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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： 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。

关键词： 任意波形发生模块   PXIe   直接数字合成   同步   信号调理  

摘要： PXIe任意波形发生模块不仅能产生波形参数精密可调的标准波形和用户自定义任意波形,同时具备模块化仪器的灵活扩展性以及多模块同步特性,被广泛应用于各种测试、研究领域,是现代测试仪器的发展趋势之一。由于现代测试的复杂性,对任意波形发生器的采样率、存储深度、波形参数调节能力以及多通道同步特性等指标有了更高要求。本文围绕上述问题,深入分析了波形合成理论和信号调理方法,完成了800MSa/s采样率、80MHz带宽PXIe双通道任意波形发生模块硬件电路设计。主要工作如下:1.完成双通道波形合成模块硬件电路设计。根据不同波形合成方法的实现特点及不同波形的设计需求,将标准波、任意波和脉冲波分开合成。其中采用基于DDFS的分相并行存储结构实现标准波形合成,提高系统采样率至800MSa/s;利用DDWS结构合成任意波形,采用DDR3 SDRAM内存颗粒作为波形查找表,既扩展存储深度至512MB/通道,又节约了模块面积;利用实时调节脉冲信号上升/下降沿斜率的方式实现高分辨率脉冲信号的合成。采用FPGA+DDR3 SDRAM+DAC架构完成波形合成模块硬件电路设计。2.完成时钟及多通道同步电路设计。数据发送模块的数据同步及DAC转换同步是实现多通道同步的关键;分析了基于JESD204B接口的多DAC同步方法,和同步多个模块之间的采样时钟及触发信号方法,在兼顾系统时钟需求和同步需求的基础上完成时钟电路设计。其中利用锁相环合成标准波形所需的800MHz固定采样时钟,利用DAC内部NCO合成任意波所需5.6μHz～400MHz低噪声可变采样时钟。3.完成80MHz带宽、双通道信号调理模块硬件电路设计。分析了DAC输出信号的频谱特点,并设计了两级滤波器滤除DDS系统产生的镜像频率分量;利用数字精调加模拟粗调的方式实现步进为0.16d B、范围为15.5m Vpp～24Vpp的幅度调节;利用通道内原有运放搭建加减法电路实现±0.5Vpp直流偏移控制。并设计自校准电路解决AWG输出幅度和直流偏置因时间漂移和零点漂移而输出不精密的问题。系统测试结果表明,本文设计的PXIe双通道任意波形发生模块最高采样率达到了800MSa/s,存储深度达到了512MB/通道;可以实现多种标准波形及任意波形合成,可以实现DC～80MHz带宽15.5m Vpp～24Vpp幅度范围的信号输出,以及±0.5Vpp的偏移调节范围。通道间同步偏差小于100ps,模块间同步偏差小于300ps。

关键词： 泛在定位   多源融合   自适应EKF   位置聚合   硬件设计  

摘要： 近年来,随着信息科技的飞速发展,大型场馆的展览也越来越多,旅游景区的设施也越来越智能化,智能引导机器人已成为一个发展趋势。譬如,在北京冬奥会中就会亮相许多智慧游览机器人,提供导览讲解服务。如何准确获取当前引导机器人的位置,并在引导过程中连续准确定位成为研究热点。传统的室外卫星导航定位方式适用场景单一,若遇到紧急情况需要引导群众前往隧道或者室内等安全区域时,机器人由于缺乏卫星信号而无法定位;且室内环境下机器人蓝牙、视觉定位也会受到各种外界条件的影响而大大降低定位精度;同时室内外切换的连贯性也是亟待解决的问题。因此,为了能在智能机器人引导过程中连续而准确地定位机器人的位置,本文设计了一个多源融合泛在高精度定位终端,安装在智能机器人上,辅助泛在场景下的连贯定位。基于卫星及蓝牙信号特征使终端识别当前运动场景,根据场景的不同,设计不同的组合定位算法,从而使机器人在室内外运动过程中持续获得高精度定位。首先,针对不同场景难以区分的问题,本文提出了基于全连接神经网络的场景识别算法。利用卫星数量、卫星截止高度角、卫星信噪比以及蓝牙信号等特征,构造场景分类特征数据,输入全连接神经网络进行场景分类,能够有效区分出室内场景、室外场景以及室内外模糊地带场景。其次,针对室内场景下定位受环境及硬件设备影响较大的问题,本文提出基于环境自适应扩展卡尔曼滤波(EKF,Extended Kalman Filter)的蓝牙与惯性导航动态融合定位算法。该算法利用多级滤波对蓝牙 RSSI(Received Signal Strength Indicator)数据进行修正,引入波动系数消除蓝牙信标的波动性进行位置指纹定位,将蓝牙定位的结果与惯性导航结果相融合,并加入蓝牙信标路径衰减因子作为观测噪声输入扩展卡尔曼滤波器进行误差修正,实现室内的高精度稳定性定位。针对室外环境下部分场景卫星信号短时缺失的问题,融合惯性导航系统,同时加入系统安装空间误差及时间不同步误差作为观测噪声输入到扩展卡尔曼滤波器中优化状态空间模型,从而实现室外短时弱卫星信号场景的高精度定位。接着,针对机器人在不同场景之间运动难以连贯持续定位的问题,在半开放的室内外中间模糊地带中,本文提出了基于概率密度函数拟合的室内外模糊场景下位置聚合算法。融合蓝牙、惯性导航、RTK(Real Time Kinematic)三种方式,利用Gamma函数拟合三种定位技术的误差分布,并提出了时间远近加权法将其聚合成单一的位置估计,达到室内外的平滑过渡,提高了组合导航系统的稳定性。最后,基于上述的定位算法,本文设计并实现了多源融合的高精度定位终端。选用***8MMini作为核心处理器,NEO-M8T作为GNSS(GlobalNavigation Satellite System)接收机,OPENIMU300 作为惯性导航传感器,结合电源模块、通信模块、接口拓展模块设计4层PCB(Printed Circuit Board)硬件电路板,同时设计个性化蓝牙信标接收器,通过USB接口外接终端电路板,采集定位所需蓝牙信号。通过实际室内环境和室外环境测试验证终端的性能,现场测试表明,本文设计实现的终端在实验环境中能较好地实现亚米级平均定位精度,达到了泛在高精度定位的目标。

关键词： 无人机   链路压制   GPS欺骗   FPGA  

摘要： 随着无人机产业的飞速发展,民用小型无人机逐渐进入大众的生活,在许多行业的应用呈爆炸式增长,与此同时,无人机威胁公共安全的事件也日渐增多。减少“黑飞”无人机带来的安全隐患,采用有效手段应对无人机威胁成为当务之急。针对无人机反制系统需求,本文设计了链路压制与导航欺骗相结合的无人机反制硬件平台,主要工作有:(1)完成了无人机链路压制与导航欺骗平台的硬件方案设计。该硬件平台由链路压制子模块与导航欺骗子模块组成,其数字基带部分采用DSP+FPGA的核心处理架构,满足无人机遥控链路压制与导航欺骗干扰轻量化、高性能的功能设计需求。其中,DSP外扩以太网接口用于实现与上位机的通信,使用EMIF接口完成与FPGA的高速数据传输;FPGA外扩DDR2 SDRAM用于无人机干扰信号基带数据的大容量存储。(2)根据平台硬件设计方案,完成核心模块的电路原理图设计。包括DSP、FPGA、数模转换模块、模数转换模块以及射频模块的核心电路设计。(3)完成了无人机反制硬件平台的FPGA实现。链路压制模块实现了无人机功率谱计算、跳频信号同步和数字中频干扰信号生成,完成了ADC和DAC的模块功能配置;导航欺骗干扰模块实现时间同步和GPS数字中频信号生成。FPGA设计采用串并转换的方法,将单路高速率采集信号转换为并行数据,实现FPGA低时钟、高速并行化处理。(4)完成了无人机反制硬件平台测试与功能验证。测试结果表明,硬件平台能够正常工作。功能验证结果表明,该实验平台在信噪比高于18d B的条件下,干信比大于5d B时可实现对无人机控制链路的稳定干扰;采用导航欺骗的方法能完成对半径在300m范围内无人机的持续稳定干扰。综上,本文针对“黑飞”无人机威胁安全问题,采用链路压制与导航欺骗相结合技术手段,设计了无人机反制硬件平台,实现了对无人机的有效反制。

关键词： 分裂波束   探鱼声纳   硬件设计   FPGA   发射机   接收机  

摘要： 随着渔业资源评估、海洋牧场以及大型网箱鱼类养殖等技术的快速发展,分裂波束探鱼声纳逐渐成为了不可或缺的鱼类资源监测和研究工具。本文以“基于水下无线传感网络的深水网箱养殖智能化监测关键技术研究”项目为背景,开展分裂波束探鱼声纳硬件系统的设计与实现。本文首先对分裂波束探鱼声纳的国内外发展现状进行了介绍,分析了其基本工作原理,并给出了分裂波束探鱼声纳硬件系统的主要技术指标,为论文的开展提供了理论依据。其次,根据技术指标,对分裂波束探鱼声纳硬件的相关参数进行了分析计算,主要包括换能器性能、发射声源级、接收机可控增益范围等参数的计算,并据此设计了分裂波束探鱼声纳的工作流程以及系统结构方案。然后,重点对分裂波束探鱼声纳硬件系统的设计与实现展开研究,主要包括模拟电路、数字电路以及FPGA内相关逻辑的设计与实现。其中,模拟电路部分主要包括发射机、接收机以及电源转换电路;数字电路部分主要包括A/D采集电路、D/A增益控制电路、串口通信电路、以太网通信电路以及温度采集模块;FPGA内逻辑实现主要包括发射机信号源、接口逻辑控制、TVG增益控制、数据通信以及温度采集等功能。最后,对分裂波束探鱼声纳硬件系统进行了详细的测试与验证,主要包括对发射机、接收机、电源转换电路以及数字电路的模块分级测试;以及对各个模块进行组装,进行系统的联合测试,验证了系统各模块间可以稳定可靠的配合工作;最后进行了水池试验,初步验证电路性能以及系统功能。

标准号: GB/T 41142-2021

摘要： 本文件规定了核电厂基于计算机的安全重要系统硬件设计要求，包括硬件需求、设计和开发、验证和确认、鉴定、制造、安装和调试、运行、维护等相关内容。本文件适用于核电厂基于计算机的安全重要系统硬件的设计，及对预开发硬件（包括固件）的评估；也适用于可编程逻辑器件的设计过程和设计验证。本文件不适用于用于软件下载和检查的计算机硬件设施。

关键词： 短距离通信   传播性能   无线传感节点   CC1101  

摘要： 为提升城市主干道无线监测系统传输性能评估有效性,针对无线传感网络链路通信质量评估,设计出一种节点硬件电路。从不同评价因子影响角度,研究无线传感节点模拟在林荫小道上433 MHz频率下的传播特性,分别得出信号接收强度值(RSSI)、链路质量指示值(LQI)以及包接收率(PRR)与距离的关系。结果表明,拟合出的RSSI值呈对数距离损耗模型特性,η值在2.354~2.745,LQI值呈指数型曲线上升,PRR随着距离由近到远不断降低。通过传输衰减特点分析可知,在60 m处的稳定性较好,可以在此处布放节点建立传感网。传输链路性能评估的研究为实现无线传感网找到最佳理想通信路径和布放点提供了重要基础。

关键词： 肢体康复器   控制器   硬件设计   CMOS芯片  

摘要： 考虑到双腿的肌力水平不同,因而设计一种控制器能满足两路交流伺服电机和两路直流电机的控制。通过双施力器进行协同控制将会取得更加科学、高效的训练效果。该结构采用集约化的设计思想,集成度高、功能完善,且座椅、施力臂电控可调化的设计,满足不同使用者的实际需求。对硬件控制结构模块化处理,详细地介绍了所设计电路各个模块的功能和芯片选型,然后以ARM处理器CMOSLDO50为核心,对每个模块进行了电路设计,根据硬件电路布线的相关规则,完成了稳定可靠的控制器硬件设计,为顺利进行后续的研究工作奠定了基础。