集成电路与嵌入式系统

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业界论坛

1990年代的数字化

Thomas Scherer博士(德), 禾沐(译者)

2022, 22(6): 1-5.

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专题论述

中压环境下多种数据的分布式存储与并行计算系统设计

赵爱华, 黄少雄, 宋光明, 程辰, 刘赟

2022, 22(6): 6-10.

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针对当前中低压环境中数据存储能力差、数据计算和分析能力差的问题,提出了一种新型计算系统设计。采用的方法是设计出一套包括数据层、存储层、计算层和应用层的分布式存储与并行计算系统,该系统兼容HBASE、HIVE、SPARK多种数据存储方式,提高了数据兼容能力,可通过调用函数实现不同数据属性之间的数据交互和存储,并通过引入TMS320C6713处理芯片提高了数据的计算能力。试验结果表明,本研究方法有效提高了中低压设备分布式数据存储和计算能力,具有一定的技术进步性。

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专题论述

一种星型拓扑的国产化以太网交换系统

王毅, 钱宏文, 张禹

2022, 22(6): 11-14.

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本文设计开发了一种星型拓扑的国产化以太网交换系统。设计系统采用EEPROM的启动配置模式,实现多片交换芯片SF2507的启动和级联,该系统能够支持16路自适应以太网的交换和数据通信。本文设计的系统采用内置5端口的PHY收发器交换芯片,开发成本低、设计简单、使用便利。利用该系统对接16路网络摄像头同时进行测试验证,系统能够正常传输16路网络视频数据,满足设计指标和要求,为国产片化网络交换机系统的设计开发提供了一种解决方案。

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专题论述

基于旋转门-数据平滑度自适应算法的工业数据采集网关研究和设计

覃桢桢

2022, 22(6): 15-17.

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本文采用一种旋转门-数据平滑度自适应采集策略,实现了对工业现场数据采集间隔的动态调整。与传统的等间隔时间数据采集方法相比,旋转门-数据平滑度自适应采集策略实现简单且运行高效,大幅降低了数据采集量和数据传输量。

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专题论述

基于FPGA的类脑计算平台通用系统架构设计^*

朱铮皓, 华夏, 徐聪, 柴志雷

2022, 22(6): 18-21.

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目前,类脑计算所面临的最具挑战性的问题之一是如何高性能且低功耗地进行大规模类脑仿真。本文选用应用生态完整、支持大规模仿真的NEST类脑仿真器,针对NEST类脑仿真器可移植性差、仿真速度慢等问题,设计了一种ARM+FPGA的类脑计算平台的通用性系统架构。本设计采用硬件加速神经元计算模块、通用数据传输接口设计、软硬件协同设计等方法提升了NEST类脑仿真器的性能。在3款类脑计算平台上证明了该架构的可行性,为类脑计算平台提供了一种通用解决方案。

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专题论述

实时操作系统RT-Thread启动流程剖析

赵剑川, 赵静, 欧启标, 张宇, 张检保

2022, 22(6): 22-25.

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RT-Thread是一个物联网实时操作系统(RTOS),它提供了线程调度、时钟管理、内存管理、线程同步与通信、中断管理等基本功能要素,具有组件完整丰富、高度可伸缩、简易开发、超低功耗、高安全性等特点。在深入分析RT-Thread的功能要素和函数调用关系基础上,简要给出了其在STM32单片机芯片上的启动流程,重点剖析了RT-Thread的芯片上电、板级初始化、定时器初始化、调度器初始化、线程创建、线程切换等流程,可作为RT-Thread在不同微控制器上移植的技术基础,也可作为分析其他RTOS启动过程的技术参考。

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技术纵横

组合导航系统时间保持的软硬件设计

任晓峰

2022, 22(6): 26-28.

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现有组合导航系统刚上电时,系统无时间信息,只有获得全球导航卫星系统(GNSS)时间信息后,组合导航系统才会有时间信息。本文为组合导航系统增加时间保持电路,通过FPGA完成时间保持电路的时间初始化、时间保持、时间修正。系统下电时,使用内部电池对时间保持电路进行供电,实现组合导航系统的时间保持功能。测试结果显示,时间保持电路满足使用精度要求。

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技术纵横

基于YoloV3的实时视频行人检测算法

张梦鸽, 李健, 陈慧雯

2022, 22(6): 29-32.

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本文提出一种基于YoloV3的视频检测算法,使用Mobile-Net的思想优化模型,并采用基于三帧差分法和粒子滤波的视频运动自适应推理算法,充分利用视频前后帧之间的目标关联性,将其部署在VisionSeed上。实验结果表明,在COCO数据集上实现了0.331 s的单帧检测速率,速度提升了31.9%,满足了嵌入式平台的运行要求。

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技术纵横

基于嵌入式技术的电力监控网络数据安全传输方法

陈明亮, 李鑫, 谢国强

2022, 22(6): 33-37.

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传统的数据安全传输方法在写入数据时使用单线程方式,导致数传输速度较慢。为了提高数据传输效率,本文基于嵌入式技术设计了一种新的电力监控网络数据安全传输方法。首先,将数据代换由单线程变为多线程,使用字节代换与位移代换方式分组加密与解密电力监控网络数据;然后,基于嵌入式技术重组数据流、设定加密与解密系数,并校验电力监控网络数据的安全性与完整性;最后,在提取哈希函数值基础上,设计了电力监控网络数据安全传输算法。测试结果表明,嵌入式技术在数据加密、数据传输以及数据解密中用时均少于传统方法,可见本文方法在传输数据时用时最短、效率最高。

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技术纵横

嵌入式图像识别的机器人路径追踪系统

李亚娟

2022, 22(6): 38-41.

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为了解决传统路径追踪系统追踪精度低的问题,本文设计了基于嵌入式图像识别的机器人路径追踪系统。系统利用内核驱动层的图像采集模块驱动硬件层的CCD摄像机,采集行驶路径的图像信息并传送至同层的控制模块;控制模块选用TMS320DM6437将图像信息传送至业务支持层的图像识别模块;图像识别模块通过边缘提取等过程识别路径信息,将识别结果传送至路径追踪模块,并在通信模块中利用无线通信网络在追踪界面展示路径追踪结果。实验结果表明:在不同光照强度下,该系统得到的机器人路径追踪结果的位移偏差小于2 cm、角度偏差小于1°,说明该系统具有优越的路径追踪性能。

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技术纵横

一种时间冗余的网络接口容错方法^*

庄宇翔, 庄毅

2022, 22(6): 42-46.

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本文提出了一种时间冗余的网络接口容错方法,使用记录表对每个请求数据包进行记录,并在奇偶校验检错模块检测到错误时进行快速重传,以保障网络接口的可靠性。本文对i.MX 28评估套件的网络接口进行了故障源分析,运用本文提出的方法设计了网络接口的容错方法,通过模拟网络接口故障注入实验对所提出的方法进行评估。实验结果表明,该容错方法降低了软错误导致的网络接口失效率,可以在较小的开销下提高网络接口的可靠性。

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新器件新技术

用于FPGA的双向引脚多功能复用电路

张鑫刚, 邵春伟, 薛培, 沈小波, 官剑

2022, 22(6): 47-50.

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提出一种应用于含有多个功能模块的FPGA工程中的电路,使多个功能模块可以共享多个FPGA双向引脚。通过允许用户在不获得FPGA工程原代码的情况下实时切换功能模块所占用的FPGA的双向引脚来提高FPGA工程固化后的应用灵活性。通过减少FPGA的双向引脚使用数量来解决VLSI验证应用领域的引脚数量瓶颈。仿真结果表明,该电路理论切换延迟最大为1个系统时钟周期。将该电路应用于含有4个功能模块的FPGA工程中,FPGA的双向引脚占用率最多可降低75%。推导出含有2~8个功能模块的FPGA工程中的引脚占用率降低范围最多可达50%~87.5%。

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新器件新技术

对SSD模型改进与优化的人脸检测算法研究^*

宁小鸽, 张闯, 牟莉

2022, 22(6): 51-56.

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本文提出基于MobileNetV3-CBAM+SSD的人脸检测模型,首先将MobileNetV3轻量化网络代替SSD 模型的主干特征提取网络VGG-16,提高了模型的检测速度,然后在SSD模型中引入CBAM轻量级注意力机制,提高了模型的检测精度,最后将本文所提算法与SSD和MobileNetV3-SSD算法进行实验性能对比。实验结果表明,本文提出的人脸检测模型在DataSet数据集下平均精度均值达到94.58%,提高了9.91%,检测速度提高了42帧/s,计算参数和模型大小减少,基本满足应用要求。

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新器件新技术

CAN总线与以太网的核数据传输系统设计^*

曾骏, 谷伟, 吴昌成, 杜志恒

2022, 22(6): 57-60.

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针对核工业现场传感器数量多、传输距离远、对实时性和稳定性要求高、集中化管理手段缺乏、无法接入网络等问题,本文设计并实现了串口转CAN总线集中化管理系统,将核辐射数据封装成帧再转以太网联网传输。系统以STM32F103处理器为核心,将不同辐射数据接收放入三级FIFO邮箱中,通过轮询方式读取FIFO中的数据并进行封装,将封装好的数据帧放入环形缓冲区,最后通过移植LwIP轻量级协议栈系统的网口传输到上位机。测试CAN总线上3个设备节点的工作情况,结果表明,系统稳定、无误码,符合设计要求。

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新器件新技术

一种基于FPGA的SD卡控制器设计方法

时润茁, 王黎明, 李伟, 张凯, 李舒

2022, 22(6): 61-64.

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针对使用SD卡实现高速大容量数据的存储问题,设计了一种基于FPGA的SD卡控制器。目前使用微处理器驱动SD卡时主要使用SPI模式,但SPI模式存储速度较低,若要实现高速大容量数据的存储,需要开发一种基于SD模式的SD卡控制器。本文选取FPGA进行控制器的设计,将控制器主要分为时钟分频模块、命令响应模块、数据传输模块以及CRC校验模块,并使用ZYNQ7010芯片的FPGA部分进行各个模块的仿真验证,充分利用FPGA的可扩展性及SD模式的存储速度优势,为使用SD卡实现高速大容量数据存储提供支持。

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新器件新技术

GNSS技术与多传感器融合的滑坡监测系统研究^*

陈昌兵, 李宏, 陈征, 董云开, 吴立恒, 王文博

2022, 22(6): 65-69.

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本文设计了一种基于GNSS技术与多传感器融合的滑坡监测系统,该系统采用低功耗设计思路,通过RT-Thread操作系统实现多任务处理与低功耗模式运行,具有与滑坡监测预警云平台通信、GNSS网络RTK实时动态高精度定位、多传感器融合、监测数据实时采集处理、滑坡地质灾害预警等功能。实验结果表明,该系统运行功耗低、数据传输速度快、可靠性高、位移监测精度可达毫米级,满足对滑坡体进行高精度变形监测预警的需求。

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应用精选

室内遥操作移动抓取机器人系统设计^*

张英坤

2022, 22(6): 70-73.

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设计了一种基于遥操作技术的移动抓取机器人,包括机械执行系统和控制系统,主要由四驱全向移动平台、三自由度机械臂、欠驱动二指机械手和由无线相机构建的远程监控系统组成。试验结果表明,设计开发的移动抓取机器人具有良好的遥操作性能,在对目标物体的移动抓取作业过程中,全向移动平台、机械臂、机械手及远程监控系统能够协调控制,且机械手在可靠抓取的同时不会对目标物体造成破坏。

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应用精选

基于ZYNQ加速的帧差法运动目标检测

文丰, 王乐群, 张凯华

2022, 22(6): 74-78.

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针对运动目标检测算法在传统PC端上实时性较差的问题,设计了一种基于ZYNQ硬件加速的运动目标实时检测系统。将摄像头采集的彩色视频流转换为灰度视频流并进行图像处理来实现运动目标检测,并将检测后的结果与原彩色视频流叠加来显示实时检测结果;选用经典的帧差法,并在ZYNQ平台上设计和实现该算法,在VDMA存储中使用乒乓操作加速,中值滤波进行图像处理时使用流水线操作并行加速,大大地提高了算法处理速度。设计实现后对传统的CPU+OpenCV实现横向对比分析,结果表明ZYNQ平台在实时性上具有明显优势。

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应用精选

基于树莓派的鸟类识别和分类系统设计^*

张宇, 施炯, 蒋望, 沈子昂, 丁子轩

2022, 22(6): 79-81.

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以运行Raspbian系统的树莓派为基础,利用微软认知服务设计并实现了一种鸟类识别和分类系统。本文主要介绍了系统整体设计、所需硬件资源、程序设计及实现。同时,以一种公开的鸟类数据集为例,给出了具体的测试结果。该系统可以帮助人们更好地记录濒危鸟类、了解鸟类,从而提高研究和保护野生动物的能力。

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应用精选

FPGA芯片的多路模拟信号源设计^*

甄国涌, 李亚政, 贾兴中

2022, 22(6): 82-86.

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基于国产FPGA芯片FMK50设计了一种多路高精度模拟信号源。设计由FPGA控制14位高精度DAC完成D/A转换,将产生的信号通过高速模拟开关及采样保持电路实现96路输出;采用内部ADC配合上位机设计自检模块对96路输出信号进行回采与标定。测试结果表明,系统在100%国产化的基础上稳定输出可配置的0~5 V电压信号且精度优于0.2%FS,自检模块设计大大提高了系统的输出精度及自动化程度。

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应用精选

基于YOLOx目标检测算法的口罩佩戴检测系统设计

刘颖, 张雪松, 刘吉越

2022, 22(6): 87-91.

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本文提出了一种基于YOLOx的口罩佩戴检测方法。该方法首先对输入模块进行改进,加入双向弱光自适应网络模块,引入弱光特征,增强了模型在复杂环境下检测的鲁棒性。其次,增加了各种遮挡下的口罩佩戴检测,提高复杂环境下目标的识别精度。最终,为了测试检测效果,在佩戴口罩数据集上进行对比实验。实验结果表明,改进后的算法在实验数据集上将口罩佩戴检测mAP提高了约1.35%、达到了94.75%,而且在复杂环境和弱光环境下的检测效果也得到了较好的提升,具有较强的泛化能力。

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产业技术

揭开人工智能的面纱

是德科技全球企业和产品营销副总裁 Jeff Harris

2022, 22(6): 92-92.

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产业技术

MCU如何发挥电气化设计的全部潜能？

德州仪器

2022, 22(6): 93-96.

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