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关键词： 癌症   免疫组化   嵌入式系统   人机交互系统  

摘要： 免疫组织化学(Immunohistochemistry,IHC)是癌细胞检测的一种常用的手段,对于癌症的检测和定位有重要的意义。目前,国内的免疫组化检测技术在应用上面遇到一些瓶颈,主要来源于自动化设备缺乏、通量小等,严重的限制了免疫组化技术在癌细胞检测领域中发展。大部分医院仍然采用手工的方式进行免疫组化实验,时间周期长,可靠性较低,且对操作人员的健康存在威胁。因此,实现免疫组化实验流程的自动化成为癌细胞检测领域的重要问题。基于上述存在的问题,本论文的目的是开发一套全自动免疫组化检测装置,旨在通过一种高染色效率,且操作简单的方式完成对癌细胞样本的脱蜡、染色、复染、分化、反蓝等操作。本论文主要从以下几个部分展开研究工作:(1)简要介绍免疫组化检测技术的必要性和免疫组化的基本原理,通过国内外免疫组化检测设备的对比,阐述了免疫组化的研究目的与意义。(2)提出了一种基于嵌入式系统的全自动免疫组化检测装置的设计方案,具体包括机械结构部分、硬件电路部分、程序控制策略。程序控制策略配合硬件电路部分可以保证机械结构部分的正常运作,使整个实验过程实现完全自动化。(3)设计具备完善功能的人机交互系统,该人机交互系统主要包含与检测装置的通信部分、数据库设计部分、界面设计部分。人机交互系统可更加直观的显示设备的运行状态,且可以对实验的数据进行保存。(4)完成整套染色装置的组装,并对该染色装置进行以下测试,主要包括温度控制系统的仿真与测试、EMC测试结果、人机交互系统测试,并利用该设备进行免疫组化实验,并对染色结果进行分析与优化。本文设计的全自动免疫组化检测装置的测试结果表明:检测装置的染色实验的结果比较稳定,自动化的程度较高;染色数量高达36组,且每组样本可单独加热处理,大大的提高了检测通量;且检测装置的价格低、操作简单,完全可达到预期的目的。在降低试剂成本的同时,各项实验指标均达到了预期设计目标。

关键词： 智能家居   嵌入式系统   ZigBee   I.MX6U   QT  

摘要： 随着5G技术的突破以及国内通信网络的不断完善,以通信为基础的物联网行业进入井喷期。智能家居作为物联网最广泛应用的领域之一,开始走进人们的视野。尤其是在2020年新冠病毒肆虐期间,智能家居更是发挥了重要作用。人体红外传感器自动人脸识别进出小区便捷安全、智能语音呼梯系统减少接触式感染风险等都给我们抗击疫情提供了巨大的便利。华为、小米、苹果等大型科技公司在智能家居领域取得了令人瞩目的成就。然而它们产品都存在着“价格昂贵、操作复杂、功耗高及生态链封闭”等问题,不同厂家产品之间兼容性差、无法协同工作,限制了消费者的选择,导致智能家居的普及化成为一大难题。针对以上问题,本文基于网络通信、嵌入式等技术,设计了一种基于***6U的智能家居控制系统。论文的主要工作如下:1)研究分析了智能家居的功能需求,经过对通信方案和处理器的研究,选择Zig Bee作为无线采集网络,采用NXP的高性能处理器***6U作为主控核心。模块化的设计方便了扩展,降低了成本,解决了目前生态封闭,价格昂贵、操作复杂等缺点,而且选用Zig Bee技术降低了功耗;2)采用星型结构组建Zig Bee网络,将Zig Bee节点划分为协调器和终端节点,详细地给出了每部分应该实现的功能,提高了整体的通信精准度并达到降低功耗的目的;3)ARM主控制器移植Linux系统,使得任务的处理更加方便,可以开发更复杂的应用;4)Zig Bee网络中的协调器与ARM主控制器通过串口相连接,有线连接确保了通信的可靠性,研究制定通信协议,提高通信效率。ARM主控制器与服务器之间使用MQTT协议作为通信协议,节省了网络资源;5)ARM主控制器和PC的操作软件都使用QT进行编写,编写的软件可以跨平台使用,降低软件开发成本;6)根据本文研究设计的方案,自主研发相关硬件,完成了软件编写,整个控制系统实现了预期的功能。

关键词： 相位式   激光测距   通信协议   嵌入式系统  

摘要： 在激光测距技术中距离信息被认为是其中最重要的测量指标之一,随着微电子技术以及电子制造工艺的不断发展进步,用户对激光测距系统在精度和稳定性等测量性能方面提出了更高的应用要求,诸如测量环境、硬件故障、被测目标间差异等客观因素对系统干扰产生的误差要能够进行有效地控制,以及结合嵌入式系统设计各功能模块的需求。因此对于嵌入式系统设计与激光测距技术相结合应用,有利于获取更加可靠准确的距离数据,同时对于能够提高激光测距系统在测量环境适应能力等综合性能方面研究和设计具有积极的意义,本课题具体的研究内容如下:(1)针对因激光测距系统在数据传送过程中产生的系统误差而影响系统测量性能的问题,研究开发了一套以相位式激光测距原理为基础的嵌入式高精度激光测距系统,系统软硬件设计:硬件部分主要进行器件选型及电路设计,选择以ARM Cortex M系列为内核的STM32F103ZET6和STM32F030K6T6做主从机控制器,激光调制电路和光电接收处理电路等设计,对激光测距原理中相移整周期数N值算法、差频混频测相做详细理论分析。软件部分是在硬件基础上借助Keil5平台进行下位机软件开发,同时结合VI虚拟仪器LabVIEW开发上位机监测界面,及串行通信模块、LCD液晶显示模块等程序设计,通过主机控制器嵌入RTOS实时操作系统μC/OS-Ⅲ实现多任务管理和提高测量系统实时性。(2)由于在实际测量过程中,系统经常会受到测量环境、硬件故障、被测目标间差异等客观因素的干扰而产生一些系统误差,由于这些系统误差的产生会使中间测量结果出现异常数据,甚至是未知数据等,同时这些在系统间传输的错误返回数据最终会导致偏离真实测量值,从而影响到系统测量的精度和稳定性。因此提出了一种自定义HEX通信协议的软件方法,该方法使系统只对正确返回数据进行通信交互,避免了系统因直接对错误返回数据的分析处理而造成错误测量的问题,尤其在后期需要对大量测量数据样本进行测试分析时,从而提高系统测量过程中的精度和稳定性。(3)通过对上述主要系统误差设置分组对照试验进行数据采集并通过Matlab进行数学分析,最后经过试验对系统测量性能进行验证得出其测量精度:±2mm;测量范围:0.05～50m;最大相对误差MRE≤2%,提高了系统综合测量性能,可以满足系统在精度,稳定性上的设计要求。

关键词： 气象传真   奈伏泰斯   一体机   异步并行处理   嵌入式系统  

摘要： 气象传真接收机和奈伏泰斯(NAVTEX)接收机是船舶及其他海上作业平台不可或缺的重要设备。前者可以使船舶在全球各个海域及时地掌握当地气象信息图像。后者是全球海上遇险与安全系统(GMDSS)的重要组成部分,可以使船舶接收到附近海域的告警信息。随着我国对海军建设的不断加强,船舶通信设备的自主化研发也越来越受到重视。目前,国内较为成熟的接收机产品大多为单机单用,即一台接收机仅能单独接收奈伏泰斯信息或气象传真图像。对于气象传真/NAVTEX一体机的研制,仅有少部分的国内机构正在进行,并且所开发的一体机成本较高,与国外设备相比,市场竞争力明显不足。根据当前一体机的国内发展现况,本文对低成本气象传真/NAVTEX一体接收机进行了设计。本文依据一体机的各部分功能,将其划分成射频前端模块、基带信号处理模块和系统主控模块三个部分进行设计。射频前端模块采用经典的超外差体系结构,主要对天线接收到的微弱射频信号进行多次的滤波、混频和放大等处理,从而得到符合ADC(模数转换器)采样条件的基带调制信号。基带信号处理模块采用了双核处理器,CPU1核和CPU2核采用异步并行的接收处理方式,同时使用双核处理器的片内ADC采样基带调制信号,然后对采样后的FSK数字信号进行软件解调,同时CPU2核还对NAVTEX信息进行了解码,有效地简化了硬件电路,减少了制造成本。系统主控模块采用了成本较低的微处理器,并引入了嵌入式操作系统用于实现和管理数据接收、信息存储、图像格式处理、人机交互等功能。本论文根据一体机的功能要求,在硬件方面,主要完成了三个模块的硬件电路设计;在软件方面,主要完成了双核处理器和微处理器的软件程序设计,其中微处理器的程序采用了嵌入式操作系统。最后,对一体机的整机功能进行了检测,结果表明低成本气象传真/NAVTEX一体接收机的气象传真图像和NAVTEX信息的接收、处理、上传等主要功能都可以正常运行。

关键词： 远程升级   设备管理   Nb-IoT   嵌入式系统  

摘要： NB-IoT(Narrow Band Internet of Things)网络具有低功耗、低成本、广覆盖、大连接的优势,使得NB-IoT在嵌入式设备中的应用迅速推广,如今,NB-IoT被广泛应用于工业、医疗、智慧城市等各个领域。随着NB-IoT设备功能日益复杂,如何在低带宽和低功耗的条件下进行设备的统一化管理和固件远程升级成为系统面临的问题。论文基于企业委托项目,设计并实现了一种能够实现远程设备管理的机房环境监控设备,采用差分升级方式减少了设备固件升级时的数据传输量和传输时间,从而降低了设备固件升级的功耗和带宽要求。主要完成了以下工作:(1)设计并实现了基于FreeRTOS的嵌入式设备管理架构,该架构覆盖硬件选型、协议选择、软件设计,兼顾了 NB-IoT的自身特点与项目实时性需求,同时也满足软件设计的高内聚、低耦合特点。(2)设计并实现了基于LwM2M设备管理协议的设备管理驱动程序。该驱动设计基于IPSO联盟指定的“对象-资源”模型对设备资源进行抽象,并参照移动OneNET平台提供的平台侧通信接口实现了设备内部的信息管理统一接口,能够完成数据上传、远程控制等功能。实现了设备管理和控制的模块化和标准化。(3)论文针对内存受限的小型设备优化了差分升级算法。由于使用NB-IoT技术的设备普遍存在内存受限问题,本文针对性地提出了数据序列化的更新机制,有效减少了差分升级时所需的内存空间,并通过实验验证了该算法的有效性。

关键词： 血液分析仪   嵌入式系统   外部设备驱动   质量控制   数据管理   自动进样  

摘要： 血液分析仪主要用以各种血细胞计数、白细胞分类和血红蛋白含量的检测,其检测功能提供了许多实验指标,对疾病的鉴别和诊断起着非常重要的作用,已广泛应用于医院临床检验。随着技术发展和用户需求水平的提高,新型血液分析仪产品在软硬件系统升级、性能改进和生化检验扩展不断形成新的要求。本文结合实际产品开发,系统地研究了基于嵌入式系统的新型全自动血液分析仪的升级设计与开发实现。血液分析仪嵌入式系统采用ARM+DSP控制器架构,上位机管理系统的嵌入式处理器基于Cortex A8架构,负责检测流程控制、质量数据管理和人机交互;下位机控制系统采用TI-DSP控制器,实现与上位机之间的指令、数据交互,控制硬件系统液路微型阀门、泵和电机等执行机构。管理系统与控制系统通过CAN总线通信相互协调,实现血液分析仪完整的检验流程。论文在血液分析仪的研究背景与意义综述的基础上,首先讨论了血液分析检测的关键技术与问题,分析了血液分析仪升级与改进开发的功能需求,并给出了系统的框架和设计方案。随后分析了管理机硬件平台与功能的总体架构,在嵌入式处理器基本驱动设计的基础上,论述了系统键盘、触摸屏、打印机等主要外部设备及其驱动程序的改进开发原理并给出了具体实现。接着讨论了系统的检测流程和通信模块的设计思路,给出了从软件功能角度进行的UI和菜单管理模块的优化实现。然后论述了三种质量控制算法以及线性与非线性定标方法的设计原理,详细给出了程序模块的实现。之后分析了数据库的扩展方案,实现了数据管理模块的优化改进。此外详细论述了选配扩展的自动进样器与温度检测功能的设计原理,给出了硬件电路、管理与显示功能软件、控制器电机驱动程序以及上下位机通信程序的实现。最后,论述介绍了改进开发后血液分析仪功能测试方案的设计思路,详细给出了对系统检测结果的准确性、基本硬件与软件、扩展控制机系统等功能的测试与评估。

关键词： 光纤传感器   模数转换   嵌入式系统   现场可编程门逻辑   硬件设计  

摘要： 光纤传感器起源于上世纪70年代,自诞生以来就是光学、电子领域的前沿研究内容。由于其在机械、电子仪器仪表、航天航空、石油、化工、食品安全等领域的生产过程自动控制、在线检测、故障诊断等方面的重要用途,各国都在研制成本更低、精度和分辨率更高的光纤传感器系统。本项目研究的光纤传感器基于光纤布里渊散射,相比于其他光纤传感器,具有测量距离长、空间分辨率高、测温精度高的特点。同时,布里渊光纤传感器的系统复杂,需要硬件、软件光学系统和算法的支撑才能达到最佳表现。在硬件系统中,模数转换系统和FPGA承担了系统中最关键的数据采集、数据处理角色,直接关系到分辨率、精度、性能等最重要的参数,在整个系统中成本最高。论文以FPGA为核心,开发了光纤布里渊传感器采集控制模块,设计了4路250Mbps、14bit模数转换的软件和硬件,在FPGA中通过仿真单片机实现对高速AD芯片的配置和监控,实现了对传感信号的高速实时采集。

关键词： 软件安全需求   需求管理   功能安全   嵌入式系统  

摘要： 软件安全需求是开发汽车嵌入式系统软件安全相关功能的依据,如何对安全需求实施有效管理已成为软件开发的重要问题,依托IBM Rational DOORS管理工具对嵌入式系统软件安全需求进行管理,能够满足ISO/FDIS 26262对安全需求管理提出的要求,同时提出了软件安全需求管理活动的若干要求。

关键词： 摔倒预测   BP神经网络   FPGA   嵌入式系统  

摘要： 随着我国人口老龄化问题日益严重,抚养比率增加,老年人空巢现象越来越普遍,在节省人力和物力成本的条件下,更加高效的保障老年人身体健康越来越重要。摔倒是老年人生活中最常见的突发事故,并且会给老年人的身心带来严重的伤害,因此,老年人摔倒防护设备的研究具有重要意义。本文提出一种基于BP神经网络对人体摔倒进行预测的方法,以实现一种能够对人体摔倒进行预测的嵌入式系统为研究内容。通过实验采集人体在不同状态下的腰部加速度、角速度数据,将从实验数据中提取的特征向量作为数据样本对BP神经网络进行训练,提取出训练完成后的BP神经网络权值和偏置参数。设计了一种嵌入式系统,依据提取出的神经网络参数在该嵌入式系统上实现BP神经网络的正向传播,完成了系统实物的搭建,并通过仿真和摔倒实验验证了该系统的实时性和摔倒预测功能的可靠性。主要研究内容如下:1.设计了一种数据采集装置,将数据采集装置佩戴人体腰部,模拟老年人日常活动及摔倒过程,通过实验采集人体摔倒过程和日常生活腰部加速度、角速度数据。分析研究人体摔倒过程和日常生活的腰部加、角速度变化规律,并从中提取特征数据。规定输入到BP神经网络的特征向量格式,计算出每一组特征向量并为每一组特征向量添加标签。2.设计BP神经网络的初始结构,在MATLAB平台创建BP神经网络模型,将特征向量和标签作为训练样本对所设计的BP神经网络模型进行训练和测试,通过不断的试验、对比找出最合理的BP神经网络结构。对BP神经网络的训练完成之后,提取出神经网络各个神经元的权值和偏置。3.使用MATLAB计算出隐藏层激活函数(Sigmoid)和输出层激活函数(Softmax)的二次多项式分段拟合表。选择基于FPGA的硬件方法实现BP网络,使用Verilog HDL语言设计可以实现已训练完成的BP神经网络正向传播的数字电路,仿真结果证明该硬件BP网络能够满足实时性要求和精度要求。4.设计嵌入式系统总体结构和FPGA芯片内部结构,在软件层面设计了系统低功耗运行机制。使用Altium Designer软件设计系统的硬件电路和PCB电路板,完成了系统实物制作。将编译好的程序烧写进FPGA和MCU中,并通过实验验证了系统功能的可靠性。本研究通过计算机仿真和实验对基于BP神经网络人体摔倒趋势识别的理论进行验证,设计了一种摔倒预测系统,在系统的FPGA芯片上实现了BP神经网络正向传播,完成了BP神经网络的硬件实现,实验和仿真结果表明该方法能够准确的识别出人体摔倒趋势,能够实现在摔倒撞击到来前发出预警信号。本文设计的人体摔倒预测嵌入式系统对老年人摔倒防护领域的研究具有重要的参考意义。

关键词： RGB-D图像语义分割   深度学习   视觉SLAM   嵌入式系统  

摘要： 工业自动化、智能化的不断发展,对机器人的智能化水平有了更高的要求,要求基于机器视觉的机器人能够高效地进行三维图像分析和理解周围环境。由于深度相机的普及和性能提升,以及其输出的RGB-D图像同时包含颜色纹理信息和空间结构信息的优点,使得其越来越多地应用于机器人等领域。基于此,本文开展了基于深度学习的RGB-D图像分析和重建模型的研究与实现工作,并基于嵌入式平台,将分析结果与视觉SLAM相结合,实时地构建具有较高精度、较高鲁棒性和具有语义信息的点云地图。本文在完成相关软硬件开发环境搭建的基础上,选定了RGB-D数据集,研究分析了RGB-D相机组成、RGB图像成像原理、深度图像成像原理,并实现了相机标定、深度图像与彩色图像的配准。开展RGB-D图像语义分割研究,设计了基于注意力机制的多层次多模态特征融合的语义分割网络模型MMFFNet,基于NYU Depth V2和SUN-RGBD数据集,对网络模型进行了训练,为验证网络模型重要组成模块的有效性及整体性能,开展了消融实验、与目前部分先进语义分割网络模型的对比实验。实验结果表明,MMFFNet具有较好的语义分割性能,其重要组成模块均具有有效性。基于多任务学习机制和MMFFNet,设计了轻量级语义分割网络模型Lw-MJLNet,同时实现了RGB-D图像语义分割、深度图像补全和表面法向量图像预测三个任务。在嵌入式平台Jetson TX2上,基于NVIDIA的模型优化加速库Tensor RT,对Lw-MJLNet开展了与许多其他网络模型的对比实验以及推理实验。实验结果表明,Lw-MJLNet在保证良好的推理精度的同时,具有较快的推理速度。基于Lw-MJLNet与ORB-SLAM2算法,设计了基于嵌入式平台Jetson TX2的语义视觉SLAM系统。在该系统中,将表面法向量图像、语义信息引入视觉SLAM的视觉前端,将语义信息引入点云地图构建线程。在TUM数据集的测试实验结果表明,该语义视觉SLAM系统能够实时地构建具有较高精度的语义点云地图。