小型FDA-MIMO雷达系统的发射和接收模块设计及实现
这是一篇关于FDA,MIMO雷达,硬件设计,FPGA的论文, 主要内容为频控阵(Frequency Diverse Array,FDA)雷达在发射天线施加不同频偏,形成角度和距离相关的波束,在抗干扰以及目标定位等领域表现优异。近几年,将FDA和多输入多输出(Multiple input Multiple output,MIMO)雷达相结合,构成新型的FDA-MIMO雷达。该新型雷达同时具有FDA的距离依赖性波束和MIMO的自由度大的特征。对于FDA-MIMO体制的雷达硬件系统,国内外研究尚在起步阶段。本文开展C波段的FDA-MIMO雷达发射与接收模块的硬件设计与软件设计,主要工作概括如下:(1)从FDA雷达和MIMO雷达的基本理论出发,进行FDA-MIMO雷达信号模型的推导。(2)设计FDA-MIMO雷达发射与接收模块的硬件系统。系统主要分为频率源系统、射频前端、数据采集、数据存储等部分。该雷达采用FPGA芯片提高系统的拓展性;频率源采用DDS激励锁相环PLL方式来提高雷达系统的稳定性。采用4×4阵列天线确保雷达的分辨率。(3)本文针对雷达多样化提出了基于硬件的频偏调节方案,并通过测试验证;设计LCD显示模块显示雷达各通道参数信息;数据采集后进行DDR3存储,同时也为后续研究打通数据传输链路。(4)验证FDA-MIMO雷达发射与接收模块。对发射信号进行频谱、噪声和杂散的测试;对电源纹波进行测试以确保雷达工作的稳定性。在实验室条件下,对接收信号数据进行测试,验证数据链路的准确性和雷达工作的稳定性。最后对系统进行调试,并分析遇到的问题,使雷达发射模块和接收模块达到工作指标要求,完成设计。
油气管道杂散电流检测仪关键技术研究
这是一篇关于油气管道,杂散电流检测,磁通门传感器,硬件设计,软件设计,实验样机的论文, 主要内容为油气管道被称为我国能源的“生命线工程”。杂散电流是造成油气管道外腐蚀,影响油气管道安全运行的重要因素之一。随着近些年埋地钢质管道与电气化铁路、高压输电线路等干扰源出现并行或交叉的状况增多,形成“公共走廊”,杂散电流的危害也日渐严重。针对目前国产杂散电流检测设备存在功能单一、抗干扰能力差、智能化程度低等问题,本文提出了一种对国外SCM检测技术进行国产化改进并集成多种检测技术的油气管道杂散电流检测仪。围绕杂散电流检测仪的关键技术,本文主要完成了以下四个方面的工作:(1)推导油气管道杂散电流检测仪的检测原理。通过电磁场理论和Maxwell软件建模对管道上杂散电流产生的磁场进行定性分析,提出由六个高精度的三分量磁传感器组成传感器阵列的方案,并在此基础上建立杂散电流磁场值和电流值的数学模型。(2)完成油气管道杂散电流检测仪的硬件功能设计。首先进行传感器选型设计,选用F902高精度三轴磁通门传感器作为磁传感器,选用便携式硫酸铜参比电极作为电位传感器;其次,进行模块化硬件电路设计,包括信号调理模块、信号采集模块、主控模块、存储模块、远程通信模块、LCD显示模块、试片断电法控制模块、电源及其转换模块等;最后,进行杂散电流检测仪的外观结构设计。(3)完成油气管道杂散电流检测仪的软件功能设计。下位机软件设计是基于MDK5开发环境,使用STM32函数库进行模块化编程开发;上位机软件设计是通过Lab VIEW和Qt分别搭建电位信号和磁场信号上位机平台;远程云平台基于B/S架构,采用前后端分离方式进行开发。(4)搭建油气管道杂散电流检测仪实验样机,并完成样机测试和实验。结果表明:本文所研制样机可以对多个杂散电流评价指标进行检测,其中,管地电位、交流干扰电压和土壤表面电位梯度的测量误差低于0.1%,满足标准要求;检测精度约为35m A@1m,即埋深1m时能够检测到的最小杂散电流约为35m A。
面向多波长PPG信号采集的微控制器设计
这是一篇关于可穿戴,传感器,PPG,硬件设计的论文, 主要内容为目前可穿戴式实时心血管监测设备大多基于单一波长光电容积脉搏波(Photoplethysmography,PPG)传感技术,通过特定波长发光二极管(LightEmitting Diode,LED)照射皮下血管后,利用光电传感器采集反射光信号并经过模数信号处理实现。随着PPG信号的研究深入,发现人体皮肤及血管特性使得特定生理信息在不同波长的PPG信号中信息量不同,单波长PPG信号越来越难以满足多种生理信息的分析研究。多波长PPG信号具有两个或两个以上波长的PPG信号,可以反映更多的血液动力学信息。然而目前面向多波长PPG的微控制器设计,市面上尚未存在统一的设计模型,存在功耗高、时序复用复杂的问题。针对以上问题,本文设计一款面向多波长PPG信号采集的微控制器。主要研究内容如下:(1)面向多波长PPG信号采集需求,选用ARM Cortex-M0内核和AMBA总线,设计了微控制器时钟及复位、电源管理、系统安全模块、多波长PPG信号采集定时模块、多波长LED驱动模块、多波长PPG信号模数转换模块等。(2)验证了面向多波长PPG信号采集设计模块,采用SystemVerilog搭建软件验证平台,对设计模块进行功能仿真验证。系统安全模块、多波长PPG信号采集定时模块、多波长LED驱动模块、多波长PPG信号转换模块验证覆盖率分别为97%,98%,98%,99%。基于Xilinx Zynq 7000评估板搭建硬件验证平台,对MCU进行门级网络部署,利用JLINK命令及ARM调试工具验证了微控制器设计完整性。(3)仿真综合了面向多波长PPG信号采集的微控制器,基于180nm标准CMOS工艺库开展逻辑综合,综合报告显示总体逻辑门面积为1.5mm2。1.35V电压下,芯片工作频率为64MHz,总体功耗约为10.43mW,实现了降低功耗的设计目标。综上,本文设计的微控制器集成多波长PPG信号采集定时、多波长LED驱动、多波长PPG信号转换模块,可实现多波长PPG信号采集控制及信号处理,促进了基于多波长PPG信号的可穿戴式实时心血管监测设备的发展。
双相机瞄准检测系统设计
这是一篇关于FPGA,瞄准检测系统,硬件设计,目标配准,双相机的论文, 主要内容为射击运动在军事领域与竞技体育领域扮演着非常重要的角色,科学的射击训练方法一直是国防研究的重要课题。随着社会信息化程度的加深,越来越多的瞄准训练系统应运而生。目前主流的训练系统有两类:第一类依靠激光、红外等信号的接收和发出完成射击线路的模拟,忽略了射击者的瞄准状态和瞄准过程的记录且训练环境单一;第二类基于图像传感器与枪械相结合,将获取图像的中心作为击中点,具有直观记录射击者瞄准过程的优势,但单独使用短焦相机或长焦相机往往具有明显的不足,前者无法观察远距离目标,后者无法保证图像中心与射击线路保持一致。为了弥补这个缺陷,提升射击训练效率,本文结合现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)和图形处理单元(Graphics Processing Unit,GPU)的低功耗、小型化优势,设计了一款便携式的双相机瞄准检测系统,该系统将短焦相机和长焦相机集成于头盔之上,分别负责拍摄枪械准星与目标物体和对远处目标物体的放大成像,实现对射击者瞄准视角的复现和射击者射击过程与射击状态的记录。同时可以通过图像匹配算法将所拍摄的枪械准星匹配到目标对应位置上,解决了远距离目标无法进行瞄准效果检测的问题。主要内容如下:1.分析了射击瞄准训练系统的功能需求,确定了双相机瞄准检测系统的总体架构和分模块的设计方案,采用FPGA和GPU的异构架构,通过FPGA的流水线处理模式完成对720×580@200Hz分辨率双相机数据的获取、传输、缓存,再通过GPU的图像处理能力完成目标配准。2.完成了射击瞄准训练系统硬件平台的设计。完成了图像信息获取模块、双相机转接模块、信息主控模块和图像处理模块的电路原理图、印制电路板(Printed Circuit Board,PCB)、以及器件选型设计,研制了互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)电路板、相机配置板、双相机转接板、GPU底板,完成了射击瞄准训练系统中的硬件双目相机系统。3.完成了射击瞄准训练系统FPGA逻辑设计与实现。利用FPGA进行逻辑功能的实现,具体内容包括:在图像信息获取模块,FPGA通过集成电路总线(Inter-Integrated Circuit,I2C)对相机参数进行配置并接收来自相机的高速低压差分信号(Low-Voltage Differential Signaling,LVDS);在转接模块通过串口通信完成对于双相机的同步控制以及数据接收整合,并通过串行器/解串器(SERializer/DESerializer,Ser Des)协议对相机数据进行串并转换,完成相机数据的板件传输;在主控模块利用FPGA内部的IP核完成基于AXI通信协议的实现,完成DDR的读写控制以及PCIe通信等。4.建立了瞄准效果检测算法,并完成了GPU软件设计。通过边缘检测、直线检测、以及特定的搜索准则确定十字的中心坐标;采用尺度不变性优良的SURF算法进行特征匹配,将以十字为中心的360×290的区域作为短焦相机图像特征搜索的面积,并以局部互相关信息最大的区域作为最终的匹配区域,从而提高算法的运行速度和准确率;将算法移植到GPU上运行,完成了对两幅720×580图像的目标配准。5.完成了双相机瞄准系统的研制,开展了十字特征提取与不同瞄准效果的测试,验证了模块功能以及系统总体功能,实现了对于射击者瞄准过程的记录以及瞄准效果的检测,并对系统进行了总结分析。
基于北斗的船舶监控系统设计与开发
这是一篇关于北斗卫星导航系统,监控系统,硬件设计,软件设计的论文, 主要内容为我国不仅有广阔的陆地面积,还有十分辽阔的海域面积,尽管海域面积仅有陆地面积的1/3,但其面积值也以达到了300万平方公里。辽阔的海域致使我国的海上交通具有航行范围广、船舶的密度高以及流量大等特点。由于陆地资源有限,使得大家将目光转向对海洋资源的开发,我国的经济结构也转向对海洋经济的发展,越来越多的人员参与到海洋事业中。由于海洋环境具有的多变的特点,使得海洋生产工作具有一定的危险性,并且海上事故的发生具有灾难性以及突发性的特点。很多海上事故发生后由于不能准确的确定遇险船舶的位置,使得船舶上工作人员的生命和财产安全得到保障,所以急需建立一个船舶监控管理系统。该系统能够实现对船舶位置的精确定位,当岸上监控中心收到船舶的报警信号后,能通过该系统对船舶位置进行查询,并且通过该系统能够查询船舶航行时的一些实时参数,便于岸上监控中心日常对船舶的监管。北斗卫星导航系统作为我国自主研发的卫星导航技术,自从2012年其正式运营以来,在各领域的发展极其迅猛,其特有的短报文通信功能与精准的定位导航技术相结合为船舶航行领域提供了极大的便利和安全保障。目前,航海领域使用的较多的导航和通信方式为:美国的GPS和海事卫星,依照北斗的发展趋势,北斗终将取代他们并在中国境内广泛使用。基于此,本文设计与开发了一种基于北斗的船舶监控系统。本设计主要包含两大部分,一是对船载装置的设计,该部分采用的是基于ARM Cortex-M3为内核的STM32F4作为整个船载硬件系统的核心模块,北斗定位模块、以及北斗天线模块都是通过RS232串口与其进行连接的,中央处理单元(STM32F4)可对船舶的位置信息及一些基本数据进行处理、打包、封装,并且能够响应岸上监控中心的指令,然后将处理好的信息返回给岸上监控平台。本设计选用了UM220-III N型定位导航芯片、数据采集模块以及三模一体用户机来实现对数据的获取以及传输,对于船载装置的软件开发使用Keil uVision,进行对这部分功能实现的程序编写。二是对岸上监控平台的软件设计与开发,系统的开发环境是Visual C++,在桌面上开发出基于C/S架构的应用程序,主要能够实现对船舶的位置以及航行时的一些参数信息进行实时的监控和管理。整个系统的充分利用了北斗卫星的定位功能和其短报文通信功能。最后,通过对硬件模块下载软件程序实现硬件模块的正常运作,硬件模块的各部分能实现其功能,硬件模块返回的数据也能在监控界面上显示,该监控系统能满足设计的基本要求。
气体发动机电控单元硬件设计与开发
这是一篇关于气体发动机,硬件设计,XC2785芯片,MC33816,电控的论文, 主要内容为随着车辆的保有量持续增加,石油资源的日益枯竭,车辆排放法规的愈加严格,使用传统的柴油和汽油作为燃料的车辆已经无法满足未来的能源结构发展以及环保要求。因而,很多国家都非常看重气体发动机电控技术,硬件设计自然成为重点突破对象。对它的电控单元的硬件部分进行了设计和开发,并设计了相应的底层驱动程序。首先,在研究国内外天然气发动机和液化石油气发动机技术的基础上,提出了气体发动机电控单元硬件部分的整体设计方案。将发动机电控系统设计分为控制器模块设计、传感器信号处理模块设计、执行器件驱动电路模块设计、电源模块设计以及通讯模块设计。车用电控ECU工作环境恶劣,极易受到电磁干扰,对印制电路板要求极高,对其解决方法进行了说明。同时,给出了执行器件驱动电路部分的测试电路板图片和气体发动机电控单元总电路板的图片。其次,对气体发动机电控单元中各传感器和其他模块的工作要求进行了分析和研究,对硬件单元中的微控制器模块、传感器信号处理模块、电源模块、通信接口等模块电路的设计要求和规范做了资料查阅和分析计算,选定了各个模块的主控制芯片。微控制器选用具有32bit性能的XC2785芯片。气体发动机硬件部分以XC2785芯片为核心,利用Altium Designer软件设计了各个模块的电路原理图和PCB布局。执行器驱动控制电路相对复杂,设计了喷气阀驱动电路模块、点火驱动电路模块、节气门驱动电路模块。喷气阀驱动电路模块,采用主控制芯片MC33816,围绕MC33816的功能特点详细论述了喷气阀驱动电路的硬件设计;点火驱动电路模块,采用点火控制芯片MC33810,并设计了相应的硬件电路;节气门驱动电路比较成熟,采用MC33886主控制芯片用于节气门驱动。最后,在电路板制作完成并焊接好后,编写喷气模块和点火模块的驱动程序,以验证该模块的硬件能否可靠工作,在调试后实现相应的驱动功能。实验证明,喷气驱动电路模块和点火驱动电路模块均良好工作。
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