中子单粒子效应测试系统设计与实现

这是一篇关于中子单粒子效应,现场可编程门阵列,核电子学,集成电路的论文, 主要内容为单粒子效应是一种威胁航天器安全的空间环境效应[1]。大气中子诱发半导体器件发生单粒子效应最为严重。且随着中国航天事业的崛起,对大规模数字电路单粒子效应模拟实验是绕不开的关键一步。相较于空间飞行模拟实验,地面离子模拟实验是目前单粒子效应研究的主流方向。中国散裂中子源(China Spallation Neutron Source,CSNS)是国家在“十一五”规划期间重点建设的大科学装置,建成后它将一起列入全球四大散裂中子源的行列[2]。大气中子辐照谱仪(Atmospheric Neutron Irradiance Spectrometer,ANIS)是散裂中子源目前在建的合作谱仪,它将弥补我国目前全能谱大气中子辐照环境的空白,为新型半导体元器件与电子系统提供世界领先的大气中子单粒子效应实验平台[2]。为了充分利用ANIS谱仪,满足国内对半导体器件单粒子效应的测试需求,设计了一套中子单粒子效应测试系统。该测试系统包含三个部分,分别是控制单元、检测单元、待测单元。控制单元实现数据交互、传感器测量和电源控制功能;检测单元实现对单粒子闩锁、单粒子翻转的检测,并把事件信息回传给控制单元;待测单元是实验的待测对象,测试不同的待测器件时,通过可定义的接口和检测单元连接。本文对各个单元的硬件设计、逻辑设计和上位机软件设计进行了详细的介绍。本测试系统主要优点有:把待测单元的电源电路集成到测试系统中,增加了系统的集成度和可靠性,也降低了实验人员使用该系统的难度;自定义了接口协议,各个有实验需求的单位或者个人只需要按照接口协议制作相关的测试子板就可以在ANIS完成单粒子效应实验;板载了实时时钟,针对海量的实验数据可以追溯到具体时间。该测试系统设计完成后,先后在实验室和中子束流上进行了实验。实验结果表明,该系统稳定可靠,能满足ANIS谱仪单粒子效应测试需求。

基于分布式麦克阵列的二维声源定位系统

这是一篇关于分布式声源定位系统,分布式定位算法,方位角-半径-可控响应功率相位变换,矢量求和偏离角度交叉,现场可编程门阵列的论文, 主要内容为基于分布式麦克阵列的声源定位系统因为其传感器节点布置灵活、阵列尺寸小、包含的空间位置信息多、抗干扰能力强、容错性好以及定位精度高等优势,在军事、工业以及民生领域都具有广泛应用前景。然而,麦克阵列的个数及布置方式、定位算法和实际环境中噪声与混响等因素都会影响分布式定位系统的速度和精度。为了满足城市安防以及地震、火灾等由远及近的特殊搜救场所的迫切需求,本文研究了一种兼具速度和精度优势的分布式麦克阵列二维声源定位系统,具体工作包括以下几个方面:(1)系统分析了传统声源定位技术的优缺点,并结合分布式声源定位系统的研究现状,提出两种改进的分布式定位算法:基于矢量求和偏离角度交叉的粗定位算法和方位角-半径-可控响应功率相位变换(Azimuth-Radius-Steered Response PowerPhase Transform,Azi-R-SRP-PHAT)的精定位算法。详细阐述了两种定位算法的工作原理及架构。(2)基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)开发平台设计分布式声源定位系统的下位机。基于微机电系统(Micro Electromechanical System,MEMS)设计并加工分布式麦克风阵列,采用Verilog语言和Quartus II开发环境完成16位I2S格式的音频数据的采集和乒乓缓存,并搭建以NIOS II处理器为核心的Qsys嵌入式系统,实现对声音数据的实时端点检测、SDRAM缓存和串口上行通信。(3)完成了分布式声源定位系统的上位机软件设计。利用MATLAB开发平台实现串口下行通信、分布式节点间的TCP/IP通信、矢量求和偏离角度交叉算法和Azi-R-SRP-PHAT算法的程序设计,实现了对声源的方向测量和二维位置估计。(4)设计并完成了分布式麦克阵列二维声源定位系统的相关实验。联合调试上位机与下位机,确定分布式阵列和单阵列上麦克风的个数,并提出选择不同排列间距的分布式阵列来进行长距离和近距离定位。实验结果表明,本系统可以在40m范围内实现声源方位角测量,最大绝对误差为±7.5°,绝对误差的均方根误差为3.37°;同时,可以在22m范围内实现对声源的位置估计,且距离误差的峰峰值不超过1.87m,距离误差的均方根误差不超过1.03m,可以满足搜救场合中由远及近、由粗到精的实时定位要求。

机翼抖动监测系统中信号采集部分的软硬件设计与实现

这是一篇关于机翼抖动,传感器检测,信号调理,模数转换,现场可编程门阵列,傅里叶变换的论文, 主要内容为航空飞机是人类工作生活出行不可或缺的一部分,随着世界新技术的发展和不断应用,航空技术必将取得更大的飞跃。但是对航空飞机机翼抖动的研究却微乎其微,基本没有这方面的研究,其实飞机机翼对航空飞机安全飞行也很有重要的意义。譬如,机翼抖动最大幅度是飞机安全飞行的极限值,机翼抖动的最大应力,机翼抖动是否造成机翼部分的损坏,机翼抖动引起的失速也能造成飞行重大事故等等。所以如何准确的监测机翼抖动及机翼的健康状态可以为后续学者们对航空飞机安全飞行提供参考。本文搭建的机翼抖动监测系统,能够对机翼抖动作出反应,并准确地监测到机翼抖动幅度,并对机翼抖动数据进行分析处理,运用傅里叶变换针对机翼抖动的高斯脉冲信号进行算法运算,得到其从时域的波形图到频域的波形图,然后计算得到其功率谱,机翼抖动幅度作预警提示,机翼抖动功率频率作报警提示,实时监控机翼的健康状态。论文首先概述了机翼抖动监测系统的研究背景与意义,介绍了机翼抖动监测系统的研究现状及主要实现功能,在此基础上,提出了机翼抖动监测系统总体的设计方案,并给出相应设计要求、测量原理及方法。其次,以广东高云半导体FPGA芯片GW2A R-LV18EQ144PC8/I7为核心控制器,外加振动传感器、信号调理模块、A/D模数转换模块、电源电路、USB传输模块等电路完成了设计。再次,基于软件开发环境,分模块设计程序,并给出了各个模块的程序设计流程,并对采集到的机翼抖动数据进行傅里叶算法处理,机翼抖动幅度作预警算法,机翼抖动功率频率作报警算法。最后,对机翼抖动监测系统进行了硬件、软件调试和算法测试,系统能够实时监测机翼的抖动变化,并能够对机翼抖动的异常作出预警及报警提示,检修人员根据提示报警信息也能够对机翼异常部位进行检修,保障机翼的健康状态,达到了设计预期的效果。

基于MATLAB和FPGA的窄带通信快速原型开发验证平台的设计与实现

这是一篇关于窄带通信系统,matlab,原型开发验证平台,现场可编程门阵列的论文, 主要内容为通信系统的开发,从设计、实现,直到最终的测试验证,整个工作过程较繁琐,周期较长。为快速实现窄带通信系统的原型验证,本文提出建立针对窄带通信的快速原型开发验证平台。该平台需满足三点需求,一是要支持matlab算法的直接运行,无需将matlab算法改为verilog和C,即可实现载波调制信号的发射和接收,从而方便对信号进行加噪声测试,对算法进行原型验证;二是具备高动态范围,平台的接收机要能够接收大范围强度的信号;三是具备高精度时钟,以降低收发两端的相对频偏。后两点需求是由窄带通信动态范围大和频偏要求严格的特殊要求而产生的。针对窄带通信快速原型开发验证平台的需求,本文对该平台进行了模块化的架构设计。平台的主要架构包括上位机、现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)、嵌入式CPU(Central Processiing Unit,中央处理器)和模拟前端,以嵌入式CPU为核心。该平台的上位机中可直接运行matlab算法,无需将matlab算法转为verilog和C,即可实现载波调制信号的发射和接收,从而方便对信号进行加噪声测试,对算法进行原型验证;该平台使用24位宽的模数转换器(Analog to Digital Converter,ADC),保证平台接收机拥有高于100dB的动态范围;该平台使用频率稳定度和精确度达到10ppb的恒温晶振,能显著降低收发两端的相对频偏。核心的嵌入式CPU调用了部分信号处理模块,一定程度上增加了系统的灵活性。根据窄带通信快速原型开发验证平台的设计需求,本文基于Xilinx XC7Z100开发板、恒温晶振、24位宽ADC、MATLAB对窄带通信快速原型开发验证平台进行了实现。为验证窄带通信快速原型开发验证平台的可靠能,本文将一个示范窄带通信系统部署在该平台上进行多个信噪比条件下的加噪声测试,对示范窄带通信系统进行误帧率和误码率的测试验证。最终的误帧率和误码率结果与matlab仿真结果基本一致。这表明,本文提出、设计和实现的窄带通信快速原型开发验证平台能正确完成窄带通信系统的快速原型验证,满足该平台的所有设计需求。

换热机组数字逻辑控制系统的模块化研究与应用

这是一篇关于换热机组,变频控制,现场可编程门阵列,三次谐波注入的论文, 主要内容为伴随着经济的高速、高质量发展,清洁低碳、资源节约、可持续发展等绿色发展理念逐步深入到工业发展的各个角落。换热器作为我国北方寒冷地区特色产业,其对能源的生产利用和居民的生活质量改善有着举足轻重的意义。我国换热器行业经过数十年的发展,仍存在一系列瓶颈问题,比如换热机控制系统依赖国外进口元器件,供应慢、维护困难、高额费用等因素制约了产业技术发展。本文针对城镇集中供热系统楼宇板式换热机组,采用现场可编程门阵列(FPGA,Field-Programmable Gate Array)作为系统主要的控制芯片,选择最优参数三次谐波注入SPWM控制作为系统的变频控制方案,研究设计高效的模块化设备。本文主要开展以下研究工作:首先,建立了换热机组变频装置数学模型,分析其中谐波的产生机理,并研究SPWM控制原理,在MATLAB/Simulink环境下搭建仿真模型,进行仿真分析。通过仿真结果得出常规SPWM控制,由于系统中谐波的干扰,输出波形仍然存在波动、毛刺等现象。针对系统中电压利用率低的问题,在常规SPWM控制的基础上,提出了最优参数三次谐波注入SPWM控制,并介绍其基本原理,推导谐波注入的最佳条件,在MATLAB/Simulink环境下搭建仿真模型,与常规SPWM控制进行仿真结果对比分析。结果表明,注入三次谐波后,频谱图中,电压利用率有明显提升,并且谐波含量有明显的降低,验证了最优参数三次谐波注入SPWM控制的可行性。其次,搭建换热机组逻辑控制实验平台,电路部分通过Altium Designer设计了主控板模块、变频控制模块、输入输出模块、信号输出模块、通信模块以及电源模块;控制策略部分通过Vivado平台设计了传统SPWM控制和最优参数三次谐波注入SPWM控制,编写比较输出模块和死区控制模块,调用IP核设计了调制波产生模块,定义了按键模块、led控制和频率控制模块等。各模块设计完成后在Vivado平台下实现了两种方式的仿真验证,确保了程序的可行性。对完成后的各模块在Vivado平台下进行调试和仿真分析,生成数据文件烧写进Artix-7系列开发板。连接180 W三相异步电机,在示波器下观察发现,相较于常规SPWM控制,引入最优参数三次谐波注入SPWM控制后,在输出波形的波动、毛刺等问题上产生了有效的改善。最后,针对换热机组控制系统配置了相应的人机交互界面,实现用户、运行方式、数据维护、驱动控制等高效管理。对运行过程中所需监控的数字量和模拟量,开发了基于Microsoft visual studio的远程监控平台,并配置了各类测量装置。实验样机以阻性负载和电机负载为控制对象开展了一系列变频控制实验,在阻性变频实验成功的前提下,进行电机变频实验后能保证正常运行,同时进一步对比了传统SPWM控制和最优参数三次谐波注入SPWM控制的电机输出线电压对比,结果表明输出波形平滑稳定,有较好的控制效果,达到预期目标。本文研究了Verilog HDL语言模块化的控制策略;FPGA技术下的小型化控制设备;聚焦目前市场上换热器的控制系统、性能指标等方面进行综合分析后,基于FPGA技术,使用Verilog HDL语言实现最优参数三次谐波注入SPWM控制,运用Altium Designer设计硬件电路,对系统配置相应的外设,使控制系统将小型化和模块化等优势集于一体,在实际应用中有较好的工程应用价值。

面向先进FPGA EDA工具链的集成开发环境研究

这是一篇关于现场可编程门阵列,电子设计自动化,并行化布线,人机交互界面,软件的论文, 主要内容为作为集成电路领域的半定制器件,现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Arrays,简称FPGA)因其设计灵活、成本低廉、逻辑资源丰富等诸多优势被广泛应用于各行各业,成为现代社会和经济发展的关键。FPGA EDA(Electronic Design Automation)软件将使用硬件描述语言设计的电路转化为二进制比特流,然后把比特流载入FPGA芯片中,通过比特流配置芯片中的物理资源最终在FPGA上实现电路功能。目前国内FPGA产业的发展处于起步阶段,国产FPGA芯片内部物理资源集成度与国外尚有一定差距,而目前国内没有能够适配国外FPGA芯片开发的EDA软件,使用国外的EDA软件随时面临着被制裁的风险。因此,设计开发适配多款FPGA且拥有自主知识产权的FPGA EDA软件,是目前国内FPGA领域的主要研究方向之一。FPGA EDA软件需要有良好的人机交互界面和高效的编译工具,两者缺一不可。FPGA EDA软件对电路设计的转换包括行为综合、工艺映射、打包、布局和布线,其中布线是流程中最耗时的步骤之一,而目前所能调用编译工具都是单线程运行,速度较慢。FPGA EDA软件应为用户提供简单、和谐、友好的交互平台,而大多编译工具都没有交互界面。针对以上问题,本文围绕EDA工具展开,具体工作内容概括如下:第一,实现了一种基于线网划分的并行化布线工具。该工具通过MPI并行编程技术调度多线程对划分后的线网集合进行并行布线,然后不断迭代布线得到合法的布线结果。工具主要分为两部分:线网划分和并行布线。线网划分又分为两个阶段:第一阶段划分在布线迭代前完成,根据区域内所包含的线网负载划分线网集合,并生成有向任务图,在化解并行布线资源冲突的同时实现线程负载的均衡;第二阶段划分在布线迭代过程中完成,首先对任务节点内部重叠的线网进行分解,然后对分解后的线网按照重叠与否进行编号,构建有向无环任务图,以实现节点内线网的并行化布线,提高整体并行度。并行布线过程中使用MPI实现线程的调度,负责分配任务、同步状态以及传递消息。实验结果表明,和VPR布线相比,所实现的并行布线工具在8线程下达到平均4.0×的加速比,同时布线结果质量基本不变。第二,实现了可适配多款FPGA芯片的EDA软件。本文研究了人机交互界面的设计原则、设计方法和设计过程,然后结合软件实际需求设计了四层架构的人机交互模型。该模型通过在逻辑处理层与功能实现层之间添加了工具接口层,向上层屏蔽复杂的调用逻辑,以提高软件的可扩展性。软件在设计时采用模块化的思想,根据用户功能需求,将系统功能划分为工程管理、流程管理、文本编辑和终端管理四个主要模块,以及其他一些辅助功能模块。本文采用快速原型法设计软件系统的界面原型和功能结构,然后整合各阶段编译工具,使用Qt软件开发框架实现对应的交互界面和功能。经过实践证明,该软件系统具有界面简洁、运行高效等特点,且有较好的可维护性和可扩展性。

基于结构光的嵌入式立体视觉图像采集系统研究

这是一篇关于道路环境感知,结构光,现场可编程门阵列,单片机,图像采集的论文, 主要内容为自动驾驶是近年来的研究和应用热点,前方道路的环境感知技术是自动驾驶领域的重要研究内容。计算机视觉技术是自动驾驶环境感知的一个重要工具,但传统的计算机视觉在采集图像时,易受到环境干扰,影响图像采集质量和后续算法处理。结构光是一种主动光源,可以有效减少环境光的干扰,提高系统鲁棒性。本文利用结构光和立体视觉技术,开展自动驾驶中的环境感知技术研究,基于嵌入式系统技术开展结构光和立体图像采集系统研究,为后续算法提供基础数据支撑。(1)提出了结合结构光和立体视觉的图像采集系统模型方案。利用多棱镜转鼓形成扫描光栅,配合双目立体视觉数据系统进行道路前方环境信息的扫描和图像采集。完成了系统分析、方案设计、功能模块划分以及各个功能模块设计。(2)基于嵌入式系统技术完成了图像采集控制系统。采集系统主要由CCD相机采集模块、光栅发生器模块与中央控制器三个模块构成。CCD相机模块负责图像信息的捕捉;光栅发生器模块用于产生可控可调的扫描光栅;中央控制器模块负责进行系统驱动和控制。中央控制模块采用ARM+FPGA进行构建,FPGA作为协处理器,主要进行接口扩展和同步驱动信号发送,ARM作为主处理器,控制上位机与下位机命令的发送接收以及实现人机交互功能。系统分别从硬件设计与软件开发两方面进行研究。通过分析智能驾驶道路环境感知的影响因素,设计了基于结构光的嵌入式图像采集系统,研究图像采集系统模型参数,针对系统功能对其进行硬件电路设计与软件驱动开发。从最终的实验结果分析发现,本文提出的基于结构光的嵌入式立体视觉图像采集系统能够实现对智能驾驶道路环境感知过程中的图像数据采集,为下一步智能决策提供数据指引。

基于MATLAB和FPGA的窄带通信快速原型开发验证平台的设计与实现

这是一篇关于窄带通信系统,matlab,原型开发验证平台,现场可编程门阵列的论文, 主要内容为通信系统的开发,从设计、实现,直到最终的测试验证,整个工作过程较繁琐,周期较长。为快速实现窄带通信系统的原型验证,本文提出建立针对窄带通信的快速原型开发验证平台。该平台需满足三点需求,一是要支持matlab算法的直接运行,无需将matlab算法改为verilog和C,即可实现载波调制信号的发射和接收,从而方便对信号进行加噪声测试,对算法进行原型验证;二是具备高动态范围,平台的接收机要能够接收大范围强度的信号;三是具备高精度时钟,以降低收发两端的相对频偏。后两点需求是由窄带通信动态范围大和频偏要求严格的特殊要求而产生的。针对窄带通信快速原型开发验证平台的需求,本文对该平台进行了模块化的架构设计。平台的主要架构包括上位机、现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)、嵌入式CPU(Central Processiing Unit,中央处理器)和模拟前端,以嵌入式CPU为核心。该平台的上位机中可直接运行matlab算法,无需将matlab算法转为verilog和C,即可实现载波调制信号的发射和接收,从而方便对信号进行加噪声测试,对算法进行原型验证;该平台使用24位宽的模数转换器(Analog to Digital Converter,ADC),保证平台接收机拥有高于100dB的动态范围;该平台使用频率稳定度和精确度达到10ppb的恒温晶振,能显著降低收发两端的相对频偏。核心的嵌入式CPU调用了部分信号处理模块,一定程度上增加了系统的灵活性。根据窄带通信快速原型开发验证平台的设计需求,本文基于Xilinx XC7Z100开发板、恒温晶振、24位宽ADC、MATLAB对窄带通信快速原型开发验证平台进行了实现。为验证窄带通信快速原型开发验证平台的可靠能,本文将一个示范窄带通信系统部署在该平台上进行多个信噪比条件下的加噪声测试,对示范窄带通信系统进行误帧率和误码率的测试验证。最终的误帧率和误码率结果与matlab仿真结果基本一致。这表明,本文提出、设计和实现的窄带通信快速原型开发验证平台能正确完成窄带通信系统的快速原型验证,满足该平台的所有设计需求。

基于索引调制OFDM的可见光通信系统设计与研究

这是一篇关于可见光通信,现场可编程门阵列,硬件系统,LED＿to＿LED,索引调制非对称限幅光OFDM的论文, 主要内容为可见光通信(Visible Light Communication,VLC)作为无线频谱资源的扩展和补充技术,以其带宽不受限、信息容量大、绿色安全,无电磁干扰等优势,获得了广大学者的关注和肯定。随着VLC技术的发展,研究者逐渐将目标转向高速可见光通信技术方案的研究。对于已有光正交频分复用(Optical orthogonal frequency division multiplexing,O-OFDM)技术存在的高峰均比(Peak-to-average power ratio,PAPR)以及低能量效率(Energy efficiency,EE)的问题,在光正交频分复用的基础上引入索引调制(Index modulation,IM)技术,利用光OFDM技术优点与IM技术特点相结合,实现了EE、PAPR和传输速率等方面的有效平衡,提高了光OFDM系统性能。目前对于O-OFDM-IM技术在理论方面已有较为深入的研究,但在硬件实现和数字调制电路设计方面的研究相对较少,且目前可见光通信系统的上行链路设计依旧是一个难题。因此本文根据O-OFDM-IM技术理论研究,基于现场可编程门阵列(FPGA),设计研究了索引调制OFDM可见光通信系统的数字调制、解调电路,并利用LED的电光和光电特性,设计完成了基于RGB-LED收发的可见光通信系统。具体研究内容如下:(1)采用LED作为可见光通信系统的收发器,设计实现了系统收发端电路。系统发射端包括压控恒流电路、LED恒流驱动电路、Bridge-T均衡电路。接收端包括前置放大电路,高通和低通滤波器电路,信号主放大电路。依据电路设计方案完成电路原理图的绘制以及电路PCB的绘制,最终完成硬件系统的制作,并通过了对各模块的电路级联测试。(2)设计实现了基于索引调制OFDM的可见光通信系统的数字电路,设计基于FPGA开发板,采用Verilog语言设计编写系统调制与解调模块程序。调制部分包括串并转换模块、子载波索引模块、16QAM映射、Hermitian对称模块、IFFT和限幅模块。解调部分为对应的调制子模块的逆向过程,并根据O-OFDM-IM系统特性设计实现了符号同步模块,最后利用Model Sim仿真软件对设计的各模块程序进行逻辑功能验证。最后,本文对基于LED＿to＿LED收发的可见光通信系统进行了测试分析,实验在四种传输模式和不同的传输距离下对误码率进行了检测和对比分析。并验证了LED作为接收器的响应度与发射信号光的波长有关,即接收端LED无法对其波长更长的光波信号产生响应。