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关键词： 脑电信号   嵌入式系统   核主角   脑机接口  

摘要： 脑电信号是由脑细胞活动引发的生物电信号,无固定节律,时变性高。脑电信号包含与人体生命体征相关的信息,同时也是脑机接口(BCI,Brain Computer Interface)技术研究的基础。成功采集与辨识其特征对研究人类生理信息及脑机接口技术的实现起到重要作用。本文在仔细探究脑电历史、脑电生理学后,经过市场调查现有脑电采集产品设计方案的优缺点,设计了一种性能稳定、强大且方便携带的脑电采集系统,并对采集的脑电信号做分类辨识,将辨识结果应用于脑机接口实验。主要内容为:(1)分析脑电信号基本特性,了解脑电信号国内外研究现状、脑机接口技术的发展,提出本文脑电采集系统的总体设计方案。(2)设计脑电信号采集与应用系统的硬件电路,对其中的缓冲、放大、滤波、右腿驱动电路进行原理设计,并对各电路部分的元器件进行对比选型;选用ADS1278作为AD转换模块;选用STM32F407作为微处理器,搭载其外围功能模块,完成脑电信号的采集、处理、波形可视化、数据存储与传输等功能。(3)移植嵌入式操作系统μCOSIII至STM32F407微处理器中,剪裁本系统设计所需的内核,完成下位机各模块控制程序的编写。(4)对脑电信号采集及应用系统进行综合测试与结果分析。(5)应用核主角算法,对脑电信号数据进行分类、辨识,应用于脑机接口实验。

关键词： 塔机   防碰撞   嵌入式系统   无线通信  

摘要： 塔式起重机是一种重要的工程机械设备,广泛应用于基础设施建设领域。由于塔机的结构特点以及群塔作业的实际情况,因为工作人员操作不当造成的塔机碰撞事故时有发生。本文针对现有塔机防碰撞系统的优势和不足,利用多传感器与无线通信相融合的技术,开发一套防碰撞系统,为塔式起重机的智能施工安全作业提供设计策略与技术指导。本文研究内容如下:(1)分析塔机间可能出现的碰撞情况,开发了基于塔机回转制动的防碰撞算法。算法能够实时计算塔机姿态和可能发生相互碰撞的塔机部件间的距离,判断碰撞发生的可能性,实现动态碰撞预测。利用MATLAB进行算法仿真试验,验证了算法的可行性及可靠性。(2)硬件上选择了以三星S3C2440芯片为核心的控制器,完成基于嵌入式技术的塔机防碰撞系统的硬件设计。研究塔机运行参数的检测方法,选择了参数检测传感器,并为传感器的连接和控制输出设计了接口转换电路以及继电器控制电路。(3)通过对ZigBee无线通信技术的协议栈和网络拓扑结构的分析,搭建了塔机间无线通信网络。完成通信网络的初始化,实现了塔机节点的入网和退网,并设计了基于ZigBee无线通信的数据帧格式。(4)通过Bootloader的移植、Linux内核的裁剪及移植、Yaffs2根文件系统的制作、相关驱动的移植、Qt/Embedded开发环境配置等过程,完成了嵌入式系统运行环境的搭建。(5)利用应用程序开发工具Qt设计了塔机运行状态数据库软件,实现塔机运行数据的存储和查询。设计了塔机防碰撞软件,实现塔机状态参数的初始化、塔机运行状态的显示以及塔机相对位置的图形化显示,为塔机工作人员安全操作提供了判断依据。

关键词： 数控切割   电容调高器   嵌入式系统   LC谐振电路   FPGA   运动控制  

摘要： 无论是传统的火焰、等离子数控切割还是新兴的激光切割工艺,为了保证切割质量,均要求维持切割割炬与待切割物体表面高度的恒定,然而在实际生产过程中,不同的待切割物体表面高低不平,因此需要高度调节系统(简称调高器)控制割炬根据待切割物体的表面情况进行实时调整。目前基于模拟信号的调高系统在调节精度与速度上无法满足工业生产日益增长的调高需求,因此根据数控设备割炬和待切割物体表面之间形成的电容大小,与高度差成反比例关系的原理,本文提出了一种基于LC谐振电路检测的嵌入式电容调高器,通过谐振、滤波、FPGA测量能够将检测到的电容信号转换为数字频率信号,提高了高度检测的精度,并通过位置-速度双闭环控制系统控制割炬高度,以实现在不同的切割过程中高速度、高精度地自动调节割炬高度。 本文首先介绍了电容调高器的特点、原理以及国内外对于电容调高器的研究进展和应用现状。在分析调高系统需求的基础上,提出了基于嵌入式系统的电容调高器的整体设计方案,制定了电容调高器的基本工作流程和功能模块框架,确定了控制芯片、嵌入式操作系统、通信协议和伺服驱动模块的选型。在系统的硬件设计部分,本文详细介绍了调高系统的LC谐振电路和方波信号调理电路设计方案,并讨论了不同的频率测量技术以及完成了FPGA等精度测量电路的设计;在系统的软件设计部分,本文首先详细介绍了调高系统软件的整体框架设计思想,随后讨论了μCOS操作系统的基本架构与移植方法,并基于μCOS设计了电容调高器的中断任务与基本调度任务,同时完成了TCP协议栈与SPI总线等通讯接口的移植与功能研发,实现了调高器与外部设备以及调高器内部各功能模块间的通信。另外,本文还设计了调高器的运动控制系统框架与PID调节算法流程,介绍了位置-速度双闭环控制原理及其反馈值检测方法,基于调高器标定流程提出了一种频率-高度转换计算方案,最后针对调高器的PID算法与S型速度规划算法做了一定的优化。 目前已经完成了嵌入式电容调高器的原型机并进行了实验测试,各个功能模块运行正常,实验结果与技术指标基本满足了设计方案与工业生产的性能要求。在论文的最后,对电容调高器的研究工作进行了总结,阐述了本系统尚未解决的一些技术问题和可以改进的方面,为后续的进一步完善研究提出了参考意见。

关键词： 云平台   Android   远程监控   实时报警   嵌入式系统   无线网络  

摘要： 随着人们物质生活水平以及安全防患意识的提高,人们对家庭的安全问题越来越重视,但快速的生活节奏使人们心有余而力不足,人们急需一种完善的家庭安防系统协助自己保护家庭的安全。“互联网+”的大力发展使越来越多的传统行业及其产品与互联网相结合,也对安防产品提出了新的要求。本文通过分析当今国内市场的需求以及国内外安防系统的研究现状,设计了一种基于云平台的家庭安防系统。该系统由四部分组成:家用报警控制器、云平台、手机APP以及企业管理端。系统通过云平台实现了 APP对设备的远程控制与监测,企业管理端统计产品与用户信息,保障报警与故障等信号得到及时处理,提供主动交互式安防与报警服务。本文采用了 STM32F103ZET6芯片与嵌入式相关技术设计家用报警控制器,采用模块化思想设计电源、GPRS等各个功能模块,采用触摸显示屏实现人机交互,无线通信技术被用于建立总控制器与前端检测节点的通信,使用WiFi模块配置设备入网。本文选用机智云作为家庭安防系统的云平台,运用机智云的通信协议建立了家用报警控制器与APP的通信。本文使用Android Studio开发工具与Android技术设计了手机APP,使用机智云提供的SDK接入云平台。本文最后经过综合测试验证了家庭安防系统的功能性与可靠性。

关键词： 漏磁检测   三维磁场传感器   嵌入式系统   图形化特征量   神经网络  

摘要： 在钢制储罐使用过程中,储罐设备的安全问题受到了广泛重视,腐蚀是引发安全事故的重大诱因,所以对钢板腐蚀进行检测很有必要。课题来源于拓为(天津)石油工程技术服务有限公司研究项目。针对钢板腐蚀缺陷漏磁检测实际情况,为了获取更加全面的腐蚀缺陷信息,达到对腐蚀缺陷的多维尺寸评估,本文主要研究了漏磁检测(MFL)磁化回路设计、优化和检测小车结构,新型磁场传感器标定,腐蚀缺陷嵌入式检测系统及漏磁场强度数据分析方法。(1)磁化回路理论分析与检测小车结构:以漏磁检测原理为基础,将永磁体静态磁路等效成直流电路,利用直流电路基尔霍夫方程和静态磁路基本方程,推导出使被测钢板达到近饱和磁化的磁场强度BT,选取永磁铁长×宽×厚=20mm×80mm×40mm,材质为 NdFeB-N45;规铁材质为 Q235,厚度 5mm;待测钢板材质为Q235,厚度为10mm;磁化间隙为5mm;将以上参数代入BT中,求得BT=1.42T,大于理论磁场强度1.36T,实现了对被测钢板的近饱和磁化。在检测小车结构中设计了永磁体固定装置、永磁体距离调节装置以及检测探头提离值调节等装置。(2)新型磁场传感器标定:搭建实验平台对新型磁场传感器(TLV493D-A1B6)稳定性能和灵敏性能进行了标定。经过测试,TLV493D-A1B6磁场传感器检测到的X向磁场强度在0mT～0.4mT之间变化;Y向磁场强度数据在3.3mT～3.6mT之间变化;Z向磁场强度数据在34.5mT～35.0mT之间变化;以上数据表明TLV493D-A1B6磁场传感器稳定性好。在磁场环境中,每次移动TLV493D-A1B6磁场传感器探头2mm,检测到的磁场强度数据变化率在10%～20%之间;以上数据表明TLV493D-A1B6磁场传感器有较高的灵敏度。(3)腐蚀缺陷嵌入式检测系统:设计基于I2C总线的腐蚀缺陷嵌入式检测系统,实现了对漏磁场强度数据的三维采集、显示和存储。首先制定了嵌入式检测系统的总体方案并完成对核心器件的选型,设计了硬件电路,包括STM32单片机最小系统电路、三维磁场传感器(TLV493D-AlB6)接口和编址电路、DGUS屏显示电路和SD卡存储电路等;根据各个模块电路分别编写了三维磁场传感器编址程序、DGUS屏数据显示程序、去双极值滤波程序和SD卡数据存储程序等。(4)漏磁场强度数据分析方法:通过研究漏磁场强度Y向数据曲线和X向数据曲线图形化特征,实现了腐蚀缺陷在磁化方向上长度和非磁化方向上深度的尺寸评估。为了研究X向漏磁场强度与腐蚀缺陷深度关系,对X向漏磁场强度数据进行三次Fourier级数展开拟合,提取拟合后曲线的重心、长度、面积等7个图形化特征量。分别使用BP神经网络和RBF神经网络完成了对腐蚀缺陷深度的预测,其中BP网络预测的绝对误差在在0.2019～0.8430mm之间,RBF神经网络对腐蚀缺陷深度尺寸绝对预测误差在0.0451～2.4649mm之间。在误差允许的条件下利用提取曲线图形特征量对缺陷深度尺寸评估的方法可行、可信、有效。

关键词： 密码技术   网络安全   政法委   中国信息安全   商用密码   网络信息安全   自主可控   人工智能   倪光南   重庆市委常委   中国工程院院士  

摘要： 重庆市委常委、政法委书记刘强,工业和信息化部电子信息司副司长吴胜武,国家密码管理局商用密码管理办公室副主任霍炜出席会议并致辞。中国工程院院士倪光南、中国科学院院士郑建华分别发表主题演讲,中国工程院院士陈纯、中国电子信息产业发展研究院院长卢山、中国电子信息产业发展研究院副院长曲大伟出席论坛。京东集团、360企业安全集团、启明星辰、亚信安全、海康威视、江苏金陵科

关键词： 红外检测   蚁群算法   无线通信   嵌入式系统  

摘要： 目前,居民已广泛使用燃气。而燃气的泄露却成为财产安全与健康的重大隐患。基于这一背景,本文提出了一个基于无线传输的楼宇燃气立管自动切断放空系统,能够实现在普通居民楼的环境下快速有效地监控天然气泄漏。当发生泄漏时,该系统能够及时地关闭天然气输送管道,并将泄漏的天然气排出居民楼。本文主要研究内容如下:(1)通过分析和比较甲烷检测技术与无线传感器网络的相关技术,设计出自动切断放空系统的硬件结构。该系统的硬件主要由系统的光路模块、核心控制模块、数据采集系统、Wi-Fi模块、电源模块和电机驱动模块等组成,并辅以合适的传感器模块、单片机模块、电磁阀模块及所需驱动模块。(2)根据所设计的硬件结构编写出系统的软件结构,包括系统的嵌入式软件设计、蚁群算法的应用与上位机设计。软件的仿真结果表明蚁群算法可以显著降低网络能耗。(3)对本系统进行标定,并对标定后的系统进行验证实验,包括检测探测模块的精度、重复性以及稳定性,同时对阀门的相关性能进行实验验证。最终得到系统的精度为±2.5%,响应时间小于等于16s,系统检测的相对标准差为2.05%,并有良好的稳定性。

关键词： 光谱感知节点   STM32   物联网   嵌入式系统   无线通信  

摘要： 我国是一个著名的农业大国,农业在我国经济中起着决定性的作用。近年来,得益于物联网技术的快速发展,我国农业逐渐朝着以物联网技术为主导的智慧农业模式方向发展。近红外光谱分析技术在成分感知和物质鉴别方面具有快速、无损等特点,却由于各种因素的限制,实验大多只能在理想的实验室环境中进行。本文基于课题组合作单位中国科学院上海技术物理研究所研发的一款近红外光谱组件,结合物联网技术,设计了一套新型光谱感知节点系统,该系统采用太阳光源,可在室外环境下对物体的反射光谱进行采集、无线传输、存储和显示,既能作为手持光谱仪使用,又能搭载无人机平台进行远程控制,定点采集物体光谱信息。论文的主要工作内容如下:(1)基于STM32芯片,利用其内部定时器中断功能,得到了高质量高精度的光谱组件驱动时序信号;制作了光谱数据采集存储模块和控制显示模块,在硬件设计和软件编程上进行优化,极大缩小了系统的外形尺寸,同时丰富了系统的功能。(2)采用了增强型NRF24L01无线通信模块,系统理想通信距离可达2km;设计了锂电池供电和专用的USB充电模块,支持边充电边使用,而且充电一次可连续使用10小时以上;在光谱信息显示设计上,同时在液晶屏上建立两个坐标轴,利用图形的方式直观地对光谱数据进行显示,并可以对比实时光谱信息和上一次采集到的光谱数据。(3)对光谱采集节点的机械结构进行设计。为了尽量减轻外壳重量又保证加工制作的精度,选择韧性光敏树脂作为系统外壳的材料;为了保证系统的密封避光性能,设计了针对SD卡插拔口和充电接口的推拉式插销,可很大程度减小节点正常工作时杂散光的干扰。(4)设计了大量实验验证系统的性能,并搭载DJI大疆科技有限公司生产的行业应用级无人机平台经纬M600 PRO,在室外50米超低空进行地面物体光谱信息的采集实验。结果表明,系统不仅具有微型化、低功耗的特点,其外壳尺寸仅为8.3cm×6.3cm×6.0cm,功耗低于1w,而且在室外环境下能稳定工作。后期结合专用算法,有望实时高效地获取农作物生长信息,给农业生产提供有效可靠的参考。

关键词： 火灾报警控制系统   μC/OS-II   硬件抽象层   联动系统   嵌入式系统  

摘要： 随着经济和科技的飞速发展,人们的生活水平不断地提高,安全保障就显得非常重要。而在众多安全隐患当中,消防安全显得尤为重要。在如此严峻的市场要求下,对消防产品的要求也越来越高,传统火灾报警系统采用的单片机与简单前后台设计已经无法满足监控点数剧增、联动复杂程度大幅增加、大范围建筑群联网、大量并发数据增多和实时性可靠处理等诸多挑战。本论文在此环境下,以先进的32位ARM处理器为硬件平台,引入安全稳定的嵌入式实时操作系统μC/OS-II,意在设计实现一个实时性强、可靠性高、人性化的火灾报警控制系统,并选取“基于μC/OS-II智能火灾报警控制系统的设计与实现”作为此次论文的题目。本论文利用软件工程原理,严格按照项目管理流程实施。以信息电子技术为基石,以嵌入式软件技术为核心,结合硬件抽象技术和集散控制理论,设计并实现整个火灾报警控制系统。期间本人主要工作为需求调研、软件架构设计、BSP板级支持包编写、硬件抽象层设计与实现、μC/OS-II嵌入式实时操作系统移植、应用层软件编写、提交测试与维护、项目文档编写等八项内容。本文设计与实现的系统,在传统的嵌入式开发架构中为微内核的μC/OS-II嵌入式实时操作系统构建通用驱动架构,添加硬件抽象层,将硬件操作细节抽象化,屏蔽硬件平台的差异,为操作系统提供统一的硬件操作接口,降低了软件对具体硬件平台的依赖性,降低了软件整体的耦合性,节约了开发时间,可使硬件和软件同步开发,并且方便今后在其他多种平台移植;在应用上结合行业需求和标准,构建一套更符合人类逻辑语言的联动控制系统,使联动编程操作更加简洁、人性化。本文所设计与实现的系统对于保护国家财产和人民的生命安全具有重要的现实意义和价值。

关键词： 神经信号阻断   神经信号探测   嵌入式系统   反导策略   痉挛性瘫痪  

摘要： 肢体瘫痪一直是困扰人类健康的大问题。我国残疾人总数约为8500万,其中肢体残疾的患者约有2400万,是比例最高的残疾类型,约占残疾人总数的29%。中国每年新发脑卒中患者约200万人,其中造成不能独立生活的患者占70%0%。此外,我国儿童脑瘫发病率约为出生人口1.4‰左右,现已有儿童脑瘫患者40000万人,并以每年约6万人的速度递增。瘫痪患者分为麻痹性瘫痪和痉挛性瘫痪。对于痉挛性瘫痪的治疗,当前仍主要依靠传统中医针灸治疗、药物治疗、手术治疗及简单物理治疗。但这些治疗目前还不能区别正常活动和异常的痉挛活动,从而安全可靠地解决患者痛苦。因此,如何特异、安全地对痉挛性瘫痪进行诊断和治疗已是一个亟待解决的问题。本论文课题组在总结了痉挛性瘫痪信息学病因的基础上,从工程学角度提出了基于反导策略的神经信号阻断方法,即首先检测神经前端是否出现病态神经信号,在判断出有病态神经信号时,及时在神经传导通路上发出阻断信号,以此阻断病态神经信号的传导。基于以上设想,课题组前期通过实验验证了基于反导策略的阻断方法的可行性。本论文在此基础上,设计了一种基于嵌入式系统的神经信号阻断系统,以应用于进一步的实验研究和应用。首先,本论文根据前端神经的特点,针对探测效果较好的三端卡肤电极设计了一种具有自适应补偿能力的探测电路。其通频带约为500Hz到5kHz,对1kHz到3kHz神经信号的放大系数约为63.34dB,对50Hz工频共模信号的抑制能力约为-26.02dB。通过加入反馈部分,神经信号探测电路有效抑制卡肤电极不平衡造成的干扰信号,在卡肤电极两端不平衡的情况下,仍然能够把1kHz的干扰信号的幅值减少一个数量级。然后,本论文根据反导策略的控制原理,基于MCU嵌入式系统设计了一种集成模拟数字转换器和数字模拟转换器的数字信号处理及控制系统。通过采用高级定时器中断服务和直接内存存取技术,此系统能在微秒级的时间内进行信号的判别,并输出指定的阻断信号波形控制量。接着,本论文基于课题组在神经功能电刺激研究上的经验,设计了一种基于Howland电路结构的阻断电流驱动电路和一种由同相放大器与电压跟随器构成的阻断电压驱动电路。两种阻断驱动电路的线性误差均低于1‰,阻断信号的启动时间相对于刺激信号的启动时间的时延约为125μs。最后,本论文对以上设计的电路与系统进行整体联调测试和动物实验,利用该系统进行多项实验,研究出了能够实现完全阻断的阻断信号最小幅值、最小波宽、最大提前时间以及最大滞后时间。