集成电路与嵌入式系统

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业界论坛

Arduino的崛起——David Cuartielles访谈

Jens Nickel(Elektor), 透镜(译者)

2022, 22(8): 1-3.

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技术专题—智能电表

泛在电力物联网中的智能电表

何立民

2022, 22(8): 4-6.

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技术专题—智能电表

基于区块链的电网用户端大数据匿名化方案研究

胡罡, 兰建辉

2022, 22(8): 7-10.

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针对目前电力系统存在数据处理延迟高和计算开销大等问题,提出了一种基于区块链的电厂核心大数据匿名化网络模型。首先,通过融合雾计算和区块链设计了一个数据聚合框架,从而实现高效、安全的数据聚合过程。其次,基于加密、批量聚合签名和匿名身份验证算法提出了一种安全、匿名的数据聚合机制,从而大大减少计算开销。实验结果表明,所提方案在提高系统安全性能方面呈现出显著优势,当攻击者需要操纵的总数超过500时,所提方案的成功攻击概率接近0。此外,随着智能电表数量的增加,与差分隐私和压缩感知数据聚合方法相比,所提方法计算成本较低。仿真结果进一步验证了所提方案能够提高系统的安全性和鲁棒性。

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技术专题—智能电表

COMTRADE和 FTP协议的关口表中嵌入式采集系统的优化设计^*

张玲, 陈德鹏

2022, 22(8): 11-15.

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为了提升关口表的通信性能和效率,对集成以太网的关口表中的嵌入式采集系统的应用流程进行优化设计。首先基于COMTRADE协议针对电表的故障录波记录的查询和读取进行详细的自定义;其次采集系统通过UART周期性采集电表中更新的COMTRADE历史数据、存储到FTP服务器,并对数据量大的dat文件进行插值处理;再次从整体上提出建立一种优先级机制来实现采集器模块和电表之间存在多种通信请求时的高效并发请求管理。试验结果表明,相比传统方案,自动采集电表历史数据响应客户端故障录波记录查询速率有所提升,为关口表中嵌入式Linux采集系统的软件开发提供了新的解决思路。

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技术专题—智能电表

一种智能电表操作系统的程序空间管理方法^*

王鑫, 胡启龙, 袁瑞铭, 庞振江, 杜君, 李文文, 樊琳

2022, 22(8): 16-19.

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随着日益丰富的电力应用场景的出现,传统电能表无操作系统开发模式和以电能计量为核心业务的功能体系已经无法满足未来复杂多变的应用需求。为了拓展电能表的应用,响应OIML IR46电能表国际建议,国家电网有限公司提出了下一代电能表的技术标准。新标准全面优化了电能表的设计方案,提出了各功能模块统一平台、独立开发、独立运行、互不影响的技术要求。传统电能表的应用程序管理模式已经不能满足新标准的要求。本文提出了一种基于电能表操作系统的应用程序空间管理方法,能够在有限的软、硬件资源下实现应用软件存储空间的灵活管理与安全防护。

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专题论述

基于RISCV架构的CORDIC指令集设计与实现^*

郑添, 蔡刚, 黄志洪

2022, 22(8): 20-23.

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本文提出了一种基于RISC-V架构的CORDIC指令集及实现方法,可直接减少执行的指令数量,通过采用独热码编码来减少译码逻辑资源的消耗,通过复用处理器算术逻辑单元来减少算术逻辑资源的消耗,通过预存特殊角度结果来减少计算时间,通过优化选择电路来提高工作频率。该方法在Zynq 7020平台上进行了实现。结果表明,相较于使用基础处理器指令计算的方法,指令数量压缩了97%,计算时间减少了43%;相较于传统CORDIC电路进行计算的方法,寄存器资源减少了79%,工作频率提升了65%,计算时间减少了39%。

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专题论述

RISCV指令集的SM4专用协处理器设计

武文彪, 韩跃平, 唐道光

2022, 22(8): 24-28.

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针对进口信息产品存在安全隐患以及RISC-V架构在安全领域产品严重缺乏的问题,设计了一种可以提高SM4密码算法运算效率且完全自主可控的协处理器。协处理器采用三级流水线结构提高指令执行效率,扩展5条自定义指令用于完成SM4运算,内部封装SM4运算单元以减小对数据通路的影响、便于后续扩展。借助FPGA开发板,在50 MHz的时钟频率下进行验证。验证结果表明,与无指令扩展的处理器相比,本设计密钥扩展运算效率提高了5.8倍,加密运算效率提高了5.5倍,解密运算效率提高了6.4倍,所提出的方案可显著提高SM4运算效率。

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专题论述

智能家居控制命令的语义分析方法

陈良富

2022, 22(8): 29-31.

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介绍了一种中文语义的分析方法,用于对智能家居控制命令进行理解、分析,以便进一步对家居系统内的各种设备进行控制。分析主要通过语料和槽位里的实体集合来理解控制命令。用槽位分析的方法可以方便实现智能家居语音控制命令分析,控制精确,尤其适合嵌入式应用。在实际使用中,能够有效达到控制目的。

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专题论述

RISCV架构的一种指令自动对齐电路^*

刘德, 魏敬和, 高营

2022, 22(8): 32-36.

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基于RISC-V指令集架构实现了一种指令自动对齐电路。该电路可以将指令缓存发送过来的32位指令数据进行分解,从中解析出正确的指令。当指令缓存发送过来的32位指令数据对应的地址不是4字节对齐时(地址的低两位不是00)时,该电路可以自动将下一拍取指令数据的地址对齐到4字节,同时给出指令是否有效的指示标识;当指令地址4字节对齐时,该电路对指令数据进行分析,给出指令有效的标识、指令和对应指令的实际地址。给出的指令对齐电路的延时为4级两输入逻辑门,适用于高频标量处理器的前端取指令电路。

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技术纵横

便携式WiFi探针的人员溯源追踪器设计^*

罗回彬, 周肖树, 黄嘉爔

2022, 22(8): 37-41.

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针对在人群密集区域人员管控追踪搜查问题,设计一款基于WiFi探针的便携式追踪器。首先,选用两块ESP8266芯片进行硬件电路设计。其次,通过对ESP8266芯片软件编码,可以捕获手机发出的802.11探针包,且可以进行WiFi联网传输。再次,通过解析探针包可获得手机的MAC地址以及信号强度。最后,将采集的探针数据RSSI转换为距离,即可实时获得目标用户的方圆位置,追踪器可以判断一定范围内是否存在目标人物。此外,追踪器搭配蓝牙、WiFi、GPRS等通信模块可以将探测到的数据发送至用户手机或者远程服务器。WiFi探针追踪器硬件成本低且使用简单,可以较好地应用于人员追踪溯源领域。

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技术纵横

双传感器特征融合的语音识别系统研究^*

余伟, 陈向东, 丁星

2022, 22(8): 42-46.

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针对噪声环境下麦克风系统识别率降低的问题,提出一种基于双传感器特征融合的语音识别系统。利用STM32单片机同时采集说话人发声时的皮肤振动语音信息和麦克风语音信息,通过WiFi发送至上位机,将双路语音特征MFCC参数融合并与隐马尔可夫模型结合用于孤立词识别研究。实验结果表明,在安静和噪声环境下,与单一麦克风语音识别系统相比,此系统具有更高的识别率和更强的抗噪能力,鲁棒性更好。

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技术纵横

输电系统信息交互过程丢失数据的恢复方法^*

吴雪, 王静怡, 诸德律, 卢璐

2022, 22(8): 47-51.

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输电系统在运维过程中容易出现数据信息丢失,导致数据中心网络不稳定、数据架构不安全。为了提高数据交互能力,该研究设计了输电系统信息物理协同恢复的数据中心网络架构,构建了基于VL2的网络架构,在遭到网络攻击、信息物理攻击后,通过协同恢复策略,能够调整网络结构中的数据信息,将影响输电系统信息物理协同中心的数据消除,进而提高了网络信息安全能力。在输电系统的接收设备末端应用单环路结构的CDR电路模型,采用半速率类型的鉴相器,并加入数据同步单元,数据中心网络通过提前进行备份本地副本的数据来保证信息的容错,应用改进的Paxos一致性算法协议进行数据恢复。实验结果表明,本研究数据中心网络的数据恢复效率高,数据恢复时间小于250 s。

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技术纵横

用电阻抗测量的人体成分分析方法研究^*

孙丙帅, 薛济廷, 宣艳, 张鹏

2022, 22(8): 52-56.

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为了实现人体生理成分的测量及定量分析,本文基于人体电阻抗信号设计了一套以AD5933芯片为基础的硬件扩展电路和以PSO-ELM预测算法为核心的采集及分析系统,能够实时采集并分析人体电阻抗信号,将不同频率下的人体电阻抗信号加以处理及分析,从而实现人体生理成分的测量。在此设计中完成了对系统的整体调试并对人体电阻抗等相关数据进行采集处理。分析结果表明,该系统运行稳定,准确率较高,符合预期的设计要求。

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新器件新技术

FPGA的多通道时域均匀采样系统研究^*

任彦良, 陈鸿, 岳凤英

2022, 22(8): 57-60.

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设计了一种基于FPGA的多通道多采样率的数据均匀采编系统。系统以Spartan-6系FPGA为主控制器。硬件部分采用三阶有源低通滤波对信号进行抗混叠处理,确保数据采集的精确性;逻辑设计部分读取ROM地址表,将不同采样率信号通过模拟开关以1 137 ns的切换频率送入真12位模/数转换芯片,实现高效采集时序。经过实物测试,对于不同档位模拟信号均可实现采集精度优于0.5%的高精度采集,完全符合设计要求,目前已应用于实际生产中。

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新器件新技术

基于三维成像的泄水闸水平位移瞬态探测方法

孔德博, 杜丽雯, 温旋

2022, 22(8): 61-65.

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为及时了解泄水闸变形状况、确保水利枢纽工程安全运行,研究了基于三维成像技术的泄水闸水平位移瞬态探测方法。使用基于光学投影层析的三维成像技术采集泄水闸图像,通过基于图像处理技术的泄水闸水平位移瞬态探测方法,结合光斑识别、图像滤波、边缘检测、圆心拟合4种图像处理技术,提出光斑差分圆拟合中心定位算法,确定采集图像的光斑中心,将十字标靶中心位置作为参照点,测量光斑中心相对于参照点的偏移量,实现泄水闸水平位移瞬态探测。实验结果表明,所得光斑曲线轮廓完整度较高,且各图像光斑中心定位位置较为准确;各探测点的瞬态探测结果与采用监测伸缩仪获得的实际结果基本一致;泄水闸水平位移呈年周期性变化,并与温度成反比。

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新器件新技术

基于FreeRTOS CLI的语音通信程序状态监视系统设计

李华辉, 田有益, 沈勇, 邓斌

2022, 22(8): 66-69.

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为了消除程序状态信息反馈对语音通信质量的影响、实时监控嵌入式实时操作系统的运行状况,以及掌握程序开发过程中的各个程序执行的情况,设计了一种基于FreeRTOS CLI的语音程序状态监视系统。该系统基于Free RTOS实时操作系统,以STM32F407为核心,以WM8978为语音处理器,使用该系统,PC端能够通过USB虚拟串口监视整个语音通信系统的运行状况,有助于整个软件开发过程中的程序调试。在程序开发完成之后,通过该系统可以对设备话筒、扩音器等进行音量及音质调整。

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新器件新技术

基于MIPS32指令集对斐波那契数列的设计与实现

吴亚文, 韩跃平, 唐道光

2022, 22(8): 70-74.

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基于MIPS32指令集架构设计了一款可以实现斐波那契数列的处理器。处理器设计没有运用经典五级流水线技术,而是设计了六级流水线,并且采用数据定向前推的方法解决数据相关问题以及延迟转移,采用分支延迟槽的方法解决控制相关问题。设计完成后,使用Modelsim仿真软件对处理器进行指令集及功能仿真,仿真结果表明,在50 MHz时钟频率下处理器指令集及功能正常运行。最后,在FPGA开发板上进行验证,实现了软件与硬件交互,验证结果表明,该设计可以正确实现斐波那契数列,满足预期设计要求。

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应用精选

高波特率网口与串口的转换模块设计

陈晓锦, 刘跃成, 刘慧芳, 甄国涌, 李亚政

2022, 22(8): 75-78.

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为实现以太网接口与RS422目标设备之间的数据透明互传功能,设计了自适应数传速度的网口串口数据互传工装。该工装以STM32F407ZGT6单片机作为主控制单元,设计了RS422接口电路。实验结果证明,该工装能够实现网口与串口双向互传,串口波特率能够达到3 Mb/s,13小时数据收发不丢包,具有较高的性能和可靠性。

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应用精选

同步串行接口QSPI的设计与验证

陈奇, 任敏华, 张福志, 张碧杨

2022, 22(8): 79-82.

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本文介绍了TI 公司Sitara 系列 AM437x处理器集成的QSPI接口的基本结构、工作原理和工作模式;并深入分析了QSPI协议,借助现有IP资源,采用Verilog HDL语言对QSPI接口进行描述,在EDA工具的支持下完成了QSPI接口的自主设计;最后搭建仿真验证平台,以QSPI接口连接串行NOR Flash为应用实例进行仿真验证并顺利通过。

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应用精选

FPGA的超声渡越时间测量系统设计

聂仁智, 崔永俊

2022, 22(8): 83-86.

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传统的超声波渡越时间测量方法有许多不足之处,如测量精度不高、需要手动保存数据等。针对以上问题,本文提出了基于FPGA的超声渡越时间测量系统,以FPGA为主控、MS1022为测量核心,采用脉冲计数法和粗测量与精测量相结合的时差法测量超声渡越时间,再经格拉布斯准则处理,剔除粗大误差,处理后的数据在上位机实时显示并自动保存。测试结果表明,系统分辨率可达到0.01 μs、误差率在1%左右,且具有体积小、使用灵活等优点,可广泛应用于相关领域。

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应用精选

基于FPGA的CAN总线控制器全模式应用设计

郁文君, 张恒, 唐渊

2022, 22(8): 87-91.

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基于独立的CAN总线控制器SJA1000,在Intel和Motorola两种接口控制时序下的BasicCAN和PeliCAN模式的应用设计研究,为汽车、船舶、航天等大规模使用CAN总线进行数据传输的领域提供了多种应用设计方案。采用型号为EP4CE10F17C8N的FPGA对SJA1000寄存器读写时序、数据发送和接收逻辑的设计以及与上位机通信、数据校验方法。通过FPGA模块和SJA1000模块组合,设计SJA1000使用Intel或者Motorola接口控制时序时数据收发功能的Verilog程序,利用CAN分析仪和上位机软件进行数据交互、数据校验试验,实现了FPGA对SJA1000在BasicCAN和PeliCAN模式下的寄存器初始化和数据收发功能,并且在与上位机进行交互数据时确保了数据的实时性和正确性。

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产业技术

在IAR Embedded Workbench中如何利用堆栈保护提升代码安全性？

IAR Systems

2022, 22(8): 92-96.

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