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关键词： 信息安全   SM9   双线性对   签名验签  

摘要： 保障信息安全,在信息时代成为了人们最广泛的需求,而信息安全技术,离不开密码学。国密SM9算法是一种基于椭圆曲线的标识密码算法,由我国自主研发,在我国的商用密码体系中具有重要的意义。目前,SM9算法还面临着成本高、应用不够成熟、计算速度慢等问题。对于SM9算法的实现和研究都对SM9的进一步发展和应用有着重要意义。本文提出了一种基于SoC的软硬件协同实现的SM9签名验签系统。该系统通过硬件实现SM9算法中复杂且耗时的双线性对和椭圆曲线运算,然后通过软件调度实现签名验签的流程。系统以软硬件结合的优势,在提高计算速度的同时,保证了灵活性和通用性。首先,提出了基于SoC的SM9算法实现方法,将算法实现划分为硬件和软件两个部分。提出了整体系统架构,并分层次完成各个功能模块的设计。硬件分为三个层次设计,实现了双线性对、点乘、模幂以及其他的各种模运算和点运算。软件中实现了辅助函数、密钥生成、签名生成和签名验证等功能。然后,本文探究了提升SM9算法计算效率的方法。硬件中采用了蒙哥马利的方法计算模乘以提高计算速度;系统针对硬件结构,对双线性对的计算过程进行改进,以减少硬件寄存器的使用;通过算式的变形和分解,将线函数的计算从十二次扩域的计算转换到二次扩域进行,大大减少了计算时间;软件中,将固定参数的双线性对运算结果进行预存储,使签名验签的步骤得到压缩简化,提高了计算效率。最后,搭建了仿真测试环境,测试系统功能。编写testbench验证硬件模块功能。搭建SoC仿真环境,验证系统的签名验签过程。仿真结果表明,本设计的SM9签名验签系统能够成功完成签名验签过程。在100MHz时钟频率下,系统完成一次签名需要5.45ms,完成一次验签需要10.23ms,性能达到了预期效果。在TSMC90nm工艺下,完成了硬件部分的DC综合,面积约为584k门。

关键词： 光电传感器   I-V测试系统   硬件设计   软件开发   那个模块  

摘要： 光电传感器是一种能将光辐射转换为电信号的器件，在现代生产生活的各个领域均发挥着不可替代的重要作用。微纳制造技术的发展，一方面使光电传感器逐渐向微型化和低功耗化方向发展;另一方面，涌现出如基于石墨烯、钙钛矿和III-V族化合物等新兴材料制成的光电传感器。I-V测试是光电传感器性能表征手段中应用最为广泛的一种，随着光电传感器的发展，对光电传感器I-V测试提出了更高的要求。基于此，本文利用LabVIEW设计了一个过程可调的光电传感器I-V测试系统，利用小波阈值降噪的方法，减小了噪声对有用信号的影响，可以完成皮安到毫安范围内光电传感器I-V特性曲线的测试工作，并且可以实现测试过程可调及远程控制的功能。　　本文设计并搭建的过程可调的光电传感器I-V测试系统，主要包括数据产生模块、数据采集模块、数据处理以及远程控制模块。系统以LabVIEW作为软件开发平台，采用面向过程和面向组件的混合编程方法，在人机界面实时显示采集所得数据，实现采集、处理、显示、存储及读取等功能。对比了内网映射等远程控制方法的响应时间及稳定性，最终选择使用云服务器及Web技术实现远程控制功能，在广域网中通过浏览器即可访问测试控制程序进行远程控制。针对弱电流情况下易受外界噪声影响的问题，结合MATLAB设计小波阈值降噪方法实现数据处理功能，仿真实验结果表明，在信号未出现失真的情况下能有效提高信噪比。　　为检验本测试系统的各项功能，本文测试了标准阻值电阻的I-V曲线和光电传感器的暗电流-电压曲线，对测量值与理论值进行对比，验证了系统的稳定性与可靠性;对光电传感器的光电流-电压曲线进行测试，检验了系统的实用性;最后对输出电流信号为纳安的光电传感器I-V曲线进行测试，使用小波阈值降噪后信噪比提高了31%，说明所设计测试系统在弱电流情况下对于噪声有较好的处理能力。经过对多种器件及光电传感器的测试，说明本系统具有过程可调，量程范围宽，稳定性好，精度高等特点，适用于多种光电传感器的I-V测试，对于其它输出电流微弱元器件的测试提供了一种可靠、通用的设计方案，为其它测试工作中远程控制功能的实现提供了借鉴，具有十分重要的应用意义。

关键词： 微型光栅光谱仪   ZEMAX仿真   硬件设计   光谱重建  

摘要： 随着新兴信息技术和便携式、可穿戴式设备的发展,光谱仪的进一步微型化受到越来越多的关注。然而,常见的光栅光谱仪,其光谱分辨率、光通量和灵敏性等参数都和仪器的整体尺寸有着紧密的联系,仪器尺寸的减小必然会带来性能上的降低。因此,为了解决这些问题,本文将对微型光栅光谱仪的光路重新设计,尽可能的减小仪器的整体尺寸,通过使用光学仿真软件ZEMAX对光路进行仿真优化,研制出一台微型光谱仪原型机,为后续光谱重建方法的研究奠定基础。 本文设计一套驱动探测器的硬件电路系统,为微型光谱仪的硬件电路改良奠定基础。使用STM32F103作为电路的主控芯片,完成了探测器驱动电路、放大器电路以及电源模块的设计,通过软件仿真并进行PCB设计,完成了微型光谱仪的硬件电路设计。 本文介绍了基于预置校准数据以及光谱重建方法提高光谱分辨率的可行性研究。详细介绍了光谱重建方法的理论与用于光谱重建的算法——L1正则化的最小二乘算法。通过理论建模验证了重建算法对于提高光谱分辨率的可行性和L1正则化最小二乘算法的鲁棒性,并探究了预置校准数据的采样间隔对于重建光谱分辨率的影响,发现越小的校准间隔可以使重建光谱具有更高的分辨率。最后,使用自搭建的微型光栅光谱仪系统验证了光谱重建方法的正确性,详细介绍了用于光谱重建的预置校准数据的获取方式,通过对自制测试样品的光谱进行重建,说明了此种光谱重建方法的可行性。在实验中将450 nm至800nm范围内光谱的分辨率从6nm提高到了 4nm,为后期的超微型光栅光谱仪的研究提供了技术支持。

关键词： 地质灾害监测   远程终端单元技术   数据采集与监视控制系统   低功耗监测设备  

摘要： 地质灾害对人民的生命财产安全构成极大威胁。山体滑坡、泥石流等地质灾害具有易发性和突发性等特点,不容易被人们提前预测。我国陆地面积广阔,灾害的发生率相对较高,严重威胁着山区甚至城镇的基础设施、交通和人民群众的生命财产安全。因此,对于山体滑坡、泥石流的研究、监测和预警就尤为重要,而地质灾害的研究、监测和预警都需要准确地、稳定地、长期地采集地质灾害现场的数据。为了有效地提高地质灾害监测系统与设备的准确度、可靠性、可持续性和环境适应性,本文设计了一种基于数据采集与监视控制系统和远程终端单元技术的地质灾害监测RTU设备。本论文旨在设计并实现一种能够对易发生地质灾害的地区中的气象、水文、位移和声音等数据进行精确地数据采集、远程控制、远程通信传输的地质灾害监测RTU设备。地质灾害易发地区一般人迹罕至或交通不便,因此,本论文所设计的地质灾害监测RTU设备需要具备定时自检、定时上报功能以实现设备的可靠性,并且该设备还需具备休眠与唤醒功能和低功耗的优良特性,以保障设备能长期、可持续地工作于野外。除此之外,地质灾害监测RTU设备还兼具小体积、高温宽、防雷防水等特性,可以在各种复杂恶劣的环境中工作。本论文首先将通过研究以泥石流为代表的地质灾害的产生机制、发生过程,探究泥石流地质灾害的监测方法及在监测中的传感器需求,随后通过对上述传感器原理和误差来源的详细研究,提出RTU设备在传感器数据采集中的误差消除要求和精度需求。随后,针对各类传感器在泥石流监测时的采集需求,结合地质灾害监测RTU设备的工作环境,分析RTU设备需要具备的功能,给出地质灾害监测RTU设备的总体设计方案和功能模块划分。最后,依据总体设计方案完成RTU设备的数据采集模块、设备供电模块、最小控制单元模块、本地控制和存储模块、远程通信和传输模块等方面的系统功能设计,并开展设备环境适应性研究与设计,以提高设备的可靠性、可持续性和环境适应性,实现对复杂、恶劣的地形、气候等环境条件下的地质灾害地区的有效监测。

关键词： 自动上水设备   控制系统   列车上水口识别算法   硬件设计   软件结构  

摘要： 随着科技的发展,列车行驶速度不断地提升,列车在车站的经停时间在不断缩短,这就对列车上水工作提出了更高的要求,研发一种新型铁路列车自动上水设备已经成为铁路自动化的必然发展趋势。列车自动上水设备是一种可以辅助铁路上水工人们完成进站列车上水任务的自动化设备,可以有效地减少资源浪费,解放劳动力,提升列车上水效率。本文的主要研究内容如下:针对列车自动上水设备的技术要求,提出了自动上水设备整体设计方案,并以此为基础分别对运动系统和工作系统进行了设计研究。确定了自动上水设备的整体机械结构,并主要对其中的驱动系统、升降机构、旋转平台和伸缩装置进行了设计研究。在深入分析自动上水设备需求的基础上,完成了自动上水设备硬件系统的设计。该系统通过STM32F103C8T6单片机进行控制,包括供电模块、直流电机驱动模块、步进电机驱动模块和识别与定位模块等主要功能模块,并绘制了主要模块的硬件电路图。完成了设备供电电源、电机、激光测距传感器、编码器等硬件的选型工作。根据自动上水需要,结合上水口局部特点,综合考虑工作环境、使用成本等影响因素后,设计了一种基于激光测距传感器的列车上水口识别算法,并编写了协议解析程序、编码器计数程序和列车上水口识别算法程序等相关程序,通过激光测距传感器和编码器的协调配合,完成了列车上水口识别程序所必需的数据采集工作。最后对算法所需的数据进行数据处理并进行仿真,验证了列车上水口识别算法的可行性。在设计完成铁路列车自动上水设备硬件电路基础上,完成了自动上水设备软件系统的设计。通过PID控制算法实现驱动电机的闭环反馈控制,并完成相应的闭环调试;通过PWM调速的方法对步进电机进行控制;设计了人机交互模块,可以通过串口屏发送二进制指令的方式,实现对自动上水设备的控制,从而实现人机交互的功能。最后通过实验对自动上水设备的上水过程进行了验证。

关键词： 国密SM2算法   加密   解密   数字签名验证   蒙哥马利模乘  

摘要： 随着信息技术和计算机技术的飞速发展,人们对信息安全的要求变得更加严苛。为了摆脱对国外技术和产品的过度依赖,加强自主的行业信息安全,基于国密算法的安全芯片应运而生。而国密算法中的SM2算法在非对称公钥密码算法中,其算法性能、秘钥强度和存储空间等多方面都具有很大优势,因此研究基于国密SM2算法的硬件实现具有重要意义。本论文基于国密SM2算法,实现了加密、解密和数字签名验证的硬件设计。论文的主要工作有:1、设计了SM2加密解密和数字签名验证硬件电路的系统设计方案,包括系统组成结构、模块划分、I/O接口定义和地址映射。2、设计了SM2加密解密和数字签名验证硬件电路中的关键模块。其中,SM2流程控制模块包括控制主流程、加密流程、解密流程和数字签名验证流程的状态机设计,以及加密、解密和数字签名验证流程中用到的K-point计算流程和SM3＿ctrl流程的状态机设计;任务管理模块通过任务-步(task-step)机制管理可重用的SM2运算和基本算术运算的执行,高效完成加密、解密和数字签名验证所需的数据运算;蒙哥马利模乘运算模块采用基于字的蒙哥马利算法来实现模幂单元,设计中采用流水线技术,并设计了可配置的流水线级数(1-7级),满足不同客户对芯片面积(硬件开销)和加密解密以及数字签名验证的速度(数据的吞吐率)要求。3、制定了SM2加密解密和数字签名验证硬件电路的验证计划。基于Makefile脚本、System Verilog语言和UVM通用验证方法学搭建了仿真验证平台,对硬件设计进行了功能验证,功能仿真结果和系统覆盖率表明了设计的有效性。

关键词： 石英晶体微天平(QCM)   DDS信号源   液相检测  

摘要： 石英晶体微天平（QCM）诞生于上世纪六十年代,目前已广泛应用于环境监测、生物医学等精密测量领域,具有成本低廉、体积小方便携带、测量精度高等优点。QCM的谐振频率会随着表面吸附物的质量或所处环境的物理特性（如密度、粘度）的变化而发生偏移。本文简要分析了石英晶体微天平谐振频率的测量技术及其优缺点,介绍了一种被动测量方法,以该方法设计出一种简易的测试系统,利用该系统测量出了QCM在液相条件下的谐振频率。该系统通过信号发生器对石英晶体微天平施加特定频率的正弦激励信号,测量出不同频率下石英晶体微天平的阻抗,把最小阻抗频率作为QCM的谐振频率。本文就上述目标主要开展了以下工作:1.基于AD9834的扫频信号源设计。本系统采用ADI公司的AD9834芯片设计信号发生器,要求该信号发生器具有扫频功能且频率切换速度足够快。由于数字频率合成具有量化误差,使输出频率信号带有高频噪声,因此本文设计了一个五阶巴特沃兹低通滤波器滤除DDS输出信号的高频成分。2.设计混频电路。为了得到QCM的电学特性,需要测量晶体两端的电压幅度和相位差,实验中使用的QCM谐振频率在MHz量级,为了降低设计成本,本设计通过下混频将兆赫兹级的信号下混频到音频再进行采样,这样使用采样率低得多的ADC就可以满足设计需求。3.设计采样计算电路。本设计将对下混频输出信号进行采样和运算,采样部分使用了一颗TI公司的音频编解码芯片,能够以常见的音频采样率（如48KSPS或44.1KSPS）对电压信号进行采样。将采集的电压信号用单片机运算后得到傅里叶级数系数,从而可以计算出QCM两端信号的幅度和相位差。本系统选用意法半导体公司的主流微处理器STM32F103系列MCU作为主控制器,其主频高达72MHz,负责控制DDS扫频源的输出频率、音频编解码器的数据传输和运算等功能。4.使用本系统测量基频为13MHz的QCM晶片在空载时的阻抗-频率曲线,将测量曲线与QCM的真实阻抗-频率曲线对比,验证本测试系统的测量精度,最后通过凝血实验验证了本系统在液相条件下的测试性能。

关键词： 传屏   无线通信   安全数字输入输出   现场可编程门阵列   高清多媒体接口  

摘要： 随着智能时代的来临,人们对于移动娱乐和办公的体验要求愈来愈高,无线传屏技术的出现方便了信息的分享和沟通。目前无线传屏的主流技术采用较复杂的视频编码,更多是每秒固定帧数的整屏传输,对于处理器和网络环境的要求较高。本文应用JPEG2000（Joint Photographic Experts Group 2000）图片编码标准,使用WiFi进行通信,设计一种基于截屏方法的无线传屏解决方案,并在计算机和现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array,FPGA）平台实现整屏或者屏内视窗的无线传屏,且在计算机屏幕内容没有变化时不会触发传屏,可以减少图像数据传输量和降低传输能耗。本系统的主要工作包括:（1）上位机软件的编写,包括屏幕截取、JPEG2000编码压缩、传输控制协议（Transmission Control Protocol,TCP）server端的建立;（2）以Marvell8801WiFi模块为核心所建立的WiFi通信系统,选择安全数字输入输出（Secure Digital Input and Output,SDIO）接口进行WiFi驱动开发,实现上位机与FPGA平台的通信;（3）在FPGA平台处理器系统（Processor System,PS）端和可编程逻辑（Programmable Logic,PL）端,分别使用C和Verilog语言,实现JPEG2000解码和高清多媒体接口（High Definition Multimedia Interface,HDMI）显示功能。对整个系统的各个模块进行了仿真和测试,测试结果达到了设计指标。上位机软件开发和测试工具为Visual Studio 2017,实现了整屏截图和窗口截图。经测试,JPEG2000的压缩比超过100,图片才出现明显的模糊。WiFi通信系统使用keil5软件进行C语言编程和jlink仿真器下载驱动。WiFi的通信速度实测可以达到26Mbps（bit per second）,可以满足无线传屏的需要。FPGA平台使用Vivado2018及其SDK（Software Development Kit）分别在PL端和PS端进行开发,并在国产PYNQ-Z2开发板上进行实际功能验证。PS端可以进行JPEG2000解码,PL端HDMI显示正常。结合JPEG2000的压缩比和WiFi实际通信速度,经测试本方案可以达到整屏每秒20帧1080P（Progressive）的无线传屏要求,具有可行性和实际的应用价值。

关键词： 蓄电池   远程充放电   以太网通信   数据检测采集   充放电切换控制  

摘要： 现如今,人们对电能的依赖程度越来越大,这也就对电源的稳定性提出了更高的要求。而蓄电池作为系统的后备电源,在电力通信电源和一些发电系统中都发挥着重要的作用。当电力系统出现故障时,蓄电池将对电子设备进行供电使其正常工作,因此,蓄电池的稳定性直接影响系统的正常运行。针对传统的蓄电池充放电过程中存在的维护工作量大,动态移动性差,时效性低,安全性不高等问题,本文设计与实现了远程蓄电池充放电装置的硬件电路。本文根据蓄电池远程充放电功能需求,给出了蓄电池远程充放电的系统设计方案,根据系统总体方案,进行了远程充放电的控制装置的设计。控制装置采用模块化设计思路,由CPU微控制器,通信模块,数据采集模块和充放电切换控制模块四部分组成。CPU微控制器对其他三个模块的数据进行分析与处理,是整个装置的核心。通信模块包括以太网通信和RS-485串口通信,分别实现控制装置与上位机的通信和控制装置与放电仪的通信。数据采集模块对蓄电池充放电过程中重要的参数进行采集,包括蓄电池组的电压、蓄电池放电的电流、直流母线电压、交流市电电压、蓄电池与放电仪的开关量和蓄电池与直流母线的开关量。充放电切换控制模块使用场效应管和继电器对直流接触器进行驱动,完成对蓄电池与母线开关,蓄电池与放电仪开关的控制。设计完成后,对装置硬件电路调试并进行蓄电池远程充放电测试。测试结果表明本文所设计的装置在蓄电池远程充放电的控制上能够达到功能要求,运行情况良好,具有一定的实用性。

关键词： 智能电表   抗干扰   可靠性   硬件设计   软件设计  

摘要： 从21世纪开始,智能电能表已经被世界许多国家使用。智能电能表作为电网的智能终端,对电网的运行和发展,起着至关重要的作用。为了避免智能电能表在现场运行过程中出现计量不准确、时钟跑飞、数据丢失、电网的干扰、雷电干扰、静电干扰、欺诈等问题,本文将重点聚焦于智能电表的可靠性设计,研究工作主要在以下几个方面:一是对硬件电路可靠性设计,包括电源单元、计量单元、通信单元、负荷开关及电源异常检测电路进行可靠性设计。选用稳定性高的线性变压器作为电源模块可靠性设计,选用高精度、高可靠性的三相专用电能计量芯片配合电流互感器、电压采样电阻完成计量部分可靠性设计。二是在智能电能表系统的软件方面,提出了法制和非法制的软件可靠性设计,软件中将法制计量相关的参数,都按不同类型的数据块进行打包并存储,确保计量数据的完整性与可靠性;对设备参数进行保护,当身份认证权限启用时,所有参数读写都需要身份认证,如果身份认证不通过或者身份认证失效,电表仅支持读取默认安全模式参数中可明文交互的数据项;时间测量数据方面,为了提高抗干扰能力,芯片提供时间写保护功能,必须先对写保护寄存器写入特殊指令,才能改写时间寄存器;通信系统传输数据增加了安全传输的功能,提高了通信系统的可靠性。三是进行了试验测试,设计的三相远程费控智能电能表在不管在高温、低温还是常温计量误差精度优于标准要求、抗干扰能力强,辐射骚扰和传导骚扰远优于试验标准,软件可靠性高,能够满足国家电网要求。