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关键词： 极低频电磁波   发射线圈   硬件设计   管内外通讯  

摘要： 机器人在金属油气管道内作业时,一般采用线缆与管外进行数据通讯,这对机器人的作业存在严重限制。针对这一难题,本文利用极低频电磁信号较强的金属穿透性,提出了基于极低频的油气管道内外无线通讯系统研究方案。本文根据麦克斯韦方程介绍了交变电磁场的特性,将极低频发射线圈等效简化为磁偶极子模型,分析了极低频电磁信号的空间分布。同时建立了发射线圈的仿真模型,对极低频电磁场分布进行有限元计算分析。结果表明,极低频电磁信号空间磁场具有对称分布特点。本文设计的极低频管内外通讯系统利用二进制频移键控方式进行信号调制。由DDS正弦信号发生器产生极低频信号,进行功率放大后通过发射线圈发射。接收线圈采集到穿透金属管道的极低频信号后,通过放大、滤波电路对包含噪声的衰减信号进行处理,提高信号质量。再由微处理器使用傅里叶变换解调出原始信号,实现管内外无线通讯。最后,对研制的极低频管内外通讯系统进行调试,并在管内外通讯实验平台上进行实验。实验结果表明,通讯系统可以很好地实现管道内外极低频无线通讯功能,通讯距离达到1.25m。

关键词： 三轴电机驱动器   硬件协同   采样误差   驱动参数   节能效率   多热源  

摘要： 随着机械、电子、数控技术的不断发展,四足机器人技术也有了长足的进步。电驱动相比于液压驱动,在机构速度变化范围、工作效率、控制精度以及噪音上都有更突出的优势。电机驱动控制器作为电驱式四足机器人的电机驱动部件,其性能与可靠性将直接影响四足机器人的移动效果,因此本文对驱动器的控制性能、驱动性能、节能性能及散热性能四个方面进行分析,设计了一款可以同时驱动控制三个关节电机的高性能三轴驱动器。根据四足机器人的控制要求,提出了三轴电机驱动器的技术需求进而确认了驱动控制策略;针对三轴驱动器的任务分配问题,提出了双处理器组成的控制系统,实现了多任务的控制协同;采用了三轴驱动器的三个逆变单元共母线连接方案以实现单元共用的协同策略。分析了位置与电流的采样偏置误差与采样增益误差对矢量控制性能的影响机理;建立了功率器件的栅极驱动等效模型,并通过仿真分析进行参数优化,提高了功率器件开关性能;针对驱动电源的输出精度及整体性能要求,提出了双闭环的控制结构;分析了驱动电压对功率器件性能的影响进而确定了驱动电源参数;采用了光电耦合器与乙类推挽电路组成栅极驱动,保障了驱动单元的电气隔离需求、短路保护需求以及驱动能力需求。提出了三轴驱动器共母线耗能系统结构与储能系统结构,分析了两种结构的能量流动与节能效率,解决了同一时间内多个电机的消耗能量与再生能量不均问题,提高了能量利用率;针对三轴电机驱动器的多热源散热问题,对功率器件进行热分析并建立散热系统的等效热路模型,优化了驱动器的散热性能。搭建了三轴驱动器实验平台,并进行了驱动电源与栅极驱动电路的实物测试。实验结果表明,驱动电源的电气性能达到预期,有着较高的输出精度;控制信号传输延迟与计算相符,且设置的死区时间安全可靠;功率器件的开关性能较好,能满足三轴电机驱动器的工作需求。

关键词： 调制宽带转换器   频域补偿   感知矩阵   相位误差   硬件设计  

摘要： 在传统的模数转换中，为了使采样数据能够有效地恢复出原始信号的相关信息，ADC(Analog-to-Digital Converter)需要以大于原始信号最高频率两倍的采样率对原始信号进行采样。如果信号的有效频谱带宽只占奈奎斯特频率宽度的很小一部分，即使ADC能够达到采样定理的要求这无疑也会大量浪费ADC的采样资源，如果ADC不能达到信号所要求的采样频率，则采样数据很可能就会失去原始信号的有效信息。　　压缩感知理论指出:信号可以在采样的同时被压缩，并且能以远低于传统奈奎斯特采样率对信号进行采样，通过采样数据也可以精确重构出原始信号。压缩感知理论提出后，立即激起了众多学者的研究兴趣，同时也是众多AIC(Analog-to-Information Converter)结构的理论基础。调制宽带转换器作为AIC结构之一同时也是本课题的研究对象，不仅结构简单，而且还拥有处理多频带信号的能力。调制宽带转换器是一种并行结构，每个分支由乘法器、低通滤波器和低速率ADC组成，并且在现有的硬件条件下可以实现该结构。　　由于调制宽带转换器的理论分析是建立在完全理想的状态下，在实际硬件环境中各种非理想因素会使其偏离理想状态，导致其处理性能降低甚至功能失效。本课题首先研究了模拟低通滤波器对调制宽带转换器的处理性能影响，给出了一种模拟低通滤波器的频域补偿方法，并在MATLAB搭建的系统原型中验证了该方法的有效性。随后分析了现有的调制宽带转换器频点激励校准方法以及逐次频点校准法给调制宽带转换器的感知矩阵引入的相位误差。基于调制宽带转换器感知矩阵斜向下元素相等的性质，本文提出了一种感知矩阵的平均相位校准法。该校准法在校准感知矩阵中代表直流分量的元素时不受元素符号的影响，且利用相位误差的平均值来校准每一列元素。在MATLAB中的仿真结果显示，当输入信号信噪比为40dB时，经过平均相位校准法校准后的感知矩阵重构信号信噪比可以保持在30dB附近。　　最后给出了调制宽带转换器模拟前端的硬件设计与实现方案，验证了本文提出的平均相位校准法并且与逐次相位校准法进行了对比，定义了归一化信噪比(Normalized Signal-to-noise Ratio)，其中平均相位校准法的重构信号NSNR=16.50dB，逐次相位校准法重构信号NSNR=2.07dB，结果表明平均相位校准法能更完全地完成对感知矩阵中的相位误差的校准。

关键词： DF500A型短波发射机   模拟测试平台   总体设计方案   硬件设计   软件设计   界面的实际操作  

摘要： 本文阐述了DF500A型短波发射机模拟测试平台的主要功能和系统的设计方案,介绍了系统的硬件选择、软件的程序设计以及系统实际应用界面的操作方法.

关键词： 数字媒体   虚拟环境   试验平台   硬件设计  

摘要： 随着数字媒体和虚拟现实技术的发展,船舶工业领域的虚拟试验平台研究获得了业内外的广泛关注。结合数字媒体技术,设计开发一种舰船虚拟环境试验平台,该虚拟试验平台可以实现的功能包括船舶航行状态仿真、耐波性试验等,重点介绍该试验平台的多自由度平台设计和数字媒体硬件设计等内容。

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。