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关键词： 绝缘破坏   局部放电法   硬件设计   软件设计   在线监测  

摘要： 随着我国对海洋资源的开发需求持续增长,越来越多的大型海洋工程项目得以实施,电缆作为海上工程设备中的主要能量传输装置,其安全可靠运行对海上工程项目的开展非常重要。由于海洋环境具有高温、高湿和高盐等特点,在海上环境中安装敷设的电缆将更容易发生绝缘损坏,造成工程事故。当前,智能监控已成为时下发展的热点,但现阶段对电缆绝缘状态的检测方法仍以离线检测为主,由于离线检测方法的精度低、时效性差、具有一定破坏性等缺点,导致其难以满足当前电缆绝缘检测智能化的需求。因此,如果能设计出一套实时监测电缆绝缘状态的系统,在电缆故障发生前排除掉绝缘劣化电缆,对电缆安全运行和国家智能电网发展建设都具有重要意义。本文从海上电缆的实际应用环境出发,首先分析海上环境的特点、确定4种引发电缆绝缘破坏的最大影响因素,总结当前电缆绝缘故障的类型及其引发原因,分析出多种因素在电缆绝缘劣化中的作用机制;同时,通过将多种主流绝缘检测技术的原理、优缺点进行对比分析,确定局部放电法为当前电缆绝缘状态在线检测的最合适方法。其次,介绍局部放电法的检测原理,并根据系统需求进行相应的参数设计;通过对含刀痕缺陷、电极缺陷和气隙缺陷电缆的局部放电试验,分析缺陷类型、试验电压与局部放电量三者之间的关系,验证所设计的局部放电检测装置的可行性;针对局部放电信号中的噪声干扰,设计传感器屏蔽壳的物理去噪方式,并给出模糊聚类分析、FFT变换和小波包分析三种数字去噪方案;提出利用专家评估系统对统计特征参数进行分析的电缆绝缘状态评估方法,并使用支持向量机算法对试验电缆进行评估测试。最后,从信号调理模块、A/D转换模块、微控制器与无线通信模块、信号存储模块和电源模块6个方面对系统硬件部分进行设计;同时,利用Labview平台对系统软件部分进行设计开发,包括系统程序设计、通信模块设计、数据库模块设计以及系统界面设计。通过设计系统的软硬件两个部分,实现对海上电缆绝缘状态的实时监控需求。

关键词： 帧内预测   硬件设计   现场可编程门阵列   FFmpeg  

摘要： 为应对超高清视频发展所带来的新挑战,新一代视频编码标准高效视频编码(High Efficiency Video Coding,HEVC)引入了一系列先进技术以实现更好的压缩效果,但处理过程的复杂度也随之升高,因此基于HEVC的视频高速编解码便具有较大的研究意义。高速视频编解码的主要实现途径包括对关键模块的现有算法进行改进和使用高性能的硬件平台加速运算,主要应用领域包括互联网环境下的各类视频软编码与传输共享平台。本文围绕HEVC编码器部分关键模块,包括帧内预测与变换模块展开深入研究,提出了算法和结构的改进方案,还设计并实现了一套基于云中转的HEVC视频编码传输软件系统,具体研究工作如下:针对帧内预测编码单元划分算法复杂度高的问题,提出一种基于空间感知信息(Spatial-perceptual Information,SI)的帧内编码单元快速划分算法。由于在编码单元的划分时,纹理复杂度较低的区域往往采用较大尺寸的划分,反之采用较小尺寸的划分,因此引入纹理复杂度评价指标SI对当前编码单元的纹理复杂度进行判断,又通过统计分析得到不同尺寸编码单元的SI终止划分阈值,比较当前编码单元的SI值与对应阈值大小便可决定是否终止划分,从而达到快速划分的目的。实验结果表明,与HEVC参考软件HM16.23相比,本文算法在纹理简单的视频序列上表现较好,在保证编码画面质量的前提下,节省了 2.82%的码率和9.68%的编码时间。对预测编码所得残差数据后处理单元——整数离散余弦变换(Discerte Cosine Transform,DCT)模块进行基于现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)平台的硬件设计。使用内存接口生成器(Memory Interface Generator,MIG)控制DDR3模块完成残差数据的读写,整数DCT模块完成对残差数据的一维多尺寸变换。引入基本蝶形运算解决了矩阵运算中计算量过大的问题,又通过调整运算次序,复用计算中间值,拆分移位加法单元的措施对基本蝶形运算进行改进,进一步降低计算量。实验结果表明,改进蝶形算法结构实现了一维多尺寸整数DCT功能,有效降低了运算次数且资源占用较低。设计了一套基于云中转的HEVC视频编码传输系统,通过编码端、服务器端与解码端完整实现了对音视频数据的编解码与传输。编码端基于FFmpeg平台实现了对音视频数据的编码、封装和推流,服务器端将EasyDarwin流媒体服务器部署在云服务器中,实现了互联网环境下对音视频流的接收与分发,解码端通过VLC实现了对回传流媒体数据的接收与播放。编码性能的测试结果表明,与HM16.23相比,本系统在保证图像编码质量的同时,编码时长降低约90倍,达到系统要求;总体功能的测试结果表明,本系统在点播、组播和直播场景下的功能效果均表现良好。

关键词： 分布式发电集群   阻抗适配器   模态分析法   级联H桥   RT-LAB  

摘要： 新能源分布式发电集群中存在大量的电力电子设备,其会与电网和线路阻抗相互作用产生宽频振荡,严重影响到电网的安全运行。而阻抗适配器是一种能有效抑制系统全局谐波谐振的装置,故本文针对应用于分布式发电集群的阻抗适配器进行研究。由于发电集群为多个新能源电站所构成,在考虑经济效益情况下,无法为每个电站均配备阻抗适配器,需要对阻抗适配器在集群内的安装位置进行选择。故提出阻抗适配器的选址策略,将装置安装在集群内最合适位置,以求实现最佳的谐波谐振抑制效果。同时,为确保阻抗适配器的耐压等级和设备容量能满足在集群中工作的条件,该装置需要一个能应用于中高压场合的全新拓扑。故提出基于级联H桥拓扑的阻抗适配器,对其相关参数进行研究与设计,并搭建试验样机。本文的主要研究内容体现在:(1)用于稳定性分析的模态分析法需要知晓系统内各节点阻抗,而集群内的新能源电站的参数因涉密而难以获取,实际上为黑箱模型。因此本文提出基于阻抗测量的模态分析法,采用阻抗测量的方式,获取电站的对外输出阻抗特性,并利用所获得的阻抗曲线进行模态分析,有效扩大了模态分析法适用范围。(2)为了对阻抗适配器在集群内的安装位置进行选择,本文提出基于模态分析法的选址策略,明确系统中参与因子最大的节点即为阻抗适配器的最佳安装位置。同时,搭建分布式发电集群仿真模型,利用模态分析法对其进行系统稳定性分析,确定集群内存在的谐波谐振频率段。(3)为提高阻抗适配器的耐压等级和装置容量,使其能工作在发电集群的中高压环境下,本文提出基于级联H桥拓扑的阻抗适配器,对其控制策略和主电路参数进行了研究与设计,并在Simulink模型中验证了该装置的谐振抑制功能。同时本文基于RTU-BOX搭建了级联H桥型阻抗适配器试验样机。(4)针对上述分析和设计,本文搭建了阻抗适配器与发电集群系统的联合半实物仿真平台,利用RT-LAB复现了集群内发生谐波谐振的情况,验证了模态分析法所计算的谐波谐振频率段的正确性。同时利用前述的选址策略,找出集群内最佳位置并联阻抗适配器,有效地抑制了谐振,验证了选址策略的正确性。同时,本文对所设计的级联H桥型阻抗适配器试验样机进行了调试,并最终将其并入电网中运行。

关键词： 国产替代   雷达伺服   多通道通讯   硬件设计   逻辑开发  

摘要： 雷达伺服系统广泛应用于工业雷达、民用雷达和军用雷达等领域。随着现代雷达伺服系统内自动化设备的规模和复杂度不断提升,对雷达伺服系统的通讯接口、数据处理性能、恶劣工作环境等指标有了更高的需求。由于进口器件受到限制,国防安全受到威胁,特别在雷达、航空等高科技领域。为此,研究出一款满足现代雷达伺服系统性能指标并基于国产化器件平台实现的需求迫在眉睫。对国产器件的雷达伺服多通道通讯平台进行研究。针对雷达伺服系统硬件自主可控和多通道通讯复杂的问题,提出一种基于MCU+FPGA架构的国产雷达伺服多通道通讯系统,以此来提升伺服控制的可靠性、冗余性和通用性。论文主要研究如下:一、雷达伺服多通道通讯系统硬件平台搭建。利用现有国产芯片的调研分析,最小系统主控芯片由兆易创新的GD32F407VGT6和中国电科五十八所的JXCLX25-668芯片组成,并拓展设计了多通道通讯接口、JTAG接口和时钟电源模块设计。最后在Altium Designer上完成了器件电路原理图设计和印制电路板的布局布线,实现了印制电路板6层堆叠设计和实物静态测试。二、雷达伺服多通道通讯系统逻辑开发。根据雷达伺服工作流程,设计本文控制系统框架。基于国产处理器的软件开发流程的特征和分析结果,选择Keil5+ISE14.7的开发环境。在此环境下,完成了基于EXMC接口的微控制器与FPGA数据传输,实现逻辑控制和并行数据处理。FPGA扩展6路RS-422高速接口融合设计,包括RS-422通讯可靠性传输数据帧格式设计和并行处理存储控制。此外微控制器完成CAN总线和以太网RMII接口配置,实现了从上位机发送控制命令到驱动器接收命令驱动电机工作功能。最后本文搭建实验测试平台,完成硬件平台电气特性测试和多通道通讯功能验证。首先测试硬件平台电源、时钟和功耗的电气特性。然后验证了微控制器与FPGA之间通讯和多路RS-422接口通讯质量。最后测试了伺服调试软件发送控制指令到驱动器接收指令的通讯功能。测试结果表明,雷达伺服系统硬件平台和多通道通讯系统各项指标均满足设计要求。

关键词： 智能硬件   项目管理   进度控制   影响因素   管控对策  

摘要： 人工智能作为一种具有战略意义的技术,正深刻地影响着经济、社会的进步和人们的生活。人工智能是再次驱动信息技术变革的新引擎,也是引发全球性竞争的重点。世界各国都对人工智能十分重视,大量的研究机构、科技巨头参与到人工智能研究领域,以及人工智能的广泛应用,都显示出人工智能巨大的商机和发展空间。企业发展与生产领域的选择都依赖于企业效益,而项目进度的实施与实施的效益与项目的进度管理密切相关。工程进度管理是一个计划编制、实施、调整、再实施的周期,智能硬件设计项目进度管理也离不开以上的管理流程,其中控制好影响项目进度管理的影响因素至关重要。 本文以智能硬件设计项目进度影响因素为主要研究内容,采用文献调研法、问卷调查法和统计分析法、结构方程法进行了相关探索。经历了提出问题、分析问题和解决问题的过程。 第一章研究了课题的缘起和课题必要性,梳理了国内外智能硬件研究发展动态,确定了本文的研究核心和研究方法,为论文的开篇作铺垫;第二章从理论基础方面进行了研究。深入研究智能硬件设计、设计项目进度管理的不同内涵和定义;第三章认真探索智能硬件设计项目进度影响因素,通过对初定因素指标的筛选和修正,构建了项目进度影响因素指标体系,提出了相关假设;第四章运用项目管理理论和构建的智能硬件设计项目进度影响因素分析与指标体系,进行调查问卷设计。展开智能硬件设计进度影响因素进行实证分析。包括观测变量的因子分析、潜变量间结构模型的假设验证分析、项目进度影响因素的假设验证分析;第五章根据第四章的结构模型实证分析结果,结合第三章设计的影响因素指标体系维度先后排序,论述智能硬件设计项目进度管控对策,分别为:完善进度管理机制、提高智能硬件工艺设计科学性、提高设计人员技术能力、提高管理人员的业务水平和提高设计项目信息实时共享程度。 通过对智能硬件设计项目进度管理影响因素的假设和验证,研究结果发现,管理机制对技术人员的专业技术发挥有显著的正向影响;项目经理和管理机制之间的关联程度很强;专业技术能力对信息共享和科学设计存在正向作用;对智能硬件设计影响最大的是设计人员和技术员的专业技术;构建的五个构面全部对智能硬件设计项目进度存在显著的正向作用。 目前,我国的人工智能技术已经进入加速期。我国政府提出了强化国家战略科技力量号召,不久的将来,我国的人工智能技术必将创造出更加辉煌的新天地。

关键词： 探地雷达   FPGA   脉冲   MARX发生器  

摘要： 探地雷达(GPR,Ground Penetrating Rada)作为一类地球物理探测设备,可以对地表掩埋物空间位置进行精准定位,具有探测精度高、无损、高效以及地形适应能力强等特点,因此在军事、工程、考古等应用领域扮演着十分重要的角色,其无损、精度高的优点十分适合应用于低金属含量的地雷探测工作中。本文首先明确选题背景和研究意义,介绍了探地雷达发展历史和国内外研究现状,说明了主要研究内容以及具体结构安排,系统性介绍了探地雷达技术中的基本原理,包含脉冲功率技术和脉冲感应原理,分析了探地雷达设备的参数和技术特点,根据探地雷达典型结构和设计需求给出了系统的整体结构,重点研究了探地雷达系统中双极性脉冲信号源和数据采集、缓存、处理模块的设计实现,最后使用示波器和任意波形发生器对设计的电路模块进行测试和验证。针对探地雷达中双极性脉冲信号源,电路方案基于经典MARX发生器设计,MARX发生器基本原理为电容器“并联充电,串联放电”,适用于输出单极性脉冲场景。本文信号源方案在经典电路基础上进行改型设计,将单极性输出升级为双极性输出,具体电路改型内容为:1、选择开关特性更好、耐压能力更强的功率场效应管作为电路开关器件;2、在电路中添加1:1同相绕制的纳米晶磁芯变压器作为隔离器件,利用感应隔离原理赋予电路双极性输出能力;3、电路结构采用模块化设计,每一级模块包含一个变压器、一组电容和两个开关器件,可根据需求灵活增减。电路工作时通过逻辑器件配合栅极驱动电路控制不同功率场效应管的导通与截止来切换电路工作状态,以输出不同极性的脉冲信号。双极性脉冲源电路设计结构简洁、配置灵活,可输出幅值高、脉宽窄以及上升时间短的双极性脉冲信号。针对数据采集、缓存、处理的设计,提出了STM32+FPGA+ADC的电路结构设计方案。STM32有较好的数据处理能力且外设接口丰富,适合于数据处理和扩展外设。FPGA的并行特性比STM32操作效率高,适合于缓存数据和对ADC器件的逻辑控制。设计内容主要包含:1、FPGA对ADC的SPI逻辑控制,控制采样启停和提供采样时钟;2、STM32与FPGA之间的数据接口FSMC,用于两器件之间的通信和缓存数据传输,通过FSMC将缓存在FIFO中的数据送至STM32中计算处理,数据处理由软件算法完成。完成理论设计后,使用Altium Designer软件绘制PCB、Quartus软件设计硬件电路逻辑。

关键词： 电光调制器   偏压控制   STM32算法设计   硬件电路设计  

摘要： 在光载射频通信领域中,电光调制器凭借其传输频段高和工作带宽大等优点,成为了应用十分广泛的一种器件。其作为光学信号生成和处理的核心器件,由于其工作的稳定性直接或间接影响着信号的传输质量,因此其直流偏压工作点的稳定控制也成为了研究重点。本文通过调研国内外市场电光调制器偏压控制的研究现状和发展趋势,利用STM32系列开发板,选择嵌入式技术,设计了一种软硬结合的偏压控制系统。本文针对常用的电光调制器的直流偏置工作点的控制技术进行研究与实现,具体工作如下:本文首先分析了模拟光链路的构成和应用场景,介绍了几种铌酸锂材料制作的调制器的基本构成、工作原理以及应用场景。本文在研究中使用的是以铌酸锂为材料的电光调制器,通过讨论直流偏置点的漂移对系统链路造成的影响并分析原因,研究了相应的偏压控制技术。本文针对偏压控制技术的稳定控制,简单分析了两种基本的偏压控制方法:直流检测法和导频法。对两者进行了理论分析和数学推导。针对线性调频信号(LFM)具有带宽较大,功率分配范围广的优势,设计了一种基于LFM的偏压控制方案,并与传统的导频法进行比较与分析。针对偏振复用双平行马赫曾德尔调制器(PDM-DPMZM)在变频技术中的应用场景,设计了一种基于六导频的偏压控制方案,并进行理论推导、仿真分析和算法分析。针对高无杂散动态范围的变频技术进行理论推导,并基于光学仿真平台搭建链路仿真验证。本文设计了一种基于STM32的偏压控制技术的通用实现方案,主要包括硬件电路的设计和软件逻辑算法的设计两部分:1.针对硬件部分的外围电路,利用电子绘图软件Altium Designer绘制了光电检测模块、I/V放大模块、低通滤波模块、直流电压生成模块、电压耦合模块等硬件电路的原路图和PCB设计。利用电子设计自动化软件NI Multism对各个模块的功能进行仿真验证。2.针对软件设计,基于C语言,搭载STM32F103系列的控制板。利用ARM的开发软件MDK5完成代码的编写与调试。其中包括导频信号生成算法、直流扫频电压生成算法、信号检测算法,快速傅里叶变换(FFT)处理算法与寻找锁定工作点的算法。最后,通过搭建的测试平台,针对本文的偏压控制系统进行了初步测试,实现了对常用的电光调制器的最小工作点的控制。经过硬件和软件两部分联调,实现了预期的技术设计指标,解决了电光调制器偏置点漂移的问题。

关键词： 无人机   图像实时处理   硬件设计   FPGA设计  

摘要： 近年来,在无人机研究领域,智能化成为了行业发展的热点之一。智能化的无人机系统依赖于图像的实时识别技术,因此在自动飞行、智能安防等方面,都对无人机实时图像处理有较强的需求。然而目前的无人机图像处理系统受限于计算资源,难以满足实时图像识别需求,因此研发一种高性能的无人机图像实时处理系统具有重要的工程应用价值。本文以NVIDIA Jetson Xavier嵌入式GPU模组和Xilinx Artix-7系列FPGA作为核心,研究开发了一种高性能无人机图像实时处理系统。FPGA通过3G-SDI接口接收输入图像并完成图像数据的转换、解扰和提取等操作;通过PCIe总线向GPU转发高清图像数据。Jetson Xavier的主要任务是完成图像中重要目标和潜在障碍物的识别,处理后的图像在编码后经由千兆以太网接口传输到图像回传系统,图像识别结果由RS-422接口传输至无人机控制系统。此外,系统还扩展了m SATA和SD卡接口等用于存储图像数据,扩展了USB和HDMI接口用于系统调试,具有良好的扩展性。本文进行了包括硬件、电源、关键信号、FPGA功能和环境适应性等方面的测试。结果表明,本文研究开发的无人机图像实时处理系统样机能正常完成图像的接收、解扰、提取、转发、识别和处理结果上报等工作,系统运行稳定,满足了设计要求。