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关键词： 分布式数据采集   数据转换系统   多协议数据转换   硬件设计  

摘要： 分布式数据采集系统具有可靠性高、适应能力强、实时性好等特点,被广泛运用于海洋勘探、水下预警等领域。数据转换系统作为分布式数据采集系统的重要组成部分,负责接收前端采样数据并进行预处理,通过多种协议接口实时传输至后端信号处理设备。研发支持高带宽、多协议传输的数据转换系统具有较高的工程实用价值。多协议实时网络数据转换系统以PowerPC系列嵌入式CPU和Xilinx Artix-7系列FPGA组成异构计算平台,实现前端采样数据接收、数据预处理、数据缓存与传输等功能,通过多种对外接口与后端信号处理设备通信。系统通过ATM接口接收前端采集系统的采样数据,由嵌入式CPU完成预处理,通过GMII接口与FPGA实现高带宽通信,完成数据转发;通过多路并行LVDS接口与数据存储装置通信,实现数据记录、回放功能;通过多路并行RS485接口与数据处理设备交互;通过多路千兆网络接口与网络交换设备交互。本文对所设计的样机系统进行了信号完整性仿真验证,测试了系统硬件电路与关键信号质量;完成了接口功能验证并测试了样机的整体功能。经测试,系统功能及指标达到了设计要求。

关键词： 分布式控制系统   主控制器   硬件设计   控制器测试  

摘要： 分布式控制系统广泛应用于航空、航天、核电等领域,是当今主流的工业控制系统,其中主控制器是分布式控制系统的重要组成模块,该模块的功能性能直接关联分布式控制系统的可靠性、稳定性以及实时性等综合性能。本文针对核电仪控系统对控制系统高精度、快响应速度、高可靠性等特性需求,研制了一款具有状态指示、主备冗余、通信冗余、地址设定、带电热插拔、组态控制功能以及多路通讯等功能的XX202高性能控制器。该控制器主要由XXBus II电路、诊断电路、逻辑和控制电路以及电源供电电路等硬件组成,采用通用的前插模块尺寸和电路布局,以MPC8270多功能低功耗处理器作为核心处理器,CPM作为MPC8270协处理器,使用CPM串行通信控制器SCC1/SCC3可实现XXBus II总线通信,设计了对应的存储电路、电源供电电路、以太网电路以及时钟电路等。XX202高性能控制器运转需要适配的固件程序,本文从固件程序整体框架、中断控制器初始化、温度监测电路驱动、定时计数器以及系统时钟初始化等方面对高性能控制器固件进行了设计。为确保所设计的高性能控制器达到了研制需求,本文对高性能控制器的测试配置内容、测试过程和结果进行描述,提出了XX202高性能控制器模块测试接线方法,设计测试步骤,可为测试人员提供测试方法和指导。本次设计的高性能控制器充分考虑了产品的可靠性、信息安全性和稳定性,既适用于核电全厂非安全级DCS控制系统,也广泛适用于火电、航天、化工等其他大型控制系统项目。

关键词： 无线多媒体传感器网络   方差   自适应压缩   四叉树   硬件设计  

摘要： 无线多媒体传感器网络是在传统的无线传感器网络的基础上引入图像、视频等数据信息,使得用户可以更加真实地感受世界,但是多媒体信息庞大的数据量给网络本身带来了很多问题。面对节点硬件性能和网络能量都十分有限的无线传感网,如何保证数据可靠和有效地传输,成为无线多媒体传感器网络的研究重点。为此本文对其进行了研究,主要工作如下:（1）本文提出了一种基于方差的图像非均匀分块自适应压缩算法。该算法以图像方差值作为图像块大小分割依据,利用四叉树原理进行块大小的划分,在压缩图像的同时,最大程度地保证图像的质量和纹理特性,克服了传统的均匀分块压缩方法带来的重构块状效应。通过对无线多媒体传感器网络节点获取的图像进行测试,该算法有效地降低了网络的传输数据量。（2）对无线多媒体传感器网络节点进行了硬件设计和测试。针对无线多媒体传感器网络存在数据量较大和传输受限等问题,节点不仅需要实现图像的获取、无线传输和图像显示等功能,还需具有对采集图像的压缩和解压功能。本文基于STM32F4和K210处理器芯片,应用了图像采集模块OV2640、无线通信模块ESP8266及显示模块TFT-LCD实现了节点的各项功能,解决了数据压缩和无线传输的关键问题。测试结果表明,节点接收图像清晰稳定,基本能够满足应用的需要。

关键词： 浅地表目标   信号处理系统   FPGA   硬件设计  

摘要： 对浅地表目标探测系统的研究具有广泛的应用前景,在军用领域,靶场、战场、战后区域的未清除未爆弹会带来重大安全问题;在民用领域,各种未知的地下目标不利于国土资源的开采。因此,开发一款集发射、接收、处理、定位等功能于一体的高效信号处理系统具有重要意义。论文主要完成了基于现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array,FPGA）的浅地表目标探测信号处理系统的设计与实现。首先,论文介绍了课题的研究背景、国内外研究现状以及论文的主要工作;其次,介绍了信号处理系统中的相关算法理论;再次,根据系统需求给出了信号处理系统总体设计方案,并分别介绍了信号处理系统的算法流程和硬件方案;然后,根据方案对浅地表目标探测信号处理系统的硬件进行设计和仿真,包括激励信号产生模块、前端调理电路模块、模数转换（Analog-to-Digital Converter,ADC）采样模块、核心处理器模块、以太网通信模块、时钟模块和电源模块等硬件模块的设计,以及印刷电路板（Printed Circuit Board,PCB）的设计及仿真;最后,搭建调试平台,对信号处理系统进行测试并分析结果。测试结果表明,基于FPGA的浅地表目标探测信号处理系统的性能符合要求,在系统调试中测得对弱信号的检测能力达到1uV。

关键词： 图像缩放   图像质量评价   四点分段二次插值   硬件设计   功能仿真  

摘要： 在诸如手机、电视等消费电子领域中,终端设备所呈现的图像画质直观反映了其性能的优劣。这些设备图像处理芯片中所使用的缩放算法直接决定了图像的画质分辨率,因此研究缩放技术具有广泛产业背景。在这些消费领域中,缩放芯片既要保证显示效果的质量,又要考虑硬件实现成本的合理性,所以研究主要集中在图像缩放算法分析比较及其硬件设计上。本文首先通过探究图像缩放原理,得到理想插值缩放函数Sinc,但理想Sinc插值在空域上无限拓展,物理上不可实现,所以不同的缩放算法采用各种逼近拟合Sinc幅频特性的方式来实现图像缩放。因此,本文使用MATLAB比对不同缩放算法的幅频特性曲线来作为算法比较的理论依据。同时,由于图像缩放显示效果的评判具有很强的主观不确定性,本文建立了将主观评分DMOS与客观评分PSNR、MSE相结合的图像质量统一评价体系作为仿真实验的科学指标依据。其次,本文根据硬件设计的具体功能指标,在权衡了算法效果、实现复杂度以及芯片硬件资源这些具体指标要求后,提出了四点分段二次插值缩放算法方案,并使用拉普拉斯锐化算法作为图像后处理模块以补足图像高频信息。最后,通过MATLAB得到幅频特性并设计了分段二次插值算法与三种经典缩放算法横向仿真比较实验。在理论和仿真实验双重依据下,得出本文的四点分段二次插值方案在缩放效果仅次于双三次插值,但硬件资源使用及速度上远优于双三次插值。根据提出的四点分段二次插值缩放算法,本文给出先水平后垂直的二次缩放内核架构,论述了整个缩放架构的模块功能、工作流程和数据流向,并且自顶向下开始,对各个关键子模块硬件结构中的关键技术问题进行详细分析。在时钟模块中,针对时序约束分析了帧同步和异步FIFO不上溢不下溢的具体计算公式;在行缓存模块中,针对读写数据控制,分析了读写状态机并设计了行更新数据累加器line＿updata＿Acc来控制缓存数据;在浮点数定点化误差分析中,针对内插小数偏移量和中间计算数据的定点策略,设计了从4bit到11bit定点数与浮点数的仿真比较实验,根据实验数据,在保证数据不产生误差的前提下,采用了最节省硬件位宽资源的定点方案。同时,由于传统FIR插值滤波器在不同缩放比例时需要存储大量的滤波器系数,本文提出了基于FARROW结构的内插滤波器优化设计,使得当缩放比例在不大于1的分数范围内变化时,只需要改变分数内插偏移量而原滤波器系数无需重新计算,大大节省了滤波器系数存储资源。最后,根据硬件功能验证原理,搭建验证平台,使用Modelsim对各关键功能模块进行功能仿真,同时将输出结果与MATLAB算法模型进行数据比对。根据仿真验证的波形、覆盖率报告分析、MATLAB结果比对、DMOS、PSNR、MSE以及硬件资源门数的计算,硬件设计完成了功能指标要求且硬件成本远优于缩放效果最好的双三次插值。

关键词： 图像处理   双目视差匹配系统   硬件设计   软件开发   ZYNQ异构平台  

摘要： 双目视差匹配技术在计算机视觉领域中有着广泛的应用，人们对视觉处理相关技术的研究也不断深入，朝着低延时、低功耗的嵌入式移动端发展。现有串行处理设备不能达到嵌入式端使用的综合标准，故使用了基于赛灵思的ARM处理器与FPGA现场可编程逻辑门阵列相结合的ZYNQ异构平台，通过软硬件的协同开发，进行了双目视差匹配系统的设计与研究。　　为满足实际应用的需求，根据已有的搭载xc7z020clg400-2芯片的ZYNQ底板，绘制了可插接双目ov7670摄像头及hdmi显示接口的PCB扩展板，该PCB板采用了蛇形走线的布线形式，并调用底层ODDR原语进行板级的优化，降低了设计对时钟、数据信号传输的影响，从而避免了运动视差等问题的产生。在windows端使用visual studio2019结合opencv对SGM双目视差算法原理进行了实现研究，实现代价计算、代价聚合、代价优化以及视差填充等算法步骤的实现。　　对双目视差算法在ZYNQ上的逻辑实现及HLS的高层次综合算法的实现进行了研究，在vivado2019.2开发环境中进行verilog逻辑代码相应功能模块的编写，及在Vitis IDE2019.2中进行嵌入式C代码的开发，并行地对两个摄像头进行视频图像数据的采集，及后续算法模块的处理。再通过vivadoHLS2019.2开发环境进行SGM视差模块的C++算法的编写，进而生成图像处理的IP核模块，再调入block design中生成比特文件并在Vitis IDE2019.2中使用C语言进行包含视差算法模块的嵌入式开发。　　本平台实现了输出图像的频率为60Hz，其分辨率为640*480。采用了公开数据集Middlebury中的部分测试图片分别经计算机及板级处理，对二者处理结果进行比对，处理结果的精度达到近83％的一致性，在处理的实时性上相对PC端的处理速度有三个数量级的提升，并在资源占用上也做了一定的分析，满足了嵌入式终端处理实时性及视差算法加速处理的需求，为后续三维重建等算法的进一步研究实现提供了视差算法处理的实验平台。

关键词： 智能传感手套   触觉传感器阵列   敏感单元可更换叠层结构   硬件设计  

摘要： 触觉传感器阵列以电子皮肤的形式附着于物体表面感知温度、压力等信息，在智能机器人、医疗诊断和可穿戴设备等领域具有广阔的应用前景，是当今研究的热点之一。针对现有柔弹性传感器阵列制备后敏感单元更换困难、传感功能单一的问题，本文对柔弹性传感器阵列的设计及应用展开了研究。首先，提出了一种敏感单元可更换叠层结构（Replaceable Laminated Structure for Sensitive Units）的二维阻性传感器阵列制备方法，基于此结构制备了兼具柔弹性的多功能传感手套;其次，基于多功能传感手套、硬件测量电路、云服务器和微信小程序搭建了一套多功能智能传感手套应用系统;最后，对多功能智能传感手套应用系统进行实验测试和性能评估。　　论文主要工作内容和研究成果如下：　　1.提出了一种敏感单元可更换叠层结构的二维阻性传感器阵列制备方法。在该方法中，以钩面魔术贴（粘扣带）和毛面魔术贴分别作为上衬底和下衬底，二端阻性传感器作为敏感器件，阵列采用共用行列线方式;每个传感单元的固定部分固定在织物基底上，其行固定电极连接基底共用行线，其列固定电极连接基底共用列线，其行固定电极和列固定电极都由金属导线上穿过下衬底（魔术贴毛面朝上）并在其毛面的特定圆形区域内盘成紧密螺旋状的固定接触面;在每个传感单元的可更换部分中，二端阻性传感器固定在上衬底（魔术贴钩面朝下）上，其两个金属丝引脚分别下穿过上衬底并在其钩面的特定圆形区域内盘成紧密螺旋状的活动接触面;为保持良好接触，每个传感单元的两个固定接触面与其可更换部分的两个活动接触面分别正对。　　2.将基于敏感单元可更换叠层结构的二维阻性传感器阵列固定于织物手套基底表面，制备了兼具柔弹性的多功能传感手套，并基于多功能传感手套、硬件测量电路搭建了多功能智能传感手套数据采集子系统，实现了阻性传感器阵列数据的采集、处理、传输和显示;利用校验协议来保证阵列数据传输的可靠性;利用显示屏实现阵列数据的本地化显示，包括阵列阻值、温度分布图等信息。　　3.基于云服务器、微信小程序开发了多功能智能传感手套数据管理云平台，实现了阵列信息的远程查看和管理。后台云服务器部署在阿里云，主要负责对微控制器传输数据的接收、处理、存储，以及小程序请求的响应;微信小程序作为可视化界面，主要负责用户登录和注册、阵列数值的显示和温度分布图的绘制。此外，通过与MySQL数据库连接和管理实现了传感阵列数据的存储、查询和删除。　　4.对多功能智能传感手套应用系统的软件功能进行测试，验证了该系统具有数据通信和存储、阵列信息显示等功能;对多功能传感手套进行柔弹性测试、敏感单元更换、触点测试、水杯抓取等实验，实验结果表明：1）制备后的多功能传感手套中敏感单元可以实现更换，且更换后性能保持稳定;2）多功能传感手套具有良好的柔韧性和拉伸性;3）多功能传感手套具有良好的温度场感知能力;4）多功能传感手套的压敏-热敏复合传感单元具有温度、压力感知能力。

关键词： 边缘端模型推理系统   硬件设计   软件开发   深度学习   模型加速   容器化处理  

摘要： 随着万物智能互联时代与人工智能时代的到来，边缘计算结合人工智能技术实现边缘智能服务的需求得到了学术界与工业界越来越广泛的关注，本文以此为背景，以在嵌入式边缘设备上实现深度学习模型推理任务为目的，在模型加速、任务生成和系统设计与实现几个层面，研究支持边缘多任务模型推理的关键技术，并实现边缘端多任务推理系统。该系统首先对模型做硬件多层次加速以提供不同的加速后模型供任务调用，然后实现了一种任务与模型、设备和数据集的动态绑定方法并实现了一种可靠的设备状态监测服务，最后结合容器化与容器编排技术实现了一套高可靠性与扩展性的边端深度学习多任务模型推理系统。　　综合以上内容，本文共包含以下三部分工作的内容:　　1.针对主流深度学习框架无法满足边缘端硬件实时模型推理的问题，本文借助硬件模型加速库，实现了一种边缘端硬件多层次加速方法，能够适应主流深度学习框架（如Tensorflow、Pytorch和Caffe等）产生的模型，并且针对同一模型产生不同层次的加速后模型适应不同的任务场景需求。　　2.对深度学习推理任务的模型、设备和数据进行解耦，实现了一种模型、设备和数据的自由组合策略，能够在深度学习推理任务中实现模型、设备和数据的动态绑定。另外，为了提高推理系统的可靠性，实现了在边缘设备上的设备状态上报服务，能及时发现设备的异常情况，确保了推理系统的安全性。　　3.基于容器化技术，对深度学习推理任务做了容器化处理，使得单个容器镜像文件支持多种任务的推理，有效避免推理程序中的重复代码;基于容器编排技术，实现了多个深度学习模型推理任务在边缘端的部署。最后，基于对推理系统使用者的需求分析和完整系统的设计原则，从软件和硬件层面出发，设计并实现了一套高可靠性和可扩展性的多任务推理系统。

关键词： 故障诊断   设备巡检   数据采集   硬件电路设计   软件设计  

摘要： 开展机械设备的状态检测和故障诊断对于及早发现油气生产现场设备的安全隐患具有重大意义。目前现场巡检人员使用功能简单的红外测温仪和手持式振动测试仪采集油气生产设备的运行状态数据,巡检时需交替使用两套仪器,工作量大、检测效率低,且所采集的运行数据仅含有温度和振动的有效值,无可用于频谱分析的波形数据,无法满足设备状态分析和故障诊断对准确性的需求。因此,急需研发一套能采集完整波形和温度数据的状态参数采集仪器,以改善油田设备状态数据采集现状、提高状态分析和故障诊断工作质量、保证设备安全可靠运行。(1)振动-温度采集仪器硬件研发针对传统巡检仪器只能单一地进行振动检测或温度检测的不足,本文将振动和温度信号采集技术集成到采集仪器的硬件研发中,并将模块化设计应用到电路设计中以解决多路振动通道采集仪器功能冗余、体积过大的问题。首先,通过对比分析选择在24位精度下可对数据实现同步采集的高性能芯片。然后,运用Altium Designer软件对采集仪器的电路原理和PCB电路走线进行设计。运用模块化理念设计了数据采集模块,优化了数采模块在PCB上的分布,完成了高精度振动-温度采集硬件系统的开发。系统功能测试结果显示电源的输出正常,且振动传感器输出电压能够随着振动而变化,硬件设计可靠。(2)振动-温度采集仪器驱动设计为解决驱动程序对采集仪器性能的约束,本文使用SPI和IIC通信快速读取转换完成的数据到MCU中,在此基础上运用FSMC扩展外部内存以缓存振动数据,使用SDIO接口扩展SD卡将设备测点信息预存到SD卡中以存储离线检测设备测点预置和保存的数据,实现了硬件驱动程序完成数据从采集到存储的功能。编写模块化硬件组合逻辑处理程序,通过检测模块的插入信号并穷举硬件的组合情况,模拟测试了各种组合下的程序运行状态。驱动测试中对采集模块采集的振动和温度数据进行解码处理,得到振动单通道数据采集下能匹配的最高采样率为256k Hz,双通道时为128k Hz每通道。检测得到频率为10k Hz,峰峰值2000m V通过正弦信号差分处理后测得最高电压为1001.28m V,误差在0.2个百分点以内,满足设计指标,采集到的温度和振动数据精确。(3)设备状态分析及数据管理系统设计为满足油田对设备状态分析和故障诊断技术的需求,在本文所研发的振动-温度采集仪器的基础上,本文基于Visual Studio、My SQL等开发环境,运用C#编程语言,将数据处理技术、数据库技术集成到上位机软件的设计中,设计开发了设备状态分析及数据管理系统。采集器保存的数据通过USB接口加载到软件中,通过快速傅里叶变换将数据转换成时、频域图显示到系统界面中,并且将设备数据保存到数据库中,实现了对设备运行状态的分析和数据管理。本文设计的设备状态分析及数据管理系统为巡检人员进行设备状态分析提供可视化工具,为保证设备安全、平稳运行提供有力保障。

关键词： 帧同步   载波同步   单载波频域均衡   大容量毫米波通信   硬件设计  

摘要： 随着无线通信网络的快速演进和移动互联网的飞速发展,通信系统的传输速率也在不断增长,然而低频段频谱资源紧张的问题制约着通信系统传输容量的发展,因此具备频谱资源丰富、传输品质优秀及抗干扰能力强等特点的毫米波通信成力10Gbps甚至更高速率数据传输的实现方式之一。然而由于工作频段的特殊性,毫米波信号在传播过程会有较大损耗,该问题会严重影响信号的传播范围,并且高阶调制带来的高峰均比问题同样会影响毫米波系统的通信距离。在大容量毫米波通信系统中,本文采用单载波频域均衡技术对抗系统峰均比过高的问题,该技术还能有效地降低均衡算法复杂度。毫米波通信系统的工作频率和信号带宽与低频段通信系统有较大的差异,所以传统信号处理算法如何在大容量毫米波通信系统中应用的问题具有一定的研究价值。因此,本文设计了适用于大容量毫米波通信系统的帧同步方案和载波同步方案。首先,本文通过学习毫米波的传播特性和信道模型、研究毫米波通信的应用场景、再结合大容量毫米波通信的性能需求,设计了系统的总体方案。其次,针对传统帧同步算法难以在硬件单元中实时实现的问题,本文提出一种低复杂度的时频联合帧同步方案。本方案通过联合时域的粗帧同步和频域的精帧同步的方法,降低了帧同步算法的复杂度。该方案在性能与Meng算法相近的前提下,算法复杂度大大降低。再次,针对传统载波同步算法中估计精度与估计范围难以两全的问题,本文设计出一种低复杂度的联合载波同步方案。本方案通过简化单载波系统中的L＆W算法,并与OFDM系统中的Moose算法联合,实现了大范围频偏的精确估计。本文所设计的方案兼具Moose算法较高的估计精度和L＆W算法较大的频偏倍计范围,能够以一个较低的算法复杂度精准地实现载波同步。最后,本文还设计了帧同步方案和载波同步方案的硬件实现方式,并通过仿真软件验证算法的正确性,并且在现有的E波段无线通信基带处理单元上,验证了方案的可行性。