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关键词： 嵌入式系统   虚拟化   虚拟机管理模块   微内核  

摘要： 在当下,嵌入式系统广泛应用在各个行业的各个方面,各领域的需求和使用场景越来越复杂的,传统单一的系统必然会有难以满足的情况存在,这只能造成现有平台的设计越来越冗余。在上述背景下,为了解决复杂业务场景的协同等等问题,在实际需求的推动下,嵌入式系统自然而然会引入多操作系统架构平台,或者说是嵌入式虚拟化平台。应用在嵌入式系统的虚拟化技术,主要目标就是在一套硬件设备上支持两个或多个执行环境,并且在嵌入式硬件不断革新的同时,与传统虚拟化应用相比,应用在车载电子或工控设备等等的嵌入式虚拟化技术对系统性能的要求更高。所以对于嵌入式虚拟化技术的需求也从半虚拟化转向了完全虚拟化技术,使独立的操作系统,可以是通用操作系统或是RTOS,无修改的整合运行在同一设备平台的不同分区。这种技术在当下更加符合开发商对嵌入式领域中操作系统的各种需求。为了解决多操作系统平台的问题,本文以结合微内核技术的虚拟化系统平台为研究课题展开,重点研究了ARM架构中的虚拟化技术、多嵌入式操作系统的并行运行机制、并行操作系统间如何通信等要点,最终提出适用于实际应用场景的嵌入式虚拟化平台原型设计。文章主要内容包括分析与介绍在研究过程中涉及到的相关的技术理论,并通过对一系列嵌入式虚拟化解决方案的研究,提出自己的设计思路与方案;第二部分是提出轻量级虚拟化管理模块的设计方案,其中主要包括对微内核架构设计以及分区管理设计的介绍和系统间通信机制的设计方案;最后一部分是实现基于微内核架构的虚拟化系统的实验原型,并对原型中微内核功能性部分以及系统间通信性能部分进行测试。实验结果表明该原型在系统实时性等性能上更加高效,是一个相对稳定、独立、实时的系统。

关键词： 嵌入式系统   龙芯CPU   Linux操作系统   远程控制单元  

摘要： 现如今,物联网技术将世界变成一个万物互联的时代,嵌入式设备与物联网的结合成为了嵌入式技术发展的真正未来。天然气作为一种高效清洁的能源,在国内呈现需求日益旺盛的态势。而天然气的开发环境恶劣,天然气井控制器的应用就为天然气开采和管理提供了技术支持。目前的气井控制器的设计以进口CPU为主,国产龙芯CPU的发展为我国摆脱技术依赖提供了新的支持。基于此,本课题开发了一款基于国产龙芯CPU的气井控制器。通过对天然气井场远程监控系统的实际应用需求分析,本文提出了一种面向天然气井场仪表数据采集和设备的控制的气井控制器的设计方案。该控制器以Loongson 1B CPU作为主控制器,操作系统为开源的Linux操作系统,各电路模块的芯片尽量选用国产芯片,以达到气井控制器的国产最大化。该气井控制器的硬件设计包括Loongson 1B核心板和底板设计。底板设计包括:3个外围电路设计:电源电路、RTC电路、EEPROM存储电路;2个本体I/O端口设计:AI电路、TTS语音输出电路;4个本体通信端口模块设计:RS232电路、RS485电路、华为2/3/4G通信电路、以太网电路。软件设计中完成了驱动设计以及应用程序设计。通过功能测试,验证了该国产气井控制器的设计可行性,完成了基于国产龙芯CPU的气井控制器的设计与实现。

关键词： 图像特征提取   硬件加速器   ORB特征   同步定位与地图构建   嵌入式系统  

摘要： 同步定位与地图构建(Simultaneous Localization And Mapping,SLAM)技术是机器人等系统在未知环境中进行定位、导航及构建地图的重要手段。其中基于特征匹配的视觉SLAM(Visual SLAM,VSLAM)是SLAM技术中的一个重要分支,它通过提取和匹配连续图像中的特征点推测场景变化得到位姿变化估计。而由于该算法计算量大,在传统嵌入式应用中存在计算实时性不足、计算能效不高的缺陷。本文面向嵌入式应用场景,针对VSLAM中计算密集的特征提取算法,研究并设计了一款高能效的专用图像特征提取加速器,为SLAM技术在高能效嵌入式场景中应用提供架构优化。论文的主要研究内容和创新点如下:1.分析比较现有的特征提取算法的性能和计算量,根据SLAM应用高实时性的需求,选取ORB特征提取算法作为本文加速的对象。2.根据ORB特征提取的算法步骤,设计了流式架构加速器。针对流式加速器保存图像数据需要大量内部行缓存的问题,本文通过多个维度的图像数据复用以及对描述子生成部分图像数据进行压缩,有效减少加速器中图像行缓存部分的资源消耗。3.针对ORB特征提取中计算最复杂的r BRIEF特征描述算法部分,本文对流式架构进行改进,提出了桶形-流式架构。通过在算法上引入桶形特征点抑制,减少非必要特征点的检出,减少计算单元的激活。同时基于桶形数据流对各个计算单元进行重新设计,降低计算单元硬件复杂度。4.对算法修改进行评估并根据评估结果对加速器进行实现。实验证明了硬件实现的ORB算法在SLAM应用下能够保持良好的追踪性能。使用TSMC 28nm工艺时,该加速器能够以250MHz在73.2m W的功耗下以120.6FPS的帧率处理1920×1080的全高清图像。

关键词： 组合称量系统   A/D转换器   仿真   嵌入式系统  

摘要： 随着自动化技术的发展,流水线生产的日益普及,包装设备的应用更加广泛。组合称量设备作为生产与包装的中间环节,其应用场景也愈发多样。传统静态称量设备无法满足组合称量过程中的快速性与准确性要求。现阶段国内外动态称量设备采用多为分布式多核控制结构,控制系统硬件电路较为复杂。为解决以上问题,设计了一种以STM32F103ZET6做为控制器的集成式单核控制结构,简化了控制系统硬件的安装与布线。采用了MCGS触摸屏作为人机交互界面,方便工厂管理者对设备参数进行实时监测。在硬件上,采用ADS1256对称重传感器信号进行转换。在动态称重算法上,实验了静态条件下所选器件的各个参数在均值滤波和卡尔曼滤波下的数据收敛情况,并进一步实验了所选均值算法在动态称量时的实际情况。在步进电机调速算法上提高了工作行程的时间占比。在质量组合算法上将冒泡法与传统组合方法结合,提高了质量组合算法的运行效率。同时为进一步优化工厂管理信息系统,使工厂管理者可以直观准确的监控设备运行情况,补全数字化工厂的最后一个环节,采用Unity3D仿真组合称量系统的运动画面,对组合秤进行运动仿真。通过转换板捕捉控制板发出信号,转换板将信号处理后,通过网口向上位机发送。上位机根据发来的信号,驱动Unity3D中的模型运动。在模型预处理方面,在模型导入3DMAX进行格式转换时,采用多分辨率编辑器根据零件种类削减模型运算点,以减少在Unity3D中仿真时系统的运算量。仿真时,在模型内部,使用Unity3D集成的Fixed Joint、Hinge Joint和Spring Joint根据连接件的相对运动形式将仿真的核心部件连接起来。使用Box Colider和Light组件结合的方式实现料位传感器的视觉渲染与信号捕捉。本文最后对仿真过程的通信结果进行了测试,通过数据验证了仿真系统设计满足实践要求。

关键词： 嵌入式系统   Linux   智能监控   Open CV   移动监测  

摘要： 现代生产生活中,安防始终是一个首要问题,监控作为一种有效的安防手段,已经逐渐向智能化方向发展成熟。但是在很多地方尤其乡村中都是采用室外摄像头加室内显示器的技防方案,这套方案不仅价格高,而且摄像头和显示器在不间断工作的同时,产生无谓的功耗和冗余的数据,同时相当长度的连接线会导致设备的安装变得十分困难。为此本文以乡村安防现状为立足点,基于Open CV图像处理库深入对比分析了常用的移动物体识别检测算法,同时在对嵌入式Linux系统架构深入剖析以后,采用S3C2440处理器搭建了完整的嵌入式智能监控系统,旨在用最廉价的硬件和最简单合适的算法降低成本,在实现设备经济性的情况下满足需求。系统通过目标检测算法驱动V4L2架构的USB摄像头模块实现了触发录制,解决了设备连续工作的功耗问题;通过对移动物体进行标注,解决了在事件回溯时信息冗余的麻烦;通过开发CGI应用程序、移植嵌入式web服务器BOA增加了通过客户端浏览器查看监控信息的功能,解决了显示器的成本占用;另外通过集成ALSA-OSS扩展了声音报警功能,而嵌入式本身易安装的特点也使得安装简单。相信在通过后期完善后,会在安防领域产生一定的实际应用价值。

关键词： 剑杆织机   嵌入式系统   开关磁阻电机   单神经元模糊PID  

摘要： 织机是织造流程中重要设备之一,控制系统作为一台织机重要的组成部分很大程度上决定了织机的性能,而目前国内织机控制系统存在着集成化、网络化程度低,以及可扩展性差等问题,且织机主轴直驱技术尚未普及。因此,本文结合企业实际需求与织机国内外发展现状,以剑杆织机为控制对象,从硬件方面研究基于开关磁阻电机(SRM)主轴直驱的集成化剑杆织机控制系统,具体研究工作如下:1.控制系统结构分析与研究。对剑杆织机的结构组成与工艺流程进行了研究,在此基础上确定控制系统控制需求。然后从提高系统集成化网络化程度与可扩展性,降低控制成本方面出发,结合嵌入式系统的可裁剪性、成本低、可扩展性强等特点,提出基于CAN通讯的全嵌入式多MCU的控制系统硬件结构。将控制系统划分为主控、主轴驱动、电送电卷等多个控制模块,系统通过CAN总线对织机进行分布式控制,并配备以太网、RS485等多种通讯接口。2.控制系统硬件设计研究。根据控制系统中各控制模块的功能划分,结合控制系统技术指标要求,研究各模块电路构成与具体的电路设计方案。综合考虑系统的可靠性、电路保护、成本等方面因素,设计了以STM32单片机作为控制核心的硬件电路,并针对各部分功能电路设计进行了分析与计算。***调速控制策略的研究。分析SRM的基本调速策略,结合织机运行特点,确定了SRM电压斩波控制的基本控制方式。为提高调速控制系统的自适应能力,同时保证控制算法的实时性,提出SRM的单神经元PID控制算法,使用单神经元对PID参数进行改进。在此基础上,引入模糊控制对单神经元PID控制输出增益进行在线调整,改善系统性能。使用SIMULINK建立了系统的仿真模型,仿真结果表明控制算法能够有效提高系统调速性能。论文对各部分硬件电路进行了测试,系统的测试结果表明,各功能电路工作正常,所设计的控制系统可满足织机850转/分的速度响应需求并具备系统网络化的基本条件,提高了系统集成化程度。对电机的单神经元模糊PID算法与传统PID控制算法在5.5 k W三相12/8极SRM上进行了对比实验,证明了所提出的控制算法具有的更好的动态响应性能。将实验用SRM安装在实验织机上,对控制系统进行了现场调试,验证了SRM用于织机主轴直驱的可行性。

关键词： 嵌入式系统   多核系统   非易失性内存   磁畴壁存储器   数据放置及调度  

摘要： 大数据、人工智能及云计算、边缘计算等技术正在向嵌入式方向发展,并且在物联网(Internet of Things,Io T)和工业物联网(Industrial Internet of Things,IIo T)中,嵌入式系统已经有大量的应用。这对于嵌入式系统的存储器提出了更多的要求,未来嵌入式系统应满足更高的时间和能耗的要求。磁畴壁存储器(Domain Wall Memory,DWM)具有低访问延迟、低能耗、低成本、高密度、非易失性等优点。但是,DWM上的数据访问总是需要通过移动操作将存储数据的磁畴与读/写端口对齐以进行读/写操作,这将产生额外的开销。所以,数据在DWM中的放置和调度策略将极大地影响总执行时间及性能。为了解决基于DWM的多核系统中数据放置和调度问题(Data Placement and Scheduling in DWM-based Multi-core System,DPSDMS),本文提出整型线性规划策略(Integer Linear Programming,ILP)得到最优解;同时提出基于数据访问依赖图(Data Access Dependency Graph,DADG)的分层分组策略(DADG-based Layering and Grouping Algorithm,DLGA),在多项式时间内获得近似最优解。本文的主要工作包括:1.定义基于磁畴壁存储器的多核系统中数据放置及调度问题(DPSDMS)并给出NP完备性证明:首先定义了数据访问依赖图以及多核系统初始状态;DPSDMS问题是在给定多核系统初始状态下,在满足数据访问依赖图的条件下,得到数据放置策略以及数据调度策略,减少移动操作并增加多核系统中指令执行的并行度,使得多核系统中指令的总执行时间最短;最后通过数学分析给出DPSDMS问题的NP完备性证明。2.提出整型线性规划策略:对于DPSDMS问题使用整型线性规划算法进行数学建模优化,并给出变量定义及线性约束的数学公式,通过遍历所有的数据放置及调度情况,得到最优解。但由于该策略的执行时间随数据量的增大呈阶乘增长,无法在多项式时间内求出最优解。3.提出了基于数据访问依赖图的分层分组策略:如果每次将数据访问依赖图的当前层数据全部访问完毕后,再访问下一层,将极大地简化问题的复杂度。同时由于当前层的数据访问相关度较大,只考虑当前层也能获得良好的并行度以及较少的位移操作。因此本文提出了基于数据访问依赖图的分层分组策略,极大地降低了时间复杂度,该策略能够在多项式时间内获得近似最优解。本文设计了基于磁畴壁存储器的多核系统总执行时间的实验并进行测量,实验结果表明,相比于顺序数据放置及调度策略,整型线性规划策略系统总执行时间平均减少了60.6%,基于数据访问依赖图的分层分组策略平均减少了60.33%。

关键词： 串联故障电弧   神经网络   无线时间同步   实验装置   嵌入式系统  

摘要： 在家庭环境中,当线路发生串联故障电弧时会产生三千摄氏度以上的高温,容易引燃线路绝缘皮,从而造成电气火灾。然而串联故障电弧具有隐蔽性、多样性和随机性,很难进行检测。当前基于电流信号的串联故障电弧检测是主流方法,但电流信号受负载影响很大,影响识别的准确性。本文通过对电源端电压和负载端电压信号进行特征检测,并以此为依据研制了串联故障电弧检测装置。首先搭建了串联故障电弧电压特性实验平台,利用实验平台采集了经典家用负载正常时和发生串联故障电弧时的电源端和负载端的电压、电流信号,并对信号进行了简单分析;然后,对采集的电源端电压和负载端电压信号通过余弦相似度、Pearson相关系数以及Hausdorff距离进行了特征提取。将两信号相减求出线路电压信号,对线路电压信号进行了时域特征、频域特征和时频域特征提取,得到8个特征量。用8个特征量作为神经网络的输入,通过神经网络计算得到了串联故障电弧判据;其次,通过测试不同同步精度、不同采样频率的数据,结果表示同步精度在0.2ms之内,采样频率在5k Hz之上可以满足算法要求;再次,对串联故障电弧检测装置进行了设计,其中主要设计了时间同步系统和数据采集系统,时间同步系统采用北斗加无线IRIG-B方案,数据采集系统采用AD7606芯片。对串联故障电弧检测装置的硬件部分进行了设计,并将识别故障特征算法和神经网络算法成功改进为嵌入式算法应用在ARM核心的MCU上;最后对串联故障电弧检测装置进行实际测试,测试结果表明串联故障电弧检测装置能很好的检测线路中的串联故障电弧,准确率在98%以上。当发生串联故障电弧时可以及时切断电路,从而预防早期电气火灾。该论文有图51幅,表13个,参考文献58篇。

关键词： 尿失禁   低频电刺激   膀胱功能康复   可穿戴式医疗   嵌入式系统  

摘要： 尿失禁是一种排尿功能障碍性泌尿系统疾病,常见的神经性尿失禁多发于中老年女性和产妇人群。临床症状一般表现为患者无法控制其自主排尿的能力,其主要病因是膀胱逼尿肌生理功能受损,括约肌收缩不良导致非自愿排尿。尿失禁不仅给患者生活带来诸多不变,更严重的是使患者承受了极大的心理压力。电刺激疗法是临床治疗神经性尿失禁的重要手段,但患者往往需要到医院接受专业仪器治疗,而且疗程一般较长才能达到膀胱功能逐渐恢复的目的。受当前“看病难、看病贵”的医疗现状制约,患者的治疗意愿和治疗过程往往会受到限制。随着可穿戴医疗和“互联网+医疗”技术的发展,设计一种可穿戴式低频电刺激膀胱功能康复仪,用于患者居家康复治疗,对降低患者心理负担,提高治疗效果具有积极意义。为此,考虑到患者居家治疗的需求,本文提出了一种可穿戴式电刺激膀胱功能康复仪的设计方案。该康复仪通过电极经皮肤作用于人体膀胱投影区,在嵌入式微控制器控制下,产生不同频率和强度的脉冲波形有规律刺激膀胱憋尿肌,使其缓慢收缩,逐渐提高憋尿肌张力,降低尿道括约肌张力,使膀胱机能得到恢复,达到正常排尿功能。本论文的主要工作包括:1)通过广泛调研临床各类膀胱泌尿系统疾病治疗仪的功能,结合临床治疗效果和可穿戴式电刺激膀胱功能康复仪的市场应用需求,明确了低频电刺激膀胱功能治疗仪的技术参数和功能。2)完成了基于n RF52832嵌入式微控制器的电刺激膀胱功能康复仪的硬件系统设计。硬件系统以集成低功耗蓝牙和Cortex-M4内核的SOC器件n RF52832为核心,设计了低频脉冲信号发生电路、信号调理与放大电路、升压电路和电源管理等模块,实现产生不同频率和强度脉冲波形的功能。3)考虑到仪器可操作性需求和提高仪器使用的用户体验,开发了基于Android Studio系统的APP应用程序,可实现用户直接操作智能手机对仪器进行无线控制、以及仪器使用过程中治疗参数设置与调整功能。4)仪器功能的实验测试与分析。按照拟定的技术参数指标和功能对仪器进行了测试,主要包括蓝牙配对连接、数据通信的可靠性、低频电刺激脉冲波形的调整、刺激信号的功率等功能指标,并对测试数据进行了分析和总结。

关键词： 嵌入式系统   图像融合   目标识别   FPGA  

摘要： 面对复杂战场环境下的战略侦查,目标识别,精准制导等军事行动,可见光与红外图像融合识别技术在理论和现实方面有迫切需求。当前目标识别方法大多基于单一传感器进行研究,而且识别算法结构的复杂,难以部署在嵌入式系统中。本文针对坦克目标识别的关键问题,提出红外与可见光图像融合的目标识别算法,通过不同算法对比并进行算法仿真验证。基于Xilinx Zynq平台对所提算法进行移植以及硬件优化加速并搭建嵌入式红外与可见光图像融合的目标识别系统。主要研究内容包括图像数据采集,异源图像配准及融合算法和图像的识别算法在嵌入式系统中实现。如下所述:基于红外与可见光成像的特点,对图像预处理方法进行分析研究,对红外与可见光图像采取灰度处理、中值滤波、均值滤波、直方图均衡化以及图像的锐化增强处理。为图像配准融合提供有效的特征并通过实验验证预处理算法的可行性。针对坦克目标特点,对比Hu不变矩、SURF特征描述以及形状上下文特征匹配的正确率,选取适合坦克目标异源图像配准方法,对配准后的图像进行小波变换图像融合。利用融合规则对图像中相应的高频分量以及低频分量进行融合并通过主观视觉与客观指标对融合算法进行评价。提高目标识别特征选取的可靠性。基于坦克目标识别算法的分析研究,对比坦克的局部二元模式特征、SIFT特征描述、梯度方向直方图特征。结合算法处理实时性及FPGA计算特性,采用HOG特征描述作为识别判断的特征依据,通过训练SVM分类器实现目标的分类识别。嵌入式图像融合的目标识别系统搭建,在FPGA上部署定制算法IP核模块实现硬件加速设计,ARM上实现硬件驱动程序的设计以及模块时序控制和构建SVM分类器模型。通过Peta Linux工具在开发环境中移植Linux系统以及Open CV库函数和Qt库函数,实现高效的图像处理。实验结果验证了算法的有效性。