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关键词： UV-LED水杀菌   嵌入式系统   程控恒流源   温度控制   PID控制  

摘要： 由于汞灯的使用会对环境造成严重破坏,相关产品正逐步受到限制和淘汰。紫外发光二极管（UV-LED）凭借其波长多样性、环境友好性、易于集成等特点正逐步取代汞灯成为水杀菌领域的热门研究对象。已有的UV-LED杀菌光源在使用过程中会遇到辐照剂量控制精度不足而影响评估结果的问题,其精度由辐照度稳定性和辐照时间精度决定。UV-LED面板温度稳定性和驱动电流稳定性是影响LED辐照度稳定性的主要因素。现有光源系统除了辐照度稳定性低外,大多数价格昂贵,体积巨大,且不具备可扩展性,灵活度极低。为解决上述问题,本文设计了一套完整的高稳定度紫外LED水杀菌光源系统。硬件部分设计为模块化设计,包含六个主要电路模块:UV-LED面板模块、单片机控制模块、温度控制模块、恒流源模块、电源模块、人机交互模块。温度控制模块用于解决辐照过程中辐照度下降问题;恒流源模块受单片机程序控制,实现了辐照时间精准控制。软件部分包含单片机程序和一个MATLAB GUI程序。系统通过处理核心STM 32运行增量式比例积分微分（PID）算法实现温度控制功能,通过单片机内定时器控制程控电流源实现辐照时间精准控制。测试数据表明系统基本消除了时间控制精度不足造成的误差,使得辐照剂量误差只与辐照度误差相关;在温度控制性能良好的前提下,电流源纹波电流是制约系统性能的主要因素。系统核心性能指标如下:（1）设计并制作了一个程控恒流源,输出电流范围在0-400 mA。最大纹波59 μA,最大电流输出绝对误差51μA。（2）设计并制作了一个基于PID算法的温度控制电路,稳态温度25℃下,温度波动范围为0.02℃（峰峰值）。（3）利用上述恒流源和温度控制电路,光源系统可以在120 s内的辐照时间内保持265 nm UV-LED面板输出光功率在3%范围内波动,保持280 nm UV-LED面板输出光功率在1%范围内波动。系统被用于以大肠杆菌为模型微生物的辐照实验,评估了系统所使用的265和280 nm UV-LED的灭活效率。实验获得了可信赖的研究成果,发表在水杀菌领域权威期刊上,证明了系统的可靠性与实用性。本系统是为紫外水杀菌这一特定应用领域设计的专用设备,有效地解决了紫外LED杀菌光源在使用过程中辐照剂量误差不可控的问题。系统极大地增加了实验设计和UV-LED器件选型的宽容度,还具备体积小、成本低、人机交互体验良好的优势。

关键词： 有毒气体监测   嵌入式系统   uC/OS   物联网   污染场地修复  

摘要： 污染场地对周边居民的生命健康,环境的生态安全和社会的经济发展都有着巨大的危害。要解决这一问题就要进行污染场地修复,在污染场地修复过程中会出现具有高危险性的有毒气体挥发泄漏的情况,对工作人员人身安全具有巨大威胁。目前,缺少有效、适当的手段对污染场地修复过程中有毒气体泄漏的情况进行监测。为解决这一问题,本课题结合嵌入式系统与物联网技术设计了一套基于uC/OS-Ⅱ的污染场地多组分有毒气体监测系统。系统按照模块化的设计理念分为传感检测、主控单元、无线传输和显示报警四个模块。传感检测模块由电化学传感器与PM2.5传感器构成,对环境中的有毒气体和PM2.5含量进行实时采集;主控单元模块为系统控制器STM32F427VGT6;无线传输模块为SIM800C无线通讯芯片,通过GPRS网络将数据上传至云服务器中,实现远程监控功能;显示报警模块由触摸屏和报警器构成,通过触摸屏实现气体浓度显示和报警阈值设定的人机交互功能,一旦浓度超过设定阈值时立即触发声光报警器。本文首先对系统的硬件电路原理图和PCB图进行了设计与绘制。然后基于uC/OS-Ⅱ嵌入式实时操作系统进行了系统的软件设计,将系统分为9个单独的任务,包括6个气体采集任务、PM2.5采集任务、触摸屏通讯任务和云平台通讯任务。利用全局变量实现各个任务间的通信,并采用互斥量信号确保各任务间通信的安全。最后对系统的气体采集、人机交互和云平台通讯三个功能进行了分布式测试。测试完成后,进行了整体的气体采集实验,实验数据表明系统性能稳定、误差较小、能够满足监测需求。

关键词： 扫描仪   嵌入式系统   STM32   FPGA   USB   网络通信  

摘要： 数码复印机已成为人们日常生活、工作、科研中不可缺少的自动化办公设备,这类设备集光、机、电于一体,机械结构及数字控制较为复杂,使得国内市场上几乎是清一色的国外品牌产品或基于国外技术的组装产品,不仅抢占了国内庞大的市场,而且严重影响了国家信息安全。因此,国家启动了相关设备的国产化替代研究工作。本文针对数码复印机的扫描模组,提出了一种基于MCU+FPGA+DDR2的扫描控制系统设计方案,通过软硬件自主设计,实现了数码复印机的扫描控制器。本文从系统方案设计、硬件电路设计、控制器固件实现及上位机扫描控制软件开发四个方面对扫描控制器的设计实现进行了详细的论述:(1)根据系统总体设计要求,分析了扫描控制系统的功能需求,确定了一种基于MCU+FPGA+DDR2的扫描控制方案,选择了经济适用的STM32F429芯片作为扫描主控制器,并对控制系统结构进行了设计。(2)通过对MCU系统、FPGA系统、设备接口等模块的电路设计,实现了扫描控制器的原理图,并在开发板上对MCU子系统、USB接口、网络接口、U盘存储、LCD触摸显示、MCU与FPGA通信等电路模块进行了验证。(3)采用μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系统作为扫描控制器的软件运行平台,通过移植USB固件库和LWIP网络协议栈,编程实现了扫描控制器与主机设备的网络通信和USB通信接口控制;根据总体设计要求,对扫描控制程序的结构、LCD触摸屏的人机交互、U盘的扫描图像存储、扫描过程的流程控制等模块进行了功能设计,并通过嵌入式编程实现了扫描控制器的控制固件。(4)基于MFC开发了上位机扫描控制程序,采用多线程技术设计实现了具有扫描参数设置、扫描图像接收保存等功能的交互式扫描控制软件;设计了上位机与底层扫描设备的数据传输协议;通过图像设备TWAIN协议编程,实现了上位机扫描控制软件的标准化TWAIN接口。最后搭建试验环境对扫描控制系统进行了软硬件测试,测试结果表明系统达到设计要求,对数码复印机中基于MCU+FPGA+DDR2的扫描控制方案进行了可行性与有效性验证。研究成果对数码复印机国产化替代工作的后续研究提供了一种选择,同时该成果也可直接作为国产扫描仪控制系统的一种成熟解决方案。

关键词： 工程伦理   嵌入式系统   教学改革  

摘要： 基于嵌入式系统设计课程中工程伦理元素的挖掘,结合授课内容设计了案例,让学生提前体验工作中可能发生的矛盾和冲突情境。从教学效果和学生职业道德意识提升来看有着明显的效果。

关键词： 认证密钥协商协议   嵌入式系统   AMP架构   SM2算法  

摘要： 随着信息技术的快速发展,保障通信安全的密码技术也得到了长足的进步。作为通信安全的重要保障,密钥的安全性越来越受到人们的重视。认证密钥协商(Authentication Key Agreement,AKA)是保障密钥安全的一个重要手段,对其相关协议的研究也越来越成熟。而另一方面,嵌入式系统的快速发展,为安全认证协商系统的实现又提供了软硬件协同工作的基础。由于在嵌入式系统中实现硬件加密具有加密速度快,安全性高的优点,尤其是在嵌入式的非对称多处理(Asymmetric Multi-Processing,AMP)架构为系统提供了更多的 CPU资源的情况下,安全认证协商系统的效率和稳定性都有了保证。因此,本文提出的在Zynq AMP架构下设计并实现对等安全认证协商系统不仅是一个全新的视角,而且具有良好的现实意义。本文首先对认证密钥协商协议和嵌入式系统的AMP架构相关的国内外研究现状进行了介绍,并阐述了通过两者结合来实现安全认证协商系统的研究意义。接着对安全认证协商相关理论和国密SM2椭圆曲线加密算法进行介绍,在此基础上对国密SM2算法相关的认证密钥协商协议进行了研究和分析,提出了一种新的无中心SM2认证密钥协商协议。然后基于此协议,在嵌入式Zynq-7000平台的双核AMP架构支持下,对安全认证协商系统进行了各模块功能和通信方面设计工作,而且根据设计方案进行了具体的系统实现工作。最后在Zynq-7000平台搭建测试环境,设计测试方案,完成了对整个系统的功能测试,并根据测试结果对系统进行了安全性分析和性能分析。本文重点开展的工作如下:(1)以Diffie-Hellman密钥协商的系统为例,分析了两方认证密钥协商系统的一般模型和模块设计需要,指出安全认证协商系统设计中最重要的就是加密认证模块的设计。然后对SM2密钥交换协议的理论基础和Zynq-7000平台进行了介绍;(2)对认证协商系统的设计需求进行阐述,并对常见的基于证书的SM2认证密钥协商协议进行分析,指出其存在着证书权威(Certificate Authority,CA)中心安全性问题和证书的管理压力问题,进而提出了一种无中心的SM2认证密钥协商协议,并进行了安全性分析。协议采用了临时密钥交换的方法来保障长期密钥的安全性,并通过协商密钥的签名值进行密钥确认,因此具有较好的安全性保障。(3)对认证协商系统的总体框架,模块功能和接口配置进行设计工作,主要设计了 Zynq模块,加密认证模块和密钥管理模块的功能和各模块的接口配置。之后重点设计了 Zynq模块和加密认证模块间的串口通信协议,包括消息格式和消息号的处理规定等。而对于协商双方的通信则是设计采用Zynq模块的EMIO接口映射串口,并在Zynq模块和加密认证模块通信的消息格式的基础上采用“包头+包长+消息+校验+包尾”的数据包格式进行通信;(4)对认证协商系统的具体实现过程进行介绍,包括Zynq模块的CPUO和CPU1的功能实现,核间通信实现;加密认证模块的相关消息处理实现,与Zynq模块通信实现和与密钥管理模块数据交互实现;对密钥管理模块的读写功能实现等。之后搭建测试环境,完成系统的最终测试。测试结果表明,系统运行稳定,认证协商数据包交互正确。最后根据测试结果对系统的安全性和性能进行相关分析。

关键词： 成果导向教育   嵌入式系统   教学改革  

摘要： 基于成果导向教育OBE模式,结合工程认证标准,阐述嵌入式系统原理与应用课程三个方面进行改革,包括重构教学内容、改革教学方式、改进考核评价方式。

关键词： 在线故障诊断   电机   神经网络   嵌入式系统   信号实时处理   多传感器数据融合  

摘要： 电机作为工业和生活中重要设备,其运行状态的健康关乎到生产生活正常进行。因此对电机进行故障诊断和实时监测运行状态意义重大。本文以电机作为研究对象,提出嵌入式人工智能算法的电机故障在线诊断方法,主要运用信号处理和神经网络方法对电机多种故障类型进行识别,并部署到嵌入式平台上进行在线检测。分别对电机的数据预处理、特征提取、优化网络结构、故障响应时间等问题进行了研究。本文首先对电机常见故障进行了介绍;传统的电机故障诊断方法主要步骤为数据预处理、特征提取、故障诊断等。由于传统方法对于单一的故障检测任务已经有很好的效果;随着电机故障类型不断增多,应用传统方法对电机进行故障诊断往往难以选择特征提取方法;因此本文提出一种提取有效的故障信息利用BP神经网络进行数据融合方法,并且部署在嵌入式平台实现在线检测;利用数据采集系统同步采集振动信号和三个电机相电流信号,经过预处理后提取多个信号特征,融合成一个能有效区分多种电机状态的指示器。实验结果表明,所设计的方法对识别多类型电机故障有较高的准确率,并能在检测到紧急故障时对电机进行控制;在整个嵌入式系统中,信号采集、预处理、特征提取与融合、故障识别等步骤可以在0.25 s内完成,从而更好的体现了在线检测的实时性。为了在线识别更多本文未知的电机故障类型,采用现在较为高效的卷积神经网络对电机进行故障诊断;虽然卷积神经网络在电机故障诊断中得到了广泛的应用,然而,它们中的大多数是在计算机中处理离线信号,主要用于科学研究;在本文将一个增强的卷积神经网络模型部署到一个由树莓派和信号采集处理电路组成的嵌入式系统中,提出了一种电机故障的在线诊断方法。首先,详细介绍了系统的硬件结构、算法和计算框架;在电机试验台上验证了该方法的有效性。特别是在嵌入式系统资源有限的情况下,对算法的精度和执行时间进行了研究。通过分析不同信噪比的电机信号,进一步验证了所设计系统的鲁棒性。本文为了更好的实现在线检测和降低故障的响应时间,对嵌入式系统处理器选择做出了介绍;对于实时性要求较高,选择不支持操作系统的低功耗微控制器;对于计算量大,选择支持LINUX系统的微处理器,它支持更多复杂的计算框架;本文为利用人工智能技术在小型、灵活、成本较低的设备上实现电机故障的现场诊断提供了解决方案。

关键词： 节能任务调度   异构系统   凸优化   嵌入式系统  

摘要： 随着超大规模集成电路设计与半导体技术的发展,越来越多的嵌入式实时系统开始使用异构多核处理器。然而,大多数嵌入式实时系统是电池供电的移动设备。在现今电池储能技术研究未取得突破性进展的情况下,研究一种能降低系统能耗且不会造成系统实时性损失的节能任务调度算法有着重要的价值。本文针对异构多核计算系统上的节能任务调度问题,提出了两种节能任务调度算法,分别用于调度帧任务与周期任务。另外设计了一种将算法应用于实际系统的节能调度方案。本文的主要工作如下:1.提出了一种基于凸优化理论的两级优化帧任务调度算法。针对同类算法运行时间长,同时可能导致任务运行时间超出截止期限的问题,该算法设置了两级优化。仿真结果表明,该算法求得的任务分配可行性高于现有算法。在调度中等负载任务时,该算法能耗比现有启发式算法低21%～40%,仅比理论最优能耗高2.6%;算法运行时间与节能效果接近的同类算法相比减少了58%。2.在帧任务调度算法的基础上,提出了基于凸优化理论的多阶段周期任务调度算法。该算法在第一阶段中引入启发式算法,预先分配部分任务以减少后续问题的规模。另外加入了判断机制,避免了启发式算法对系统实时性的负面影响。仿真实验显示,该算法在节能效果接近理论最优的同时,运行时间比同类算法低约76%;在调度超高负载周期任务时,得到的可行任务分配数量是同类算法8倍以上。3.针对算法在实际系统上的应用问题,本文还研究了基于实际系统的功耗模型,并基于此模型提出了节能任务调度算法的应用方案,其中包括任务调度算法、频率选择模块以及任务分配模块。该方案可以将本文提出的两种算法应用于实际系统功耗模型。仿真实验显示,本文提出的两种算法在实际系统模型上依然保持了较好的节能效果与较低的运行时间;与同类算法相比,本文所提算法生成的任务分配方案可行性最高。

关键词： 嵌入式系统   同步采样   FFT   小波变换  

摘要： 计算机技术、测控技术、微电子技术及数字智能化技术的快速发展,使得信号采集与处理技术广泛用于高端分析与测量仪器领域的开发,尤其是便携式产品在军事和民用领域内得到迅速普及。同时,当前军事和工业领域对实时性处理的需求旺盛,多路信号同步采样与实时处理技术成为近年来的研究热点。然而,可以进行多路信号同步快速处理的典型产品-高端数字示波器市场被泰克公司、力科公司、安捷伦、Fluke等国际知名公司牢牢垄断,而我国仍处于研发技术的起步阶段。高端示波器研发成本较高,价格昂贵,大大限制了其应用领域。以嵌入式数据处理项目的技术需求为背景,本文基于美国TI公司的AM5708多核处理器,完成了嵌入式同步采样及在线分析系统处理器模块、信号采集模块、供电模块、控制模块和数据传输模块的原理图设计、PCB绘制以及硬件调试工作。系统的软件部分主要包括信号同步采样、实时处理、数据存储、数据显示和曲线绘制、数据上传5个部分组成。为了实现多路信号的同步采样与实时处理,首先搭建了分别针对AM5708中的ARM和DSP核的LINUX和SYS/BIOS操作系统。基于ARM核的LINUX操作系统主要完成数据上传、人机交互和界面显示任务。基于DSP核的SYS/BIOS操作系统主要完成信号同步采样、信号FFT、小波变换和信号相干分析等实时处理任务和数据存储任务。借助IPC通信机制,实现了ARM和DSP核间实时交互,使得系统具备了对多路信号的同步采样、信号时频分析、人机交互、数据显示和曲线等功能。最后,为了验证嵌入式同步采样及在线分析系统的效果,应用本系统进行了多通道声源定位效果测试。通过对麦克风数量、间距的确定,本文提出了一种5麦克风的空间阵列拓扑,基于到达时延推导出了相关变量的表达式。在相对封闭的测试环境中进行了测试,测试结果相对较好。

关键词： 泳池清洁机器人   路径规划   运动控制   嵌入式系统  

摘要： 随着社会经济的发展和人们生活水平的不断提高,公众提出了对文化娱乐设施的更高要求,游泳作为一项健身运动受到了越来越多人的欢迎。泳池需要定期清洗,传统的泳池清洗方式不仅要求繁重的体力劳动,更是对水资源的极大浪费,因而泳池清洗问题逐渐引起了社会的关注。本文的研究对象——泳池清洁机器人是一种高效的水下清洁设备,本文对泳池清洁机器人的路径规划与运动控制进行研究,以泳池清洁机器人功能的实现为目标,设计泳池清洁机器人嵌入式系统。论文主要内容包括以下几个方面:(1)对泳池清洁机器人系统的路径规划进行研究。选择基于栅格地图的环境地图构建方法和基于航位推算的定位方法,实现同步定位与地图构建的SLAM问题上采用基于EKF的SLAM。在泳池清洁机器人的遍历路径规划上,在整体遍历方式上选择内螺旋清扫策略,在具体路径规划算法上使用基于A*算法的路径规划。(2)对泳池清洁机器人系统的运动控制进行研究。给出基于角度和距离测量数据的机器人位姿推算运动模型,分析驱动机器人运动的无刷直流电机的数学模型,分析比较不同的PWM控制方式,设计速度和电流双闭环系统以及PID算法对电机进行控制。(3)根据泳池清洁机器人的功能需求,设计泳池清洁机器人系统硬件与软件。采用STM32F103作为主控制器,提出系统硬件控制器的整体设计结构,采用模块化的设计思想,模块化设计各个功能模块,得到完整的硬件电路控制系统。软件部分提出系统软件整体设计框架,对程序进行分层搭建,对程序由初始化到各个任务的执行的运行流程进行逐步的探讨与分析,并采用嵌入式实时操作系统,使系统时效性更高。(4)部署实验样机与设计实验测试。对泳池清洁机器人的结构分清洁子系统、行走子系统和控制子系统进行具体的设计与布置,以及对密封系统进行设计,并对所作研究通过系统软件嵌入至系统硬件控制器中进行实验测试,验证实验平台能够稳定运行。本文采用自主研发的泳池清洁机器人控制系统,通过所设计的智能路径规划算法,并结合相应传感器技术、运动控制技术等完成对泳池清洁机器人的研究与设计。