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关键词： 尾气烟度   柴油汽车   在线检测   嵌入式系统   激光技术  

摘要： 目前我国汽车尾气污染监管方式主要通过车辆年检、道路抽检或市民举报等传统形式。上述监管方式不仅存在检测效率低、实时性差的问题,而且还需要耗费大量的人力物力,无法及时解决汽车尾气排放超标问题。为了改善现有尾气排放监管方法的不足,亟需进行新型汽车尾气检测方法的相关研究,用于实现高效实时的尾气排放监管。因此,本文设计一种柴油汽车在线烟度检测系统,用于实现汽车尾气烟度、光吸收系数等参数的实时测量,并将数据实时传输到上位机进行可视化展示。论文的主要研究工作包括:(1)制定柴油汽车尾气烟度在线检测设计方案。根据颗粒污染物检测方法确定测量原理,提出基于朗伯-比尔定律的烟度测量方法用于柴油汽车尾气烟度在线检测。结合光电检测技术和嵌入式系统技术,设计系统结构和功能,制定柴油汽车尾气烟度在线检测方案。(2)柴油汽车尾气烟度在线检测系统硬件设计。基于光路和烟路的设计原理进行系统机械结构设计,并确定传感器的安装位置。为实现激光发射、光信号采集等功能而获得烟度在线检测所需的信号量,本文提出系统硬件电路设计方案,主要设计模块包括控制单元、激光驱动、光信号采集、温度测量、CAN通信等。(3)基于u C/OS-II的柴油汽车尾气烟度在线检测系统软件设计。为实现不同控制需求,首先对软件任务进行划分,确定激光驱动、光信号和温度信号采集、数据处理、CAN通信等系统任务。为实现整体系统功能,提出在u C/OSII操作系统中进行移植和调试。(4)系统测试与实验。为验证本文所设计柴油汽车尾气烟度在线检测系统的性能,进行系统硬件测试、系统稳定性和准确度等实验。实验结果证明,本文所设计的柴油汽车尾气烟度在线检测系统稳定性较好,测量最大误差在±2%以内,能够满足测量要求。

关键词： RFID   嵌入式系统   刺杀对抗训练   训练模拟器   STM32  

摘要： 军事训练服从服务于战争需要,是战争实践的特殊表现形态,对战争活动和作战样式产生直接影响。论文基于刺杀对抗的训练需求出发,进行智能信息化刺杀对抗训练硬件和软件的设计,并进行实物验证,主要研究内容如下: (1)综合分析了刺杀对抗训练的过程,针对刺杀技能主要杀伤方式,设计了数据收集解析方法,为对抗训练考核系统系统设计提供依据。为了方便后勤维护,提出了在训练枪安装MCU电路、加速度传感器和RFID阅读器,护甲安装无源RFID标签的实施方案。 (2)为保证报靶的精度,针对护甲编码标签识别位置重叠导致报靶失误和采集标签信息重叠的问题,给出了编码标签的优化分布方案和时序甄别方法。采用加速度测力方法,通过三轴加速度矢量合成,确保了训练对抗有效击打力的准确测量。 (3)利用STM32嵌入式电路端口将多种功能模块融合,无线发送模块和RFID读写器采用USART通讯、加速度采用I2C通讯,提高了电路板集成度并减小了安装尺寸。提出了训练枪接收信号空闲定时激发断电的保护电路,增加了电池使用时长,解决了电池边工作、边充电导致电池鼓包的问题,方便了维护提高了使用率。 (4)采用Visual studio C#搭建了训练考核评估平台和手持终端,并通过将击打力的值与识别位置的(ID)卡号与textbox文本框绑定,根据训练考核评估要求显示力量、刺杀位置、胜负结果并进行语音播报,同时裁判可远程判断违规,实现终端的人机交互。 本文开展了刺杀对抗训练过程中动作力量分析和要害击杀评定的技术研究,提出了通过对嵌入式开发和应用管理软件的交互设计来进行科学的评定学员们训练时的各个参数,评估学员们在对抗训练中对击打的精准度、力度的掌握。

关键词： 液体检测   介电常数   嵌入式系统   stm32cube.ai  

摘要： 为了防范破坏社会稳定的恐怖主义活动,保障公共场所安全,国家制定了关于公共场所配备安检设备来检测可能存在的危险物品的相关管理办法,对于隐蔽携带的易燃易爆危险液体的检测成为了维护公共场所和交通枢纽安全的重要保障。目前危险液体检测仪器产品种类少,多数为体积庞大、效率低且仅能识别安全危险的台式机器,因此对于便携式液体检测仪器需求逐渐增大。本课题针对高速公路危险液体检测的应用场景,设计了一种可便携、稳定性高、响应速度快、可识别液体成分的浸入式液体检测装置。其中,基于多通道电容传感阵列信息采集技术,获取包含液体介电常数的多维度信息的信号。此外,采用了BP神经网络算法对液体成分进行分类识别,并利用了X-CUBE-AI扩展包来实现神经网络算法在嵌入式设备上的移植。主要研究内容如下:1.设计了浸入式液体检测仪器的硬件系统。其中,设计了一款含有4块可任意组合的电容极板的传感器阵列,以及具有耐强酸强碱能力、抗腐蚀性的传感器外壳。该电容传感器阵列能够多维度表征介电常数与电容之间的关系,可有效解决浸入式传感器由于体积过小带来的边缘效应,进而可靠获取液体介电常数的多方位立体信息;设计了面向高频微弱交流信号的信号调理电路模块,解决了多通道传感器信号变化量微弱抗干扰性差的问题。同时,针对传感器信号的相位特性以及幅度特性依次设计了相位检测电路与放大整流滤波电路对信号调理电路模块进行完善,该模块配合主控芯片的通道选择获取稳定、变化能力强的多通道信号的幅度与相位信息;设计了由主控芯片控制的数据存储模块,完成对液体样本数据库的构建与收集;设计了电源模块,并对电路的功耗、输出精度以及效率等因素进行了分析。2.设计了以主控芯片为核心的软件系统,完成了对信号幅度与相位的数字化,构建了样本数据库与测试数据库,实现了对危险液体类型的有效识别。其中涉及的主要技术有:ADC/DAC采集与时序控制、UC/OS操作系统的任务分配、定时器方波计时与输出控制、TIMER-DMA-DAC联合操作、USB虚拟串口驱动、IIC接口通信、QSPI接口通信以及神经网络算法软件实现。3.设计了以BP神经网络为架构的数据分析算法,实现了液体成分的有效识别。并通过意法半导体公司最新推出的X-CUBE-AI软件扩展包,完成了原始神经网络模型向C模型的压缩转换,实现了神经网络模型在嵌入式芯片上的移植。同时,设计了相位检测算法,完成了对传感器信号的相位特性的获取与数字化转换,进一步提高了分类算法的识别率。4.完成对系统整体的性能测试。其中,按照液体的种类、传感器浸入液体深度情况进行实验探究,记录数据和检测结果确定浸入深度对检测结果的影响程度。最后实验结果表明,在保证便携、安全、低成本的同时,系统可准确有效测出十余种液体成分,检测时间控制在1.5s内,检测准确率平均可达90%以上。

关键词： Simulink/Stateflow   HCSP   嵌入式系统   代码优化  

摘要： 随着嵌入式系统复杂性的增长,设计人员越来越面临质量的问题。为提高系统的可靠性,研究人员提出并广泛采用基于模型的开发方法。目前在工业界广泛使用Simulink/Stateflow工具对嵌入式系统进行建模与仿真。但是由于仿真本身的不完备性,不能仅依靠仿真来保证系统的可靠性。仿真辅以形式验证技术来提高系统的可靠性已成为工业界和学术界的共识。然而,Simulink/Stateflow因为缺乏形式语义使得形式验证变得不可能。针对上述问题,本文分析了Stateflow高级功能的语义以及现有转换方法的不足,首先提出了一种新的基于模块化设计的转换方法,并基于该方法对Stateflow特性进行转换;然后为保证结果模型的简洁性,首次为转换后得到的HCSP提出优化过程;最后为保证转换结果的正确性,手工设计了一个基准示例集。综上所述,本文的贡献如下:(1)提出了一种基于模块化设计的转换方法,该方法将Stateflow模型的组成部分模块化,相对独立地处理它的每个特性。通过这种方法不仅可以对转换后的结果进行重用提高转换效率,也可以使得到的结果模型更加易于理解、维护。本文基于该方法对现有研究工作的基本功能进行了重新实现。同时对现有研究中不支持的很多Stateflow的高级特性进行实现,主要包括Matlab函数、图形函数、时序逻辑事件、定向事件广播、历史结点、触发子系统等。(2)首次为转换后得到的HCSP提出优化过程。通过执行四种代码优化方法:程序内联、窥孔优化、常量传播和死代码消除,删除一些冗余内容使结果模型更加简洁易懂,执行速度更快。(3)构建了大量的测试示例来验证转换过程的正确性和代码优化的有效性。本文通过在示例中插入输出命令,来记录当前模型的运行行为。通过比较转换前后模型的输出信息,来保证转换过程的正确性。通过比较优化前后HCSP程序的大小,来证明代码优化过程的有效性。每个示例都是手工设计的,目的是说明Stateflow某些方面的语义。本文构建了一个由112个示例构成的基准示例集,涵盖了广泛的语义问题。同时为了使转换结果更具有说服性,也对现有研究中已经存在的两个大型综合案例进行了测试。

关键词： 环境监控   智能冷棚   软硬件设计   嵌入式系统  

摘要： 随着当今社会对互联网、物联网、智能化的快速发展及应用推广,势必也会开拓出农业生产领域的新模式。在对我国北方的冷棚(塑料温室大棚)进行考察了解后发现,大量冷棚的安全性和智能性较差,冷棚幕布容易出现破损,不易及时被人发现,给种植者带来了繁杂劳动等问题,这些很大程度上影响了种植作物质量和人们采用冷棚种植的积极性。因此本文设计一套智能冷棚系统。对冷棚内温度、湿度、光照强度及光照时长等环境变量进行监测和控制。另外针对冷棚幕布发生破损不易被察觉的问题,设计了冷棚幕布破损监测与报警系统,整套系统设计的宗旨在于提高冷棚的安全性和智能性。 此次设计是在冷棚种植这种农业生产方式的基础上,采用传感器技术、自动控制技术、测控技术、物联网技术等,开发出一套以ARM为硬件系统核心,搭载Linux操作系统的嵌入式系统。该系统具有对冷棚环境进行现场LCD监控、电脑远程监测、手机端远程监测的功能,具有很高的实用价值。主要工作总结如下: (1)依据系统的设计原则、功能需求、性能需求,对冷棚幕布破损监测与环境监控系统的整体结构进行设计,搭建出系统的设计架构,以便进行技术分析实现相关功能。 (2)对冷棚幕布破损监测方案进行分析,最后优选出使用差帧运动检测和云端监测相结合的思路实现该功能,应用差帧算法对冷棚幕布进行初步破损检测,再将判定为幕布破损的图片发至云平台,用户在云平台上查看这些图片,进一步确认幕布是否发生破损,从而实现对冷棚幕布的破损监测。对远程监测的技术方案进行分析和选择,优选出One NET云平台+HTTP协议+智能移动终端的方案来实现系统远端监测功能。 (3)完成了系统软硬件设计。硬件设计部分主要包括:系统硬件平台相关电路的设计,对温湿度传感器、光照传感器、图像传感器及调压模块等设备进行选型和介绍。软件设计部分的主要工作包括:搭建系统软件开发平台,移植Linux操作系统,对系统的相关应用程序、设备驱动程序、网络通信程序等进行设计与开发。 最终搭建了实验平台,完成了冷棚幕布破损监测与环境监控系统的反复测试。系统实现了对冷棚环境数据的采集与控制,能对幕布破损进行识别,LCD屏能够实时显示冷棚环境数据和设定控制参数,One NET云平台的电脑端和手机端能够监测冷棚环境和冷棚幕布的破损情况,且可查询3.5天的环境历史数据。

关键词： 引信装定   嵌入式系统   信号放大   通信转换   SDES加密  

摘要： 自上世纪70年代我国提出火工品三化(标准化、通用化、体系化)以来,引信装定技术快速发展,逐渐形成以感应装定技术为核心的引信装定系统。随着各口径的炮弹种类不断增多,急需一套完整的引信装定测试系统为不同类型的炮弹提供测试平台。基于以上背景,结合实际项目需求,本文提出并设计了一套完整的引信装定系统信息传输链路。该系统采用模块化的设计思想,能够模拟实际引信装定过程,监测装定过程中各个环节的数据变化。在完成装定测试系统软硬件平台设计的基础上,使用Lab VIEW完成上位机软件设计,极大程度上提高了系统的完整性。本文具体的研究内容包括:(1)在提出引信装定系统信息传输链路总体构架后,完成了通信转换器的硬件设计,提升了整个系统对不同接口类型的武器平台的兼容性。通信转换器将从RS232接口接收到的数据转换为CAN总线接口、以太网接口、RS232接口、RS485接口、USB接口、IIC接口、1394接口之一输出。设计相应的谐振选频器,实现了程控调节谐振频率的功能,为系统中感应接收线圈接收信号进行选频,提供了快捷高效解决方案,免去了传统谐振电路需要进行单独设计的麻烦。为了方便对信息传输链路中的数据进行观察,同时为了解决传输过程中信号衰减的问题,设计了一种20d B～60d B可程控增益的微弱信号放大器。(2)完成了系统的上位机软件及下位机软件设计。在STM32硬件平台上,使用C语言完成下位机软件开发,确保了系统的高效与实时性。并使用Lab VIEW进行了上位机软件的开发,上位机软件集控制、调制、解调、分析功能于一体,是整个系统的操作平台。(3)结合引信装定系统的特点,选择DES(Data Encryption Standard,DES)加密算法进行研究设计。首先分析了DES加密算法的原理,提出了一种基于DES轻量化改进的加密算法SDES(Simplified Data Encryption Standard,SDES)加密算法,并对该算法进行了相应的软件设计,最终完成了加密算法的仿真测试,为引信装定系统的信息安全性提供了一种解决方案。(4)分别对硬件设备进行了单独的功能性测试,然后将系统级联起来进行软硬件整体联调。通过本系统,使用测试数据进行发送与接收实验。测试结果表明,本系统的平均误码率在8.9E-6,满足了系统设计指标与实际项目要求。

关键词： 超分辨率网络   嵌入式系统   便携式显微成像   痰液检测  

摘要： 近年来,随着半导体技术和传感器技术的发展,以前实验室中各种笨重的精密设备开始往便携式的形态发展。台式光学显微镜作为人们在医学临床、生物化验、科学研究等领域中重要的仪器工具,因其较大的体积和沉重的重量只能被安装到实验室和化验室等场所。然而随着人们在检测和科研领域需求的不断提升,传统的将现场样本采集后送至实验室检测的流程已经无法满足今日人们对及时性的要求。因此,本文对便携式显微成像系统展开研究,并最终设计了基于Jetson Nano嵌入式计算平台的便携式显微成像系统。对比传统光学显微镜,该系统具有便携化的特点,不仅具有体积优势,而且集采集与显示功能于一体,即使在野外环境下也能进行工作。同时,针对便携化显微设备成像质量不佳的缺点进行改进,引入深度学习算法SRCNN对图像质量进行增强,并将深度学习模型融合到系统硬件中,最终使便携式显微成像系统获得接近于台式显微镜的成像能力。本论文主要研究了一种便携式显微成像系统的设计和实现方法,并将超分辨率神经网络模型与嵌入式GPU计算平台相结合,开发出了本文中基于Jetson Nano和SRCNN的便携式显微成像系统。然后对该系统进行了装配制作以及功能验证和测试,最终使用该系统实现了痰液病理涂片的显微检测。论文的主要工作和研究成果包括:超分辨率神经网络SRCNN的研究。本文对SRCNN算法展开研究,介绍了其工作原理并对其神经网络结构进行详细分析以及研究了其输出图像的质量评价方法等。本文研究过程中使用Python编程语言和Pytorch深度学习框架对SRCNN的训练算法和推理测试算法进行了编程实现,并对模型进行了训练和优化,最终对训练后的模型进行了评价。显微系统嵌入式GPU计算平台的搭建。本文对Jetson Nano嵌入式GPU计算平台的结构与性能展开研究,并使用Jetson Nano对显示屏、摄像头等硬件进行驱动,搭建了便携式显微成像系统的硬件平台。同时把在工作站上训练好的SRCNN模型移植到Jetson Nano上,并成功使用Jetson Nano的CUDA硬件对模型进行加速。最终将本文的SRCNN神经网络模型与本文的成像系统硬件平台结合后得到了一套完美运行的嵌入式图像超分辨率系统。便携式显微平台的制作。使用球面物镜、电子目镜系统、LED光源系统等结构制作了便携式显微系统的显微模组。使用Altium Designer软件对光源电路进行原理图设计和PCB设计。使用Sketch Up三维建模软件对镜头固定件等部件进行模型设计,并使用3D打印技术打印外壳和支撑材料。最终使用焊接、套丝等装配技术完成硬件制作,得到了结构紧凑、外形小巧的便携式显微成像平台。显微平台放大倍数为200x,显微分辨率达到了2um级别。系统功能测试及结果分析。本文使用便携式显微成像系统对病理性痰液涂片进行观察,实现了显微痰液检测的应用。并对图像的显示质量、模型的推演速度等指标进行了相关测试。本文系统的成像效果比传统便携显微镜的成像效果更好,图像质量更加接近台式显微镜。训练本文模型所使用的病理性痰液数据集采集于山东省千佛山医院,数据采集周期长达一年。

关键词： 漏液监测   船舶安全   电导率   嵌入式系统   复合传感  

摘要： 近年来,伴随着船舶航运的蓬勃发展,船舶安全问题日益凸显。其中,液体泄漏作为最大的安全隐患可能造成装备异常、货物损毁,从而影响船舶运营,严重泄漏时甚至会导致船体沉没并危及人员生命安全。在船舶营运的过程中,除了所运输的液货可能发生泄漏外,船舶底舱中复杂的管道系统也可能由于管道老化等原因致使少量的燃油、冷却液或海水泄漏。针对上述问题,传统人工排查方式的工作效率低下,甚至存在一定的潜在危险性。因此,亟需引入一种新的泄漏监测及故障诊断技术,有效保障船舶运行安全。本文研制了一种以电导率测量为核心的多参数液体自动监测系统。该系统通过光电式集中检测方法实现液体泄漏情况的持续动态监测,并基于对漏液电导率、上升速率、温度等多项参数的测量实现泄漏点排查、泄漏严重程度评估。本文的主要研究内容有:(1)完成了传感器探头的集成结构与材料设计。根据系统功能需求,传感器探头集成了电导率电极传感器、液位感知电极传感器、温度传感器、光电漏液传感器四种传感器,可实现对测量信息的获取。(2)完成了以STM32F103RCT6芯片为控制核心的下位机硬件设计。主要包括介质电导率检测单元电路、液位感知单元电路、漏液监测单元电路、温度检测单元电路、RS-485通信电路以及系统电源电路。其中,介质电导率检测单元作为系统的重要功能单元,其电路包含激励源发生及滤波放大电路、电导率信号采集电路、自动量程切换电路、真有效值转换电路、模数转换电路等子电路。(3)完成了系统上、下位机的软件设计。编写下位机程序实现测量功能,并使用Qt编写上位机人机交互界面,实现液体状态监控报警及测量数据的实时显示,并将测量数据存储至上位机以备后续分析处理。本文通过实验对系统进行了功能验证,结果表明,电导率测量数据的绝对误差不超过0.087m S/cm且最大相对误差为0.93%,升率测量数据的绝对误差不超过0.183cm/s,温度测量数据的绝对误差不超过0.1℃,上述测量数据精度较高且符合设计指标要求。系统可实现泄漏液体种类的自动判别以加快漏点的排查速度,在减少人力成本投入的同时,为采取安全隔离、应急疏散等措施争取宝贵时间,对船舶运行安全屏障的构筑具有重大意义。

关键词： 地铁通信网络   网络入侵检测   循环神经网络   FastGRNN模型   嵌入式系统  

摘要： 实时以太网技术以低成本、高速率的优势,在地铁通信网络中得到的应用越来越广泛。然而以太网的开放性同时增加了网络受到恶意攻击的可能性,为了保障乘客的乘车安全,地铁通信网络系统需要建立起一套高效且精确的网络入侵检测系统。本文依托课题组基于地铁乘客信息系统的横向开发课题,结合地铁通信网络的结构特点,以低部署成本、高检测精度和低检测时延为目标,提出了一套适用于地铁通信网络的入侵检测系统。本文提出的地铁通信网络入侵检测系统包括位于各车厢的入侵检测节点和位于司机室的总控设备。入侵检测节点对流经本车厢的流量数据进行入侵检测,并将检测结果发往司机室总控设备,由总控设备汇总各车厢的网络异常情况,并对结果进行提示。通过对各适用于入侵检测任务的机器学习模型,尤其是基于循环神经网络的模型进行了研究和实验验证后,本文选择采用Fast GRNN(Fast Gated Recurrent Neural Network)模型作为入侵检测模型。Fast GRNN模型由循环神经网络改进而来。本文的理论分析和实验结果表明,相对同样基于循环神经网络的门控循环单元(GRU)和长短期记忆网络(LSTM),Fast GRNN模型在保持了同等甚至更优的检测精度的同时,内存占用和检测时延显著降低。借助Fast GRNN的低硬件资源占用,本文提出将入侵检测模型直接部署在地铁通信网络现有设备上,进一步降低部署难度和成本,在不对网络拓扑结构作较大修改的前提下为通信网络引入了入侵检测系统的保护。本文选择导乘屏系统作为部署各车厢入侵检测节点的硬件设备。为了验证所提出系统的有效性和可靠性,实现了各子系统,包括入侵检测系统、导乘屏系统和总控屏系统,完成了PC虚拟机测试,并将这些系统部署到了STM32MP1嵌入式平台上。移植和性能测试结果显示,本文提出的地铁通信网络入侵检测系统拥有较低的系统占用,即使部署到地铁现有硬件上,也可以保证入侵检测和原任务都流畅运行。

关键词： 轻质燃油   电导率   嵌入式系统   微弱电流  

摘要： 汽油、柴油、航空燃油等轻质燃油的主要成分为烃类化合物,电导率值极低,是几乎不导电的物质。在轻质燃料油的加工、运输、储存及加注过程中,容易积聚较多的静电荷,当产生静电火花时,将导致火灾及爆炸等重大安全事故的发生。因此为了防止静电积聚引起的重大事故的发生,在轻质燃料油在运输、加注过程中要定时检测其电导率,当发现电导率值较低时,要及时添加适量的抗静电剂,保证满足《油品安全静止电导率》中规定的电导率安全范围。同时,油品电导率的高低也反映了油品中杂质的多少,尤其航空燃油为了保证其燃烧的充分性以及安全性,对电导率的要求也更加的严格,故轻质燃油电导率的检测具有重要意义。针对轻质燃油电导率的检测需求与当前检测设备现状及问题,基于电导率检测原理,采用微弱信号检测技术和精密静电计法,设计了便携式燃油电导率检测仪,完成了对轻质燃油电导率的检测。本文主要做了以下几个方面的工作:介绍了当前燃油电导率检测的研究背景与意义,对当前燃油电导率检测仪与微弱信号检测技术的研究现状进行总结,分析了目前便携式燃油电导率仪存在的问题。对燃油电导率的检测原理与微弱信号检测方法进行了研究,确定了以精密静电计法作为燃油电导率的检测方法,以I-V转换法作为燃油电导率检测过程中微弱电流信号的检测方法,分析微弱电流测量过程中出现的噪声干扰,提出抑制噪声的方法。其次对燃油电导率检测仪的硬件部分和软件部分进行设计。提出了整体硬件设计方案,完成了I/V转换电路、滤波电路、量程切换电路、电源电路以及单片机最小系统电路的设计。根据完成的硬件电路对仪器的功能进行了程序设计,并采用标准的工业协议与外界进行通讯,实现数据的传输。最后对仪器进行调试与性能测试,设计的燃油电导率检测仪测量精度较高,系统重复性较好,可以满足实际燃油电导率检测的使用需求。