基于ZYNQ的时钟同步平台的设计

这是一篇关于时钟同步,分布式授时,现场可编程逻辑门阵列,嵌入式Linux的论文, 主要内容为中国散裂中子源是我国重大科技基础设施之一。在谱仪实验中,通过高能强流质子加速器产生超高能量的质子束撞击金属钨靶,产生大量中子,中子谱仪利用散裂反应产生的中子与样品作用,并利用中子探测器对作用后的中子进行探测,从而进行中子实验。在此实验过程中,会对谱仪实验数据进行分析,需要每个中子束团所对应的质子束团信息,包括质子个数和引出的时间值,其时钟同步精度需达到100ps以内。因此,一个同时具备高精度时钟同步功能和大数据实时处理功能的平台至关重要。由于现有的硬件设备不能同时满足高精度时钟同步与大数据实时处理两项需求,因此选择ZYNQ处理器作为本文的技术基础,在其FPGA端进行高精度时钟同步平台的构建,在其ARM端进行大数据实时处理平台的构建,最终完成整体系统的框架设计。平台的开发工作主要包含四部分内容,首先是时钟同步平台的硬件与逻辑设计,为满足WR技术时钟同步的硬件需求,本文针对WR技术进行了底层硬件电路的设计与时钟同步模块的逻辑设计。然后是时钟同步平台的软件设计,为实现上层软件协议算法等应用,进行了自定制系统的构建以及底层驱动设备树的实现。最后是Kafka数据处理平台的设计,为了将带有时间戳数据的信息进行高效统一处理,在自定义系统上进行了 Kafka平台的构建。根据开发内容,具体的设计工作如下:(1)时钟同步系统的底层硬件设计。针对WR技术,将底层电路主要分为时钟电路、存储电路、SFP电路以及UART电路四个模块。时钟电路使各个模块之间的数据处理按照规定的时序运行,确保系统可以正常工作。存储电路用于存储系统数据,在系统运行过程中高速、自动的完成数据的存取。SFP电路作为光口接收和发送光信号,与光纤进行对接。UART电路则负责整个系统的数据传输。(2)时钟同步系统的逻辑设计。根据底层硬件基础,进行时钟同步模块设计,对WRPC进行改进,通过分析WRPC中各个模块的地址分配,在所有模块之后开辟新的地址空间,添加新的时间锁存(LockT)模块,对芯片PL端的同步时间戳进行存储,实现系统的高精度时钟同步功能。(3)时钟同步系统的软件设计。根据底层硬件设计与逻辑设计,在ARM端进行嵌入式系统的配置,以此完成设备树文件的生成以及自定制系统的构建,然后通过AXI总线进行底层物理寄存器的寻址操作,从而完成上层软件对底层硬件的驱动实现。(4)大数据实时处理系统的设计。在自定制系统的基础上,结合质子数与时间值的数据信息,进行Kafka系统的构建,同时分析系统需求,进行系统功能设计与数据库设计,最后进行系统功能实现,主要包括设备端功能实现、服务端功能实现以及Kafka集群管理,从而实现多节点分布式的时间数据处理。综上所述,本文基于ZYNQ特有的FPGA+ARM体系架构,完成了高精度的时钟同步平台的构建。经过实验测试,时钟同步精度达到30.37ps,满足中了谱仪实验中高精度时钟同步和谱仪实验数据处理的需求,节约了设计成本,提高了系统性能,为之后高精度时钟同步平台的设计提供了新思路。

手持式食品残留荧光成像检测系统研究与开发

这是一篇关于荧光成像系统,残留物检测,食品安全,现场可编程逻辑门阵列的论文, 主要内容为食源性疾病是食品安全领域持续关注的重要问题。食品生产加工设备在工作过程中会产生碎屑残留,这些残留不仅会影响后续食品生产的品质而且容易滋生食源性病菌。目前国内对于食品生产加工场所的卫生检测仍以目视检查为主,目视检查易受环境和检测员疲劳度的干扰,检测效果不稳定;而且对于一些透明或与背景颜色相近的残留物,目视检查难以取得较好的检测效果,因此有必要开发一种快速检测设备来提高食品加工设备表面清洁卫生检查能力。本课题深入分析了传统清洁卫生检测方法的不足,针对传统检测方法检测效果不稳定、检测成本高等问题,结合荧光光谱成像技术和嵌入式技术,设计了手持式食品残留荧光成像检测系统,通过在模拟加工设备表面进行测试,验证了所设计系统的实用性。本文的研究内容和开发工作如下:1.根据当前食品加工设备表面清洁卫生检测方法的不足,结合荧光成像技术在食品加工设备表面清洁验证领域的研究,提出了手持式食品残留荧光成像检测系统的功能需求,并根据功能需求完成了手持式食品残留荧光成像检测系统的硬件架构设计、软件架构设计和系统主要功能器件选型。在硬件架构中按照系统功能将手持式食品残留检测系统分为激发光源模块、信号采集模块、显示模块、电源模块四大模块,并根据各个模块功能完成系统主要功能器件选型;在软件架构中依据FPGA SOPC系统的特点将软件结构分为交互层和应用层,在交互层中实现人机交互逻辑设计,在应用层中实现底层设备驱动。2.完成了手持式食品残留荧光成像检测系统硬件设计和系统外壳三维建模。在系统原理图设计中按照系统硬件架构分别设计了嵌入式主控板、激发光源驱动板、TFT显示模组底板以及相机采集模块原理图。系统原理图中共计233个电子元器件,包括一颗高性能BGA封装FPGA芯片,一片高速同步动态随机存取存储器,一片片外Flash,7种不同大小的电源电压与8路供电电源。在系统PCB设计中从信号完整性和电源完整性出发对多层PCB电路板布局布线进行优化,提高了系统稳定性和抗干扰性能。在系统外壳三维建模中使用三维建模软件设计系统外壳并采用3D打印技术进行制作。3.完成了手持式食品残留荧光成像检测系统驱动逻辑设计、图像处理算法设计以及人机交互设计。充分利用FPGA硬件可编程能力,使用Verilog HDL完成相机、RGB触控屏、超声波测距等外设驱动开发。利用FPGA并行流水线的优势,使用Verilog HDL完成图像处理算法的硬件实现。充分利用FPGA SOPC的优势,使用嵌入式软核NIOS II处理器搭建Qsys系统,利用C语言优势结合图像用户接口u CGUI实现人机交互设计。4.按照系统硬件调试与测试规范,完成了系统硬件功能、软件和逻辑功能、系统性能三个方面的测试。通过测试仪器验证了系统硬件电路功能,使用嵌入式逻辑分析仪验证了逻辑代码时序的正确性,在模拟加工设备表面进行性能测试,验证了系统人机交互功能和对食品残留物的检测能力。综上,本文所述手持式食品残留荧光成像检测系统设计包括硬件电路设计、驱动逻辑设计、FPGA加速图像处理算法、人机交互界面设计。通过自行设计的硬件电路以及外壳,缩小了设备体积,提高了设备的便捷性。通过集成光源控制、超声波测距以及数据备份和管理等功能,使系统在功能性、操作性上更为完善和便捷。通过在FPGA中实现灰度变换、中值滤波算法、分块大津算法,提高了设备的检测速度和检测效果。系统具有荧光图像采集、图像处理、图像显示、图像保存功能,能够实时的将检测到的残留物图像保存在SD卡中。系统测试表明,本系统能够有效提高加工设备表面食品残留检测能力,能够应用于食品生产加工设备表面清洁度验证并指导清洁流程改进。

基于ZYNQ的时钟同步平台的设计

这是一篇关于时钟同步,分布式授时,现场可编程逻辑门阵列,嵌入式Linux的论文, 主要内容为中国散裂中子源是我国重大科技基础设施之一。在谱仪实验中,通过高能强流质子加速器产生超高能量的质子束撞击金属钨靶,产生大量中子,中子谱仪利用散裂反应产生的中子与样品作用,并利用中子探测器对作用后的中子进行探测,从而进行中子实验。在此实验过程中,会对谱仪实验数据进行分析,需要每个中子束团所对应的质子束团信息,包括质子个数和引出的时间值,其时钟同步精度需达到100ps以内。因此,一个同时具备高精度时钟同步功能和大数据实时处理功能的平台至关重要。由于现有的硬件设备不能同时满足高精度时钟同步与大数据实时处理两项需求,因此选择ZYNQ处理器作为本文的技术基础,在其FPGA端进行高精度时钟同步平台的构建,在其ARM端进行大数据实时处理平台的构建,最终完成整体系统的框架设计。平台的开发工作主要包含四部分内容,首先是时钟同步平台的硬件与逻辑设计,为满足WR技术时钟同步的硬件需求,本文针对WR技术进行了底层硬件电路的设计与时钟同步模块的逻辑设计。然后是时钟同步平台的软件设计,为实现上层软件协议算法等应用,进行了自定制系统的构建以及底层驱动设备树的实现。最后是Kafka数据处理平台的设计,为了将带有时间戳数据的信息进行高效统一处理,在自定义系统上进行了 Kafka平台的构建。根据开发内容,具体的设计工作如下:(1)时钟同步系统的底层硬件设计。针对WR技术,将底层电路主要分为时钟电路、存储电路、SFP电路以及UART电路四个模块。时钟电路使各个模块之间的数据处理按照规定的时序运行,确保系统可以正常工作。存储电路用于存储系统数据,在系统运行过程中高速、自动的完成数据的存取。SFP电路作为光口接收和发送光信号,与光纤进行对接。UART电路则负责整个系统的数据传输。(2)时钟同步系统的逻辑设计。根据底层硬件基础,进行时钟同步模块设计,对WRPC进行改进,通过分析WRPC中各个模块的地址分配,在所有模块之后开辟新的地址空间,添加新的时间锁存(LockT)模块,对芯片PL端的同步时间戳进行存储,实现系统的高精度时钟同步功能。(3)时钟同步系统的软件设计。根据底层硬件设计与逻辑设计,在ARM端进行嵌入式系统的配置,以此完成设备树文件的生成以及自定制系统的构建,然后通过AXI总线进行底层物理寄存器的寻址操作,从而完成上层软件对底层硬件的驱动实现。(4)大数据实时处理系统的设计。在自定制系统的基础上,结合质子数与时间值的数据信息,进行Kafka系统的构建,同时分析系统需求,进行系统功能设计与数据库设计,最后进行系统功能实现,主要包括设备端功能实现、服务端功能实现以及Kafka集群管理,从而实现多节点分布式的时间数据处理。综上所述,本文基于ZYNQ特有的FPGA+ARM体系架构,完成了高精度的时钟同步平台的构建。经过实验测试,时钟同步精度达到30.37ps,满足中了谱仪实验中高精度时钟同步和谱仪实验数据处理的需求,节约了设计成本,提高了系统性能,为之后高精度时钟同步平台的设计提供了新思路。

基于ZYNQ的时钟同步平台的设计

这是一篇关于时钟同步,分布式授时,现场可编程逻辑门阵列,嵌入式Linux的论文, 主要内容为中国散裂中子源是我国重大科技基础设施之一。在谱仪实验中,通过高能强流质子加速器产生超高能量的质子束撞击金属钨靶,产生大量中子,中子谱仪利用散裂反应产生的中子与样品作用,并利用中子探测器对作用后的中子进行探测,从而进行中子实验。在此实验过程中,会对谱仪实验数据进行分析,需要每个中子束团所对应的质子束团信息,包括质子个数和引出的时间值,其时钟同步精度需达到100ps以内。因此,一个同时具备高精度时钟同步功能和大数据实时处理功能的平台至关重要。由于现有的硬件设备不能同时满足高精度时钟同步与大数据实时处理两项需求,因此选择ZYNQ处理器作为本文的技术基础,在其FPGA端进行高精度时钟同步平台的构建,在其ARM端进行大数据实时处理平台的构建,最终完成整体系统的框架设计。平台的开发工作主要包含四部分内容,首先是时钟同步平台的硬件与逻辑设计,为满足WR技术时钟同步的硬件需求,本文针对WR技术进行了底层硬件电路的设计与时钟同步模块的逻辑设计。然后是时钟同步平台的软件设计,为实现上层软件协议算法等应用,进行了自定制系统的构建以及底层驱动设备树的实现。最后是Kafka数据处理平台的设计,为了将带有时间戳数据的信息进行高效统一处理,在自定义系统上进行了 Kafka平台的构建。根据开发内容,具体的设计工作如下:(1)时钟同步系统的底层硬件设计。针对WR技术,将底层电路主要分为时钟电路、存储电路、SFP电路以及UART电路四个模块。时钟电路使各个模块之间的数据处理按照规定的时序运行,确保系统可以正常工作。存储电路用于存储系统数据,在系统运行过程中高速、自动的完成数据的存取。SFP电路作为光口接收和发送光信号,与光纤进行对接。UART电路则负责整个系统的数据传输。(2)时钟同步系统的逻辑设计。根据底层硬件基础,进行时钟同步模块设计,对WRPC进行改进,通过分析WRPC中各个模块的地址分配,在所有模块之后开辟新的地址空间,添加新的时间锁存(LockT)模块,对芯片PL端的同步时间戳进行存储,实现系统的高精度时钟同步功能。(3)时钟同步系统的软件设计。根据底层硬件设计与逻辑设计,在ARM端进行嵌入式系统的配置,以此完成设备树文件的生成以及自定制系统的构建,然后通过AXI总线进行底层物理寄存器的寻址操作,从而完成上层软件对底层硬件的驱动实现。(4)大数据实时处理系统的设计。在自定制系统的基础上,结合质子数与时间值的数据信息,进行Kafka系统的构建,同时分析系统需求,进行系统功能设计与数据库设计,最后进行系统功能实现,主要包括设备端功能实现、服务端功能实现以及Kafka集群管理,从而实现多节点分布式的时间数据处理。综上所述,本文基于ZYNQ特有的FPGA+ARM体系架构,完成了高精度的时钟同步平台的构建。经过实验测试,时钟同步精度达到30.37ps,满足中了谱仪实验中高精度时钟同步和谱仪实验数据处理的需求,节约了设计成本,提高了系统性能,为之后高精度时钟同步平台的设计提供了新思路。

手持式食品残留荧光成像检测系统研究与开发

这是一篇关于荧光成像系统,残留物检测,食品安全,现场可编程逻辑门阵列的论文, 主要内容为食源性疾病是食品安全领域持续关注的重要问题。食品生产加工设备在工作过程中会产生碎屑残留,这些残留不仅会影响后续食品生产的品质而且容易滋生食源性病菌。目前国内对于食品生产加工场所的卫生检测仍以目视检查为主,目视检查易受环境和检测员疲劳度的干扰,检测效果不稳定;而且对于一些透明或与背景颜色相近的残留物,目视检查难以取得较好的检测效果,因此有必要开发一种快速检测设备来提高食品加工设备表面清洁卫生检查能力。本课题深入分析了传统清洁卫生检测方法的不足,针对传统检测方法检测效果不稳定、检测成本高等问题,结合荧光光谱成像技术和嵌入式技术,设计了手持式食品残留荧光成像检测系统,通过在模拟加工设备表面进行测试,验证了所设计系统的实用性。本文的研究内容和开发工作如下:1.根据当前食品加工设备表面清洁卫生检测方法的不足,结合荧光成像技术在食品加工设备表面清洁验证领域的研究,提出了手持式食品残留荧光成像检测系统的功能需求,并根据功能需求完成了手持式食品残留荧光成像检测系统的硬件架构设计、软件架构设计和系统主要功能器件选型。在硬件架构中按照系统功能将手持式食品残留检测系统分为激发光源模块、信号采集模块、显示模块、电源模块四大模块,并根据各个模块功能完成系统主要功能器件选型;在软件架构中依据FPGA SOPC系统的特点将软件结构分为交互层和应用层,在交互层中实现人机交互逻辑设计,在应用层中实现底层设备驱动。2.完成了手持式食品残留荧光成像检测系统硬件设计和系统外壳三维建模。在系统原理图设计中按照系统硬件架构分别设计了嵌入式主控板、激发光源驱动板、TFT显示模组底板以及相机采集模块原理图。系统原理图中共计233个电子元器件,包括一颗高性能BGA封装FPGA芯片,一片高速同步动态随机存取存储器,一片片外Flash,7种不同大小的电源电压与8路供电电源。在系统PCB设计中从信号完整性和电源完整性出发对多层PCB电路板布局布线进行优化,提高了系统稳定性和抗干扰性能。在系统外壳三维建模中使用三维建模软件设计系统外壳并采用3D打印技术进行制作。3.完成了手持式食品残留荧光成像检测系统驱动逻辑设计、图像处理算法设计以及人机交互设计。充分利用FPGA硬件可编程能力,使用Verilog HDL完成相机、RGB触控屏、超声波测距等外设驱动开发。利用FPGA并行流水线的优势,使用Verilog HDL完成图像处理算法的硬件实现。充分利用FPGA SOPC的优势,使用嵌入式软核NIOS II处理器搭建Qsys系统,利用C语言优势结合图像用户接口u CGUI实现人机交互设计。4.按照系统硬件调试与测试规范,完成了系统硬件功能、软件和逻辑功能、系统性能三个方面的测试。通过测试仪器验证了系统硬件电路功能,使用嵌入式逻辑分析仪验证了逻辑代码时序的正确性,在模拟加工设备表面进行性能测试,验证了系统人机交互功能和对食品残留物的检测能力。综上,本文所述手持式食品残留荧光成像检测系统设计包括硬件电路设计、驱动逻辑设计、FPGA加速图像处理算法、人机交互界面设计。通过自行设计的硬件电路以及外壳,缩小了设备体积,提高了设备的便捷性。通过集成光源控制、超声波测距以及数据备份和管理等功能,使系统在功能性、操作性上更为完善和便捷。通过在FPGA中实现灰度变换、中值滤波算法、分块大津算法,提高了设备的检测速度和检测效果。系统具有荧光图像采集、图像处理、图像显示、图像保存功能,能够实时的将检测到的残留物图像保存在SD卡中。系统测试表明,本系统能够有效提高加工设备表面食品残留检测能力,能够应用于食品生产加工设备表面清洁度验证并指导清洁流程改进。

空间指向机构驱动控制研究与设计

这是一篇关于推力器矢量调节装置,步进电机,驱动控制,现场可编程逻辑门阵列的论文, 主要内容为近年来,随着航空航天技术发展以及空间探测研究的深入,空间指向机构的应用及其广泛,并已成为航空航天领域的一个重要发展方向。其中,电推进矢量调节装置是空间指向机构之一。卫星在执行近地轨道或者深空探测任务时,需要推力器与其指向机构两者的配合改变卫星轨道参数或者卫星姿态保持等模式。此外,性能优异的指向机构可以提升卫星执行任务的效率以及降低星上能源的消耗。因此,推进器指向机构的研究不可或缺。早期研究中,卫星推进器指向机构存在小角度转动或者单自由度调节方式需要通过安装多个装置实现卫星的变轨或姿态保持功能,这样导致卫星总重量增加并且不符合现代航天器的空间机构设计标准。与此同时,采用开环细分的驱动控制模式并不适合长期工作中,指向机构的稳定性和可靠性受到影响,容易造成机构的指向精度下降。为减轻卫星总重量以及增加指向调节范围,通过对两自由度的指向机构的驱动控制研究与设计,以及采用闭环控制优化系统指向精度。本论文的研究内容主要有以下几个方面:空间指向机构高精度位置驱动控制系统设计。针对高精度空间指向机构设计指标要求,提出总体设计方案,以及推力器矢量调节装置的工作模式进行研究与分析,利用MATLAB/Simulink搭建空间指向机构单轴定位模式驱动控制系统仿真模型,验证此次驱动控制系统参数性能在理论设计上的的合理性以及准确性。空间指向机构驱动系统硬件电路设计。确定相关元器件的选型,并以FPGA芯片A3PE15000为主控制器,根据系统的需求设计电机驱动电路、电流监测电路和位置传感器电路。空间指向机构驱动系统软件设计。指向机构闭环驱动控制软件系统由FPGA实现,根据系统设计指标制定了FPGA软件系统的总体架构,充分利用FPGA并行计算的优点,对系统进行优化,减少FPGA资源的消耗。实验结果与分析。对所设计的空间指向机构驱动控制系统进行试验与分析。根据系统实际指标验证所设计的驱动控制系统的可靠性与可行性。

手持式食品残留荧光成像检测系统研究与开发

这是一篇关于荧光成像系统,残留物检测,食品安全,现场可编程逻辑门阵列的论文, 主要内容为食源性疾病是食品安全领域持续关注的重要问题。食品生产加工设备在工作过程中会产生碎屑残留,这些残留不仅会影响后续食品生产的品质而且容易滋生食源性病菌。目前国内对于食品生产加工场所的卫生检测仍以目视检查为主,目视检查易受环境和检测员疲劳度的干扰,检测效果不稳定;而且对于一些透明或与背景颜色相近的残留物,目视检查难以取得较好的检测效果,因此有必要开发一种快速检测设备来提高食品加工设备表面清洁卫生检查能力。本课题深入分析了传统清洁卫生检测方法的不足,针对传统检测方法检测效果不稳定、检测成本高等问题,结合荧光光谱成像技术和嵌入式技术,设计了手持式食品残留荧光成像检测系统,通过在模拟加工设备表面进行测试,验证了所设计系统的实用性。本文的研究内容和开发工作如下:1.根据当前食品加工设备表面清洁卫生检测方法的不足,结合荧光成像技术在食品加工设备表面清洁验证领域的研究,提出了手持式食品残留荧光成像检测系统的功能需求,并根据功能需求完成了手持式食品残留荧光成像检测系统的硬件架构设计、软件架构设计和系统主要功能器件选型。在硬件架构中按照系统功能将手持式食品残留检测系统分为激发光源模块、信号采集模块、显示模块、电源模块四大模块,并根据各个模块功能完成系统主要功能器件选型;在软件架构中依据FPGA SOPC系统的特点将软件结构分为交互层和应用层,在交互层中实现人机交互逻辑设计,在应用层中实现底层设备驱动。2.完成了手持式食品残留荧光成像检测系统硬件设计和系统外壳三维建模。在系统原理图设计中按照系统硬件架构分别设计了嵌入式主控板、激发光源驱动板、TFT显示模组底板以及相机采集模块原理图。系统原理图中共计233个电子元器件,包括一颗高性能BGA封装FPGA芯片,一片高速同步动态随机存取存储器,一片片外Flash,7种不同大小的电源电压与8路供电电源。在系统PCB设计中从信号完整性和电源完整性出发对多层PCB电路板布局布线进行优化,提高了系统稳定性和抗干扰性能。在系统外壳三维建模中使用三维建模软件设计系统外壳并采用3D打印技术进行制作。3.完成了手持式食品残留荧光成像检测系统驱动逻辑设计、图像处理算法设计以及人机交互设计。充分利用FPGA硬件可编程能力,使用Verilog HDL完成相机、RGB触控屏、超声波测距等外设驱动开发。利用FPGA并行流水线的优势,使用Verilog HDL完成图像处理算法的硬件实现。充分利用FPGA SOPC的优势,使用嵌入式软核NIOS II处理器搭建Qsys系统,利用C语言优势结合图像用户接口u CGUI实现人机交互设计。4.按照系统硬件调试与测试规范,完成了系统硬件功能、软件和逻辑功能、系统性能三个方面的测试。通过测试仪器验证了系统硬件电路功能,使用嵌入式逻辑分析仪验证了逻辑代码时序的正确性,在模拟加工设备表面进行性能测试,验证了系统人机交互功能和对食品残留物的检测能力。综上,本文所述手持式食品残留荧光成像检测系统设计包括硬件电路设计、驱动逻辑设计、FPGA加速图像处理算法、人机交互界面设计。通过自行设计的硬件电路以及外壳,缩小了设备体积,提高了设备的便捷性。通过集成光源控制、超声波测距以及数据备份和管理等功能,使系统在功能性、操作性上更为完善和便捷。通过在FPGA中实现灰度变换、中值滤波算法、分块大津算法,提高了设备的检测速度和检测效果。系统具有荧光图像采集、图像处理、图像显示、图像保存功能,能够实时的将检测到的残留物图像保存在SD卡中。系统测试表明,本系统能够有效提高加工设备表面食品残留检测能力,能够应用于食品生产加工设备表面清洁度验证并指导清洁流程改进。