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关键词： 嵌入式系统   远程通信   SPI连接   USMART  

摘要： 阐述UART, SPI, IIC三种通信方式的特点，USMART在嵌入式系统的应用，探讨SPI与USMART的通信方案的应用，单个主机和单个从机之间的典型SPI连接。

关键词： 家用呼吸机   自动混氧   嵌入式系统   FreeRTOS   多任务设计  

摘要： 如今,由于城市化以及人口老龄化等原因,慢性呼吸系统疾病的发病率越来越高。家用呼吸机作为支持无创通气的一种可靠的呼吸辅助设备,能够有效地缓解慢性呼吸系统疾病患者的症状,已被广泛地应用于相关疾病的治疗工作中。本文研究开发了一款基于嵌入式系统的家用呼吸机,主要做了以下工作:首先,本文对家用呼吸机的基本理论进行了简要叙述。第一,介绍了家用呼吸机的基本通气模式,并对各模式的特点及应用作出了详细说明。第二,介绍了家用呼吸机氧疗相关的理论。第三,基于家用呼吸机的基本理论提出了本课题所研究开发的家用呼吸机的主要功能要求。其次,本文对家用呼吸机的自动混氧控制算法进行了设计与研究。第一,从整体上介绍了自动混氧算法的流程,确定了在氧浓度上升阶段采用前馈控制、在氧浓度稳定阶段采用PID反馈控制的整体控制方案。第二,对前馈控制器进行了设计,并对设计流程进行了详细介绍。第三,介绍了PID算法的基本理论,设计了自动混氧PID反馈控制器,并在MATLAB/Simulink中搭建了仿真模型,仿真结果表明所设计的反馈控制器控制效果良好。再次,本文对家用呼吸机的硬件及气路进行了设计与研究。第一,从整体上对家用呼吸机的硬件设计框架进行了介绍。第二,完成了包括电源、电机驱动、微控制器等硬件模块的选型及设计,详细介绍了设计流程。第三,详细介绍了从氧气瓶到家用呼吸机再到面罩的整个气路的设计。然后,本文对家用呼吸机的软件及GUI进行了设计与开发。第一,介绍了软件开发所用的软件环境的配置以及嵌入式实时操作系统的相关理论,并阐述了本文所用到的HAL库、FreeRTOS的移植过程。第二,对家用呼吸机的多任务软件设计进行了详细的介绍,完成了主控、按键检测、数据存储、显示触摸、自动混氧五大任务的软件开发,并对各任务的软件程序流程进行了详细的说明。第三,介绍了TouchGFX图形库,并基于该库完成了家用呼吸机的界面设计,详细说明了界面流程、界面切换等的设计思路。最后,本文搭建了家用呼吸机的测试试验平台并对其进行了完整的测试。第一,通过硬件电路测试和风机性能测试实验平台对家用呼吸机的硬件部分进行了测试。第二,通过软件测试实验平台对家用呼吸机的软件及GUI方面进行了测试。第三,通过自动混氧、静态及动态控制测试实验平台,对家用呼吸机的性能进行了测试,结果表明本文所开发的家用呼吸机性能优良。

关键词： 容积恒定法   连续无创血压   压力控制   嵌入式系统  

摘要： 血压是人体心血管功能的重要参数,反映了循环系统的生理指标,是监测生命体征中不可或缺的参数之一。在医疗决策方面,血压是疾病诊断、恢复监测、治疗效果观察和手术预后评估的重要依据。无创血压测量包括间歇式和连续性测量。常规间歇测量主要为听诊法和示波法,只能获取的当前时刻的血压值。连续无创血压监测系统能够监测每搏脉搏产生的血压值和波形,并提供准确的血压绝对值和趋势变化,因此在手术过程、监护病房和其他特殊环境中具有显著优势和广泛应用前景。本文主要研究内容如下: 首先,设计一种指套式连续无创血压监测系统,通过获取指套施加气压的变化间接得到手指端血压,利用反向压力波计算对应的生理参数。该指套血压计摆脱了袖带加压的限制,极大地提升了测量时的舒适感,适用于长时间的血压监测。使用简单,成本低,测试速度快。 其次,针对本文设计的监测装置中的压力控制部分,采用系统辨识方法建立ARX模型。采用PID控制、模糊PID控制和CFDL-MFAC控制方案,验证各个方案的控制性能。为准确计算血流动力学参数,在嵌入式控制系统的软件设计中采用卡尔曼滤波器以及IIR滤波器等,去除由于传感器移位和抖动引入的基线噪声,使采集到的脉搏波信号更为可靠。 最后,对本文设计的指套式连续无创血压监测系统进行功能性测试,检验系统的各项功能,并设计实验进行对比验证,结果分析表明本文所设计的设备能够实现血压的连续无创监测。

关键词： 船舶清刷机器人   嵌入式系统   组合导航定位  

摘要： 船舶在长期航运中,水下船体表面会附着大量的海洋污损生物,从而增大航行阻力和油耗,增加运输成本。利用水下机器人进行船舶清刷作业,将显著提高清刷效率,减少停航损失。国内船舶清刷机器人技术处于高速发展中,开展清刷机器人的研究,具有巨大的商业价值和社会价值。本文结合舰船清刷机器人实际工程项目,主要开展运动控制、组合导航、控制系统等方面的研究。论文基于船舶清刷工程作业的实际需求,设计了水下机器人控制系统软硬件总体方案和推进器布局方案。运动控制方面根据推进器布局方案,推导确定水下机器人数学模型,使用PID控制器设计了姿态和位置的控制器,并且在Simulink中进行仿真测试,仿真结果证明了所设计控制方法的有效性。论文提出了一种增益可变补偿器结合EKF的组合导航算法,在MATLAB中与EKF进行对比仿真测试,仿真结果证明,所提出方法性能有较明显提升,较好达到设计需求。论文基于控制系统总体方案,设计实现了水下机器人双控制器软硬件控制系统。硬件系统基于Altium Designer软件设计了副控制器电路板,完成各硬件单元的器件选型。软件系统基于ChibiOS和FreeRTOS嵌入式实时操作系统完成水下机器人双控制器软件的设计与编程实现。在Gazebo三维仿真环境和水池环境中,进行了仿真测试和实验室测试。实验证明,本论文所研制的软硬件控制系统、组合导航定位算法具备实际工程应用能力,证实了本课题研究内容的可行性。

关键词： 仿生章鱼吸盘   仿生尺蠖   机器人控制   运动规划   MPC   嵌入式系统  

摘要： 随着科技的日新月异,我们的生活环境也在发生着巨大的变化。工业化的聚集以及人口密度的增加促使着建筑不断的向上增高或向下延伸,所以产生了很多人们不方便到达或是无法到达的地方,而这些地方是机器人可以达到的。目前机器人最热门的研究方向之一是非常规结构的机器人的研制,通过精简自身的冗余结构以及体积,增加对应的功能结构,使得机器人可以在不适宜人们工作的地方代替人们进行相应的工作。本文研制了一款适合攀爬的仿尺蠖机器人。首先针对仿尺蠖机器人的触手接触结构,设计了一种仿章鱼吸盘的真空吸盘结构,并提出了一种基于MPC控制的吸盘控制方法。其次,根据尺蠖的运动姿态,设计了仿尺蠖运动的爬行机器人结构,并提出了基于该结构的多种运动姿态规划。然后,设计了仿尺蠖机器人控制器的硬件系统及软件系统。最后,实验测试了该机器人的关键功能。实验验证了基于气动式吸盘的尺蠖机器人可以在不同材质的平面上进行运动。本文的主要研究内容如下:(1)设计了仿章鱼负压式吸盘,并提出了吸盘控制模型。在负压控制下,可以调整吸盘的吸附压力以满足躯干结构运动对吸附力的需求。(2)提出了基于MPC的仿生吸盘控制算法。该算法通过调节真空泵流速进而实现对吸盘吸附力的调节。(3)设计了仿生吸盘式尺蠖机器人,其躯干结构安装了四个纵向伺服电机和两个横向伺服电机,可以实现“Ω”型运动步态和转向步态。提出了MPC-BSC的运动步态规划,实现“Ω”型运动步态和转向步态。(4)设计了仿尺蠖机器人控制器的硬件系统。包括主控制器电路设计、电源模块设计、伺服电机驱动电路设计、电磁阀控制电路设计、真空泵驱动电路设计和其他传感器电路设计。(5)设计了仿尺蠖机器人控制器的软件系统。包括基于MPC-BSC的运动步态的软件模块设计、驱动真空泵的软件模块设计、IC通讯器件的软件模块设计以及Wi Fi通信的软件模块设计。(6)实验测试了仿生吸盘的性能,验证边缘结构对仿生吸盘吸附力的作用;通过仿真测试了基于MPC的仿生吸盘控制算法的可行性;实验验证了仿尺蠖机器人可以在不同倾角、不同材质的平面上实现“Ω”型步态和转向步态。

关键词： 边缘计算   故障诊断   CNN   轴承   嵌入式系统  

摘要： 轴承是旋转机械不可或缺的一部分,可以帮助降低转子的振动,减少转子的摩擦,从而提高机械的可靠性和使用寿命。因此,轴承对于旋转机械的正常运行起着至关重要的作用。随着工业物联网技术、边缘计算、大数据、5G和人工智能等技术的持续发展,旋转机械故障诊断技术也已经向数字化和智能化的方向转变。 本文工作主要围绕轴承的边缘智能故障诊断(IFD)技术来开展。具体内容如下: (1)基于嵌入式系统,开发了数据采集、快速傅里叶变换、计算阶次跟踪、包络谱等程序。程序可用于分析稳定工况下的信号,监测轴承的运行状态。开发的程序与MATLAB的程序进行对比验证,取得了良好的效果。 (2)针对复杂工况下产生的振动信号不易于分析的问题,本文基于Alex Net提出了一种轻量化的卷积神经网络模型用于轴承故障诊断。该方法不依赖于故障诊断的先验知识,可以直接从采集到的振动信号提取特征,实现轴承的故障诊断。模型在凯斯西储大学(CWRU)和美国机械故障预防技术协会(MFPT)数据集上验证,结果表明,所提出的网络在经过简化后仍然保留了较高的准确率,可以精确地进行故障诊断。 (3)在边缘计算的背景下,提出了一种基于参数移植卷积神经网络的边缘智能诊断方法。该方法通过在嵌入式系统中构建神经网络模型,利用计算机来训练网络以获得最佳参数。接着将最佳参数移植到嵌入式系统中,在边缘侧对轴承进行实时故障诊断。该方法使用低成本的通用嵌入式平台实现IFD模型的嵌入式部署,使IFD能在更广泛的范围和更多的领域获得落地应用。利用实验室自制数据集验证,结果表明所提出的边缘IFD方法在轴承的故障诊断领域具有应用潜力。

关键词： 嵌入式系统   可信计算技术   内核完整性   应用程序完整性  

摘要： 随着物联网、车联网、无人系统网络、智慧城市等智能系统网络的广泛应用,作为其物理载体的嵌入式设备也面临着应用需求复杂化、设备环境网络化、外部设备丰富化等现状。但开放的网络环境、薄弱的安全机制、有限的系统资源以及无处不在的软硬件漏洞使得这些设备时刻面临来自网络的安全威胁。而丰富的系统功能和外部设备也增加了系统攻击面,增加了系统应对安全威胁的脆弱性。通过对现有嵌入式系统安全威胁的分析发现,大多数攻击是利用系统的软硬件漏洞实施入侵后,进而通过篡改应用程序和内核实现的,即破坏了软件的完整性。 当前,为实现嵌入式系统应用与内核的完整性防护,基于可信计算技术的完整性防护方法得到了广泛的采用。然而,现有基于TPM(Trusted Platform Module)和TEE(Trusted Execution Environment)等可信计算技术实现的方案虽然在一定程度上能够实现对这些软件的完整性保护,但仍存在安全启动时信任损耗过多、不能抵御通过页表破坏内核的攻击、安全防护模块自身保护不足和基准值查询效率不高的问题。 针对上述问题,本文提出了一种融合TEE与TPM的嵌入式系统应用程序与内核完整性防护方案,弥补了现有方案在安全性和性能方面的不足,实现了更安全和高效的完整性保护。主要研究工作包括: (1)基于混合信任链的安全启动机制,保证了启动过程中各阶段镜像的完整性。将设备的启动过程分为链式和星型两部分,链式部分各阶段的镜像均由上阶段进行完整性验证,星型部分由TPM验证各阶段完整性并传递信任,缩短了信任传递的距离,从而减少了传递过程中的信任损耗。 (2)基于融合架构的内核完整性防护方法。通过在安全世界中实现核心防护模块,并在正常世界中加入线程监控机制,保证了防护模块自身的安全。使用TPM存储基准摘要值,从而防止其被攻击者破坏。此外,还拦截并在安全世界中检查内核中的页表操作,可以抵御通过页表对内核的攻击。 (3)在内核完整性防护的基础上,提出了基于融合架构的应用程序完整性防护方法,为应用程序提供了从加载到运行时的完整性防护。通过双重地址转换解决了安全世界不能直接访问正常世界内存的问题,进而在安全世界中实现了防护模块,确保了模块自身的安全。由TPM存储基准摘要值,避免其被攻击者破坏,并提出了基于哈希的基准值查找算法,提高了基准值查询速度。 基于以上研究内容,在STM32MP157C-DK2开发板上实现了相应的原型系统,对安全启动、内核完整性防护和应用程序完整性防护分别进行了相应的安全性和性能测试。实验结果表明本文所提出之方案能够在保证安全性、可用性的同时满足系统的实时性要求。

关键词： 分布式光纤传感测温   嵌入式系统   远程控制   深度学习  

摘要： 集中供热管网是我国北方城市的生命线,是保障人们生产和生活的重要基础设施。随着社会经济的发展、供热规模的扩大以及服役年限的增长,一旦发生管道泄漏事故,将会产生巨大的经济损失,对人们的生活和生产造成严重的影响。分布式光纤温度传感器(Distributed optical fiber Temperature Sensing system,DTS)是近30年发展起来的一种可以实时、连续对空间分布的温度进行监测的传感技术。然而DTS主机在野外应用项目中大多采用太阳能供电,使其工作期间因长期阴、雨、雪天气导致主机供电不足而失联情况时有发生。DTS主机通过无线通信模块向上位机发送的每组数据包含上万个温度数据,每次完整上传将消耗大量网络资源,同时给运维平台带来数据负担。此外,由于保温层脱落或第三方活动等也会造成温度的波动,引起泄漏事故的误报。针对上述问题,本文结合电子学技术对埋地管道进行实时监测,通过深度学习算法利用温升变化反演土壤含水量,从多维度实现埋地管道运行过程中的泄漏监测。 (1)设计了应用于DTS的远程控制模块,以实现低功耗、全时监控、长效检测能力的提升。系统软件部分采用直接存储器访问的方式搬运数据,结合RS-232、单总线、SPI协议及4G无线通信进行数据传输,并利用数据预处理算法实现了异常变化温度数据准确上传,大大减少数据通信流量。模块的电源管理功能可实现电池续航时间最高提高6.6倍,整体功耗小于12W。 (2)搭建了一套DTS传感主机智能云监控系统,完成了系统云监控软件功能设计,并将系统用于户外长期测试。结果表明,系统具备工作稳定、数据完整、功耗低等优势,提升了DTS传感主机野外应用的可靠性,取得了良好效果。 (3)开展模拟识别管道附近土壤含水率研究,将导热光纤放入水、土壤和粗砂中,通过伴热光缆加热的方式获得贴近实际现场的温升数据,采用训练好的深度学习网络模型进行识别,结果显示Res Net-34网络具有更好的实际应用价值。这对提升DTS传感主机智能云监控系统的整体性能和推广实际应用具有一定的实用价值。 (4)将系统实际应用于淮北市东部新城集中供热管网项目中,取得了良好的效果。

关键词： 嵌入式系统   需求规约方法   软件需求推导   设备知识库   需求一致性  

摘要： 嵌入式系统与人类生活密切相关,广泛应用于汽车电子、航空航天、轨道交通、医疗设备和个人移动设备等各个领域。随着嵌入式设备的功能愈发丰富和强大,嵌入式系统的软件需求变得繁多复杂。嵌入式系统需求的复杂性使得嵌入式系统的需求分析成为必要,需要系统的需求规约方法。嵌入式系统包含软件和设备,其高层系统需求涉及业务逻辑,使得领域专家在需求分析中处于非常重要的地位,需要需求专家和领域专家协同才能完成工作。另外,由于软件直接与设备交互,规约得到的软件需求对设备敏感。为了降低对需求专家的依赖,提高需求规约的效率和质量,本文提出了一种基于设备知识库的嵌入式系统的软件需求的自动规约方法。该方法允许领域专家对嵌入式系统的设备进行提前建模,构建设备知识库。它以领域专家提出的嵌入式的系统需求为输入,建立基于设备知识库的软件需求推导方法,并自动对软件需求进行验证,生成高质量的嵌入式软件需求规约。本文的主要贡献包括:定义了嵌入式系统的领域设备知识库构建方法。通过对嵌入式系统的设备的特征进行归纳总结,定义设备的元模型。通过对元模型进行实例化,获取特定领域的设备知识库。提出一种基于设备知识库的嵌入式系统从系统需求到软件需求的自动推导方法。该方法利用设备知识库中的设备为载体,通过情景图,建立了系统需求与软件需求之间的同步、期望使能与行为使能关系。提出一种结合模型检测器的推导方法,利用模型检测高效地推导软件需求。定义了一种基于SMT对嵌入式系统的软件需求的功能与时间约束一致性进行高效验证的方法,并生成软件需求规约。该方法将软件需求表示中的事件及其关系转换为逻辑时钟及其约束关系,将约束关系与需求一致性性质转化为待满足的SMT公式,通过约束求解发现不一致性,并将通过验证的软件需求生成软件需求规约。本文将提出的方法应用在某卫星的控制系统的案例中以证明本文方法的可行性。结果表明,本文的方法能完成嵌入式系统的软件需求的自动规约,得到一致的软件需求规约。评估结果表明,本文方法可以辅助领域专家进行系统的需求规约,其效率高,且能得到高质量的软件需求规约。

关键词： 滚动轴承   故障诊断   嵌入式系统   卷积神经网络   轻量化  

摘要： 电机作为现代工业和社会生产生活中重要的动能设备,其应用十分广泛。滚动轴承作为电机中最关键的零件之一,其故障会严重影响电机的正常运行和使用寿命。目前轴承故障诊断方法存在以下问题:传统基于信号处理技术的轴承故障诊断方法存在先验知识要求高、依赖专家经验等问题;基于深度学习的轴承故障诊断模型存在尺寸大、参数量多等问题;主流轴承故障诊断系统存在数据上传量大、诊断速度慢等问题,无法满足对故障诊断响应要求高的实际工业场景。针对以上问题,本文主要的研究工作和成果如下:(1)研究了轻量化轴承故障诊断模型。该诊断模型基于卷积神经网络,通过使用深度可分离卷积替换标准卷积,并使用全局平均池化层替换全连接层作为模型的输出单元,有效地减少模型的参数量从而降低模型占用的内存,为模型能够移植嵌入式设备提供保障。(2)设计了基于嵌入式设备的轴承故障诊断系统。该系统由STM32微控制器作为主控平台,其上部署了轴承故障诊断模型,振动采集模块采集轴承振动数据,经过数据格式重构后输入诊断模型,在LCD屏显示实时的故障诊断结果,蜂鸣器报警模块实现轴承故障警示功能,Wi Fi无线通信模块通过将轴承故障数据上传至物联网平台,以Web界面的形式实现数据展示和远程监测。实验结果表明,该系统具有较好的轴承故障诊断精度,且诊断速度快。便携式嵌入式设备易部署在工业现场,采集的数据存储在设备,免去数据上传后台或云端过程,满足工业的轴承故障诊断实时性需求。