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关键词： 垃圾分类系统   硬件设计   软件开发   功能模块  

摘要： 近年来，随着新型城镇化的进行，城市人口增加、生活垃圾产量攀升、环境隐患突出等因素制约着城镇化的绿色发展。因此，垃圾分类事业逐渐引起政府重视，新时代中的垃圾分类渐渐演变成一种新趋势。当前，政府相关部门已对垃圾分类工作规划出宏伟蓝图，倡导人们培养垃圾分类的良好习惯，增强人们绿色生活的意识;同时，也已出台相关法律法规和垃圾分类政策。但是，由于人们分类意识淡薄，导致生活垃圾的实际分类效果不佳。因此，针对我国当前垃圾源头分类的服务现状，建立完善的智能垃圾分类系统，对于日常生活垃圾的有效分类、提高资源利用率、保护生活环境具有重要意义。　　本文设计并实现了一套智能垃圾分类系统。基于互联网、物联网、智能化相关技术，通过各类传感器组件采集投递垃圾数据，并自动监测系统状态;采用图像识别技术完成对垃圾种类的识别;该系统能够有效地提高垃圾分类投放的正确率，并实现了垃圾投放的源头追溯和垃圾分类系统的公益性价值开发。　　首先，本文设计了智能垃圾分类系统的总体方案。该系统主要由Firefly-RK3288硬件平台、传感器组件、网络通信、云服务器组成。其功能包括通过人脸识别精确定位用户身份，建立一用户一码号机制，实现有源可溯;采用智能化识别技术实现垃圾分类投放的正确性检测。同时，对正确投放垃圾的行为采取奖励措施，能够有效地推进用户参与垃圾分类的积极性。　　然后，分别从设备端和云平台两方面出发，介绍了智能垃圾分类系统的实现。在智能垃圾分类设备端设计与实现中，完成设备端的平台选择、开发环境的搭建;设计基于Firefly-RK3288硬件平台和各类传感器组件，对投递垃圾和箱体内部状态的数据采集;并完成设备端的软件设计与开发。在智能垃圾分类云平台管理系统设计与实现中，按照系统功能需求，设计云平台管理系统架构，开发图形用户界面;完成数据库的选择和数据库表结构的设计。同时，针对垃圾识别功能，设计并训练垃圾识别模型，并进行模型在线部署供设备端实时调用。　　最后，对设计的智能垃圾分类系统进行了功能测试，以验证系统运行的可行性和稳定性。根据该系统工作流程，在设备端，对人脸识别、数据采集、媒体服务、垃圾识别等功能进行测试，并对设备端性能进行分析验证。在云平台端，对远程操控与维护、数据管理、信号预警等功能进行测试，并对云平台性能进行分析验证。

关键词： 疏浚工程   固相含率   电阻抗层析技术   仿真   硬件设计   数据处理  

摘要： 疏浚工程中,挖泥船的泥浆输送管道的参数检测是过程控制、生产效率和工艺优化的重要环节。特别是管道内固液两相流的固相含率,是关乎到工程安全和施工效率的关键参数。当前,挖泥船管道使用射线源密度计进行固相含率的测量,这种设备成本较高、维护困难、非环保并且影响船上工作人员的健康。基于电阻抗层析技术(Electrical Impedance Tomography,EIT)的电学量测仪无污染、成本低且易于维护,正在逐渐替代射线源密度计成为主要的测量装置。但是,电学量测仪在疏浚工程中的实际应用还有许多问题需要研究和解决。本文以电学量测仪及其在疏浚工程中的应用为研究对象,从三个方面开展研究,主要内容如下:1)针对测量值与两相流的背景电导率呈现的非线性关系问题,进行理论推导和仿真验证,得出引起该问题的关键因素是域外电阻的结论;并进一步研究了域外电阻对测量值的影响,以及不同背景电导率下电学量测仪对被测场域敏感程度与域外电阻大小的关系,确定了疏浚工程应用中域外电阻的阻值范围。2)针对现有设备信噪比不够高、适用的背景电导率范围不够宽的问题,设计了一套能够在[0.025,3.2](S/m)的电导率范围内工作的EIT数据采集系统。除域外电阻的阻值设置外,还包括电路设计和FPGA固件程序的重新设计,重点针对信号时序、寄生电容、间歇式激励信号、数字相敏解调技术、功能多样性等细节做出了调整。实验表明,新系统的信噪比超过62d B,在3.2 S/m的背景电导率下敏感度指标超过2%。因此,新系统对于不同的测量条件有更好的适用性。3)针对测量值异常及导致的固相含率计算结果不准确的问题,分析了问题产生的原因,基于实验模拟和施工过程分析提出了异常诊断与数据处理的方法。在疏浚作业过程中的测试验证了方法的有效性;针对复杂测量条件,进一步使用频域方法对测量数据进行特征提取。实验证明该方法具有一定的抗噪效果,计算所得的含率在一定条件下准确性高于已有方法。

关键词： TCAS   TCAS综合测试系统   雷达信号模拟   多目标  

摘要： 空中防撞系统（TCAS）是一种重要的航空电子设备,能够在飞机飞行过程中实现对周围空域的监控,并且在可能出现相撞危险时,发出危险警告。还能够指导飞行员通过操纵飞机,在垂直方向做出上升或下降的规避动作。为了满足研发过程的验证需要,将问题发现和排除在飞机起飞前,以及保障设备稳定运行,需要空中防撞系统测试设备来完成相应的测试工作。本文根据TCAS设备实际测试需要,基于软件无线电技术提出了使用三片FPGA+三片射频收发器架构的设计方案,实现了568个静态目标和32个动态目标的信号模拟功能。1、论文首先阐述了TCAS系统的发展现状和TCAS综合测试系统的研究现状。然后对TCAS系统的整个工作流程进行了分析,同时对空中防撞系统在通信过程中的特殊通信格式进行了介绍。以此为基础,设计了将600个目标分别存储在三片FPGA中,并将每片FPGA中的200个目标分四个存储模块中,每个存储模块存储50个目标的方法实现多目标设计方案。2、硬件电路的设计是通过以FPGA作为主控模块,配合PCI9054实现和上位机的桥接通信,并选用AD9361作为射频收发器实现数字基带信号和射频信号的转换。然后配合时钟模块产生高稳定度的时钟信号,电源模块提供稳定供电电压来实现硬件设计需求。3、硬件逻辑模块设计包括以CPCI接口模块实现和上位机的桥接通信,通过信号接收译码逻辑模块对接收到的询问/应答信号进行解码提取有效信息。TCAS收发主机测试则需要根据有效信息通过多目标并行查找逻辑实现有效目标查找,并将提取的目标信息通过预处理模块实现目标高度、距离、方位信息的转换。基带信号编码模块实现对应答信号和询问信号的基带信号编码。最后通过搭建测试平台对整个设计进行验证。通过验证,本设计能够实现询问信号译码,并且根据询问信息,模拟产生568个静态目标和32个动态目标的应答信号。本设计能够根据上位机设置,模拟产生要求的询问信号,并实现应答信号的接收译码。

关键词： 标签模切机   运动控制系统   硬件设计   软件开发   自适应约束算法   PID控制算法  

摘要： 标签模切机是一款切割不干胶标签的自动化加工设备，市场规模庞大。随着电商与包装行业的快速发展，不干胶标签形状由单一化变为复杂化。而标签模切机运动控制器是设备的核心部件，决定了切割标签的种类、效率和质量，同时市场也对其性能和成本上提出了更高的要求。因此，开发出一款高速高精度标签模切机运动控制系统，对降低标签模切机的生产成本与在小批量、形状复杂的不干胶标签应用上具有很高的研究意义和商业应用价值。　　本课题分析了国内外模切机运动控制器研究与发展现状，设计与开发了一款高性价比的嵌入式标签模切机运动控制系统，主要开发工作和成果如下：　　1.根据标签模切机的专有机械结构以及相关加工工艺，研究确定了运动控制器的整体设计方案，并根据设计方案完成各个功能模块的硬件电路设计以及控制器产品的推广应用。　　2.针对标签模切机中的加工小线段不连续路径而造成系统抖动的问题，本论文提出了粗、精两级插补设计方案和连续小线段拐弯速度自适应约束算法。并利用重复控制PID算法对实际位置轮廓误差进行补偿，提高了多轴运动控制器的速度与精度。　　3.设计与开发了标签模切机运动控制器软件，主要包括：人机界面、通信协议、文件解析、自动定位和纠偏、远程更新等功能模块，并小批量在企业的标签模切机上验证本运动控制器的加工精度与工作效率。　　最后，对本文的研究工作进行了总结，并对该控制器的进一步研究与完善作出展望。

关键词： 短波发射机   PLC   冷凝器自动冲洗系统   硬件设计   软件设计   梯形图  

摘要： 本文介绍了利用PLC系统实现TSW2500型短波发射机冷凝器自动冲洗的设计方案,阐述了自动冲洗系统的硬件设计原理以及软件系统梯形图的设计原理.

关键词： PXI总线   数据采集   多通道技术   模数转换  

摘要： 在当前日新月异的数字化发展中,对于一些关键量的准确采集成为了我们认识这个世界的关键。其中数据采集的步骤就显得尤为重要,目前,高精度的数据采集可应用于多个环境,雷达监测,电力场所,生物分析等,本设计从应用的广泛性出发,设计一款支持任意通道扫描,可以与外部调理信号一同使用,实现对大电压,小电压及非电电压的采集。本论文对标NI公司高精度数据采集板卡,实现4种量程输入,满量程误差小于0.1%,支持64路单端/32路差分信号的采集,单通道存储深度达64k Sa,支持扫描模式下的连续存储,支持多种触发模式。同时将FPGA技术的多样性与PXI总线的拓展性结合,进行模块化设计,更加方便产品的更新换代。为这一系列的数据采集系统减少开发时间。论文从硬件设计出发,结合主要功能和设计指标,制定满足设计要求的总设计方案,对每一模块进行理论分析,然后基于指标设计的分析如何更优的完成数据采集功能。具体内容包括:(1)高精度设计误差来源分析:分析了来自放大器噪声,模拟开关建立时间延迟,基准电压源引入的噪声,PCB板上的误差等。对信号源接入方式做出规划。(2)信号调理电路:主要包括输入保护电路,多路选通电路,程控放大电路与电压比较电路。使每一路信号易于驱动易于隔离,对64路通道进行了选通,将所选信号结合不同量程范围,根据电压返回值来确定具体放大倍数。(3)数据采集、存储、隔离电路:利用FPGA作为主控芯片,接收上位机的命令,分时分指令将开关动作送入模拟电路。使用基于i Coupler磁耦隔离技术的数字隔离芯片,将数字信号与模拟信号隔离,避免误差。采样完成,设计FIFO在两个不同的时钟域传输数据,将解析出的电压采样值送入上位机中。配合内部生成的地址指令,实现扫描模式下的存储。设计选取Cyclone IV系列作为系统支柱,该系列辑阵列充足,配置简单,典型功耗较小,适合应用于低成本的研究中。采用专用PCI桥接芯片完成数字接口的设计,支持PXI背板触发。每一次单通道采样过程支持最高采样率100k SPS,分辨率16bit,由上位机释放命令决定。对设计完成的系统测试,结果显示,在重要的设计功能和设计指标上,都达到了设计要求。

关键词： 硬件设计   TSI   IMX6Q+TSI721   总线网络   中断服务程序   核心电压   RapidIO   电源设计   复位信号   Linux   桥接芯片   内存资源   初始化  

摘要： 为了使ARM架构的CPU能通过PCIE总线连接到RapidIO系统中,利用NXP公司的IMX6Q处理器PCIE接口和RapidIO桥芯片Tsi721的硬件特性,在Linux操作系统下开发该芯片的驱动程序,实现了PCIE总线网络和RapidIO总线网络的无缝对接。通过实际测试,验证了工作的正确性。

关键词： 光电容积脉搏波   心率变异性   精神疲劳检测   硬件设计   软件设计  

摘要： 人体精神疲劳作为一种普遍存在的精神状态却极易被人们忽略,从而对人们的日常生活、工作造成一定程度的负面影响。为了减少人体精神疲劳带来的危害,找到合适的疲劳检测方法已成为该领域研究的热门,基于人体生理参数的疲劳检测方法已被证明是可行的,但由于脑电图、心电图等信号的采集装置复杂,难以进行实时监测,因此,选取另外一种信号进行疲劳检测是很有必要的。为了满足人体精神疲劳实时监控的新需求,本文设计了一种基于脉搏波的精神疲劳检测系统,兼顾了便携性与实用性。本文主要研究工作和创新点如下:硬件设计以STM32微处理器为主控芯片,选择SFH7050为光电容积脉搏波采集模块,搭配535nm绿光源、660nm红光源和940nm红外光光源,配合使用设计的信号滤波、放大、电流/电压转换电路以及AFE4400集成模拟前端,完成脉搏波信号的采集、预处理,最后,选取蓝牙HC-05模块进行数据的无线传输。软件设计主要有两个部分,下位机和上位机软件。下位机软件嵌入在采集装置中,主要进行脉搏波信号采集、预处理和将处理信号上传上位机APP;上位机APP主要包括特征提取模块、滤波算法模块以及疲劳检测算法模块,对接收到的信号进行特征点识别、提取以及疲劳检测计算,并将最后的脉搏波波形和检测结果显示。对基于脉搏波信号的精神疲劳检测方法进行了研究。提取脉搏波信号峰值时间间期,代替心电信号RR波时间间期进行心率变异性频域指标和非线性指标研究。首先,使用阈值法识别一定间期内的脉搏波波峰值,将识别的脉搏波波峰值提取出来作为时间间期序列;然后,分析所得到的时间间期的频域指标LF/HF和非线性指标SD1/SD2;最后,对比正常状态下和疲劳状态下的频域指标和非线性指标进行疲劳检测的相关研究。通过相应实验验证,该方法能准确判断人体是否处于精神疲劳状态。

关键词： 电磁铁式电磁声换能器   硬件设计   软件开发   性能测试  

摘要： 电磁声换能器(Electromagnetic acoustic transducer，EMAT)由于结构简单无需耦合等优点，在超声无损检测领域具有巨大的应用潜力，传统的EMAT主要由永磁体、线圈和检测试件组成。但基于永磁体的EMAT由于永磁铁磁场不可变、在铁磁性试件上检测时吸附力强难以移动，容易吸附铁屑，存在居里点等缺点，使其在实际应用中受到很大地限制。电磁铁式EMAT可以避免以上缺陷，然而并没有一套完整的检测系统能够应用于电磁铁式EMAT的无损检测。　　本文立足于研制一套电磁铁式EMAT检测系统，针对实际需求，分别设计了双通道激励系统、功率放大模块和采集系统，编写了逻辑控制程序和设计上位机软件。通过对设计指标分析、电路原理设计、程序编写、性能测试和系统实验验证等方面进行研究，主要的研究工作如下:　　(1)电磁铁式EMAT检测系统硬件的研制。该硬件系统主要包括双通道激励设计、EMAT功率放大模块设计、电磁铁功率放大模块设计、参数可调的双通道采集系统设计。具体内容为:以FPGA（Field Programmable Gate Array）为主控单元，结合直接数字频率合成（Direct Digital Synthesis，DDS）技术，设计频率可调的任意信号激励电路;设计了高频、大电流、大电压和高信噪比的EMAT功率放大电路;设计采样率、增益和采样点数可调的双通道采样电路。　　(2)电磁铁式EMAT检测系统软件的开发。编写了激励和采样的逻辑控制程序和开发基于LabVIEW的上位机软件。设计信号类型、周期、频率、重复频率和延时时间可调的激励程序;设计采样率、采样增益、采样点数可调的采集控制程序;开发基于LabVIEW的上位机软件，通过调用DLL动态链接库的方式，实现系统参数的控制、波形的显示、数据处理及存储和人机交互功能。　　(3)电磁铁式EMAT检测系统的实验验证。设计了电磁铁式EMAT的体波实验，在实验结果中能明显分辨出回波信号，证明检测系统的可行性，并测试了系统在实际应用中的工作性能，测试结果验证了指标参数达到预期设计目标。设计了永磁铁式EMAT的导波检测实验，通过实验结果证明了该系统不仅能应用于电磁铁式EMAT检测实验，同时也可以应用于永磁铁EMAT的检测实验，拓宽了检测系统的应用范围。

关键词： 硬件设计   FPGA   IEC61850   智能终端   数字化变电站  

摘要： 传统的变电站受限于信息交换技术,各个不同生产厂商的电气设备之间的通讯需要大量的通讯协议转换器,使得通讯交互过程过于复杂,功能难于实现,导致生产管理水平难以提高。而智能变电站则是采用先进、可靠、集成的智能设备,通过IEC61850标准的通讯协议,可以大大简化各种设备之间的互联问题,使得不同生产厂商的智能设备之间能够轻松地相互通讯。同时,智能变电站能够从根本解决传统变电站所面临的某些技术问题。更重要的一个问题是,在国家大力发展新能源战略的背景下,传统的变电站面临着具有间歇性、波动性和随机性等特点的新能源发电技术的挑战,但智能变电站却仍然能够解决新一代电力系统中的电能并网问题,这将在很大程度上推动了我国智能变电站的发展。目前,智能变电站还处于发展阶段,存在一些问题:数据处理能力不足;数据通信速率低;数据通讯介质被限制;因此,为解决以上问题,本论文主要围绕基于FPGA所构建的智能终端系统展开较深入的细致探究,这一系统秉持IEC61850协议,依托光纤网络介质保持正常通讯。本论文首先分析了智能终端的硬件结构,并对数据量进行评估,为系统选择了 Xilinx公司Kintex-7系列XC7K325T型号FPGA,并针对外围电路进行了芯片的选型和硬件电路设计。其次,本论文对对智能终端在智能系统中的功能进行分析,为核心芯片开发适用的处理系统,并且对系统的功能进行仿真,分析系统的数据处理能力;最后,本论文针对自身设计的硬件处理系统进行仿真分析。本论文通过对现用的多种数字化变电站智能终端的研究,了解智能终端实现的硬件结构,对控制原理进行分析,提出了新型硬件结构的硬件原理,并且对核心器件的控制逻辑进行设计。本文对智能终端的硬件设计和软件设计进行了详细说明,并验证了此设计方案的可行性和优势。