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关键词： 矢量声信号采集   矢量信号调理   FPGA   LabVIEW  

摘要： 海洋的开发和利用,离不开海洋环境信息的获取和研究。想要获得海洋环境信息,水声信号采集系统必不可少。随着矢量水听器的出现,人们开始采用矢量水听器采集记录研究水下声矢量场信息。也因此使得矢量水声采集系统的研究成为了一个较为热门的课题。本文设计了一种矢量水声信号采集分析系统,提供了一套完整的软硬件解决方案,为矢量水听器、矢量声场、矢量信号处理等多个研究领域提供高性能、高可靠性、高便携性的集成化采集记录设备。本文主要分为总体、硬件、软件设计和系统测试4个部分。首先根据使用需求开展总体方案设计,对矢量水听器进行选型,设计水听器悬挂结构,系统接口、系统功能及指标等。系统硬件设计主要分两部分,信号调理、采集传输。信号调理将三维同振式矢量水听器输出的3路振速通道和1路声压通道合计4通道的极弱信号进行前置放大、带通滤波等调理,数据采集传输采用AD7606将模拟信号进行数字化并采集,同时应用串口接收三维电子罗盘输出的水听器姿态信息,之后采用FPGA进行网络传输。软件部分也包括两部分,FPGA软件和显控软件,FPGA软件包括FPGA与AD7606的模拟信号采集、与传感器的RS485串口通信以及与PHY芯片的网络传输接口等软件模块设计实现;显控软件用Lab VIEW设计,主要包括参数配置、时域波形显示、频谱显示、姿态显示、数据存储和回放等的设计与实现。最后针对系统的功能实现和性能指标进行了检测,验证了系统电路自噪声、通道一致性、增益等指标,采集传输、存储、数据分析(时域波形、频谱显示等)等功能,测试结果表明系统设计达到预期。

关键词： 水力发电机组   振动监测系统   噪声监测系统   硬件设计   软件开发  

摘要： 水力发电机组是中国水利领域的关键设备,在保证水电厂安全生产中起着至关重要的作用，其运行状态的好坏直接影响着电能的质量和产量。在水电机组保持长时间的高载荷或高速的状态过程中，机组的某些部位可能会因为各种因素产生剧烈的振动及运行噪声，这些剧烈的振动和噪声若长期存在会破坏水电机组的结构，同时大幅降低了机组的运行效率。这些故障不仅严重影响机组的正常运行，也会对运行人员的生命安全造成威胁。因此需要对水电机组各部位进行实时监测，并对产生的振动和噪声原因进行分析，这在机组故障诊断并保障水电设备安全运行方面具有重要意义。本文通过对水电机组振动和噪声故障产生原因进行分析，并结合振动和噪声信号处理方法设计了水轮发电机组振动和噪声监测系统。论文具体的工作内容如下：　　首先，结合水电机组的工作方式对机组的振动产生原因以及噪声产生机理进行分析，介绍了机组振动和噪声的信号处理方法。并确定本文所设计的水电机组振动和噪声监测系统设计方案，包括系统设计原则、总体结构框架及监测点的布置要求。　　本文设计的监测系统由下位机数据采集部分和上位机监测部位组成，并分别从硬件和软件两个方面对水电机组振动和噪声监测系统的设计进行详细介绍。在硬件设计部分，依次介绍了传感器、传声器等测量器件的选型、数据采集卡的选择和系统硬件的抗干扰设计。在软件设计部位，基于LABVIEW的上位机监测系统设计。　　最后，为验证所设计的水电机组振动和噪声监测系统的实用性和稳定性，以HL160-LJ-225混流式水电机为研究对象，监测并分析其主要部位在各工况下的振动和噪声情况。

关键词： 折射率传感器   硬件设计   软件开发   量子弱测量原理   全反射光路  

摘要： 在光学检测技术中，折射率(RI)传感器已广泛用于食品，生化和环境领域，并与人们的生活息息相关。鉴于其不同的工作环境和工作目的，RI传感器必须具有不同的测量范围，灵敏度，响应速度和分辨率，不同的需求被不断提出。而量子弱测量方法由于其放大效应的强大优势，在精密测量领域受到了广泛的关注和研究。本文基于量子弱测量原理设计折光仪，将光束弱耦合得到异常放大的光信号，实现了RI的测量，具体工作如下：　　第一，介绍光学原理，包括惠根斯-菲涅尔全反射(TIR)定理，在其基础上延伸出了光的偏振特性以及光的自旋霍尔效应原理。并建立了光的全反射模型，分析光子自旋分裂的原因以及光束相位和光的偏振态对弱测量模型的影响。介绍了CMOS图像采集原理及光信号的获取。　　第二，对弱测量折光仪进行硬件设计，包含了光学系统的设计和硬件电路的设计。在光学平台上实现了原型机搭建，对光学元件进行选型和测试;完成点光源、准直光源的调制和结构设计。完成了以AM335X为核心的硬件电路部分的工作，对硬件原理图以及PCB设计、对电路进行调试。最后，集成系统，完成光学弱测量系统小型化。　　第三，使用折光仪进行实验测试。分析了TIR中反射光的强度和在光的自旋霍尔效应下光斑的位置偏移，提高了RI的检测精度。用软件程序构造了一个自动确定相对光强度和点中心的程序，对光的偏振态和传感器参数进行优化，以确定最佳的工作区域和偏振态，以获得最佳的分辨率。使用弱测量的原理来获取全内反射下光束的原始数据，实现了非接触实时检测。　　通过使用单次反射的TIR结构和没有纳米涂层的棱镜配置，简化了系统的复杂度，降低了制造成本。并且p和s偏振光使用公共光路的系统抑制了环境噪声，鲁棒性高。实验表明，系统分辨率达到3.40×10-6RIU，相对于其他在普通玻璃表面上进行测量的经典干涉方法提升了2-3个数量级。系统的优势在于结构简单并具备较高测量分辨率。因此，具有很强的应用潜力。

关键词： 大尺寸四足机器人   运动控制系统   柔顺性   力控制   通信机制   硬件电路设计  

摘要： 足式机器人正在从实验室走向实用,大尺寸四足机器人具有更高的应用潜力。大尺寸四足机器人尺寸大,承载重,对环境接触的实时响应和顺应性问题尤其突出,需要使用实时可靠的控制系统以及高柔顺性的控制策略。本文根据大尺寸四足机器人运动需求,着重开展了运动控制系统的研制、柔顺控制算法开发两个方面的研究工作。对四足机器人运动控制功能需求进行了分析,提出了分层分布式的运动控制架构,将四足机器人控制系统分为主控层、协调层和执行层。对机器人运动的任务需求、通信需求以及实时性进行分析,明确了控制系统各层级的功能,设计了相应的通信机制。通过对机器人单腿在不同控制方式下的运动特性仿真分析,提出了逆动力学前馈+PD阻抗控制补偿的柔顺控制策略,降低了机器人足端与环境碰撞时速度突变造成的冲击影响,实现了机器人运动的高稳定性。设计了基于ARM+DSP双核CPU的运动控制器硬件电路,实现了单腿控制系统的多通信功能和快速计算性能。设计了基于共享内存的双核处理器间通信方法,实现了ARM和DSP核之间的握手以及数据同步。根据大尺寸四足机器人对控制系统的高实时性和高可靠性需求,设计了基于时间触发的安全通信实现方式和单腿运动控制软件程序,实现了运动控制系统各层级间数据的可靠传输。搭建了四足机器人单腿实验平台,测试了四足机器人控制系统性能以及机器人腿部柔顺控制特性,验证了控制系统的有效性,满足大尺寸四足机器人的应用需求。

关键词： 交通信号控制器   硬件设计   软件开发   物联网  

摘要： 随着硬件终端计算能力不断提高、5G、物联网等技术的发展，使得交通信号控制机朝着更加轻量化、集成化的方向发展。本论文所撰写内容以设计开发轻量化的交通信号控制器为背景，通过元器件的选型、电路图的优化改进以及软件优化设计来提高交通信号控制器的交通信号控制性能。本论文的研究对象是交通信号控制器，即交通信号控制机的控制主机，首次将RT-Thread物联网操作系统应用于交通信号控制领域，并对交通信号控制器硬件平台进行了优化。　　本论文在调研分析交通信号控制机的研究和发展现状基础上，提出了基于RT-Thread物联网架构的交通信号控制器设计与开发，确定了论文的主要研究内容、研究路线和设计指标。本论文主要做了以下工作：　　（1）交通信号控制器采用物联网的采集感知层、传输控制层和应用管理层三级架构，其中采集感知层选用线圈检测方式采集交叉路口的车流量信息;传输控制层采用以太网进行通信，交通信号控制器将数据传输到上位机并对交通信号灯进行控制;应用管理层采用现有的上位机模拟软件，可对传送到上位机的数据信息进行保存、处理以及运算。传输控制层主要针对交通信号控制器的软硬件设计，是本论文论述的重点。　　（2）根据交通信号控制器的设计需求，介绍了交通信号控制器的逻辑结构和工作原理，采用模块化和自下而上的设计思想，提出交通信号控制器的整体设计实现方案，并实现多时段控制和感应控制的配时方案。在与现有交通信号控制主机性能进行比较的基础上，结合ARM系列64位*** RT1052处理器的优点，采用*** RT1052核心板模块和STM32F103VCT6芯片分别作为主控板和灯控板的核心元件，给出了详细的硬件设计。交通信号控制器采用以太网口、RS-232接口、RS-485接口进行通信。软件方面，采用模块化的设计思想和多线程机制，完成了系统内核在*** RT1052核心板模块上的移植、设备驱动程序开发和虚拟文件系统移植;采用TCP/IP协议，基于RT-Thread物联网操作系统和LwIP协议栈开发以太网通信程序，实现了多时段控制和感应控制。此外，可通过硬件故障检测保障交通信号控制器正常运行。　　（3）对所完成的交通信号控制器硬件和软件进行模拟测试验证和结果分析，主要针对主控板和灯控板测试，然后是对多时段控制和感应控制功能的测试，测试结果符合预期的交通信号控制器的基本要求。

关键词： 局部色调映射算法   图像显示系统   IP设计   UVM验证  

摘要： 如今,数字成像技术已经被广泛应用于高动态范围成像和低动态范围增强等领域,但在终端设备性能快速迭代的市场环境下,基础图像在效果表现上依然受限于显示屏幕的动态范围。而目前针对图像动态范围优化的研究主要基于软件环境,性能有限,无法满足SOC图像显示系统的实时性要求。基于这一现状,论文对图像显示相关技术进行研究,并针对色调映射算法实现硬件设计与验证。论文首先阐述了色调映射技术的应用背景,并调研了国内外对色调映射技术的研究现状。在此基础上,论文从图像显示协处理器的角度出发,分析了一种适合硬件实现的局部色调映射算法。同时,论文对算法的硬件实现与验证技术进行了研究。论文针对局部色调映射算法的硬件化实现,完成的主要工作如下:1、图像显示系统中的算法模块的方案设计。该部分为算法实现提供了硬件设计要求。分析了在SOC系统中图像显示IP的共性,并基于显示协处理器的设计规格,针对算法模块的系统需求,归纳总结了设计关注要点以及验证覆盖边界,同时针对协处理器算法模型进行定点化评估。2、局部色调映射算法的硬件设计与实现。该部分包括系统整体设计规划,曲线处理模块设计以及色调映射模块设计。通过合理划分模块实现算法映射过程的流水线处理,并关注存储和计算过程中RAM的组织方法,减少了硬件资源消耗。3、局部色调映射算法的硬件测试与验证。该部分完成验证方案和测试功能点的规划,并利用UVM验证方法学搭建仿真测试环境,通过构造图像显示系统中的应用场景完成模块级功能测试,最后分析测试结果以及设计性能,对算法模块的开发工作予以总结。实验建立在Linux环境下,由Verilog完成硬件的设计与实现,并利用Synopsys的仿真工具VCS和波形查看工具Verdi完成仿真测试工作。实验完成的算法协处理器模块在不同的环境光条件下,均能够明显增强图像显示效果,在200MHz的系统时钟条件下,分辨率为1080x1620的图片,统计运行时间为14ms,满足图像显示系统的应用。同时经过回归测试,收集覆盖率统计项均在92%以上,达到了较高的验证质量。

关键词： 虚拟示波器   模数转换器   高速高精度   现场可编程门阵列   高速串行计算机扩展总线标准  

摘要： 随着电子应用技术、计算机总线技术和模数转换器的快速发展,计算机软件技术与电子仪器相结合创造了一种全新的计算机仪器系统概念—虚拟仪器。虚拟仪器是一种可按需求更改的、自动化和人性化的测试测量仪器系统。为了充分利用计算机强大的数据计算、分析和处理能力与硬件仪器的采集和测试测量能力,虚拟仪器可以通过计算机软件开发技术将计算机的各种资源与由硬件搭建的各种仪器进行结合,使得通过不同的软件模块可以获得不同的仪器功能。用户可以根据现有的计算机资源和当前的测试需求,能够轻松完成系统仪器的开发设计,利用由硬件搭建的数据采集卡与计算机软件所开发的上位机软件进行信号的采集、检测、处理分析显示等功能。基于虚拟仪器思想所演变的虚拟示波器主要由硬件采集系统来完成信号的采集、处理分析和输出,计算机外围硬件配合操作。虚拟示波器架构思想的出现打破了传统仪器的设计结构方案,通过计算机软件技术来代替硬件电路,将传统示波器由硬件实现的数据分析、信号处理、频谱分析、信号显示等功能都改为由计算机来完成,提高了工作效率,减少了研发时间。基于此,本文重点开展虚拟示波器的系统设计、硬件设计和调试分析等工作,完成虚拟示波器的整体开发。本文首先分析了传统示波器的基本原理,包括模拟示波器和数字示波器的基本要素,和虚拟示波器的结构构造以及相比传统示波器所呈现的优点,确定了虚拟示波器的开发流程,分析虚拟示波器的结构组成和确定系统总体设计方案,并开展了主要的芯片选型以及整个硬件系统PCB的设计要求。在上述研究的基础上,重点进行了虚拟示波器整个硬件中数据采集系统的开发,包括模拟前端处理的信号调理电路、模数转换电路、高频时钟产生电路、PCIE接口电路和FPGA逻辑控制设计等,并完成了硬件电路设计与实现。最后进行了系统测试环境的建设,并开展了实际系统测试,内容包括前期借助matlab软件对系统采样率、分辨率和带宽的测试,以及后期基于上位机和硬件采集系统的联合测试。其测试数据表明虚拟示波器的最高采样率为3 Gsps,最高分辨率为12 bits,模拟带宽在2.5 GHz,且该数据采集系统已经应用于相关医疗测试设备中。

关键词： 非对称密码算法   乘法器   UVM验证   SoC系统   签名验签  

摘要： 人类社会逐步进入信息化时代,信息安全威胁充斥着人们的生活,密码学技术可作为解决信息安全方法之一,进而保证信息安全。密码学算法可分为非对称密码、哈希函数、对称密码三类。非对称密码算法的密钥由公钥和私钥组成,签名者用公钥和私钥签名,验签者用私钥验签,常见的非对称密码算法有RSA(Rivest-Shamir-Adleman)、ECC(Elliptic curve cryptography)、DF(Diffiie-Hellman)、DSA(Digital Signature Algorithm),具有安全性好,性能稍慢等特点,适用于数字签名、数字证书认证等场景。目前非对称密码算法中使用频率较高的是RSA与SM2。因而本文采用硬件设计的方法来研究算法RSA与SM2。本文先通过对国内外现状调研与分析,介绍椭圆曲线运算法则和大数运算基础,对算法SM2、RSA的原理进行阐述,通过对算法RSA的加解密与算法SM2签名验签分析,算法实现采用软硬件协同设计方法,设计出基于SoC框架的非对称密码系统,硬件上,算法SM2实现点乘运算和模加减乘逆运算,算法RSA实现模幂运算和模乘运算。软件上,算法SM2通过CPU调度硬件中的点乘模块和模运算模块,算法RSA实现CPU调度模幂、模乘运算模块。硬件设计上,算法RSA模幂运算采用R-L二进制展开方法,模乘运算采用Montgomery模乘算法;算法SM2点乘运算采用NAF(k)标量乘算法,点加倍点运算是在雅可比域和素域下实现,模逆运算采用基4 Montgomery模逆算法,提升模逆运算移位效率,提高整个模逆运算能力,模乘运算通过乘法器和模约减实现。经过算法分析,两种算法中耗费资源都是模乘运算,因而两种算法模乘实现共用256bit*256bit乘法器。其乘法器通过采用KO(Karatsuba-Ofman)算法,例化66bit乘法器和512bit加法器来实现。验证中,搭建适用两种算法的UVM验证平台,验证平台中添加组件寄存器模型,对DUT中寄存器和存储器建模,便于检测出DUT的错误,通过在软件VCS编译下,运行日志中观察DUT和参考模型中结果是一样的。将算法硬件模块顶层和CPU通过总线AHB完成连接,搭建好SoC系统,在Smart L仿真平台完成算法前仿,最后选用芯片Artix-7系列FPGA开发板完成FPGA验证。通过VCS前仿和FPGA验证,均实现两种算法的签名验签、加解密功能。最后基于工艺SMIC 55nm,用综合工具DC综合实现下,综合面积约为490Kum,算法SM2签名验签速率分别约为111次/s、106次/s,算法RSA加解密速率为11次/s。所设计系统具有可配置性高等特点,符合芯片设计要求,可适用于物联网等场景。

关键词： 剪叉式高空作业平台   电液控制   硬件电路   软件开发  

摘要： 在经济高速增长的时代,人口逐年递增,建筑行业也得到了快速发展,但这些变化致使土地资源变得越发紧张。在进行楼房建设时,人们只得通过增加楼层高度来应对这一窘境,于是,随之而来的高空作业的需求也越来越多。高空作业平台应运而生,它可以将人或货物送至高空作业,一般由电控系统、液压系统、机械结构三大部分组合而成,而且电控系统在其中扮演着最核心的角色。近年来人们对高空作业平台的功能拓展性和日常使用性能提出更多期望,而市场上使用的电控系统功能却没有得到更新,所以为了满足日益增长的需求,必须开发一套可迭代更新且运行稳定的控制器。本篇论文以自行走式剪叉高空作业平台作为控制器的应用对象,首先阐述其工作原理,再对其控制系统、机械结构、液压组成和使用需求进行详细剖析,随后自主设计一套可迭代更新的完整电控系统。本文分别选用了车规级芯片MPC5604P和MPC5634M作为平台控制器和底盘控制器的MCU以保证稳定性。论文的主要工作内容如下:（1）通过了解剪叉式高空作业平台的应用功能需求,对行业的现状进行深度剖析。结合使用场景对其整个机电液系统进行模块化分解,并对上升过程进行了力学分析。（2）基于功能需求完成控制器的硬件设计,完成的工作包括主控芯片的选型和电源模块、信号采集模块、通信模块、电磁阀驱动模块的电路设计,还进行手动布线完成电路板的印制。（3）针对设计的硬件模块编写相应的驱动程序,并调用底层驱动程序完成超重报警应用功能。为了便于在PC端调试实车运动性能,还开发了基于CCP协议通讯的上位机,以此进行相关运动参数的在线调试和下载。（4）通过搭建实验平台模拟使用工况,来对硬件和软件功能进行验证,建立了完整的测试系统来观察控制器的输出性能,还使用离线数据计算了超重报警功能的估算精度。同时,以更改特定工况输出曲线为例,验证了上位机的标定功能。控制器也被安装在对应车型的实车上进行实验,实验结果表明各项功能、性能均符合预期要求。