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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： 数码印花   数据实时处理   图像转置   硬件设计   FPGA设计  

摘要： 近年来,随着计算机技术发展,数码印花技术劳动力投入小、灵活性高、污染小等优势逐渐凸显。但目前主流的扫描式数码印花机生产效率较传统的丝网印刷机存在一定差距,导致其在实际生产应用中普及率较低。扫描式数码印花机数据处理系统性能主要取决于系统图像转置处理效率,提高图像转置效率将有效提高系统性能。为此,本文围绕扫描式印花机图像数据处理技术,研究开发了高速扫描式数码印花机数据实时处理系统,具有较高的工程应用价值。系统以海思Hi3536处理器和Xilinx Artix-7 FPGA为核心设计,处理器通过两路千兆光接口接收上位机点阵图像数据并完成解压缩,通过PCIe总线向FPGA转发图像数据;FPGA实现了图像数据转置与喷头同步喷印控制;结合行进列出转置法、非原地转置策略和分块转置策略,提高了图像转置运算效率,最终实现高速数码喷印。此外,系统还拓展了RS-232、RS-485和I2C接口用于与外围设备交互。测试结果表明,本文研究开发的数据处理系统工作稳定,数据处理带宽可达1775Mb/s,实现了600dpi分辨率、4色打印模式下平均710m/h的喷印速度。

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： 水下自航模   舵机控制系统   硬件设计   软件开发  

摘要： 大尺度水下自航模在执行任务的过程中，性能良好的舵机系统是保障自航模操纵性的关键所在。大尺度水下自航模具有大尺度、高航速和惯性大的特点，在航行过程中其运动情况非常复杂。为了提高自航模的操纵性及保障其安全性，研究和设计一套良好的舵机系统成为非常重要的一环。本文基于“新型高速湖上自航试验平台”项目，对同时具有围壳舵、分离式艉升降舵和方向舵的大尺度水下无人航行器的舵机控制系统进行了设计和深入的研究，研究内容主要包含如下几方面：　　首先，本文查阅了大量的参考文献，介绍了水下航行器的发展历史及舵机系统的研究现状，对常用的舵机控制方法进行了介绍，并简述了每种控制策略的特点。接着，根据大尺度水下无人航行器的实际需求及对象特性，对比分析了电动舵机和液压舵机的优缺点，确定采用伺服阀控液压缸的舵机液压伺服系统作为大尺度水下自航模的舵机系统。根据主流的工业现场控制系统，确定了稳定性高、方便实现以及易于维护的PLC控制系统作为舵机控制系统，并初步完成了系统的结构设计。　　其次，根据大尺度水下自航模阀控液压舵机原理，结合实际的数据，推导并计算出了系统的开环传递函数，在此基础上分析了系统的稳定性及单位阶跃响应。在舵机系统传递函数的基础上对大尺度水下自航模的单舵控制策略以及分离式艉升降舵双舵同步控制进行了仿真试验研究分析。以自航模的方向舵为研究对象，设计了抗积分饱和及积分分离位置式数字PID控制器以及模糊自整定PID控制器，两种控制器分别进行了空载及带载两种工况的仿真试验及分析。结果表明，抗积分饱和及积分分离位置式数字PID控制器具有一定的鲁棒性，模糊自整定PID结合了模糊控制及PID控制各自的优点，可以对PID控制器参数进行实时的调整，提高了控制器的自适应性，表现出良好的控制性能。对于分离式艉升降舵，同样选用模糊自整定PID控制策略进行了双舵同步控制仿真试验分析。结果表明，该控制策略不仅可以大幅减小双舵控制的同步误差，而且可以有效保证舵机运动过程中舵速的一致性。　　然后，完成了大尺度水下无人航行器液压舵机系统及控制系统的研制，对液压舵机系统的关键元器件进行了分析计算并完成了设备选型。针对控制系统，详细介绍了系统的硬件选型设计、软件结构的设计及实现。通过半实物仿真平台进行了部分试验，验证了舵机系统建模的合理性以及设计的控制系统的部分功能性。　　最后，基于大尺度水下无人航行器进行了实际湖上航行试验。试验结果表明，研制的舵机控制系统可以满足大尺度水下航行器的需求。

关键词： 短波发射机   PLC   冷凝器自动冲洗系统   硬件设计   软件设计   梯形图  

摘要： 本文介绍了利用PLC系统实现TSW2500型短波发射机冷凝器自动冲洗的设计方案,阐述了自动冲洗系统的硬件设计原理以及软件系统梯形图的设计原理.

关键词： PLC   氨基酸造粒   干燥设备   自动控制系统   硬件设计   软件设计  

摘要： 为解决传统自动控制系统存在控制误差超过可控范围的问题,引进PLC技术,开展氨基酸造粒干燥设备自动控制系统的设计研究。设计系统的主要硬件装置包括监控装置与FS-300冻干装置设,在完成对硬件设备构成零部件设计及功能分析的基础上,结合系统软件运行原理,采集氨基酸造粒干燥设备自动控制数据,并在此基础上,建立PPI高级设备自动控制协议,通过对控制信号电压值的控制,实现对干燥设备的自动控制,完成系统设计。此外设计对比实验,证明了设计的系统,在对干燥设备在运行的全过程控制中,能够更好地控制多项指标参数,使氨基酸造粒干燥处理效率更高。

关键词： 标签噪声   贝叶斯神经网络   数据集清洗   图像分类  

摘要： 依赖于具有足够样本数量和标记完全正确的数据集,深度神经网络在图像分类任务上表现出色。由于手工制作数据集费时费力并且代价昂贵而涌现出的制作数据集的廉价替代方法又会不可避免地引入标签噪声。标签噪声的存在会对神经网络的学习产生负面影响,使模型在分类时表现不佳。因此,如何使模型在标签噪声下进行有效学习并保持性能是值得研究的课题。针对以上问题,本文从算法研究和数据集清洗两个层面出发,改进神经网络在标签噪声下的学习效果,保持模型的分类性能。算法层面,根据神经网络在标签噪声下的记忆特点,采用逐渐增加轮数的训练方法以保证学习效果;同时,将贝叶斯方法引入神经网络进行概率建模,弥补深度神经网络对预测结果过分自信的缺点。数据集清洗层面,利用模型自身的学习成果以及贝叶斯神经网络提供的关于预测结果的置信度对原始训练集进行标签清洗,提高数据集的质量。通过模型训练和数据集清洗的迭代进行,同时提升模型的学习效果和数据质量。使用Python语言编写代码,对本文设计的基于贝叶斯神经网络的算法进行实验。实验结果表明,在均匀和非均匀的两种标签噪声类型的多种标签噪声比率下,模型在MNIST上的准确率都高于99%,呈现出高稳健性,在CIFAR-10上的准确率随着标签噪声比率增加而下降,但仍在标签噪声比率较高的情况下表现出很好的稳定性。本文给出了所设计的模型的卷积计算模块、激活函数模块、池化计算模块和全连接计算模块的逻辑设计,并编写Verilog HDL代码完成相应模块的仿真并验证功能的正确性。在PYNQ-Z2开发平台上进行验证,结果表明在均匀和非均匀的两种标签噪声类型的多种标签噪声比率下,模型在MNIST的子集上的分类准确率相较于软件层面有所降低,但在不同的标签噪声条件下可以维持在90%左右。

关键词： 通用数据发生模块   多接口兼容   深存储   FMC接口  

摘要： 数据发生器因其可以输出复杂的数字激励信号而在电子信息行业中得到越来越广泛的应用。随着数据接口类型的多样化,具有能够兼容不同数据接口类型能力的通用数据发生模块成为研究重点。本文通过对不同DAC的数据接口类型、数据传输速率以及数据位宽进行调研统计,设计了一款能够兼容CMOS、LVDS和JESD204B接口DAC的通用数据发生模块。具体工作内容为:1、总体方案设计。通过对不同DAC的CMOS、LVDS和JESD204B接口数据速率和引脚数量分析,选用FPGA作为通用数据发生模块的控制器、FMC接口作为通用数据发生模块的接口;对比PCI总线和PCIe总线数据传输速率,使用传输速率更高的PCIe进行总线设计;通过对SRAM与SDRAM的读取速率和存储容量进行分析和对比,采用存储容量大、访问速度快的DDR3 SDRAM作为数据存储器。2、硬件电路设计。分析PCIe总线接口、DDR3 SDRAM数据存储器以及FMC接口的管脚需求,对FPGA进行比较选型;采用FPGA和DDR3 SDRAM进行数据发生模块设计;参照设计指标,进行FMC接口与FPGA之间的管脚分配,以实现对CMOS、LVDS和JESD204B接口的兼容。3、FPGA逻辑设计。采用PCIe硬核完成通用数据发生模块的总线设计,并实现与上位机之间的数据通信。使用AXI总线连接PCIe DMA与DD3 SDRAM读写控制IP核,进行总线接口到数据存储器之间的数据传输并完成数据存储。采用AXI DMA IP核进行数据读取逻辑设计并实现数据读取。通过对CMOS、LVDS和JESD204B接口数据传输方式的讨论,完成不同数据接口数据发送逻辑设计并实现数据输出。经过测试与验证,本文设计的通用数据发生模块存储容量为8GB,能够兼容CMOS、LVDS和JESD204B接口且引脚最大输出速率分别为300Mbps、1250Mbps和6.25Gbps。

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： 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。