一种新的蔡氏电路设计方法与硬件实现

提出了一种基于蔡氏无量纲状态方程新的电路设计方法.首先对蔡氏无量纲状态方程各变量进行比例压缩变换、微分-积分转换和时间尺度变换.其次根据变换后的方程设计出各模块电路，再将各模块按方程中各状态变量的对应关系联结起来.整个电路只由反相加法器、积分器和反相器三大模块构成，电路结构对称.与现有其他的混沌电路设计相比，该方法具有三个主要特点：(1)直观性强，实现了电路的模块化设计，并总结出了这类混沌电路更一般的设计原理，具有普适性，可用于其他无量纲连续状态方程的电路设计；(2)由于采用了反相加法器，各个电路参数独立 关键词： 蔡氏电路 多项式 模块化设计 硬件实验     

半导体光放大器全光采样的线性度与转换效率表征

利用半导体光放大器非线性偏振旋转效应实现全光采样具有采样速度高、输入抽运功率小的优点,为高速全光模数转换提供了可能途径.提出了半导体光放大器全光采样线性度和转换效率的表征方法,该方法利用传输曲线的多项式拟合函数表征采样系统,通过多项式的余弦代换和级数展开,得到全光采样线性度和转换效率与多项式系数的解析关系,从多项式系数直接计算线性度和转换效率.该方法尢需复杂的傅里叶变换运算,其计算结果与傅里叶频谱分析结果吻合,可用于全光采样线性度和转换效率的精确表征,还可以拓展用于信号调制的非线性失真分析.     

表面电荷法平面元电荷系数的半解析解法

针对在线性及高次电荷估计下,表面电荷法中全解析法对平面元电荷系数求解和实现较复杂的问题,提出一种半解析法.将系数积分由局部坐标系变换到整体坐标系下分离参数的二重积分,利用内层积分存在解析解的特点,将二维问题降为一维,方便数值积分计算.对于对数奇异积分问题采用辅助函数法消除.通过算例与全解析法计算精度进行比较,结果表明,在一定的单元划分下,可达到很高精度,具有一定可行性.     

基于FPGA的雾霾视频图像实时复原系统研究

针对雾、霾等恶劣气象条件下, 视频监控等户外视频设备对视频图像实时复原的需要, 提出一种快速图像复原算法的FPGA实现方法, 通过适当降低算法复杂度达到了降低时间开销和硬件实现复杂度的目的。通过将一帧视频分解成3×3小窗口进行运算, 以窗口中心像素的流水计算替代一帧视频像素计算, 使每个像素在3个时钟周期内完成全部运算, 确保了系统能够实时复原, 降低了复原模块对硬件的开销。实验证明:FPGA处理结果和MATLAB处理的结果相符, 可以在保证除雾效果的前提下, 实时处理分辨率为640×480视频并以29帧/s速度流畅显示。     

基于现场可编程门阵列的手机短信息混沌加密系统设计方案及硬件实现

手机的普及使得个人信息安全问题受到广泛关注, 其中手机短信息的安全性尤为重要. 本文致力于设计实现手机短信息加密与安全传输的硬件系统, 采用混沌A5/1混合算法, 提出一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的手机短信息加密系统设计方案. 使用由Logistic混沌序列做初始密钥而改进的A5/1混合算法作为加密算法, 分析其伪随机性并证明圆周相关与线性相关的关系; 采用SIM300模块设计实现手机功能, 仿真普通手机短信息和加密短信息的传输; 开发一套软件测试平台, 可以在计算机上呈现硬件系统的测试结果. 经测试表明, 本文提出并实现的硬件系统可以加密手机短信息并保证其正常传输, 从而提高了手机短信息的安全性.     

小型化光纤光栅解调系统设计及寻峰算法的模拟评测

为实现光纤布拉格光栅（FBG）反射光谱信号的实时监测，基于全固态光谱模块设计了用于解调FBG信号的硬件系统和软件架构，编写了上位机软件，嵌入了不同的寻峰算法，可适用于不同噪声环境下中心波长的计算，以减少由算法带来的波长误差。软件还包括数据采集、存储及回放等功能。以高斯拟合寻峰算法为例，提出了一种不依赖硬件设备对寻峰算法进行模拟评测的方法，提高了这类光谱解调系统的开发效率。采用叠加了不同噪声水平的理想FBG反射谱进行模拟评测实验，结果表明，阈值取为噪声平均幅值的2倍时可获得最佳的寻峰结果，且寻峰误差与采集数据的信噪比（SNR）和光谱峰宽成反比。运用高斯拟合寻峰算法对硬件系统实际采集的FBG反射谱数据进行寻峰计算，所得系统精度为5.89 pm，与模拟评测结果的误差小于1.7 pm，验证了模拟评测的可行性。     

基于ARM和DSP的钻井控制和信息传输平台的研究

为了抑制粘滑振动和监控钻井过程,需要对钻井过程进行控制,并将钻井参数实时地传输至监控中心。本文提出了一种基于ARM和DSP的钻井控制和信息传输平台,DSP作为算法运算中心、信息转发和协议转换器,ARM作为信息显示和数据存储单元。在系统总体框架下,重点分析了系统的软件和硬件设计方案。对系统在井场进行了现场测试,验证了该系统的可靠和稳定性以及控制算法的有效性。最后,阐明了只要性能和接口满足要求,DSP可用别的嵌入式CPU替代。     

基于硬件同步的四态离散调制连续变量量子密钥分发

在连续变量量子密钥分发系统中,同步技术是确保通信双方时钟和数据一致的关键技术.本文通过巧妙设计发送端和接收端仪器的硬件时序,采用时域差拍探测方式和峰值采集技术,实验实现了可硬件同步的四态离散调制连续变量量子密钥分发.通信双方在设计好的硬件同步时序下可实现时钟的恢复和数据的自动对齐,无需借助软件算法实现数据的对齐.本文采用了加拿大滑铁卢大学Norbert Lütkenhaus研究组提出的针对连续变量离散调制协议的安全密钥速率计算方法.该方法需计算出接收端所测各种平移热态的一阶矩和二阶(非中心)矩,以此为约束条件结合凸优化算法可计算出安全密钥速率.计算过程中无需假设信道为线性信道,无需额外噪声的估算.密钥分发系统重复频率为10 MHz,传输距离为25 km,平均安全密钥比特率为24 kbit/s.本文提出的硬件同步方法无需过采样和软件帧同步,减小了系统的复杂度和计算量,在一定程度上降低了系统所需的成本、功耗和体积,有效地增强了连续变量量子密钥分发的实用性.     

硬件可重构近红外波长调制甲烷传感器及应用（特邀）

为了加快气体吸收光谱分析算法的求解速度、重构算法的硬件逻辑，采用现场可编程门阵列（FPGA）器件，结合波长调制光谱技术，研制了一种硬件可重构波长调制甲烷传感器。根据应用功能需求，可在硬件层面重构逻辑电路，从而更新系统工作模式和探测参数。采用流水线技术，对光谱分析算法进行了硬件加速，光谱分析部分的输入与输出之间的时间延迟仅为4.05 ms。实验分析了该传感器在连续、间歇两种工作状态下的波形与电流，证明了该系统工作模式的可重构特性，也证实了采用间歇式工作降低激光气体传感器功耗的可行性。采用正弦信号对FPGA算法部分的功能进行了测试，结果表明，测得的信号幅值与输入信号幅值的线性度达到了99.99%。采用中心波长为2 334 nm的分布式反馈激光器作为光源、光程为25 m的赫里奥特气室作为气体吸收池，开展了甲烷检测实验。传感器的线性度为99.97%，响应时间约为4.9 s。艾伦方差结果表明，当积分时间为0.5 s时，传感器的检测下限为7.8×10-6。开展的甲烷泄露实验证实了该传感器的现场应用能力。设计的FPGA算法，通过硬件编程，可实现传感器工作模式与参数的灵活重构，在激光气体传感领域具有较...     

电磁脉冲测试系统的非线性辨识建模与性能补偿

给出了准阶跃信号激励下电磁脉冲测试系统非线性模型参数在连续域的直接辨识算法。结合实际研制的光纤传输式脉冲电压测试系统及其时域动态校准数据,建立了由4阶多项式非线性环节和3阶传递函数线性环节组成的测试系统Hammerstein模型,实测结果验证了辨识模型的准确性。在此基础上,构建了由动态线性补偿滤波器和静态非线性校正器组成的补偿环节,将测试系统的下限截止频率由数十kHz拓展至直流,稳态响应时间由s级降至ns级,有效改善了系统的动态性能,实测脉冲波形的重建结果验证了补偿环节设计的有效性。     

基于物联网视觉的大型拥堵车辆调度系统设计

针对道路拥堵车辆调度问题,设计了一种基于物联网视觉的大型拥堵车辆调度系统,分析了系统的总体结构,给出了系统的ZigBee协调器模块、车载传感器节点、图像采集处理模块以及无线传输模块的硬件结构,详细介绍了拥堵车辆调度算法流程,并给出了车辆调度最佳路径算法代码,实现了大型拥堵车辆的有效调度。实验结果说明,所设计系统可获取有效的交通车辆拥堵图像,实现交通拥堵的高效调度。     

一种快速实现光场传输的算法研究

针对目前实现光场传输的两种算法无法同时满足运算速度和精细度的问题,提出了矩阵相乘算法,阐明了其实现思想,推导了其实现过程。结合激光相干合束实例进行了仿真分析,结果表明,对于六路高斯光束的相干合束,快速傅里叶变换算法耗时短,但无法得到精确的计算结果;积分算法和矩阵相乘算法均可获得远场准确的光强分布,但积分算法需耗时15.7 h,而矩阵相乘算法仅需2 s,提高了运算效率。证明了矩阵相乘算法具有快速、准确的优点。     

基于HART协议的二线制涡轮流量变送器的开发

以HART协议为通信标准,提出了系统的总体方案设计,通过对HART协议的理解与掌握,详细的给出了基于涡轮流量变送器的软硬件设计;硬件设计部分包括涡轮脉冲采集模块,微处理器模块,HART通信模块和4~20 mA环路电流模块4个模块,其中HART通信模块采用HART调制解调器芯片AD5700实现,4~20 mA环路电流模块采用环路供电专用芯片AD5421实现,二者共同构成了HART协议的物理层接口,文章硬件电路所采用的都是低功耗芯片,用纯硬件的方法解决了HART总线设备的低功耗难点;软件设计部分包括主监控程序、变送计算程序和HART协议通信程序3个程序模块,重点讲述了HART协议的数据链路层和应用层的实现过程;最后文章对涡轮流量变送器的二线制传输功能和HART通信功能进行了测试;测试结果表明,变送器的设计要求基本实现了。     

基于CPCI总线DMA方式的实时高速数据交换系统

针对在重离子同步加速器运行过程中,如何解决设备控制器与上层数据处理程序之间的高速数据交换的问题,自主研发了基于Compact PCI总线板卡,板载FPGA,DSP,SDRAM等资源,并设计了DMA完整控制逻辑,传输协议解译全部由硬件完成(FPGA)。多个软硬件模块共同实现了该实时高速数据交换系统。该系统经实测,结构完整自洽,数据传输带宽符合重离子同步加速器运行要求,实现了数据传输的实时性。重点描述该系统数据通路上的诸多技术环节,包括硬件和软件的功能划分、FPGA、DSP、驱动程序、上层应用等各环节的技术细节。该实时数据交换系统系原创性设计,系统解决了控制与数据采集系统的设备控制层与上层数据处理层之间的实时数据交换问题。     

精密离心机测控与加速度计标校自动化系统设计

惯导加速度计在精密离心机上的标校应用试验,涉及精密离心机动态半径和静态半径的精密测量、转速的精确测控以及被校加速度计信号的正确采集与实时传输等操作,需严格控制各类测控仪器的动作时序逻辑实现精密离心机精密测控与加速度计标校应用试验的自动化操作。介绍一种精密离心机测控与加速度计标校应用试验自动化系统设计,硬件上基于LAN总线组网集成精密离心机各类测控仪器,构建分布式测控系统,并应用外部光栅编码器脉冲信号作为触发信号控制测控仪器的硬件时序同步逻辑;软件上应用共享变量技术实现各类测控参数的有序传输,针对动态波形类大数据测试信号的共享变量传输可靠性差问题,提出一种基于文件动态拷贝的网络数据传输方案,设计严格的共享变量传输逻辑机制,实现了各类测控参数正确有序采集与传输。应用试验表明,设计的精密测控与加速度标校应用试验自动化系统满足加速度计在精密离心机上的标校自动化需求,显著提高了加速度计标校应用试验效率。     

激光系统计算机模拟设计平台

用于高功率固体激光驱动器的设计和优化的计算机模拟设计平台已经基本建成。该平台主要由硬件系统、软件系统、数据库3部分组成(见图1)。硬件系统主要指由高性能微型计算机和服务器组成的局域网。局域网内的通讯采用TCP／IP协议，网络传输带宽100M。网络上各微机可通畅的实现计算机间的数据共享。局域网服务器选用双CPU配置的服务器。目前建成的软件系统包括：一套较完整的高功率激光系统光传输模拟计算软件SG99，与SG99配套的数据库管理系统以及光线追迹软件。     

偏振模色散自适应补偿实时控制系统的DSP的设计与实现

根据实验室现有的PMD(偏振模色散)补偿实验系统的需要,设计了一种基于DSP的实时控制系统。讨论了该实时控制系统的硬件和软件的设计与实现,对硬件电路进行了总体设计,分别对各部分的DSP最小系统、A/D采样硬件电路和D/A控制硬件电路进行了详细的分析和设计。介绍了软件的工作流程,设计了PSO算法模块在DSP系统中的实现。将该实时控制系统应用到PMD自适应补偿实验中进行了验证。结果表明,所设计的PMD自适应补偿实时控制系统对一阶和二阶PMD的补偿效果很好。     

多通道半导体激光器温控系统

研制了一种板级多通道半导体激光器温控系统,将其应用于混合气体检测中可实现同时对多个半导体激光器温度的控制.该系统硬件上由多通道温度采集模块、数字信号处理器模块、半导体制冷器(TEC)和TEC控制模块组成.软件上采用时间片轮转调度算法和积分分离式数字比例积分微分算法,实现了对多个半导体激光器温度的实时、精确控制.为了测试系统的性能,利用该系统同时控制中心波长为1.65μm和1.56μm的可调谐分布反馈激光器的温度,进行了温度控制实验并测试了两个激光器的发光光谱.实验结果表明,该系统可以实现对两个激光器温度的同时控制,温控精度为-0.011~0.015℃,响应时间小于3s.对温控系统的工作稳定性进行了测试,两个激光器连续工作6h,其工作温度保持恒定.连续10h测试两个激光器的输出光谱,输出波长的峰值未出现偏移.该温控系统体积小、成本低、便于集成且稳定可靠,在混合气体检测中有良好的应用前景.     

基于PD控制的航天飞行器控制系统的设计与实现

当前的飞行器控制系统在运行过程中容易受到噪声因素的干扰,对飞行器的控制存在滞后性和片面性,无法直观描述飞行器的运行状态,设计并实现了一种抗干扰能力强的航天飞行器控制系统,给出了无刷直流电机、电源电路、无线通信模块以及RS-232接口的硬件设计原理,给出了系统主控中心的人机交互界面组成;通过PD算法运算出不同电机的调整量,按照运算出的调整量控制电机的PCA模块,进而控制飞行器电机的转速,调整飞行器的姿态,克服干扰;实验结果说明,该种系统可对飞行器的各种飞行攻角进行准确的控制,该种系统的控制效率参数优于传统系统。     

基于PCI总线特快信号测试卡的设计

图1为基于PCI总线的特快信号测试卡系统构成框图。特快信号测试卡硬件由特快信号解调芯片、双口RAM、PCI用户接口逻辑和$5933构成。特快信号测试卡软件由驱动应用程序、事后储存处理和实时监控构成。特快信号解调芯片完成特快信号的检测和实时存储，主要包含单次宽脉冲组SWPG信号源、PPK信号源、特快信号译码、特快信号地址形成、特快信号时序控制、特快：信号记录数据形成、PPK检帧同步、自适应禁存控制、相对时电路、时间记录地址形成、时间记录数据形成等电路，