集成电路与嵌入式系统

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业界论坛

深入开源处理器内部

Monte Dalrymple

2022, 22(12): 1-3.

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业界论坛

香山开源高性能RISCV处理器敏捷设计实践

王凯帆, 徐易难, 何伟, 张科, 包云岗

2022, 22(12): 4-6.

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2019 年,在中国科学院支持下,由中国科学院计算技术研究所牵头发起“香山”高性能开源RISCV处理器项目,研发出目前国际上性能最高的开源高性能RISCV处理器核“香山”,在开源项目托管平台GitHub上获得超过3 000个星标,形成360多个分支,成为国际上广受关注的开源硬件项目之一,得到国内外企业的支持。2021年6月22日,“香山”开源高性能RISCV处理器在首届RISCV中国峰会上亮相,引起了各界的广泛关注。本文根据第二届RISCV中国峰会的主会报告“香山开源高性能RISCV处理器敏捷设计实践”整理而成,分享香山过去一年的总体进展。

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专题论述

FPGA的xHCI协议软核IP设计及应用

杨志荣, 胡茂海, 董理, 李守业

2022, 22(12): 7-11.

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为了解决嵌入式系统中多通道USB 3.0设备并行高速数据采集问题,基于FPGA的PCI Express硬核技术设计了一种xHCI(eXtensible Host Controller Interface)协议软核,软核主要包括xHCI协议命令环、等时传输环、控制传输环等功能部分,并应用该软核实现了USB3.0视频相机的控制和数据采集。实验结果表明,设计的xHCI协议软核能够有效、准确完成USB高分辨率相机的控制和数据采集。该方法有效解决了计算机实现多通道USB3.0 设备进行并行同步数据传输的难题,在未来应用中具备更强的普适性和灵活性。

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专题论述

国产ARM架构芯片的多核启动方法研究

葛文博, 柴小丽, 张淡墨

2022, 22(12): 12-15.

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简述在ARM架构多核处理器上部署嵌入式操作系统的过程,并介绍一种主核优先启动并通过ARM异常产生指令SMC唤起从核的主从核唤起的多核启动方法。实验选用FT2000+处理器作为目标板,通过网络加载方式载入ReWorks多核嵌入式操作系统镜像,实现多核操作系统的配置,使系统运行至用户应用入口函数中。最后通过执行测试函数与任务显示指令确认各核状态,对该多核启动方法进行验证。

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专题论述

基于深度学习的跨设备声纹识别方法研究

李伟, 王鹏程, 钟骁, 喇二车龙补

2022, 22(12): 16-19.

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针对传统声纹识别方法在实际应用场景中跨设备情况下声纹识别性能较差的问题,提出了一种基于深度学习的跨设备声纹识别方法,采用了卷积循环网络的模型架构,在声纹注册阶段录制多段语音进行声纹特征的拟合建模,在识别阶段使用了切片降噪方式提取音频中的语音信息,在设备端使用了DSP芯片支持的双麦克采集现场声音。实验结果表明,在跨设备声纹识别条件下,本文提出的声纹识别方法识别准确率高于目前主流的方法,达到80%。

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专题论述

基于RTThread的可信启动实现方法

余小桐, 韩跃平, 唐道光, 武杰

2022, 22(12): 20-23.

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基于国产操作系统RTThread与国产开发板AB32VG1提出一种可信启动实现方法。可信启动框架从建立可信实体与完整性度量方向出发,将Uboot分割为两部分,与操作系统核心文件共同构成可信实体,发送至可信加密模块进行完整性度量,度量成功则返回控制信号至外部设备,并保存可信实体到非易失性存储器中;反之,则禁止启动,可信加密模块作为系统可信根,通过SM4与SM3双重加密完成。在AB32VG1开发板上进行验证,可正确输出控制信号,系统稳定运行、安全启动、多次加密结果正确、可快速完成完整性度量,与预期设计目标一致。

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专题论述

国产嵌入式操作系统故障监测系统设计

姜晟基, 柴小丽

2022, 22(12): 24-27.

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为了更及时地发现并解决嵌入式操作系统中发生的故障,设计并实现了一种基于国产嵌入式操作系统的故障监测系统。该系统主要由核心硬件失效监测、软件故障监测及日志管理三大模块构成。该系统通过监测功能发现故障,利用诊断功能分析故障,通过日志管理功能存储故障信息,最后调用故障处理功能处理故障并打印故障信息。测试结果表明,系统可快速监测到故障发生并诊断出正确的故障信息,使用人员获取到故障信息后即可对故障原因进行分析并对故障进行定位,从而方便地处理故障。

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技术纵横

自动巡轨机器人双车接力系统研究^*

陈华珍, 夏国清, 李金明

2022, 22(12): 28-31.

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设计一种基于灵动MM32F3277G9P的自动巡轨智能双车接力系统。该系统通过摄像头采集图像和电磁信号,经灵动MM32F3277G9P 微控制器处理实现路径规划,并且使用NRF芯片进行两辆车之间的通信,实现机器人之间的交汇以及传递接力棒。实验结果表明,该系统能够以较短的时间进行稳定的传递。

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技术纵横

物联环境下拥堵道路汽车最优通行路径选择^*

苟丹丹, 张开生, 王放

2022, 22(12): 32-36.

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研究并提出了一种基于物联环境下拥堵道路汽车最优通行路径选择的“分布式”算法,通过计算物联环境下汽车行驶路况信息素,构建算法模型,推演拥堵道路汽车最优通行路径信息素发展趋势,标定拥堵道路重复路径优选信息,栅格化处理容易将通行道路信息素和路面障碍物重叠,由此选择基于局部最优和整体最优的拥堵道路汽车通行可行性路径。经过最优道路扩展运算和通行路径细化优选分析,在模拟运行环境下,测试验证了该算法优选方案及其决策支持下的最优通行路径的合理性、安全性与经济性。

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技术纵横

基于IAP的嵌入式系统在线编程设计

文丰, 温倩, 武慧军

2022, 22(12): 37-41.

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为了实现嵌入式系统程序的在线升级,提出一种基于IAP在线编程的程序更新方法。以STM32L431控制器为例,该方法对控制器的片内FLASH进行区域划分,分别存放引导程序、执行程序及待更新程序。系统通过运行引导程序将待更新程序更新到执行程序的FLASH区域,程序更新成功后跳转至新的执行程序运行。该设计成功实现了FLASH程序的在线更新并进行了实验验证,其操作简单、速度快、正确率高。

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技术纵横

基于窄波超宽带的配送车实时定位方法研究

李澥, 黄胜锋, 陈和平

2022, 22(12): 42-45.

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针对某些特殊场景下配送车的定位问题进行分析和研究,提出一种基于窄波超宽带的实时定位方法。在分析窄波超宽带基本原理及先进性的基础上,提出使用飞行时间测距法进行单基站单标签、单基站多标签和单标签多基站多向等测距方法,并针对测距数据提出一套计算指定范围内坐标值的算法,从而实现配送车的实时定位需求。

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技术纵横

RISCV嵌入式操作系统的一种内存保护方法研究

崔永旭, 王鑫, 胡启龙, 樊琳, 梁华, 刘永富

2022, 22(12): 46-48.

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内存保护机制是嵌入式操作系统研究中的一个重点和难点问题。RISCV处理器使用物理内存保护单元(PMP)进行内存访问保护,防止数据区破坏和堆栈溢出引起的系统异常。一般嵌入式系统的内核和各个任务不是孤立的,导致无法在代码区和数据区直接设置内存保护。提出了一种基于RISCV的嵌入式操作系统内存保护方法,操作系统为每个应用分配独立的代码区和数据区,从应用安装、启动、运行到任务切换来获取并设置PMP保护的参数,从而实现了高效灵活的内存保护方法,确保系统稳定可靠地运行。

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新器件新技术

基于FPGA的多数据以太网编帧方法^*

宋佳皓, 熊继军, 洪应平

2022, 22(12): 49-53.

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在一些工业控制或自动化控制领域中,很多设备使用多种对外通信端口,然而多样的对外接口带来冗杂的数据处理问题,不同的数据接口需要不同的协议,且各种通信端口速率不同、传输距离不同,造成了许多不便,而多种通信端口的数据组合不仅简化了冗杂的数据处理问题,而且为其他通信端口提供了联网能力,使得设备可以实现远程控制及数据共享。同时,FPGA的高实时性和高可靠性使设备可在更复杂的工况下工作。本文中的以太网编帧方法实现了将不同通信端口的4种数据转为以太网数据帧。

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新器件新技术

基于机器视觉的颜色分拣机器人设计^*

李琪璐, 路彤, 李明宇, 童艳荣

2022, 22(12): 54-57.

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为了提高分拣工作的效率、降低成本,设计了基于视觉识别的颜色分拣机器人。该机器人将OpenMV作为机器视觉的主要模块,机械臂作为运动模块,通过KPZ51核心系统板完成模块之间的信息互通,基于Lab颜色空间以及CamShift跟踪算法实现了颜色识别与跟踪、物体抓取、串口通信等多种技术。测试结果表明,改进后机器人识别的正确率从56%提高到了92%。颜色分拣机器人能够根据颜色对物体进行分拣。

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新器件新技术

微控制器内置ADC的精度评测系统

温禄泉

2022, 22(12): 58-61.

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现在MCU内部基本都集成了ADC,精度也越来越高,但对ADC精度要求较高的客户来说,想要准确评测一款MCU芯片的ADC精度还需要搭建一个精密测量系统。本文重点介绍了一种基于软硬件实现的自动化测量系统,不但能实现ADC精度测量,还可以在测量完成后对ADC关键误差参数进行快速运算,从而实现ADC精度的快速、准确评测。

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新器件新技术

DW1000模块的UWB定位算法优化研究^*

林刘亮, 陈治铭, 李庚雷

2022, 22(12): 62-66.

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目前UWB技术常用于室内定位。使用DW1000进行测距数据收集,针对信号干扰下的超宽带(UWB)精确定位问题,提出了基于改进的最小二乘法定位优化模型,包括对于干扰和正常数据的分类以及后续的定位。针对干扰信号,结合基站三维几何分布关系,引入与距离相关的权重对算法进行了改进,改进后的模型可将三维误差降低33.31%。最后,对于实际中的UWB定位进行了动态预测以及模拟,效果良好。

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新器件新技术

基于TRL衰减多墙模型的室内定位技术

王新琳, 王伟

2022, 22(12): 67-70.

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在基于接收信号强度指示(RSSI)的室内无线传感器网络定位系统中,无线信号的传播方向由于墙壁的遮挡发生变化使得RSSI测量值不准确,导致信道模型建立困难,无法实现较高的定位精度。因此,提出了一种新的环境自适应路径衰减模型,在传统对数路径模型的基础上,该模型考虑了无线信号遇到墙体时产生的反射损耗和透射损耗并推导出相应的路径衰减,在定位实验中,选取3.5 m作为最佳通信距离,采用三边测量定位算法计算得到未知节点的位置坐标。实验结果表明,所提出的基于TRL衰减多墙模型的定位精度比传统路径损耗模型提高了26.9%,室内定位效果有所提升,且有更好的环境适应性。

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应用精选

星载相机高速图像传输处理系统的FPGA设计

王磊, 黄义, 申一伟, 于栋, 刘琦, 周志娟, 崔雪楠

2022, 22(12): 71-74.

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设计的星载相机高速图像传输处理系统集成了CoaXPress接口相机、CAN总线软核控制芯片、FPGA芯片等,并采用FPGA芯片作为核心处理控制单元,利用其提供的高速吉比特串行收发器、逻辑存储资源等完成系统功能设计与实现。该设计方案在硬件上节约了大量接口资源,实现了来自相机的图像数据的高速下传、处理与传输,通过CAN总线对系统工作状态进行控制。经测试,该系统的图像数据传输速率达到了5 Gbps/通道,且误码率小于10^-12,安全性、可靠性高,并且能够有效调整系统的工作状态,具有较强的实时可控性,为轻小化、集成化图像高速传输产品设计提供了参考价值,具有广阔的应用前景。

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应用精选

FPGA的高精度DDS信号发生器设计^*

黄浩然, 文丰, 贾兴中

2022, 22(12): 75-79.

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出于对信号发生器性能、设计成本等方面的考虑,本文基于FPGA设计了精度高、稳定性强的DDS信号发生器。通过Verilog HDL语言对FPGA编程,构建DDS功能模块,实现基本数字频率合成功能。设计从三方面进行考量,即供电端电源调理电路、FPGA内部进行DDS杂散抑制以及输出端波形信号调理和滤波电路,尽可能抑制电路中噪声干扰和DDS信号调制产生的杂散问题。经过验证,该方案生成波形有效值误差为10 mV,纹波大小为10.20 mV,能实现高精度、高稳定性的信号发生器。

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应用精选

鸿蒙Hi3861 IoT WiFi 模组的智能家居设计

李苏, 何巍

2022, 22(12): 80-82.

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现在智能家居产品存在没有统一的管理标准、产品的实用性不高、产品的价格居高不下等问题,为此本文采用鸿蒙Hi3861芯片作为主控制器,集成了温湿度传感器、光照传感器、智能红外传感器为一体的智能家居系统,实现了环境数据采集以及红外报警功能,并且可以通过华为云平台实现实时监测和控制。大量实验结果表明,该系统操作简单,安全稳定,投入成本低,为用户提供了良好的使用体验,具有一定的推广价值。

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应用精选

MT32L083的RTK高精度定位终端设计^*

于得水, 姚金杰, 孙兴丽

2022, 22(12): 83-87.

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提出了一种基于国产MT32L083的RTK高精度定位终端。该终端不同于网络RTK单终端的设计思路,本设计包括基准站和移动站两部分,具有相同的电路设计,由MT32L083主控电路、高精度定位模块、通信模块和OLED显示模块组成。软件部分基于Keil平台按照模块化设计理念开发,分别实现移动站基准站配置、差分修正数据获取、定位结果获取与解析以及OLED显示等功能。在北斗创新实验室中的实验结果表明,在连续时间内RTK差分定位精度达到毫米级,终端水平定位精度为3~5 mm,天线定位精度为4~10 mm。该终端的设计与开发推动了RTK技术的普及和国产ARM在工程领域的应用。

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应用精选

ZYNQ千兆以太网光收发模块的远距离传输设计

闫凯荣, 甄国涌, 张凯华

2022, 22(12): 88-91.

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在飞行试验中,为解决地面测试设备与远端设备数据通信过程中数据传输速率低、传输距离不足且传输可靠性差的问题,提出了一种基于ZYNQ的“千兆以太网+光收发一体模块”的远距离传输设计。首先,采用Xilinx的ZYNQ7000系列XC7Z015作为主控芯片,PS端通过TCP协议实现与上位机的数据交互,PL端通过调用Xilinx的三速以太网IP核实现与遥测设备的UDP协议通信,PL以太网接收数据过程中设计请求重传机制,保证数据的可靠性传输。其次,增加光收发一体模块,用光缆代替电缆,通过电信号与光信号的转换增加信号传输距离。经验证,将该系统与远端设备通过20 km光缆连接,数据传输速率可达669 Mb/s,数据传输过程中无误码、无丢帧,运行稳定。

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产业技术

如何把脉电子产业的未来？

薛士然

2022, 22(12): 92-93.

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