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关键词： 移动通信网络   NIDS引擎   硬件设计   软件开发   容器流量转发  

摘要： 网络入侵检测系统(Network Intrusion Detection System，NIDS)是安全边界防护的重要手段。5G网络环境下的NIDS面临新的挑战:一是5G催生万物互联，赋能垂直行业，由此带来多样化与差异化的安全需求;二是大量应用部署在资源受限的网络边缘，安全功能的可用资源也相应受限。现有的NIDS难以应对上述挑战:一方面，传统的NIDS硬件设备部署成本高、功能不灵活;另一方面，现有的开源NIDS软件虽然灵活性较硬件设备有所提升，但仍然是以单体化软件架构实现，难以支持检测功能的敏捷开发和部署，且占用资源较多，难以适用于5G网络边缘环境。此外，现有的开源NIDS软件尚不支持对5G网络流量进行解析和检测。　　针对现有的开源NIDS软件系统灵活性不足、无法处理5G网络流量的问题，本文设计并实现了一种软件化的NIDS引擎(5G-NE)，具备5G网络用户面(N3、N6、N9接口)流量识别与解析能力，支持会话粒度的流量信息统计，支持应用层常见互联网协议、物联网协议和工控协议的识别与解析。基于本文设计并实现的5G-NE，NIDS软件可以实现松耦合、可拆分的非单体化系统架构，极大提升了系统灵活性，同时也可以实现针对5G网络流量的安全威胁检测能力。　　微服务化与多主机部署是未来非单体化NIDS软件的发展趋势。针对微服务化、多主机部署场景下非单体化NIDS软件中的各类微服务容器之间的流量转发效率问题，本文提出了一种基于标签的流量转发方案，能够在跨主机容器之间根据隧道标签调度流量，降低虚拟交换设施上的流表项存储压力，提升系统检测性能。　　本文通过实际系统测试对5G-NE的功能和性能进行了验证，实验结果显示，5G-NE能够处理5G网络用户面流量及其承载的常见互联网、物联网、工控协议流量，能够从协议流量中提取入侵检测所需的元数据信息，并且能够达到单核优于Snort而与Suricata相当的流量处理性能。

关键词： 组合导航   即插即用   微系统   芯片原子钟/惯性辅助  

摘要： 定位导航授时技术(Positioning,Navigation and Timing,PNT)自诞生以来,一直是人们研究的重点。随着科技的不断进步,近些年来,用户对导航系统的相关性能有了更高的要求,但目前已有的单个导航源存在可靠性低、适应性差和定位精度低等问题,往往无法完全满足人们的需求。而多源融合导航系统可以结合当前情况,接入或剔除外源传感器,相比单个导航系统具有更高的稳定性和可靠性。本文以国家重点项目为背景,基于PNT技术,构建惯性与GNSS及多传感器组合导航微系统,主要包括以下几个内容:(1)对国内外相关定位导航授时系统的研究情况进行了分析及总结,并根据惯性与GNSS及多传感器组合导航微系统的性能需求和相关导航系统的工作原理,确定了以DSP+FPGA为核心的硬件设计。设计包括系统关键器件选型及核心模块的电路设计、各关键模块间的通信接口设计、系统的PCB设计及系统的安装。(2)根据系统需求设计了基于CAN总线技术的即插即用硬件模块,并基于DSP给出了即插即用模块的驱动程序设计。依照总体设计方案对相应外源传感器进行选型和设计,并将各个传感器输出的外源信息转换成可供即插即用模块识别的数据,进而传输给DSP。(3)针对高动态、强干扰等环境下,导航微系统的外源传感器无法提供有效的导航信息且卫星导航信号易失锁会造成导航系统无法定位的问题,通过引入芯片原子钟(Chip Scale Atomic Clock,CSAC)并结合惯导信息设计了一种芯片原子钟/惯性辅助GNSS接收机的导航方法。该方法提高了组合导航系统在高动态等恶劣环境下的导航性能。(4)从实际应用出发对惯性与GNSS及多传感器组合导航微系统中各个模块进行测试分析,最后对整个系统进行试验,验证系统整体的导航性能。本文给出了一种支持即插即用的惯性与GNSS及多传感器组合导航微系统设计方案,并针对高动态环境设计了一种芯片原子钟/惯性辅助GNSS接收机的导航方法,通过跑车试验验证导航系统性能稳定,通过模拟器试验验证导航方法可有效提高系统的导航性能。

关键词： Elliptic curve cryptography   Karatsuba multiplier   crypto-accelerator   crypto-processor   scalar multiplica-tion   field-programmable gate array  

摘要： Elliptic curve cryptography provides a widely recognized secure environment for information exchange in resource-constrained embedded system applications, such as Internet-of-Things, wireless sensor networks, and radio frequency identification. As the elliptic-curve cryptography (ECC) arithmetic is computationally very complex, there is a need for dedicated hardware for efficient computation of the ECC algorithm in which scalar point multiplication is the performance bottleneck. In this work, we present an ECC accelerator that computes the scalar point multiplication for the NIST recommended elliptic curves over Galois binary fields by using a polynomial basis. We used the Montgomery algorithm with projective coordinates for the scalar point multiplication. We designed a hybrid finite field multiplier based on the standard Karatsuba and shift-and-add multiplication algorithms that achieve one finite field multiplication in m2 clock cycles for a key-length of m. The proposed design has been modeled in Verilog hardware description language (HDL), functionally verified with simulations, and implemented for field-programmable gate array (FPGA) devices using vendor tools to demonstrate hardware efficiency. Finally, we have integrated the ECC accelerator as an AXI4 peripheral with a synthesizable microprocessor on an FPGA device to create an elliptic curve crypto-processor.

关键词： 高速公路   超限检测系统   硬件设计   软件开发   多传感器融合  

摘要： 为保障高速公路交通安全，保证高速公路畅行无阻，交通运输部于2019年大力推进高速公路入口治超工作，全国高速公路收费站均需在入口处安装货车超限检测装置，以防超限货运车辆驶入高速公路，避免超限引起的交通隐患。因此，做好高速公路入口的超限检测治理工作，运用现代化信息手段对高速公路入口的货车超限检测进行全方位监管，是当前高速公路管理信息化发展的趋势。而人工智能及大数据技术的迅猛发展，对数据分析及实时监测起了关键性的基础作用。　　当前国内外超限治理工作的研究热点问题主要为基于各种车辆动态称重算法、动态称重仪表、基于大数据分析的超限超载预警研究等，而在实际检测系统建设工作方面的应用研究较少，入口治超方面的应用研究更少。因此，本文从高速公路入口治超实际需求出发，针对当前高速公路入口由于货车超限检测引起的拥堵情况，设计开发一种多传感器超限检测系统，系统综合数据库、神经网络等技术，从系统管理、设备管理，到大件运输管理、统计分析等，完成整个工作，为高速公路入口治超检测的高效率高质量提升奠定了一定基础。　　本文主要研究内容及成果如下：　　1.针对当前高速公路入口治超检测的实际情况，分析了当前动态称重技术、传感器数据融合技术、标准发展现状及系统开发所需相关技术;2.在分析了高速入口治超检测实际需求的基础上提出了该检测系统的基本软件需求，并对其软件体系架构、运行模式及数据库等方面进行了设计，在模块化设计的基础上实现了整个超限检测管理系统;3.考虑到当前车辆称重的实际状况，设计了一种基于固定式秤台及压电石英的多传感器动态称重系统，并使用BP神经网络的方法实现多传感器数据融合。　　本高速公路入口治超检测系统的研究与设计，使得高速公路入口治超工作无论在质量还是效率上都得到了一定的提高，并与大件运输系统对接，一定程度上体现了公路管理的科技化和便捷化，并对以后的公路管理信息化相关研究及其他车辆动态称重系统研究工作也有一定的借鉴意义。

关键词： 光纤传感器   模数转换   嵌入式系统   现场可编程门逻辑   硬件设计  

摘要： 光纤传感器起源于上世纪70年代,自诞生以来就是光学、电子领域的前沿研究内容。由于其在机械、电子仪器仪表、航天航空、石油、化工、食品安全等领域的生产过程自动控制、在线检测、故障诊断等方面的重要用途,各国都在研制成本更低、精度和分辨率更高的光纤传感器系统。本项目研究的光纤传感器基于光纤布里渊散射,相比于其他光纤传感器,具有测量距离长、空间分辨率高、测温精度高的特点。同时,布里渊光纤传感器的系统复杂,需要硬件、软件光学系统和算法的支撑才能达到最佳表现。在硬件系统中,模数转换系统和FPGA承担了系统中最关键的数据采集、数据处理角色,直接关系到分辨率、精度、性能等最重要的参数,在整个系统中成本最高。论文以FPGA为核心,开发了光纤布里渊传感器采集控制模块,设计了4路250Mbps、14bit模数转换的软件和硬件,在FPGA中通过仿真单片机实现对高速AD芯片的配置和监控,实现了对传感信号的高速实时采集。

关键词： 嵌入式   双目测距   Linux系统移植   驱动开发   硬件设计  

摘要： 双目测距系统作为人眼的模拟系统,理论上可以取得目标范围内任意点的三维信息。随着人们对双目测距的研究日益深入,应用领域逐渐扩大,而使用传统PC机作为处理核心的双目测距系统对使用条件有较高的要求,严重限制了其在医疗、工业、交通等方面的应用。因此,低功耗、低成本、小体积以及高可靠性的双目测距系统是下一步发展的趋势。随着近十年来智能设备产业的兴起,嵌入式ARM芯片不断迭代,其性能已能够满足双目测距的要求。本文基于嵌入式技术,开发了一款以ARM处理器芯片为核心的双目测距系统EBV1(Embedded Binocular Version1),主要完成了以下几点:系统硬件设计,操作系统移植,摄像头驱动编写,图像采集以及测距算法的优化与实现。在EBV1系统硬件设计上,本文根据课题要求以全志公司的集成多媒体芯片V3S为核心,采用Omni Vision豪威公司的CMOS传感器OV2640与OV5647为图像采集芯片,对设备内部电源模块、双目图像采集模块以及系统整体接口电路进行了完整的分析与设计,构成了完整的硬件平台,最后完成了多层PCB的布局与走线并成功制版。本文将Linux作为双目测距设备的操作系统,根据对系统整体架构的分析在EBV1上成功个性化地移植了Linux操作系统。对OV2640与OV5647两图像传感器进行了驱动程序的编写与模块化挂载,在用户空间通过驱动与V4L2相关接口成功完成了相机图像的采集。深入研究双目成像与测距原理并建立成像模型,通过Open CV在EBV1上实现了双目标定与立体校正。根据三种立体匹配算法的特点,选择了区域匹配中的BM算法,并通过参数实验对算法进行优化,根据参数分析以及实验结果得到最理想的参数。最后通过对实际目标的测距实验,证明本双目测距系统能够进行140cm内较高精度的测距。

关键词： 航空伽玛能谱测量   硬件电路设计   数字梯形成形   稳谱  

摘要： 航空伽玛能谱探测技术是在飞行过程中测量地表和大气中的中放射性物质所放出的伽玛射线,通过分析伽玛能谱数据来获得放射性核素的分布,具有工作效率高,勘探效果显著,成本低等优点。该技术除了在寻找放射性矿床的应用外,也常用于资源勘查和地质填图,近年来也广泛应用于环境放射性污染监测,核电设施监测等领域。航空伽玛能谱测量系统的性能指标和探测精度直接关系到航空测量的效果,其中多道脉冲幅度分析器是航空伽玛能谱测量系统的核心模块,直接决定了整套测量系统的精度。由于航空伽玛能谱测量需多个探测器同步工作以保证极短测量周期内的脉冲通过率,论文设计了一种具有同步采集功能的数字化多道脉冲幅度分析器。针对探测器输出信号的特点,设计数字多道脉冲幅度分析器硬件电路,主要功能包括:可编程增益调整电路,高速模数转换电路,主控芯片电路,通信电路以及电源电路。探测器输出的模拟核脉冲信号经过可编程增益调整电路后,进入模数转换电路后实现模拟信号数字化。在FPGA芯片内,通过数字信号处理技术实现核脉冲能谱采集功能,主要功能模块包括:同步采集控制模块,梯形成形模块,脉冲堆积处理模块,峰值提取模块,寻峰稳谱模块,通信模块。数字梯形成形算法分模块级联实现,精确提取脉冲幅度,提高系统信噪比,具备更好的能量分辨率和良好弹道亏损表现。为解决航空测量过程环境变化引起的谱漂问题,使用3次多项式5点光滑的一阶导数算法,对能谱数据光滑去噪后进行寻峰分析,进而根据谱漂程度采用软硬件结合的方法,通过可编程增益电路调整脉冲幅度,实现全自动稳谱,保证系统长期稳定工作。采用双口RAM无缝收发数据,通过串口或者串行总线将数据实时发送至上位机,供后续数据处理能谱分析。数字多道脉冲幅度分析器在信号发生器产生50KHz指数衰减脉冲时,仍能保持高脉冲通过率。在室内使用单箱Na I(T1)闪烁体探测器分别对环境本底、Cs、U和Th测试源进行伽玛能谱测量,对能量线性度、窗口计数率、能量分辨率及系统稳定性进行测试。根据结果测试,能量线性度良好;窗口计数率及能量分辨率与AGRS公司生产的GR-820进行对比,测试结果略优于GR-820,表现较好;在7小时测量过程中,谱线漂移程度在±1道,可长时间稳定工作。

关键词： 多功能扩展板   Micro:bit   软件包   硬件设计   产品开发  

摘要： 本文设计并实现了一种基于micro:bit的多功能扩展板。这种设计主要包括硬件和软件两个部分。设计的主要目的是为了扩展micro:bit的功能和性能。硬件设计的工作主要是在用Altium Designer 2019画出本文提出的扩展板的原理图,并根据原理图绘制相应的PCB电路图用于进一步加工。同时,原理图和PCB图都进行了相应的软件仿真测设并且加工得到了实物。集成在micro:bit扩展板上的各种接口和电子元件使此设计具有了多功能的特点。软件的设计工作主要是开发了一种基于MakeCode在线编辑器的图形化程序软件包。这种软件包是由Visual Studio Code搭建Json开发平台,构建PXT开发框架,并编写对应的TypeScript代码,通过上传到GitHub并导入到MakeCode编辑器开发完成。这种软件包可以搭配设计的多功能扩展板和micro:bit以及外围电子器件一起用于MakeCode图形化程序开发。通过实验测试,结果表明本文设计的基于micro:bit的多功能扩展板可以很好的配合micro:bit开发板,外围电子器件和开发的匹配软件包。另外,在micro:bit的官方在线编辑平台MakeCode的扩展栏目中,此次设计的软件包可以被其他类型的micro:bit扩展板自由调用,具有一定的兼容性。由此可见,此次设计的micro:bit扩展板在青少年与儿童的编程教育和其他产品的核心组件开发具有一定的潜力。随着电子与计算机行业的飞速发展,人们的生活方式也在逐渐发生重大变化,越来越多的智能工具(如手机、平板、扫地机器人)逐渐加入到生活中,给人类的衣食住行带来了极大的方便,而这些智能工具的设计和使用也在人们的生活体验中逐步完善。这些智能工具的设计思路基本是按照数据和指令的编程模式实施运行,即通过编程向智能工具发送指令。相比于传统的工作方式,它们通常是由传感器自动收集数据,核心处理器按照指令计算和分析数据,将判断结果和执行方式再通过互联网传送给终端进行控制。这种运行模式具有速度快,效益高,精准化和自动化的特点。无论是传感器采集数据,核心处理器处理数据,还是互联网传送数据,都离不开软件编程。但编程教育一般是从成人阶段开始,相对于青少年和儿童来说,软件编程显得较为复杂,因为里面涉及到各种各样的编程语言(例如C,C++,Java)和复杂的数据结构,这些都不利于青少年和儿童的理解。但为了迎合信息时代的发展,培养出计算机和电子领域的精英人才,对儿童和青少年进行编程教育已经变得非常有意义。如果一个智能工具可以以一种比较容易学习和理解的方式让青少年和儿童学习编程,这将帮助他们接触编程的实质内容并且从小就培养他们对编程的兴趣,激发出他们更多的编程灵感,在长大后更好的去从事有关编程的工作,并且可以推动电子行业和计算机事业的发展,为人类和社会的进步做出突出贡献。而micro:bit开发板从2016年英国BBC公司推出后便立刻得到了广大儿童、青少年以及成人的欢迎。micro:bit开发板又名mico:bit,其本身集成了一部分的硬件资源,可以完成一些特定功能,比如按键控制,温度检测,定位和蓝牙。因为micro:bit采用图形化的编程,支持在线编程,并且可以同时进行软件和硬件的管理,很多的学校都推出了 micro:bit的创客教学,培养青少年和儿童的创新能力。综上所述,micro:bit开发板操作通俗易懂,具备软硬件的完整系统,同时接触到电子,通信和计算机领域的方向,并且支持共享开发,具有一定的发展潜力。但是在micro:bit开发板应用的过程中,很多的问题逐渐暴露。第一个普遍存在的问题是micro:bit开发板相对于更加高级的单片机系统和工业级开发板,功能还是不太完善,因为其本身集成的硬件资源有限,青少年和儿童在学完这个板子的绝大部分功能后将逐渐失去兴趣。第二个问题是micro:bit开发板因为其自身的设计特点,无法与更多的传感器或者电子器件相互配合工作,只能支持有限的传感器和电子器件。因此找出合理的方法去扩展micro:bit的功能将变得非常有意义。基于micro:bit的发展现状,如果能够对micro:bit进行研究,并且能够突破瓶颈,解决micro:bit在发展过程中的问题,那将对儿童或者青少年的编程教育变得非常有意义。鉴于上述动机,因此本文的工作主要体现在设计一种micro:bit扩展板配合micro:bit开发板进行程序开发和应用,这将拓展micro:bit的功能和性能特点。下面介绍本文的具体工作。首先,本文第一章从青少年及儿童的编程教育入手,指出了青少年及儿童编程教育应当简单易行,通俗易懂。而micro:bit开发板具有功能丰富和图形化编程等特点,更适合青少年及儿童的编程教育。因此本文以micro:bit作为切入点,认真分析了micro

关键词： 卷积神经网络   组卷积   贝叶斯压缩   高层次综合技术  

摘要： 卷积神经网络在人工智能研究众多领域中有着重要地位,与经典的卷积神经网络相比,组卷积神经网络在模型性能和计算成本方面的表现都更加出色;但在现有的组卷积模型压缩中,网络结构的权重参数没有显著减少;并且在不考虑网络权重参数之间相关性的情况下,现有的压缩方法使组卷积神经网络的复杂度和准确度欠佳。针对于组卷积神经网络结构设计了一种贝叶斯压缩框架,在不同组之间共享权重参数,并无需重新训练。在所设计的框架中,组内相关性和组间重要性引入权重参数的先验均值中,通过计算后验均值去不断地迭代更新先验均值和组间重要性;将求解过程转换为回归模型的组套索(Group LASSO)算法,进行更高效地优化。通过在不同的组卷积神经网络模型上进行仿真,本文所设计的压缩框架可以将组卷积层的网络权重参数减少约65%。在Image Net数据集上的卷积神经网络Res Ne Xt-50,组卷积层中网络权重参数量减少了90%以上,而且精度提高约0.5%。在硬件设计方面,本文设计了组间权重参数重用测试,使网络模型降低传递参数所造成的消耗,提高计算并行度;使用高层次综合优化技术,生成硬件可综合代码来进行优化实现。优化后的贝叶斯压缩框架组卷积相比于常规组卷积,运行速度提升了10%以上。