课程文献中心 更多>>

关键词： 分层取水   泵抽式   海洋环境监测   硬件设计   软件设计  

摘要： 围网养殖和大型网箱养殖是近几年迅速发展的养殖模式,随着该养殖模式建造和发展,海洋养殖环境监测也愈发重要。养殖环境的水温、p H值、盐度和溶解氧含量是影响水产养殖的关键参数,且该参数对于海洋养殖尤其重要。国内外水质监测方式已从人工取水样转变为浮标或水质监测船监测,但大多不具备分层监测功能。为了更加准确地监测海洋养殖环境水质,促进该养殖模式中水质监测向智能化发展,设计了一套分层泵抽式海洋养殖环境智能监测系统。本设计采用感知层、传输层和应用层相结合的体系架构,包括两部分:硬件系统和软件系统。其中硬件系统主要包括控制模块、供能模块、泵抽模块、传感器模块、无线通信模块,分层取水的双泵阀结构和暂存海水并监测水质的泵抽式装置。软件系统包括下位机、服务器软件和上位机。本系统可实现监测海洋表面光照强度和两层海洋水层的水温、p H值、盐度和溶解氧,并将系统监测的数据自动存储在My SQL数据库中。系统添加短信预警和远程控制功能,当数据出现异常时,系统分析数据并将异常数据通过短信方式实时发送至用户,使用户及时查看数据并对设备进行远程控制。为验证系统稳定性,通过室内试验和室外试验测试本系统。室内试验测试硬件系统和软件系统各个模块的稳定性,通过室内测试后各个模块稳定运行。进一步通过室外试验测试硬件和软件系统组成的分层泵抽式海洋养殖环境智能监测系统的稳定性,该系统设备在现场试验稳定运行,能够实现海洋水域的监测任务,为围网和大型网箱设备的环境监测研究提供设备支持。

关键词： 图像处理   神经网络   循环移位寄存器阵列   现场可编程门阵列  

摘要： 随着人工智能技术的飞速发展,基于深度学习算法的卷积神经网络CNN（Convolutional Neural Network,CNN）已经广泛应用于图像检测、识别和分类等任务。任务需要部署并执行高参数量、高计算量的卷积神经网络,但是传统的硬件无法满足神经网络计算时低功耗与高能效的需求,而基于专用集成电路ASIC（Application Specific Integrated Circuit,ASIC）的硬件也无法适应网络模型的灵活变化。针对以上问题,本文研究了一种灵活的面向图像处理的神经网络加速器。本文通过分析面向图像处理应用的卷积神经网络的计算模型,得到卷积神经网络的基本特征,如图像特征点间的相关性、权重共用和局部连接等。由这些基本特征作为硬件加速器设计的出发点,设计了以二维移位寄存器阵列为核心的加速器架构。面向图像处理应用设计了一套自定义指令集,对不同神经网络结构进行编程,使用编译器优化后装载至加速器中,达到软硬件协同设计与加速的目的。在处理卷积层时,利用数据循环移位结合权重广播的方法,由计算阵列并行计算同时输出多个结果,计算产生的部分和在阵列内部直接累加,减少数据的无效搬运,提高加速器的能量效率。在处理全连接层时,运用交换权重与特征图数据存储位置的策略,使加速器维持与处理卷积层时相同的计算方式和数据带宽,提高加速器计算阵列的利用效率,降低加速器的功耗。综上所述,本文通过设计自定义的指令集、高效的卷积层与全连接层计算方式提高了加速器的灵活性和能量效率。本文使用现场可编程门阵列FPGA（Field-Programmable Gate Array,FPGA）Zynq ZCU104搭建了硬件测试平台。测试的数据集使用Mini-Image Net,输入图像尺寸为224×224×3。分别测试了Alex Net和VGG-16两种卷积神经网络的图像分类任务。测试Alex Net时,加速器的性能为26.49GOPS（Giga Operations Per Second,GOPS）,功耗为13.79W。测试VGG-16时,加速器的性能为33.38GOPS,功耗为14.02W。

关键词： 全景环视系统   硬件电路设计   畸变校正   图像拼接  

摘要： 汽车作为人们日常出行最主要的交通工具之一,推动了社会经济的发展和人类文明的进步。然而,随着汽车的大量普及,道路交通事故的总量也一直居高不下。因此,行驶安全问题受到人们的高度重视。随着车用处理器和图像处理技术的发展,汽车辅助驾驶系统得到了快速的发展。全景环视系统作为当下热门的驾驶辅助系统之一,其主要功能是为驾驶员提供环绕汽车的360度全景图像,用于解决驾驶员在驾驶车辆时存在的视野盲区问题,从而减少由于视野缺失造成的剐蹭、碰撞等事故的发生,提高汽车的主动安全性。本文围绕全景环视系统的设计与实现展开,主要内容如下:（1）环视系统的硬件方案设计和主要元器件选型。本系统通过四个鱼眼镜头采集四周实时图像并经过算法处理生成360度全景俯视图像。基于大量的图像处理需求,系统的核心处理器采用TI的TDA4VM芯片。根据高速稳定的摄像头数据传输需求,确定了LVDS数据传输方案。因此选择了集成MAX96705串行器的鱼眼摄像头采集视频数据,并使用与串行器相匹配的MAX9286解串器对视频数据做解串处理。（2）全景环视系统硬件电路设计。系统主要由电源电路、TDA4子系统、环视影像采集电路以及DP显示电路组成。其中,环视摄像头采用了 POC传输方案,其优点是摄像头供电和视频信号的传输都通过同轴电缆实现。因此,摄像头无需专用供电线路,可以减少系统的复杂程度。（3）环视图像成像算法研究。首先,采用张正友标定法对鱼眼摄像头进行标定,并利用求解的参数对畸变图像进行校正。校正后图像的采用单应性变换的方式投影到俯视视角。其次,根据环视图像重叠区域的特点,对SURF特征点匹配算法进行改进并计算图像的特征点匹配。接着,使用RANSAC算法对匹配过程中产生的误匹配点进行剔除,剔除误匹配点后可求解变换矩阵并实现图像的拼接。然后,采用加权平均融合算法对图像重叠区域做融合处理,以消除拼接图像存在的拼接缝隙。最后,针对全景图像亮度不足问题,提出了一种基于Gamma校正的图像亮度调节方法,提高画面的清晰度。（4）对硬件电路展开基本功能测试和EMC测试,测试通过后,将硬件系统装车,展开实车试验。试验结果表明,本文设计的全景环视硬件系统以及提出的算法方案,可以正常工作,达到预期目标。

关键词： 爆炸箔   电爆炸过程   硬件设计   软件仿真   FPGA   电爆炸性能  

摘要： 本论文针对国内直列式爆炸序列、冲击片雷管技术应加快提升的需求,主要对其中担任起爆元件的爆炸箔进行了电爆炸性能的测试研究工作。首先分析了爆炸箔电爆炸过程分为初始阶段、本征爆炸阶段与等离子体三个阶段,采用数学形式描述了如何应用回路爆发电流与爆发电压计算爆炸箔的动态电阻,并利用回路峰值功率和能量利用率来表示爆炸箔的电爆炸性能。论文应用硬件电路知识完成了爆炸箔起爆回路和FPGA控制电路的元器件选型与电路的布局与走线,采用高压探头和罗果夫斯基线圈实现爆发电流、爆发电压的采集与读取,制作完成原理样机。仿真发现硬件起爆回路的充放电设计部分符合爆炸箔起爆需求,FPGA逻辑控制信号运行无误且系统预设充电电压可调,满足设计要求。开展了Cu、Al、Al-Cu三种爆炸箔在相同桥区尺寸不同充电电压、相同充电电压不同桥区尺寸下的比较研究试验,记录试验过程中爆发电压、爆发电流、爆发时刻、峰值时刻等电学参数的变化过程,带入已有爆炸箔电爆炸性能检测公式计算出各爆炸箔的回路峰值功率和能量利用率,比较归纳了三种爆炸箔在充电电压、桥区尺寸等不同环境条件下的优略选择。在试验数据的基础上,结合实际爆炸箔电爆炸规律,于MATLAB软件中编写金属电爆炸过程计算公式,分别将回路电感、初始电阻、回路电容、充电电压、桥区尺寸作为变量依次研究其对金属爆炸箔的影响规律,进一步优化了系统硬件设计。最后对全文进行总结,得出电爆炸性能同各电学参数的影响关系,提出了论文中存在的部分不足之处并加以展望。

关键词： 散射通信   硬件平台设计   信道模拟器   FPGA  

摘要： 散射通信是指利用大气层中传播媒介的不均匀性对电磁波产生的散射作用所进行的超视距通信。散射通信单跳跨距大、抗核爆能力强、通信保密性好,具有跨越山丘、海面、沙漠等复杂地形进行全天候可靠通信的特点,在军事通信以及应对自然灾害的通信中有着广泛的应用。由于未来信息化作战对大容量散射通信系统的紧迫需求,研发高速率的对流层散射通信系统具有极大的必要性。高速率通信系统需要具有更强处理能力的硬件支持,本文基于软件无线电的思想理论,设计了一套最高可支持100MHz带宽的高速散射通信系统硬件平台。本文基于模块化的设计思想对硬件平台进行了详细的设计,平台的主要模块包括以Zynq7100为主体的核心处理模块,以AD9371为主体的射频收发模块,以SFP光接口为主体的10G Ethernet数据传输模块,以及时钟系统、电源系统。本文对于平台各主要模块的设计方案进行了详细的介绍。本文设计的硬件平台采用的是零中频架构,基带信号与射频信号之间通过AD9371射频收发芯片直接进行转换,射频参数可以灵活配置,为散射通信系统的开发人员提供了传输速率高、适用范围广的硬件平台。散射通信系统的通信距离一般在100km以上最远可达1000km,系统研发过程中需要进行频繁的测试,如果每次测试都在野外进行的话极为不便。与此同时,市面上的信道模拟器价格又极为高昂。为了便于通信系统开发人员测试、验证通信系统性能,本文对散射信道的特性进行了研究,对散射通信信道进行了建模分析与仿真,然后分别基于时域滤波模型和正弦波叠加模型设计了可由本硬件平台搭载的低成本散射通信信道模拟器,并对基于两种不同模型实现的信道模拟器进行了性能分析与功能测试。

关键词： 多输入多输出   信道模拟器   硬件设计   通道一致性  

摘要： 多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)技术凭借其有效提升信道容量和数据传输速率的优势，成为近年来无线通信研发焦点。为了加快MIMO无线通信中通信设备的研发，本文基于MIMO信道模拟器现状和实际应用场景，分析了系统指标需求并提出实现通道一致性的方法，完成了8×8微波MIMO信道模拟器的硬件设计与实现。本文主要工作内容如下所述：　　第一、根据系统指标需求完成系统总体架构设计。首先分析基于超外差结构的信道模拟器中硬件非理想因素对通道相关性的影响，并基于该物理模型，综合应用场景和产品现状，完成8×8微波MIMO信道模拟器性能指标分析。同时分析影响系统通道一致性的误差来源，提出实现系统通道一致性所需的同步和校准方法。最终根据系统指标和功能需求提出系统的总体架构。　　第二、基于系统总体架构和指标需求完成了系统硬软件详细设计方案。其中在硬件设计方案中，根据硬件设计指标完成整体硬件架构设计和模块划分，并以划分的模块为单位完成关键芯片选型和相关硬件电路设计;在软件设计方案中，根据软件设计指标完成系统软件架构设计和模块划分，以划分的模块为单位提出总体信号处理流图和程序设计框图，并对关键模块的实现提出详细设计方案。　　第三、完成系统性能测试与分析。从硬件电路和系统性能两个层面对系统进行测试，其中硬件电路测试包括电源、时钟性能测试以及对模数/数模转换器关键性能指标测试;系统性能测试包括信道模拟幅度、相位、延时、快衰等性能测试以及幅相通道一致性测试。最后根据硬件电路和系统性能的测试结果，对测试误差来源进行分析和总结。　　本文设计了一种8×8通道微波MIMO信道模拟器，支持用户自定义信道模拟器参数，同时具备良好的通道幅相一致性，可以满足实际应用需求。本文旨在推进相关MIMO算法研究，同时对于相关MIMO信道模拟器系统的理论分析和工程实现有一定指导意义。

关键词： 比例阀   气动伺服   控制器   硬件设计   软件设计   试验研究  

摘要： 气动伺服技术是现代工业自动化中的一项重要技术。为使气动伺服系统更加小型化、轻量化,本课题开发了一套比例阀控缸气动伺服系统控制器。设计了控制器的硬件以及软件,并对其进行定位和轨迹跟踪试验研究。试验结果表明本控制器能够应用于具体的气动伺服系统中。首先,确定了比例阀控缸气动伺服系统控制器的总体设计方案。为了使气动伺服控制器能够运用多种控制算法,并能够实现人机交互,本控制器将从处理速度、存储容量、模拟/数字转换、串口通信、人机接口五个方面进行总体设计。确定主控芯片为ST公司生产的STM32F103RCT6。该芯片具有处理速度快、复用功能强大等优点。确定了比例阀控缸气动伺服系统控制器的设计方案后,设计了其硬件电路并进行PCB电路板的设计与制作。硬件电路主要包括最小系统电路、外围电路、AD/DA扩展电路等。最小系统电路包括电源电路、复位电路、晶振电路、下载电路。主控板外围电路主要包括RS232电路、RS485电路、CAN总线电路、LCD电路、矩阵按键电路、IO扩展电路等。完成了控制器的硬件电路设计之后,开始进行印刷电路板(PCB)的设计与线路布局,并对整体系统电路进行制作与调试。在设计完比例阀控缸气动伺服系统控制器的硬件电路部分后,开始对其进行软件设计。软件部分主要包括嵌入式软件和上位机软件,可以通过嵌入式软件由控制器来对气缸伺服系统进行独立控制,也可以将控制器和上位机复合起来共同对其进行伺服控制。嵌入式软件需要完成网络通信、多路控制、参数设置、人机交互等功能。上位机软件需要完成在网络通信、多路控制、参数设置等功能。完成了各模块的程序编写,并对其功能进行了测试。对比例阀控缸气动伺服系统控制器进行硬件设计以及软件,包括嵌入式软件和上位机软件设计之后,控制器的相关功能已经逐步完善。根据已经设计好的硬件及软件,搭建比例阀控缸气动伺服系统实验平台。实验平台以气缸作为被控对象,结合位移传感器进行位移采集,进行气缸定位控制和轨迹跟踪控制试验研究,试验结果证明了本控制器的可靠性和适用性。

关键词： AES   S盒   密钥扩展   资源共享   FPGA  

摘要： 随着数字化信息时代的到来,万物互联,我们在享受网络科技给我们生活带来诸多便利的同时也时刻伴随着信息泄露、篡改和窃取的问题,信息安全问题显得尤为重要,尤其随着网络通信技术的发展,传输数据信息量的不断增大,为了使得数据加密算法更好的应用于生物识别、金融和无线局域网通信等领域,对加解密数据吞吐量要求一般在Gbit/s数量级,而高级加密标准(Advanced Encryption Standard,AES)密码技术因其硬件结构实现较为简单,数据加密速度较快,对多种攻击方式又有较强的抵抗能力,在国内外众多领域得到广泛的应用和研究。首先,经过对AES算法的深入研究后,用FPGA设计方法实现了AES算法的硬件系统,然后在算法安全性上研究了两种优化方法,方法一是针对传统S盒的仿射变换周期小和迭代输出周期存在短周期问题,采用新的仿射变换对(1C,DA)重新构造S盒,改善了S盒的代数性质,提高了S盒的抗攻击能力,方法二是针对传统密钥扩展算法存在的安全隐患和破解难度低的缺点,通过改进算法的运算结构,降低轮密钥之间的相关性,从而提高了AES算法中密钥的安全性。最后,对AES算法硬件系统结构进行优化,使用有限状态机(Finite State Machine,FSM)设计方法,去控制各个子模块资源共享的端口连接,大大减少了逻辑资源消耗。利用Quartus II和Modelsim等软件工具完成电路综合与功能仿真,将优化前后各指标数据进行对比分析。实验结果表明,优化前总逻辑资源消耗为10033个逻辑单元(Logic Element,LE),系统最高工作频率为105.33 MHz,硬件系统数据吞吐量为13.48 Gbit/s,优化后硬件系统总逻辑资源消耗数量为6422个LE,相比优化前减少36%,系统最高工作频率略有降低,为81.81 MHz,系统数据吞吐量为10.47 Gbit/s,但是总体速度面积比是提高的,优化后AES算法硬件系统从安全性、逻辑资源消耗和速度面积比来说,都要明显优于优化之前,设计基本达到预期。

关键词： 密码学   分组密码   哈希函数   密码系统   可重构  

摘要： 密码学作为维护信息安全的基石,在科技日渐发达、信息量暴涨的当今物联网世界中起着不可或缺的作用。CLEFIA作为密码学中一种轻量级分组密码算法,能够在资源受限的电子设备中展现出不错的性能。但是CLEFIA分组密码的传统实现方式存在冗余结构,会增加不必要的硬件资源消耗;此外缺乏对CLEFIA可重构结构的研究,无法满足物联网设备在不同应用场景对不同安全性能的需要。哈希函数作为密码技术的一个重要部分,在数字签名、消息认证、伪随机数生成器等领域得到广泛应用。然而现有的研究只是将两者单独实现,没有将这两种不同的算法集成在同一电路中实现。针对上述存在的问题,本文基于FPGA硬件平台,通过软硬件结合的方式,实现CLEFIA-SHA3密码系统。论文主要工作如下:在充分理解CLEFIA和SHA-3算法基本原理的前提下,首先设计能够同时支持128bit、192bit、和256bit三种密钥长度的可重构CLEFIA电路结构,并通过分时复用的技术有效减少传统CLEFIA实现方式的冗余。该结构的数据位宽与传统结构相同,因此在获得较高吞吐率的同时,能够有效减少硬件消耗。其次,通过软件的方式来完成SHA-3算法中信息填充算法,不仅避免了硬件方式实现的困难,而且能够减少硬件方式所带来的资源消耗。SHA-3中的其余算法均用硬件结构来实现,这种软硬件结合的方式有效提高了SHA-3算法的可实用性。此外,在可重构CLEFIA电路结构基础上,将CLEFIA与SHA-3相结合,设计了CLEFIA-SHA3密码系统,这种设计的灵活性既能实现不同密码算法的功能,也能通过资源共享来减少硬件资源的开销。最后,为了更加直观的证明该系统的正确性和实用性,基于该密码系统,实现了对一张128﹡128照片的反复加解密操作。FPGA测试结果表明,所设计的可重构CLEFIA加密电路可工作的最大频率为147MHz,且仅消耗506个Slices。所设计的CLEFIA-SHA3密码系统能够正确实现图像加解密以及消息认证等功能。该系统灵活的结构和多功能的集成,对多功能密码系统的发展具有一定的研究意义。

关键词： 学习效率   艾宾浩斯记忆法   软件可视化   硬件设计  

摘要： 提升学习效率,减少无效学习时间,不仅是小学生个人的追求,更是所有人的追求。在国家“双减”的大背景之下。要求大量减少学习时间和家庭作业总量,和大幅缩减校外培训机构学科类培训,消减学生压力来达到提高学习质量的目的。在我们的科教兴国,人才强国的找略框架下,青少年的学习情况不仅是成千上万个家庭所关注的焦点,同时整个社会群体也会持续地高度重视该群体的学习效率质量,心理健康问题等。学生认知水平的不断提升,内心世界不断地趋于丰富,同时好奇心也在不停的增加。如果传统的课堂学习占据学生的大部分时间,那么将会限制学生其他能力的长远发展。二十世纪七十年代初期,同样作为亚洲教育大国的老邻居韩国,曾经以促进经济发展、减缓教育内卷化、缓解不堪负重社会负担为现实背景,通过推行“平准化教育”和取缔校外补习机构等政策,来破解全面补习内卷的问题。本问题也对韩国政府造成的长远的不良影响。降低学习时间,提升学习效率,这是一个一举多得的举措。既可以让小学生省出更多的时间来去探索他们好奇的世界,也可以提升自我的学习能力。从家庭角度来说,在减少时间学习时间,提升了学习质量,减少了校外教育培训支出,减轻了家庭整体负担。对社会层面来说,有利于社会多元发展,促进各行各业发展。本次设计基于艾宾浩斯记忆曲线理论为指导,对学习计划计划机进行软件和硬件的设计进行探索和研究,通过文献整理、市场调研和比较分析法,对当前市面上所出售的计时器进行深度解读和结构分析,根据小学生课程内容特点进行一个软件可视化的深度匹配,以及对该群体的心理特点和对产品的使用习惯进行外观设计。在本产品设计中,可以使用手机对产品进行连接,排列好任务。同时,也允许直接由学校进行统一安排课后学习,促使学生始终处在高效率的学习状态。