研制和试观测，并对自校正稳像观测系统的性能进行系统性分析。与此同时，开展相关跟踪器稳像优化方向的探索和研究。本课题所开展的工作中的主要内容和创新性成果如下:　　(1)完成自校正稳像观测系统的设计和研制工作　　为了满足深空探测或微小卫星平台上太阳磁像仪实时稳像观测的需要，本课题设计了一套基于FPGA与DSP硬件平台的自校正稳像观测系统，通过基于自相关算法的高精度稳像方法设计，并结合精确偏振调制、准确交替采样控制等硬件系统和软件系统的设计，克服由于卫星平台抖动、指向误差等因素造成的图像模糊和线性偏移，实现实时相关、校正、深积分的稳像观测系统。目前，针对1K×1K面阵、20fps的CCD探测器，实现了1像元以内的实时稳像观测。在实验室仿真实验中，对稳像运算时间和稳像精度进行测试，试验结果表明，稳像运算总时间消耗为72.9ms，稳像误差在[-0.5，0.5]，实现稳像系统设定目标。在完成实验室测试后，于2021年6月18日，在国家天文台怀柔太阳观测基地35cm太阳磁场望远镜上开展了实际测试验证，数据结果表明该系统能够有效地完成太阳磁像仪自校正稳像观测，获得了更高空间分辨率的太阳磁场数据。稳像系统的成功研制不仅可以为深空太阳磁像仪的研制提供轻量化、高可靠的精密稳像观测技术方案，也可以为地面太阳磁像仪提供不依赖于操作系统的便捷观测系统。　　(2)开展相关跟踪算法优化设计工作　　由于相关跟踪器技术的特征依赖特性，用于进行相关跟踪算法的开窗区域选择对于低分辨率全日面观测数据的稳像精度至关重要，特别是在特征不显著的太阳宁静区，全日面上的特征更加不明显。因此，针对稳像算法的基础开展相关跟踪器稳像优化方向的探索和研究，即对用来进行图像偏移量计算的特征区域的选择进行研究，设计了一个特征区域选择算法，在一段时间内提取一个特征区域，以此来进行一定观测时间段内的偏移量计算。　　在本课题中，提出了一种基于Hessian矩阵和二维信息熵约束的区域提取方法，用于优化局部相关跟踪算法的偏移量检测性能，以更好的获得不同图像之间的线性位移。该选区方案由三个步骤组成:1)首先，使用Hessian矩阵提取特征点;2)然后，利用尺度空问和阈值筛选出比较好的特征点;3)最后，计算特征点对应特征区域的二维信息熵，利用熵值约束选定特征区域。模拟仿真实验和实际观测测试结果均表明，本文的区域选择方法可以有效地检测线性位移并提高地基全日面太阳磁图的质量。具有选定区域的局部相关跟踪算法可以获得与全局相关跟踪一样好的图像偏移量检测结果，同时显着减少了稳像的平均计算时间。　　本课题研制的自校正稳像观测系统体积小、重量轻，可以在深空探测器和小卫星平台上实现稳定可靠的运行。该方案通过观测算法和观测流程的优化，在保证观测精度的前提下，弥补或替代部分硬件器件，获得高精度的稳像观测数据，可以作为常规空间太阳磁像仪硬件稳像系统可靠性加强组件，实现硬件稳像与软件稳像的备份方案，也可以为正在推进的太阳极轨等项目提供了技术方案支撑。

关键词： 光纤传感器   液位   反射式   灵敏度   硬件设计   软件设计  

摘要： 液位实时在线准确检测是保障水、燃料、化学品储存装置及系统正常与安全运行的关键。随着液位检测技术的发展,市场对液位传感器各个方面都提出了更高的期望,但液位传感器在高温高压和强电磁干扰等恶劣环境中应用时会影响包括电子组件和感应元件在内的传感器性能,所以如何在恶劣环境中实现对液位实时在线准确检测,是液位检测领域共同关注的焦点之一。光纤液位检测技术由于具有优良的特性被认为是实现液位在线动态实时检测最有前途的一种新型检测技术。但由于现有光纤液位传感器极易受到材料、结构等参数以及被测液体种类及折射率、被测液体温度等环境参数的影响,使其无法满足检测准确性、稳定性、重复性、环境适应性等多方面的需求。因此,研制一种结构简单、灵敏度高、准确性高且适用于各种复杂液体环境液位检测的光纤传感器十分必要。为了实现对液位实时在线准确的检测,本文提出了一种新型的光纤液位传感器及其检测系统。主要研究内容包括以下3个方面:(1)反射式螺旋形光纤液位传感器制备及性能研究。为了探究光纤包层折射率对不同工质的液位测量结果的影响,本文在理论分析及数值仿真基础上,实验研究了光纤包层折射率分别为1.30、1.37、1.40的传感器对折射率为1.33-1.46的不同种类和不同折射率工质的响应特性,研究结果表明:当工质的折射率n从1.33增大至1.46时,光纤包层折射率n为1.30的传感器对不同种类和折射率的工质液位响应灵敏度保持一致,输出光强相对变化量(RCTLI)与液位h的关系可表示为:RCTLI=-0.0126h-0.0097(R=0.9909),最大相对误差小于6.85%;当n为1.37和1.40时,传感器灵敏度会随着n的升高而升高,且当n=n时,有最大值;n越大,n对传感器输出结果的影响越大;当n

关键词： 微磁检测仪器   硬件设计   软件开发   性能测试  

摘要： 汽轮机叶片和压水堆核电站压力容器用钢在长期服役过程中，易因微观损伤累积而导致力学性能劣化。对材料的表面硬度、断裂韧性等性能指标进行检测，是评估汽轮机叶片、核电厂压力容器运行状态的有效手段。常规的力学性能检测大多采用有损、抽样方法，无法直接面向工程结构，对结构整体性能的评价也不充分，急需发展适用于现场的无损检测仪器。　　微磁检测方法已被验证具备直接针对铁磁性结构进行力学性能无损检测的潜力。本文主要开发便携式多功能微磁检测仪器，包括硬件电路与软件程序开发及多功能微磁传感器研制等工作。利用研制的仪器应用于典型的叶片用钢表面硬度，核电厂压力容器用钢表面硬度及断裂韧性相关指标的定量预测。主要研究内容包括:　　(1)便携式多功能微磁检测仪器研制。依据检测原理和定制化参数指标要求，设计了以FPGA为核心的仪器开发方案，研制了多功能微磁传感器，开发了励磁模块电路、信号调理电路、供电和采集电路，以及基于LabVIEW的上位机与FPGA通讯软件。对仪器模块电路功能和性能进行了实验测试，结果显示仪器能够满足5种功能（切向磁场、增量磁导率、巴克豪森噪声、多频涡流、磁滞回线）的磁信号检测。　　(2)汽轮机叶片用钢表面硬度的微磁定量检测。将研制的仪器应用于汽轮机叶片用1Cr13钢、2Cr 13钢的微磁信号检测，分析4种微磁信号（切向磁场、增量磁导率、巴克豪森噪声、多频涡流）的多项磁参量与试件表面硬度之间的相关性。利用多元线性回归和BP神经网络模型，建立表面硬度和多项磁参量间的映射关系模型，由此仪器可用于表面硬度的微磁定量预测。　　(3)核电压力容器用钢力学性能的微磁定量检测。将研制的便携式微磁仪器应用于核电压力容器用16Mn钢的表面硬度和断裂韧性无损评价。主要探究了5种微磁信号（切向磁场、增量磁导率、巴克豪森噪声、多频涡流、磁滞回线）对表面硬度、断裂韧性相关参数KQ的表征能力，借助于多元线性回归和BP神经网络建模方法，得到了16Mn钢的表面硬度和断裂韧性相关参数KQ的微磁定量预测模型，并对模型精度进行了评价。

关键词： 颗粒物传感器   硬件电路设计   温度控制   浓度标定   上位机设计   故障诊断  

摘要： 21世纪以来,我国的汽车总数量不断增加,汽车尾气中的颗粒物(PM,Particulate Matter)已经成为了我国主要的空气污染物之一。颗粒物传感器的出现能够快速,准确的检测尾气中的PM浓度,是汽车尾气净化系统中必不可少的一环。但国外所生产的颗粒物传感器及其检测系统长期处于垄断地位,基于此,本文制定并研发了一套能够实时检测尾气中颗粒物是否排放超标的系统,为国内的颗粒物传感器尾气检测系统的研发提供参考方案。首先本文从PM传感器的工作原理出发,详细介绍了颗粒物在传感器内部的沉积原理,且通过对传感器内部电极加压的方式能够增强热泳现象,分析其内部结构以及电极电流的产生原理,提出了颗粒物传感器的控制需求及需要达到的控制效果。在此基础上结合数模电、信号处理等知识设计出各部分硬件电路,主要包括DC-DC升降压电路、信号放大电路以及加热电路等。其次,在硬件设计可行性的基础上,进行检测系统软件的设计,对传感器的燃烧再生提出了温度分阶段控制的方案,并在第二阶段采用先分线段后PID闭环加热的方式。之后在尾气实验室进行了颗粒物传感器控制系统的动静态性能分析,验证出颗粒物浓度与电极电流的关系,设计并分析临界浓度标定试验,并且设计出相应的上位机对PM传感器检测系统进行远程监控。最后,结合小波分析和马氏距离理论对传感器控制器的加热电路进行故障诊断实验,并通过上位机实时传输完成系统的软件自诊断。本文所设计的基于颗粒物传感器的尾气检测系统在尾气实验室测试平台下,硬件电路稳定运行,能够对传感器进行快速有效的再生操作,并且在测量阶段标定出颗粒物浓度超标所需时间为53秒,通过故障诊断实验能够实现对加热电路中单个元器件损坏的定位。