基于.NET组件技术的可重构数控服务系统研究

这是一篇关于可重构,.NET组件,数控服务,网络通信的论文, 主要内容为数控技术是先进制造技术的重要组成部分,得到世界各国的高度重视和大力发展。目前,互联网的迅速普及和WEB技术的飞速发展推动着传统的数控系统向网络化、开放性发展。另一方面,现代数控市场的产品需求不断变化。为更好地应对迅速更新的市场需求,数控系统应具有良好的可重构性。本文在国家自然科学基金项目的资助下,以微软的.NET平台为基础,研究并实现了基于.NET组件的可重构数控服务系统。系统不仅能够集中为多台数控机床提供多种非实时性的数控服务,而且具有很好的可重构性。 本文查阅大量的有关资料,分析了课题的重要意义和国内外与课题相关的技术的研究发展状况,然后在现有理论和技术的基础之上,创造性地提出了一种数控服务系统的可重构框架,通过在系统界面层和业务逻辑组件层之间引入控制层来实现。基于本框架开发的数控服务系统,其业务逻辑组件具有可配置、可装载的特性。在系统运行期间只需要修改配置文件,对现有组件进行重组,便可以迅速重构成一个全新的系统。 另一方面,本文概括出一个基于WEB的数控服务系统应具有的功能模块,并详细介绍了各模块的设计方案和实现过程。其中,数控代码检错编译模块能够有效地对用户编辑的数控代码进行格式检查和编译;数控机床远程操作模块和坐标动态显示模块采用UDP协议,分别实现了数控WEB服务器向机床端DSP运动控制器发送控制指令、数控代码等信息和机床各轴坐标的动态显示;数控代码管理模块实现了数控代码的上传和下载;用户管理模块实现了对本系统用户的管理;系统日志审计模块实现了对系统运行状态以及用户操作的记录。 最后,本文搭建了测试平台,对系统进行功能测试。测试表明,本系统能够在有保障的网络环境中同时接收多个数控用户的服务请求,为多台异构的数控机床提供稳定性高、实时性强的数控服务,并具有灵活的可重构性,符合数控加工工业需求。

可重构3D打印机索驱动支撑系统的控制仿真与实验研究

这是一篇关于3D打印,增材制造,可重构,索驱动并联机器人,轨迹跟踪的论文, 主要内容为在当今工业4.0时代,3D打印逐渐成为各行各业一种常见的装备制造方法,广泛应用于建筑、医疗和生产制造等行业。柔索驱动并联机器人在增材制造技术的应用有利于提升3D打印头的工作范围和工作效率,促进了 3D打印技术向大规模方向的发展和应用。本文结合大规模3D打印技术的应用需求,开发了一种用于大规模3D打印的可重构柔索驱动并联机器人(Reconfigurable Cable-driven Parallel Robt,RCDPR)样机,主要研究其力学模型的构建和控制系统的设计与开发,使机构获得更大的工作空间和良好的控制性能,在大规模3D打印技术的推广与应用上具有重要的理论和实践意义。构建了可重构索驱动3D打印支撑系统的运动学和动力学仿真模型。首先利用SolidWorks设计了索驱动支撑系统的三维模型,完成了机构零部件的刚体建模及整体装配,该八索机构由平面驱动系统与空间重构系统组成,两个系统分别由4根柔索进行动力传输;其次基于ADAMS的Cable模块插件,对柔索滑轮部分进行建模,完成了索驱动支撑系统动力学仿真模型的构建,并对其进行运动学与动力学分析。为保证索力的连续性与有界性,提出了一种封闭式索力优化算法,并采用Simulink/ADAMS联合仿真方式验证了数学模型与索力优化算法的准确性。设计并验证了可重构索驱动并联机器人的力/位置混合控制策略。利用Simulink/ADAMS联合仿真方式搭建力/位置混合控制系统,仿真结果表明,所设计的力/位置混合控制系统能有效降低索力能耗比、降低系统振荡,动平台的轨迹误差均小于0.8mm,进一步验证了索驱动支撑系统的力/位置混合控制策略的可靠性。建立并实现了可重构索驱动3D打印支撑系统的软硬件系统控制。硬件上,完成了对控制器、伺服驱动器及伺服电机的选型,并完成其接线与系统调试工作,实现上下位机通讯。软件上,基于CODESYS软件开发平台,完成了运动控制程序的设计,开发出可重构索驱动并联机器人的专属人机交互界面,为后续轨迹追踪实验做好实验准备。构建了 RCDPR的轨迹追踪实验平台,结合实验平台对其软件控制参数进行校核,通过电机反馈的位置信息设计了基于代数方程组的正向运动学算法,并分别完成了机构的斜线与空间圆弧轨迹追踪实验。实验结果表明所设计的软硬件控制系统具有良好的控制效果,利用正解算法分析可知其轨迹跟踪误差均小于0.5mm,基本满足大规模增材制造的精度要求。

基于CMOS工艺毫米波接收机前端芯片设计

这是一篇关于CMOS,毫米波,可重构,LNA,接收机前端芯片,巴伦的论文, 主要内容为随着人们对于无线通信设备高速率需求逐渐加大,通信技术进入5G时代。毫米波频段凭借着其高宽带和频谱资源丰富等优点,成为实现高速率无线数据传输的首选。与此同时,硅基CMOS工艺因其成本低廉、集成度高等不可取代的优势成为了毫米波频段无线通信系统设计的主流工艺。由低噪声放大器和混频器组成的接收机前端芯片电路是无线通信系统中的关键模块之一,其性能直接影响着通信系统的灵敏度和通信距离等。本文对CMOS工艺下的低噪声放大器以及毫米波接收机前端芯片电路开展了研究和设计。首先,本文对低噪声放大器和毫米波接收机前端芯片进行了调研,在了解电路的研究进展、工作原理和设计方法的基础上,对所使用的电路结构优缺点进行总结,为后续电路设计打下基础。其次,本文在65nm CMOS工艺下设计了两款低噪声放大器以及一款毫米波接收机前端芯片电路。第一款低噪声放大器由带中和电容的差分共源结构实现。电路采用中和电容结构来解决栅漏电容带来的端口隔离度低、结构稳定性差的问题;采用变压器巴伦结构实现电路阻抗匹配,并且达到电路低损耗和面积小的目的。对电路流片加工后进行测试验证,测试结果表明,在37～43 GHz时,电路小信号增益为19.2～20.5 dB,3 dB带宽为10 GHz(34.5～44.5 GHz)。在整个工作频段内噪声系数为3.1～4.2 dB。芯片整体面积仅0.211 mm2。为满足通信系统呈现多频带工作的发展趋势,设计了一款可重构双频段低噪声放大器。文中推导并详细分析了由可重构网络和放大器等效电路组成的谐振网络的极点特性。通过建立开关两种状态下两个可重构频率与变压器线圈电感比的关系,确定开关的位置和可重构匹配网络的具体参数。通过该方法设计的可重构低噪声放大器电路流片加工后进行测试,测试结果显示,该电路在两个频段(24～29.5 GHz,32～39 GHz)内,小信号增益均大于25 dB,在两个工作频段内峰值增益分别为33.9 dB和28.8 dB;电路噪声系数在两个频段内分别小于4.3 dB和4.6 dB。该可重构低噪声放大器芯片面积仅0.34 mm2。在此基础上,对接收机前端芯片关键电路混频器进行了研究,设计了一款由低噪声放大器与混频器组成的毫米波接收机前端芯片。混频器采用了吉尔伯特单元(Gilbert)作为核心电路。在混频器后续加了两级电阻反馈放大器,对中频信号进行放大的同时完成输出端阻抗匹配。对电路进行流片后测试验证,测试结果表明:在输入射频37～43 GHz,输出中频5～7 GHz整个设计频段内,整体电路转换增益在19.7 dB以上,电路噪声最小值为3.8dB,输出1 dB压缩点在0 dBm左右。包含测试焊盘的电路面积仅为0.334 mm2。本文通过对低噪声放大器包括可重构低噪声放大器和接收机前端芯片的设计方法进行分析,设计了两款低噪声放大器以及一款毫米波接收机前端芯片电路。对比目前在CMOS工艺上完成近似频段的其他低噪声放大器,本文中的两款低噪声放大器在电路噪声、增益以及芯片面积等方面均存在优势。本文对这三个电路的设计方法进行了总结,为后续可重构方案的实现以及毫米波前端芯片的研究提供了设计思路,具有一定的研究价值。

手机端可重构实验模态分析平台设计

这是一篇关于实验模态分析,虚拟仪器,可重构,Android,脚本的论文, 主要内容为随着5G的普及和芯片技术的发展,网络的传输速度和手机的性能得到越来越大的提升,手机APP渗透到各行各业。实验模态分析是研究结构动力学特征的一种重要方法,广泛应用于工程、制造、教学等领域。针对传统实验模态分析软件和信号采集硬件中存在的灵活性差、成本昂贵等问题,研究了基于Android系统的虚拟仪器技术,并在手机上设计了一种可重构实验模态分析平台。该平台提供了虚拟仪器运行环境,集成了完善的实验模态分析功能,采用编写脚本的方式搭建实验,可以应对试验需求动态改变的场景,具有扩展性高、便携的优势,主要工作包括如下几个方面。首先,针对实验模态分析软件的图形用户界面设计问题,如频响函数显示、振型动画显示,研究了手机端可重构虚拟仪器技术和响应式编程原理,设计了基于控件装配的可重构虚拟仪器软件架构。该架构通过装配脚本,将独立的控件组织成具有特定关系的有机整体,在线生成实验页面,以虚拟仪器运行环境为内核,用数据流驱动控件完成具体的功能,解决传统编译型软件功能固化的问题。接着,为了在手机上显示模态模型并生成振型动画,研究了三维网格模型显示原理,比较了STL、OBJ和OFF格式文件,进而设计了基于JSON的模态模型描述脚本,在Web View和ECharts的基础上,实现了模型描述脚本加载和三维模型显示。其次,针对实验模态数据的实时采集问题,设计了数据传输模型,并基于东方所的Wi Fi采集仪,开发了数据采集控件;同时,制定了数据管理协议,包括文件结构设计和数据描述脚本设计,使得平台不仅能够采集现场数据,而且可以导入外部数据。然后,为了开发模态分析算法,基于Java本地交互机制,引入了SP++数学库,从而扩展了平台信号处理和数值运算的能力。在此基础上实现了模态分析基本函数,包括窗函数、频响函数、相干函数等;接着,研究了模态参数识别技术,实现了最小二乘复频域算法和最小二乘频域算法,分别用于极点和留数估计;另外,实现了振型动画和模态置信准则两个模态验证工具。最后,设计并实现了可重构实验模态分析平台的功能体系和实验流程,为了验证平台的可行性和正确性,对一块铝板进行了理论和实测验证;并且用Math Works提供的开源无人机实验数据进行了对比验证,结果表明平台能够满足实验模态分析的基本要求。

手机端可重构实验模态分析平台设计

这是一篇关于实验模态分析,虚拟仪器,可重构,Android,脚本的论文, 主要内容为随着5G的普及和芯片技术的发展,网络的传输速度和手机的性能得到越来越大的提升,手机APP渗透到各行各业。实验模态分析是研究结构动力学特征的一种重要方法,广泛应用于工程、制造、教学等领域。针对传统实验模态分析软件和信号采集硬件中存在的灵活性差、成本昂贵等问题,研究了基于Android系统的虚拟仪器技术,并在手机上设计了一种可重构实验模态分析平台。该平台提供了虚拟仪器运行环境,集成了完善的实验模态分析功能,采用编写脚本的方式搭建实验,可以应对试验需求动态改变的场景,具有扩展性高、便携的优势,主要工作包括如下几个方面。首先,针对实验模态分析软件的图形用户界面设计问题,如频响函数显示、振型动画显示,研究了手机端可重构虚拟仪器技术和响应式编程原理,设计了基于控件装配的可重构虚拟仪器软件架构。该架构通过装配脚本,将独立的控件组织成具有特定关系的有机整体,在线生成实验页面,以虚拟仪器运行环境为内核,用数据流驱动控件完成具体的功能,解决传统编译型软件功能固化的问题。接着,为了在手机上显示模态模型并生成振型动画,研究了三维网格模型显示原理,比较了STL、OBJ和OFF格式文件,进而设计了基于JSON的模态模型描述脚本,在Web View和ECharts的基础上,实现了模型描述脚本加载和三维模型显示。其次,针对实验模态数据的实时采集问题,设计了数据传输模型,并基于东方所的Wi Fi采集仪,开发了数据采集控件;同时,制定了数据管理协议,包括文件结构设计和数据描述脚本设计,使得平台不仅能够采集现场数据,而且可以导入外部数据。然后,为了开发模态分析算法,基于Java本地交互机制,引入了SP++数学库,从而扩展了平台信号处理和数值运算的能力。在此基础上实现了模态分析基本函数,包括窗函数、频响函数、相干函数等;接着,研究了模态参数识别技术,实现了最小二乘复频域算法和最小二乘频域算法,分别用于极点和留数估计;另外,实现了振型动画和模态置信准则两个模态验证工具。最后,设计并实现了可重构实验模态分析平台的功能体系和实验流程,为了验证平台的可行性和正确性,对一块铝板进行了理论和实测验证;并且用Math Works提供的开源无人机实验数据进行了对比验证,结果表明平台能够满足实验模态分析的基本要求。

基于SOPC的可重构加/解密系统的设计与实现

这是一篇关于加/解密,可重构,SOPC,DES/3DES,AES的论文, 主要内容为论文通过对两种传统加密方式的分析研究,在硬件实现密码系统的设计中引入了可重构计算思想,并利用FPGA技术进行优化设计,设计实现了一种可重构密码处理系统,使其既能有效地支持多种不同的密码算法又可满足系统对性能和灵活性的需求,这种可重构加/解密系统的动态可变特性,提高了密码系统的可靠性,可广泛运用在信息安全领域。本文针对多种密码算法的可重构实现技术展开了研究,从系统的安全性、灵活性、可重构性等方面出发,结合DES/3DES、AES两种密码算法进行了可重构系统设计探索。 本文系统地论述了基于SOPC的可重构加/解密系统的设计与实现。论文首先介绍研究背景和可重构技术的现状和研究意义,然后对分组密码进行了分析,重点阐述了本系统实现的算法基础：DES/3DES、AES算法,进而对可重构系统的实现技术、方法和所依托平台作了介绍,最后在此基础上详细地讨论了基于可重构计算技术的硬件密码处理系统的设计方法与实现过程。 本系统以DES/3DES、AES密码算法为研究对象,根据算法的特征分析其可重构性,提出一种可在空间上实现资源共用、在时间上进行算法配置的重构模式,并用硬件描述语言Verilog HDL加以实现和优化,设计完成一个自定义的DES/3DES/AES可重构加/解密IP核,同时利用SOPC技术将该IP核、Nios II处理器、网络控制器等功能模块与相应的外围设备进行系统集成,实现一个可根据具体应用需求而灵活配置的加/解密硬件系统,并针对该硬件平台编写相应的驱动程序和应用软件,最终完成可重构加/解密系统的整体设计。 该系统在Quartus II8.0集成开发环境下进行综合布局布线,用ModelSim SE6.0进行仿真验证,最后在DE2开发板上进行下载测试,结果表明该可重构加/解密系统能够稳定地运行在121.8MHz的时钟频率下,满足实际应用需求。整个设计硬件结构简单、灵活性强、安全性高,可被广泛应用于信息安全领域。

手机端可重构实验模态分析平台设计

这是一篇关于实验模态分析,虚拟仪器,可重构,Android,脚本的论文, 主要内容为随着5G的普及和芯片技术的发展,网络的传输速度和手机的性能得到越来越大的提升,手机APP渗透到各行各业。实验模态分析是研究结构动力学特征的一种重要方法,广泛应用于工程、制造、教学等领域。针对传统实验模态分析软件和信号采集硬件中存在的灵活性差、成本昂贵等问题,研究了基于Android系统的虚拟仪器技术,并在手机上设计了一种可重构实验模态分析平台。该平台提供了虚拟仪器运行环境,集成了完善的实验模态分析功能,采用编写脚本的方式搭建实验,可以应对试验需求动态改变的场景,具有扩展性高、便携的优势,主要工作包括如下几个方面。首先,针对实验模态分析软件的图形用户界面设计问题,如频响函数显示、振型动画显示,研究了手机端可重构虚拟仪器技术和响应式编程原理,设计了基于控件装配的可重构虚拟仪器软件架构。该架构通过装配脚本,将独立的控件组织成具有特定关系的有机整体,在线生成实验页面,以虚拟仪器运行环境为内核,用数据流驱动控件完成具体的功能,解决传统编译型软件功能固化的问题。接着,为了在手机上显示模态模型并生成振型动画,研究了三维网格模型显示原理,比较了STL、OBJ和OFF格式文件,进而设计了基于JSON的模态模型描述脚本,在Web View和ECharts的基础上,实现了模型描述脚本加载和三维模型显示。其次,针对实验模态数据的实时采集问题,设计了数据传输模型,并基于东方所的Wi Fi采集仪,开发了数据采集控件;同时,制定了数据管理协议,包括文件结构设计和数据描述脚本设计,使得平台不仅能够采集现场数据,而且可以导入外部数据。然后,为了开发模态分析算法,基于Java本地交互机制,引入了SP++数学库,从而扩展了平台信号处理和数值运算的能力。在此基础上实现了模态分析基本函数,包括窗函数、频响函数、相干函数等;接着,研究了模态参数识别技术,实现了最小二乘复频域算法和最小二乘频域算法,分别用于极点和留数估计;另外,实现了振型动画和模态置信准则两个模态验证工具。最后,设计并实现了可重构实验模态分析平台的功能体系和实验流程,为了验证平台的可行性和正确性,对一块铝板进行了理论和实测验证;并且用Math Works提供的开源无人机实验数据进行了对比验证,结果表明平台能够满足实验模态分析的基本要求。

基于CMOS工艺毫米波接收机前端芯片设计

这是一篇关于CMOS,毫米波,可重构,LNA,接收机前端芯片,巴伦的论文, 主要内容为随着人们对于无线通信设备高速率需求逐渐加大,通信技术进入5G时代。毫米波频段凭借着其高宽带和频谱资源丰富等优点,成为实现高速率无线数据传输的首选。与此同时,硅基CMOS工艺因其成本低廉、集成度高等不可取代的优势成为了毫米波频段无线通信系统设计的主流工艺。由低噪声放大器和混频器组成的接收机前端芯片电路是无线通信系统中的关键模块之一,其性能直接影响着通信系统的灵敏度和通信距离等。本文对CMOS工艺下的低噪声放大器以及毫米波接收机前端芯片电路开展了研究和设计。首先,本文对低噪声放大器和毫米波接收机前端芯片进行了调研,在了解电路的研究进展、工作原理和设计方法的基础上,对所使用的电路结构优缺点进行总结,为后续电路设计打下基础。其次,本文在65nm CMOS工艺下设计了两款低噪声放大器以及一款毫米波接收机前端芯片电路。第一款低噪声放大器由带中和电容的差分共源结构实现。电路采用中和电容结构来解决栅漏电容带来的端口隔离度低、结构稳定性差的问题;采用变压器巴伦结构实现电路阻抗匹配,并且达到电路低损耗和面积小的目的。对电路流片加工后进行测试验证,测试结果表明,在37～43 GHz时,电路小信号增益为19.2～20.5 dB,3 dB带宽为10 GHz(34.5～44.5 GHz)。在整个工作频段内噪声系数为3.1～4.2 dB。芯片整体面积仅0.211 mm2。为满足通信系统呈现多频带工作的发展趋势,设计了一款可重构双频段低噪声放大器。文中推导并详细分析了由可重构网络和放大器等效电路组成的谐振网络的极点特性。通过建立开关两种状态下两个可重构频率与变压器线圈电感比的关系,确定开关的位置和可重构匹配网络的具体参数。通过该方法设计的可重构低噪声放大器电路流片加工后进行测试,测试结果显示,该电路在两个频段(24～29.5 GHz,32～39 GHz)内,小信号增益均大于25 dB,在两个工作频段内峰值增益分别为33.9 dB和28.8 dB;电路噪声系数在两个频段内分别小于4.3 dB和4.6 dB。该可重构低噪声放大器芯片面积仅0.34 mm2。在此基础上,对接收机前端芯片关键电路混频器进行了研究,设计了一款由低噪声放大器与混频器组成的毫米波接收机前端芯片。混频器采用了吉尔伯特单元(Gilbert)作为核心电路。在混频器后续加了两级电阻反馈放大器,对中频信号进行放大的同时完成输出端阻抗匹配。对电路进行流片后测试验证,测试结果表明:在输入射频37～43 GHz,输出中频5～7 GHz整个设计频段内,整体电路转换增益在19.7 dB以上,电路噪声最小值为3.8dB,输出1 dB压缩点在0 dBm左右。包含测试焊盘的电路面积仅为0.334 mm2。本文通过对低噪声放大器包括可重构低噪声放大器和接收机前端芯片的设计方法进行分析,设计了两款低噪声放大器以及一款毫米波接收机前端芯片电路。对比目前在CMOS工艺上完成近似频段的其他低噪声放大器,本文中的两款低噪声放大器在电路噪声、增益以及芯片面积等方面均存在优势。本文对这三个电路的设计方法进行了总结,为后续可重构方案的实现以及毫米波前端芯片的研究提供了设计思路,具有一定的研究价值。

基于超表面的电磁波极化调控研究

这是一篇关于超表面,可重构,极化切换,PIN二极管的论文, 主要内容为随着大规模无线通信设备的增加,频谱资源变得极度匮乏,如何高效地实现电磁波多种极化状态的频率和极化调控变得至关重要。电磁可重构超表面作为:维形式的人工电磁材料,由于其具有实时可调、功能复用等特点被认为是解决频谱资源问题的最有效的手段之一。因此,研究和设计具备极化和频率可重构的多功能复用的电磁器件具有重要的意义。本文基于超表面开展了电磁波极化调控方面的研究工作,设计了反射型的超宽带极化转换器,通过PIN二极管控制实现了同频带内的极化重构器件。此外,设计并实现了具有多频带极化选择功能的电磁器件,具体的研究工作如下:(1)首先从电场本身出发研究了极化转换的原理,以经典开口谐振环与扇形贴片组合的方式设计实现了一种超宽带极化器。该极化器在X波段内可实现线极化和圆极化的极化转换,可以将入射的线极化波转换为垂直极化波,圆极化波保持极化方式不变。此外,通过PIN二极管控制完成了线极化波到圆极化波的转换和全反射的功能切换。当二极管导通时,实现了线到圆的极化转换,3 dB轴比的相对带宽为29.8%。当二极管断开时,实现了全频段内线极化波的全反射功能,极化转换率和吸收率均小于0.05.这种具有极化重构功能的超表面在极化复用和多功能极化调控器件设计等方面具有重要的应用价值。(2)研究并设计了具有频域极化选择的多功能器件,通过PIN二极管的通断来改变超表面结构的连接方式和耦合方式,实现了不同频带内的极化可重构。二极管编码状态为“10”时实现了相对带宽为12.1%、转换率大于0.9的线极化波的正交极化转换;二极管编码状态为“01”时实现了轴比小于3 dB相对带宽达到15.1%线极化波到圆极化波的转换;二极管编码状态为“00”时实现了相对带宽达到17.5%,极化转换率和吸收率均小于0.1全反射功能;二极管编码状态为“11”时实现了相对带宽为11.0%、转换率大于0.9的线极化波的正交极化转换。这种具有频域极化选择的超表面不但在频率上表现出重构特性,而且可以实现不同极化波的转换。该器件在极化调控、频率控制、智能反射面设计和天线设计等方面有广泛的应用价值。本文中研究的可重构超表面具有极化和频域复用的可重构功能,在宽带极化调制器件的设计、雷达散射截面缩减、天线设计等领域有着重要的应用,此外,在具有复用功能的无线通信系统上也将起到调控电磁波极化状态的作用,在基于电磁波极化调控技术的电磁全息、电磁隐身和波束调控等方面也有着广泛的应用前景。