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关键词： 智能衣柜   STM32   保护衣物  

摘要： 本文提出了一款新型的智能衣柜方案,该智能衣柜将自动控制原理和嵌入式技术集合于一体.该系统采用STM32为核心处理器,使用PTC加热模块对衣物进行烘干并保持柜内干燥,加入超声波模块对虫体进行驱除和紫外线模块进行杀菌消毒,通过电机驱动模块对柜门的自动开启与闭合添加了自动控制功能以及实现对柜内环境的实时检测.

关键词： 工业4.0   物联网   边缘网关   硬件设计   协议聚合  

摘要： 进入工业4.0时代,云在增强和扩展物联网能力方面发挥了关键作用。然而,基于云的物联网架构对于需要实时操作和关键任务通信的应用程序从延迟和带宽需求方面来说都会变得过于臃肿。基于这点,边缘计算的技术应运而生。为了能够实现边缘计算的服务本地化和近距离署,缓解云端的网络带宽的压力。本文基于ARM处理器的对工业物联网边缘网关进行了设计与实现。论文首先对边缘网关的需求进行分析,根据分析的结果完成对边缘网关的整体设计。硬件方面分别对物联网边缘网关的各个硬件模块进行了电路设计与实现包括核心处理器模块、有线通信模块、无线通信模块、输入/输出模块、看门狗模块、实时时钟RTC模块、SD卡接口模块、LED指示灯模块、温湿度传感器模块、按钮模块。接着对工业物联网边缘网关的各个电路模块的进行电路功能与性能测试,并对边缘网关电路板的硬件接口设计了外壳。软件方面包括研究嵌入式Linux系统开发环境的搭建,驱动移植。对嵌入式系统软件的进行设计,实现多款PLC设备的协议聚合和设备协议的自动识别,并完成设备通信测试。本文的创新点在于设计了一款可以实现灵活配置,自由切换的工业物联网边缘网关。(1)为了提高边缘网关的硬件适配性,匹配不同工业设备的通信接口。边缘网关在硬件设计上集成了多种工业上常用的通信接口。方便工业现场依据设备情况切换不同的通信方式。(2)针对工业设备通信协议种类繁多的情况,通过在边缘网关的软件系统中集成多种主流PLC设备通信协议,实现设备协议的自动识别,让边缘网关可以灵活应对不同设备的通信协议需求。(3)面对工业现场复杂的电气环境,对边缘网关的通信模块、输入/输出模块进行了电源隔离,光耦隔离、泄放电路等保护设计;在电源模块部分,设计DC24V浪涌抑制电路并通过了浪涌测试,极大程度的提高了边缘网关稳定性。

关键词： 时间同步   电力系统   FPGA   硬件设计   恒温晶振  

摘要： 时间同步是电力系统能够稳定运行的前提,时间同步系统为电力系统的正常工作提供了保障。随着电力系统的不断发展,电力系统时间同步技术也在不断更新换代,时间同步技术的成熟度决定了电力系统中时间的稳定性,从而关系到电力系统整体的稳定运行。随着电力系统规模的扩大以及更多智能化、分布式装置接入电网,电力系统中不同的设备和系统对时间同步精度的需求呈现出差异化。针对单一的某一种时间同步方式无法满足电力系统中各种各样的设备和系统对时间同步精度的要求这一情况,结合某公司关于电力系统的时间同步装置研究项目,本文研制了一种面向电力系统的时间同步装置,该装置结合了目前电力系统中常用的几种时间同步方式,具备覆盖广、精度高、稳定性强、支持多场景使用的特点,能够满足电力系统中绝大部分设备和系统的需求,并且与传统时间同步设备相比精度和稳定性更高。首先,研究了由电网各级时间同步系统共同构成的电力系统时间同步网,以及时间同步装置和时间信号传输介质,详细分析了三者的联系与组成结构,以及各部分的作用和工作原理。然后,提出了该时间同步装置具备的时间同步方式主要分为卫星导航系统授时、有线方式授时和网络对时协议授时。其中,卫星导航系统授时主要分为北斗卫星授时和GPS授时,有线方式授时主要分为秒脉冲授时和IRIG-B时间码授时,网络对时协议授时主要是基于PTP/NTP/SNTP协议的授时。对这几种时间同步方式的理论原理进行了系统地分析,针对每种时间同步方式的特性,可以应用在电力系统中不同的设备和系统,满足电力系统各个场景的应用需求,多种时间同步方式互备,可以提高电力系统的安全性与稳定性。该时间同步装置在进行功能设计时,将系统分为7个单元,包括时间信号接收单元、时间信号产生单元、时间信号输出单元、显示与操作单元、控制单元、底板和电源单元。其中,时间信号接收单元负责接收外部标准时间或卫星时间,外部标准时间的传输方式可为IRIG-B码、NTP或PTP,卫星时间输入方式为卫星模块的串口通信;时间信号产生单元负责将外部送入的1PPS信号作为基准信号,对收到的时间信号进行处理,利用锁相环原理校准装置内部晶振;时间信号输出单元将标准时间信号通过不同的接口输出,以便适应不同应用场景;显示与操作单元可实时查看装置的本地状态或修改参数配置,实现各项人机交互和界面显示功能;控制单元负责控制和管理各单元,收集本地所有单元状态并进行管理,同时保存系统运行日志;底板用于各功能模块之间通信,采用模块化可拔插式设计,各功能模块插件位置设计硬件接口地址;电源单元实现对装置整机的电源供电,采用双电源互备冗余的方式提供电源保障,提升系统可靠性。根据电力系统具体的使用要求,提出了该装置的具体功能以及要应用在电力系统需要满足的技术指标,方便后期验证装置的性能。该装置在硬件核心处理上采用FPGA芯片搭配ARM处理器的协同工作模式,对装置各功能单元的硬件结构进行设计、各种核心芯片的选型及电源辅助电路等进行了设计。该时间同步装置在进行实际原理图设计时,采用模块化设计方式,将装置分为4大模块,包括卫星信号接收模块、校频与管理模块、时间信号输出模块和显示与操作模块。首先,分析了每个模块的具体配置,并根据每个模块的工作原理和实现功能设计了模块之间的通信方式。其次,研究了IRIG-B码的码元特点与解码方式,设计了IRIG-B码的解码流程,在FPGA芯片中采用Verilog HDL硬件描述语言进行了相关功能的设计和仿真。设计了PTP网络授时方式的硬件电路结构,提出了装置内部通过恒温晶振提供高稳频率源的动态调整方式。时间信号经运算放大后,通过不同的接口输出,以便适应不同应用场景。每个输出的信号均采用物理隔离的方式,以提高系统的安全性。最后,对时间同步装置的机箱结构进行了设计,采用符合电力系统需求的架装式结构,适用于电网中不同厂站的使用、置换和升级。最后,对研制的时间同步装置进行相关功能指标验证,包括各种时间同步方式的精度验证,报文收发验证以及守时功能验证。实验结果显示该系统的时间同步方式均工作正常,指标精度可以满足电力系统对时间精度的要求,恒温晶振的守时精度可以在卫星信号丢失情况下保持较高指标。

关键词： 新能源汽车   锂电池管理系统   无线通信   硬件设计  

摘要： 基于目前社会能源日益紧缺和环保要求越来越严格的世界大环境下,新能源汽车的研发已成为大势所趋。锂电池管理系统作为新能源汽车关键技术之一,对锂电池的监测、管理起着关键的作用。随着大量锂电池在车辆上的应用和推广,对电池管理系统的要求也越来越高。早期锂电池管理系统通常采用16位单片机作为核心处理器,分离器件或者低性能模拟前端芯片采集电芯数据,导致整个电池管理系统计算速度有限、电池参数检测精度较低,安全性差等问题。同时板间通信和电芯采样连接依靠传统的线束也会影响电池包的能量密度以及后期维护等。因此,对锂电池管理系统的研究不仅具备实用性和经济性,而且对于新能源汽车的推广也意义重大。本文主要对无线通信电池管理系统的硬件设计进行了研究,通过分析电池管理系统的需求完成了该系统的硬件电路以及产品的验证测试。具体的研究工作包括以下三个方面:（1）研究锂电池的特征特性以及分析电池管理系统的功能模块,从而得到系统功能需求并确定了系统的基本架构。锂电池管理系统采用分布式架构设计,由主控制板、高压板以及多个从控制板组成。主控制板和从控制板之间的通信采用无线方式,主控制板与高压板采用菊花链有线通信,从控制板配置在每个电池模组内且采用FPC连接采样。无线通信和FPC的使用,节约了绝大部分的线束和近一成多的电池包体积,不仅提高了电池模组的设计灵活性、电池包能量密度以及装配效率,还降低了装配过程中出错的可能性,同时降低了整车厂的售后维护成本。（2）根据各个控制板的功能特征进行模块划分和硬件电路设计,本文设计完成的模块硬件电路主要包括供电电路、最小系统电路、CAN通信电路、菊花链通信电路、无线电路、高压绝缘和采样电路、电流采样以及电池电压采样电路等等。主控制板集成多路CAN和LIN通信接口、无线通信接口、外部驱动接口以及热管理和充电管理接口,实现对电池信息的监控和管理,以及与整车、充电设备的信息交互等,核心处理器采用ASIL D的32位单片机TC389芯片。高压板采用LTC2494芯片,实现高压部分的绝缘检测、高压采样以及电流采样功能要求。从控制板采用ADI新一代电池监控器ADBMS6817芯片,采集电芯电压和电池温度信息并通过无线传输到主控制板内进行数据处理。（3）安全稳定的硬件环境是整个系统运行的基础,产品开发完成后需要进行合理的试验进行验证,本文对设计的整体系统进行了电气适应性、电磁兼容和环境可靠性测试验证,保证了硬件系统的稳定性,测试验证结果证明了无线通信电池管理系统的的可行性和实用性。本文是结合实际项目完成的研究设计,目前该研究设计方案已成功应用在通用和上汽通用的电动汽车项目中,项目已经接近量产状态。

关键词： 多通道   调制解调   组件  

摘要： 有源相控阵雷达无论是在功率合成、系统损耗还是在波束扫描等方面都具有明显的优势,能够使机载雷达的性能更加完善,因此在机载平台方面发挥的作用越来越大。机载平台对功耗、空间、载荷等方面的要求很高,然而,按照传统的方式在设计雷达发射接收机时,通常是将模数转换器与数模转换器(ADC/DAC)和射频通道划分开分别实现其功能,然后再采用射频电缆进行互连,结构复杂且无法充分利用空间[1]。所以,接收/发射机在小型化、低功耗、高集成等方面还需更进一步的完善。本文在机载相控阵雷达的应用环境下,设计了一种八通道宽带信号一体化的调制解调电路。该设计是属于机载雷达低功率射频组成部分,用于雷达高速数据传输功能的实现,采用FR4板材设计PCB(印制电路板)电路,集成设计实现了数字接收、上变频通道以及本振功分网络,进而将数据融合传输、数据采集、数字调制解调以及模拟变频放大等功能集成到一个模块,满足了小型化、集成度高的要求。本文中,用板级印制线互联的方式代替一般方案中的低频、射频电缆,从而简化了电路,不仅减少了电路损耗,还大大改善了系统体积、重量以及集成性方面的性能,并提高了电路制造的可靠性。本文对硬件设计方案以及实现体制进行了详细的介绍。经过测试发现,此设计符合隔离度、多通道幅度一致性以及瞬时动态范围等指标。

关键词： 固体废弃物   等离子熔融处置   自动上料系统   硬件设计   软件开发  

摘要： 近年来，随着中国固体废弃物总量的急剧上升，填埋、焚烧等旧处理方法已经不能满足社会的发展需求，国家“十三五”、“十四五”规划纲要鼓励和促进垃圾、固废、危废无害化处理，等离子体熔融处置技术得以迅速发展。自动上料系统是等离子熔融处置工艺中的一个重要环节，上料系统的性能最终会影响到玻璃体熔渣的品质与产量，同时飞灰残渣的处理不当会对社会环境造成一定危害。因此，设计一款高效、稳定自动上料系统是非常必要的。本文针对等离子熔融工艺的上料要求，设计了一套自动上料系统的解决方案。本文主要完成以下工作：　　（1）上料过程分析与上料系统构架设计。分析了等离子熔融工艺的配料要求，设计了上料系统的总体构架。分析了上料过程的技术要求，研究了检测与控制细节，给出了控制系统的详细设计，绘制了电气控制原理图和PLC接线图。　　（2）配料称重数学模型建立与配料控制算法优化。称重配料过程中有多种因素影响着称重的速度和精度，针对这一问题，本文分析了称重配料过程的影响因素，建立了相应的数学模型。根据系统断续、重复工作和非线性的特点，提出了迭代学习算法对控制系统进行优化。仿真实验表明该方法可以有效提高称重精度和工作效率。　　（3）自动上料控制软件系统的设计与实现。根据自动上料的工艺要求与称重数学模型，设计了相应的PLC称重软件与上料组态管理软件，完成了自动配料、迭代自学习等控制流程。组态软件具有上料过程动态显示、系统工艺参数调整、故障显示、报警记录、相关信息查询、现场工况监控等功能，可以有效实现对生产的过程控制。

关键词： 局部放电   超声波   TEV   在线监测  

摘要： 电力系统中的各类型一次设备如变压器、电容器等在长期运行过程中,由于高温、过载等因素容易发生局部放电的现象。局部放电影响着这些设备的绝缘性能,因此设备局部放电的监测对分析设备的健康状态有重要参考意义。目前较为常用的局放监测方法有超声波法与TEV(Transient Earth Voltage)法,但多使用便携式仪器来测量,难以做到设备放电的在线监测。由于局放在线监测能够及时提醒现场运维人员故障的发生以及记录长期数据的优势,因此设计了一套在线式超声波与TEV局放监测传感器,来实现电力设备局部放电的实时监测。具体工作如下:(1)超声波与TEV传感器的硬件电路设计。信号处理电路是其硬件电路设计工作的重点。为了保持软件的一致性,两种传感器信号处理电路的输出信号幅值和频率基本相同。传感器采用低噪声元件来构成滤波、放大、检波电路,同时采取相应的防护设计来减弱外部干扰对传感器监测的影响。(2)传感器软件设计。通过滤波算法能够进一步滤除现场干扰,能够有效防止传感器误告警。(3)传感器硬件性能测试与现场试运行。通过对传感器硬件电路的性能测试以及现场安装测试,来保证传感器的运行稳定性。针对试运行数据的分析,得出了各配电设备的健康情况,并给出了相应的检修策略。

关键词： 无人驾驶高精度定位   多传感器集成   同步时间基准   MPSoC FPGA   定位算法硬件平台  

摘要： 利用多传感器的数据实现车辆高精度定位是无人驾驶的关键技术之一,也是无人驾驶的基础和前提。目前无人驾驶高精度定位平台大多采用同步控制采集模块实现多传感器数据的同步采集,采用高性能计算机或GPU实现定位算法,存在如下问题:(1)由于多传感器数据同步采集和高精度定位算法实现是分两个模块进行,因此集成度不高、体积较大;(2)高精度车辆定位算法采用高性能CPU或GPU实现,能耗比较低,发热量较大,难以满足车规级应用要求。针对上述问题,本文设计了以单MPSoC FPGA为核心的无人驾驶高精度定位硬件平台,实现车辆定位所需的多种传感器数据的同步采集,并为车辆高精度定位算法的实现及加速提供硬件基础。研究工作具体如下:(1)采用主动同步、被动同步、授时同步等多种同步方式,实现多种传感器的高精度同步控制和数据采集。充分发挥GNSS的PPS脉冲长期稳定性高和高稳石英晶体的短期稳定性好的特性,建立高精度的时间基准,并以该时间基准作为纽带,根据不同传感器的特性,对惯性测量单元、车轮编码器、三维激光雷达分别采用主动同步、被动同步、授时同步实现这些传感器的同步控制。(2)以单MPSoC FPGA芯片为核心,设计无人驾驶高精度定位硬件平台,将数据采集和算法实现合二为一,在该平台上同时进行多传感器数据同步采集和高精度定位算法实现及加速,以提高无人驾驶高精度定位平台的集成度、减小体积;相比于GPU和高性能CPU,FPGA在实现算法的同时,功耗较低,有利于实现车规级应用。(3)根据无人驾驶高精度定位的总体需求,制定了详细的电路设计方案,并进行了硬件平台的电路设计及程序编写。对传感器、电源模块、FPGA主控模块、传感器同步授时模块、传感器数据传输模块、USB和千兆网数据传输模块、mSATA和DDR4等数据存储模块以及用于调试的显示模块进行了器件选型,给出了详细的设计电路图,并进行了硬件调试;根据传感器的接口及所需要的各种高速接口,在该电路板上进行Linux操作系统的裁剪和移植;制定了 PS端与PL端之间的指令及数据交互的通信协议;利用Verilog HDL语言,在Vivado平台下,编写了 PL端完成高精度时间基准的建立及多传感器数据的同步控制及采集的FPGA程序;分析了激光雷达的数据格式,利用PS端实现三维激光雷达数据的同步采集与解析。(4)搭建测试环境,对本文设计的无人驾驶高精度定位硬件平台进行测试验证。连接好激光雷达、车轮编码器、IMU和GNSS,在实验室静态环境下,对设计的硬件平台的技术指标及功能进行测试验证。包括多传感器同步控制的时间同步精度测试;各传感器硬件接口、USB接口、千兆网接口、存储单元接口及显示接口工作是否正常;PS端和PL端的指令及数据交互是否正常,并实际采集多传感器数据进行验证。测试表明,本文设计的硬件平台各接口功能正常,PS与PL端之间的指令交互功能正常,能够实时完成多传感器数据同步控制和采集,时间同步精度达到微秒级,具有同步时间精度高、集成度高、体积小、功耗低、满足车规级应用、扩展性好等优点,并且满足实现无人驾驶高精度定位算法的硬件实现及加速的需求。无人驾驶高精度定位算法的芯片化是未来的趋势,本文设计的无人驾驶高精度定位硬件平台,还可以为车辆高精度定位算法的芯片化设计提供设计参考和测试验证。

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。