集成电路与嵌入式系统

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业界论坛

浅谈NBIoT的标准、覆盖范围、协议和模块

Tam Hanna

2022, 22(11): 1-2.

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专题论述

基于表征学习发展的深度学习研究综述^*

冯永森, 李军

2022, 22(11): 3-6.

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表征学习是机器学习中学习特征技术的方法集合,深度学习方法是具有多个表示组合的表征学习方法,其通过简单的线性组合和映入非线性模块,能够将原始输入转换为更高、更多的抽象表示层次,通过组合足够多的该类转换,能够从大数据集中学习非常复杂的转换函数。这些方法极大地提高了语音识别、视觉对象识别、对象检测和许多其他领域(如药物发现和基因组学)的最新技术水平。深度学习方法通过使用反向传播算法来指示机器如何在大数据集中发现复杂的结构并改变它的内部参数,其中深度卷积网络广泛应用于图像、视频、语音和音频处理,循环网络则对诸如文本和语音等顺序数据提供处理方案,而最新的Transformer类网络结构引入注意力机制,具有更加良好的挖掘数据特征的性能,逐渐替代深度卷积网络和循环网络结构,但其需要更加庞大的数据驱动,应用范围受限。本文探究深度学习发展历史及其在不同领域的应用,讨论深度机器学习的发展方向。

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专题论述

基于FPGA的SOPC系统Bootloader设计

范晋文, 周云松, 顾瀚戈, 李思杰

2022, 22(11): 7-9.

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介绍了在Xilinx K7上运用MicroBlaze软核程序,详细介绍了在Vivado软件配置BPI FLASH启动方式以及在SDK搭建Bootloader程序逻辑设计流程和软件设计,并包含Bootloader程序备份。该程序是在FPGA硬件配置完毕之后,在MicroBlaze上运行的一段启动代码,用来将BPI FLASH中的用户程序搬运至DDR,并引导嵌入式系统从用户程序开始运行,可在第一份启动代码校验出现故障时自动运行备份Bootloader程序。该设计方案解决了在复杂的MicroBlaze程序中占用FPGA内部BRAM资源和启动安全问题,已在现有不同项目中应用,具有较好的通用性和适应性。

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专题论述

CortexM4微控制器设备标识符的伪造方法^*

陈旭辉, 杨红云

2022, 22(11): 10-12.

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很多软件利用微控制器设备标识符(UID)的唯一性对程序进行加密,使每一个产品具有唯一性;利用微控制器的一些功能单元,可在不直接修改软件的情况下伪造UID。增加部分代码,先于目标软件运行,利用微控制器存储保护单元(MPU)或数据监视点和跟踪(DWT)单元捕获对UID的访问,并使用Flash补丁和断点(FPB)单元或中断向量重定位机制来修改部分中断向量的位置,避免直接修改目标软件。以CortexM4为内核的STM32F429为例,利用Flash补丁伪造96位的UID。在拥有MPU、DWT或FPB单元的微控制器上,都可以使用相似的方法伪造UID,但防范也相对容易,只要破坏相关设置即可。

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专题论述

面向工业物联网的防拥塞动态选择无线网络^*

张振宇, 陈浩

2022, 22(11): 13-15.

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提出了一种面向工业物联网的防拥塞动态选择无线网络,既可以避免拥塞停机,又能保证设备移动时可以进行AP动态选择调整,调整过程只产生较小网络延时。通过对此网络进行实施和部署,验证了在工况复杂多变的工业环境下,此种网络有良好的数据交换性能,避免了网络拥塞,且延时小、鲁棒性高。

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专题论述

TTE高精度同步协议容错控制流算法研究^*

宋佳皓, 熊继军, 洪应平

2022, 22(11): 16-20.

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时间触发以太网(TTE)是一种基于标准以太网的实时网络通信技术,采用“时钟同步”和“时间触发”来确保关键数据的通信实时性和确定性,“时钟同步”就是基于系统全局时钟的标准,周期性地修正系统通信网络上各种设备时钟的时间信息和频率偏差,使其限定在足够小的范围内,保证系统同步运行的过程,从而使其能够满足安全关键系统的强实时通信需求。本文根据SAE AS6802协议在理论上分析出其优化后的同步算法后,通过该算法完成了时间触发以太网板卡端对端时间同步,并保证精度优于100 ns。

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专题论述

内置Crossbar软核的多FPGA系统通用远程更新

郑思旭, 官剑, 李力, 黄川

2022, 22(11): 21-23.

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针对多FPGA远程更新系统中上位机接口单一,以及多个副板卡FPGA接口单一且不一致导致的FPGA远程更新复杂问题,提出了基于Crossbar的多系统FPGA通用远程更新设计,以主板卡FPGA内置的Crossbar总线交互结构为基础,搭建了以UART、Eth100和USB2.0作为上位机接口,UART、SRIO和Aurora作为主副板卡之间接口的远程更新系统。通过上位机进行Crossbar寄存器配置,使得任意输入端接口均可连接至某一输出端接口,即上位机可通过任意接口类型对某一副板卡FPGA进行远程更新,且可以同时操作。测试结果表明,该系统通用性和实用性强、便于移植,且可同步更新多个FPGA,在工程应用中起到了重要作用。

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技术纵横

TMS320C6678的自动代码生成及其应用

王春辉, 程虎, 朱鸿泰, 胡楷, 周高星

2022, 22(11): 24-28.

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为优化DSP工程开发方式,将Simulink的可视化模型开发与TMS320C6678相结合,采用可视化的模块设计工具对算法模型和数据流进行建模。模型之间具有标准的数据流传输接口,由代码生成工具根据算法函数模型的描述生成DSP平台上的信号处理程序,完成了MATLAB算法模型到DSP工程的自动代码生成转换。相较于传统的人工翻译成DSP工程的方式,能够在设计阶段就对算法功能进行仿真测试,使得开发者能够更快捷、以更少的成本花费进行开发,也让后期的算法架构修改变得简单。

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技术纵横

基于自定义重传协议的高速传输接口设计

辛艳, 施睿, 赵冬青, 袁小康

2022, 22(11): 29-32.

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设计了一种以FPGA为主控芯片,通过UDP/IP协议进行数据传输的接口。本文在程序模块化设计的基础上,添加自定义重传协议,实现千兆以太网数据高速稳定的传输。将自定义重传与传统UDP、TCP重传协议进行对比分析,得出该传输接口适用于同时需要高传输速率、高可靠性的场合中。通过实验验证,该传输接口平均传输速率为66.1 MB/s,最大传输速率为68.4 MB/s。

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技术纵横

FPGA配置的千兆自适应以太网系统设计

王雪云, 房汉林, 刘洋, 陈晓华

2022, 22(11): 33-37.

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设计了一种基于FPGA配置的千兆自适应以太网系统。在Virtex5 FPGA加PHY芯片88E1111的主体架构上,嵌入FPGA内的Embedded TriMode Ethernet MAC IP核,通过对PHY芯片的功能配置达到了基于FPGA软件、以硬件方式实现10/100/1000M带宽自适应和以太网协议的目的。实验结果表明,该设计实现了以太网数据的高效传输,较传统的软件实现方式有极大提高,具有较高的应用及推广价值。

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技术纵横

高速成像中的阵列式高速脉冲光源设计

张学文, 刘吉, 武锦辉

2022, 22(11): 38-41.

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为了解决高速成像中自然照明不足、低幅率相机拍摄图像模糊等问题,设计了一种高亮度阵列式脉冲光源,该脉冲光源具有窄脉宽、高频率、照度均匀等优点,系统以大功率、高亮度白光LED为光源,以单片机为核心控制器,完成了脉冲光源驱动、精确时序控制、报警和显示等电路模块的设计。试验结果表明,该脉冲光源最大光通量可达36 000 lm,脉冲宽度为1 μs,可有效解决高速目标成像模糊的问题。

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技术纵横

一种机载嵌入式模块在线升级方案

李万军

2022, 22(11): 42-45.

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在使用Zynq7045处理器的机载嵌入式模块上设计了一种在线升级方案,包含硬件设计和软件升级流程设计。该升级方案通过主备映像冗余保证模块中的BOOT及操作系统核心映像具有较高的可靠性,同时在升级流程中设计了映像完整性保护和一致性检查,确保在线升级过程中出现断电等异常后模块再次上电时能正常使用。

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新器件新技术

基于Yocto定制集成Docker系统的设计与实现

杨凯文, 刘书萌, 王新锋, 吴晖, 王通, 胡鑫犇

2022, 22(11): 46-48.

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Linux系统具有开源、安全和稳定等特点,在各行各业得到了广泛应用,但开发过程繁琐导致的重复工作以及操作系统过于“碎片化”导致的兼容性等问题都会造成资源浪费。本文基于Yocto对嵌入式Linux系统进行定制化开发,同时运用容器技术有效解决了跨平台应用开发的兼容性问题。采用QEMU工具进行仿真测试,结果表明,跨平台的应用程序在定制系统的容器中成功运行,开发效率得到大幅提升。

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新器件新技术

FPGA千兆以太网接口的IP核设计

任勇峰, 尚辰阳

2022, 22(11): 49-53.

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为了提高飞行物器指令信息和状态信息传输的实时性和可靠性,采用以太网来传输数据。而大多数以太网采用的是未集成协议栈和接口转换模块的物理芯片,从而导致数据无法直接进行传输。针对这一问题,将协议栈和接口转接模块利用IP核封装完成模块化设计、直接进行数据传输。以FPGA作为核心控制器件,将以太网的MAC层接口与UDP/IP的协议栈封装成为可配置的IP核,具有比较强的移植性。网络调试助手和Wireshark软件测试结果显示,IP核性能稳定,且本设备可以实现速率为865.19 Mb/s的数据和指令传输,同时可以完成数据实时发送和接收且不丢包,符合要求。

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新器件新技术

自适应伽马校正的LED显示控制系统设计^*

刘银萍, 马可, 丁兆东, 张华西, 严飞

2022, 22(11): 54-57.

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为了提升LED显示屏的显示效果,提出一种基于FPGA的自适应伽马校正算法。首先,该系统通过摄像头实时采集周围信息并进行灰度处理;其次,将灰度处理的画面分割为周围环境和灯板两部分;再次,通过比对两部分的平均亮度信息确定伽马校正参数;最后,对输入视频源进行实时伽马校正。实验结果表明,该算法可以应用在输入为1080P@60 Hz的LED显示屏系统中,在不同环境下的伽马校正效果对比明显,有效提升人眼观看的舒适度。

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新器件新技术

基于ARM的高精度毫米波雷达测距传感器^*

李嘉浩, 姚金杰, 姬娜娜, 吴昊, 杨小严

2022, 22(11): 58-61.

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针对其他非接触式雷达在复杂环境下抗干扰能力差及传统毫米波雷达结构复杂等问题,提出了一种基于FMCW的V波段高精度雷达传感器测距装置。该装置不同于传统毫米波雷达的波导及微波模块组合的设计思路,以高度集成的单片60 GHz毫米波雷达传感器芯片为核心对各子系统进行开发研究。RF子系统产生、发射V波段FMCW信号并在对回波信号进行放大、滤波及混频得到中频信号后,由DSP实时处理子系统处理得到距离,通过UART串口传输到上位机中进行显示,整个过程由ARM子系统全局控制。在微波暗室中的实验结果表明,对于近程单一静止目标,测距位移精度达到0.1 mm。该装置的研究对于推进近程高精度测距毫米波雷达的开发具有重要价值。

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新器件新技术

基于单片机和云平台的模块化智能插座设计

殷振凯, 王中训, 刘培学

2022, 22(11): 62-64.

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为了让插座实现远程控制,并能够统计当前总线电压以及电流并实现对动态功率的计算,设计了一种基于ATmega328P和机智云平台的智能插座。该设计系统由ESP8266 WiFi模块、HWPT01模块、ZHT118F模块、CS5460模块等组成。利用MQTT协议机智云物联网平台实现协作对接,同时配置Web端数据,利用APP端进行远程控制。测试结果表明,系统可以远程控制智能插座开关,以及实时实时检测电流、电压、功率等参数。

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应用精选

红外与可见光多元信息融合的远距离视觉系统设计

申强, 张洁, 王晨宇, 程鹏, 杨阳, 孙元超

2022, 22(11): 65-69.

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为解决融化图像纹理细节保存不完整的问题,本研究基于红外与可见光多源信息融合技术建立远距离视觉系统,将多源图像的目标和场景的图像数据进行提取和整合,使图像更加完整、清晰。红外图像采集模块使用型号为EP4CE40F23C8的FPGA主控芯片产生时序控制信号,提供正常工作的时钟信号和积分信号等数字信号,设计出阻抗变换电路缓冲探测器输出信号。在生成器中加入注意力模块,将可见光图像和红外图像分别编码、提取各自图像特征。实验结果显示,本研究远距离视觉系统的融合图像具有丰富的细节信息,画面清晰,对比度强,融合图像的峰值信噪在35 dB以上。

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应用精选

基于DSP的轨道交通环境振动监测系统设计^*

王海涛, 郭佑民

2022, 22(11): 70-74.

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设计了一套集振动信号采集、数据处理、数据传输和界面监控于一体的轨道交通环境振动监测系统。监测节点利用DSP数字信号处理器进行1/3倍频程谱分析,得到用于评价环境振动的参数,并通过W5500通信模块将处理后的数据上传到OneNet云平台。监控软件基于VS.NET平台开发,通过HTTP协议读取OneNet云平台上存储的数据,用来监控轨道交通环境振动状况。通过对监测系统的数据采集性能和整体性能进行测试,测试结果表明,该系统信号采集精确,结果与实际相符,达到了设计目的。

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应用精选

基于超声波测距的物体坐标智能检测系统^*

崇哲文, 梅飘, 李涛

2022, 22(11): 75-78.

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基于单片机和超声波测距原理设计了一款物体坐标智能检测系统。本系统由Arduino单片机、超声波模块、舵机以及显示屏组成,舵机带动超声波模块进行旋转检测,通过超声波接发过程中产生的时差和舵机旋转的角度利用极坐标计算出物体的坐标值,从而完成对周围物体的坐标检测。本系统可以实现物体坐标的实时检测和快速读取。

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应用精选

钼铼合金超声导波测温系统设计^*

张明, 杨录, 李文强, 肖旭东, 那佳琪, 崔梦君

2022, 22(11): 79-83.

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为实现高温恶劣环境下的精准测温,在课题组已经研制成功的钼铼合金超声导波测温传感器的基础上,开发了与之相配套的软硬件系统。硬件系统由FPGA主控电路、超声发射电路、回波接收电路、A/D转换电路和USB通信电路组成;软件系统是基于LabVIEW平台开发的一套控制界面,可以实现参数控制、超声回波显示、数据保存、互相关计算、温度解析及显示等功能。测试结果表明,该系统能够实现20~1 800 ℃范围内的测温,并且测量准确度较高,在实际工程中可作为一种测量设备被直接采用。

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应用精选

荒漠化防治的自供电风速监测系统设计

何汇成, 冯程鹏, 穆继亮

2022, 22(11): 84-87.

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土地荒漠化的扩张严重威胁着生态环境的可持续发展,对区域风速进行实时监测能为荒漠化防治工作提供科学的决策支撑。然而,目前大多数风速监测装置都存在严重依赖外部电源、功耗高的问题。为此,设计了一种基于复合能量采集的自供电风速监测系统。测试结果表明,该系统能够通过能源管理电路对太阳能和风能进行复合采集和储存,以驱动后端电路。无线传输模块将摩擦纳米发电机的输出信号上传至数据终端,最终实现风速信息的显示和存储。此外,低功耗逻辑设计有效延长了传感节点的工作时长。这项工作推动了自供电传感技术在环境监测领域的应用。

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应用精选

基于wMBUS的水浸传感器扩频编码通信技术

顾佳易, 张日迪, 彭紫东, 张宇巍, 辛欢, 易越

2022, 22(11): 88-91.

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为了提高水浸传感器的通信性能,针对通信延迟和能耗较高进而影响数据容载量的问题,提出基于wMBUS的水浸传感器扩频编码通信技术。将wMBUS通信方式应用于水浸传感器通信中,分析水声信道产生的瑞利衰落,采用光子晶体载波算法计算信号载波波束,提升水浸传感器通信波束的数据容载量,通过频域扩容算法提升绑定增容后的通信波束,实现水浸传感器的扩频编码通信。实验结果表明,所提方法的冲突节点概率小、通信延迟低、通信能耗低和交付率高。

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产业技术

拥抱嵌入式设计的变化

莱迪思半导体

2022, 22(11): 92-92.

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产业技术

三大趋势,引领 EDA 未来

是德科技

2022, 22(11): 93-93.

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