集成电路与嵌入式系统

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业界论坛

新的I3C协议是I²C当之无愧的继承者？

Tam Hanna(Slovakia), 透镜(译者)

2023, 23(11): 1-3.

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专题论述

OpenHarmony当前进展和未来趋势

连志安

2023, 23(11): 4-9.

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OpenHarmony是由开放原子开源基金会孵化及运营的开源项目,面向全场景、全连接、全智能时代应用场景,基于开源的方式搭建一个智能终端设备操作系统的框架和平台,促进万物互联产业的繁荣发展。自2020年9月开源以来,已经吸引5 000多名社区共建者、50多家共建单位、近亿行代码;版本也从1.0升级到当前最新的3.2 Release版本,系统快速成熟。本文将从操作系统的发展历史、OpenHarmony发展历程、OpenHarmony与Android对比、技术架构、生态建设等维度展开,带读者深入了解OpenHarmony。相信未来OpenHarmony会发展成一个知名的操作系统,在装机量、应用数量上有重大突破,成为万物互联时代的新一代操作系统。

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专题论述

WIoTa和5G融合的移动定位终端研究与设计

田炜, 蒋增文, 黄武, 李刚锋

2023, 23(11): 10-13.

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研究了现有人员定位移动终端的发展现状及适用于人员移动定位终端的主流技术,针对现有移动定位终端在功耗和定位精度面临的问题,设计了一种具备差分定位功能的融合WIoTa及5G通信的移动定位终端。通过分析差分定位原理提出了一种将WIoTa AP与定位基准站融合的方法,消除了差分定位对额外电台或移动网络的依赖,基于WIoTa通信实现区域内差分数据的传输,并通过5G实现定位信息上云。本文基于UCM202、UM626N和RG200U等芯片实现了定位系统,并搭建了测试环境进行实地测试。测试结果表明,该系统在空旷环境下可达厘米级定位精度、在室内靠窗位置可达分米级定位精度,同时具有更小体积、更低功耗。

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专题论述

基于FPGA的UART自适应接收IP核设计

徐胜, 文丰

2023, 23(11): 14-16.

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为解决串行传输时发送方波特率多变情况下接收方每次都需要与发送方进行波特率约定的问题,设计了UART自适应接收IP核,在FPGA内部设置波特率库,利用0校验位和空闲位持续时间准确识别波特率,实现了UART的自适应接收,同时基于VHDL将整个模块封装为IP核,进一步提高了设计的通用性。通过Vivado内部仿真工具进行仿真,仿真结果表明,本设计可以在设置的波特率库下进行UART的自适应接收。

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专题论述

Microblaze软核处理器的启动时间优化

王超, 钱宏文, 倪文龙, 伍振宇

2023, 23(11): 17-20.

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基于Xilinx FPGA上运行的Microblaze可编程软件处理器,首先介绍了SREC格式,以及利用Xilinx SDK集成的SREC SPI Bootloader引导应用程序启动流程,并指出流程中存在的不足。然后介绍了ELF文件结构,并根据ELF文件特点重写Bootloader程序,改进后的Bootloader流程中,不再进行SREC与ELF之间的格式转换,大大减少了启动过程中内存拷贝次数,有效缩短了启动时间。最后,通过不同系统主频下两种Bootloader的引导应用程序启动时间测试,证明了改进的Bootloader程序的高效性。

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专题论述

5G环境下微服务架构的自组网通信网关设计

刘虎, 彭放, 赵赫奇, 张文雅, 陈屹婷

2023, 23(11): 21-24.

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针对当前自组网通信网络转发与协作能力差,导致网关内各个节点通信数据包分组投递状态不佳、端到端延时长的问题,在5G环境下设计了基于微服务架构的API网关协同接口,实现微服务的动态协同工作。构建5G网关切片生命周期管理模块,设计微服务架构后端松散耦合协作服务集群结构,获得每个组件松散耦合协作服务配置信息,实现网关配置化。计算5G环境下自组网通信范围,调整节点密度,通过自组织通信网关就近接入,计算动态网关在一定时隙内的预期效用,实现动态网关均衡博弈状态下的转发与协作。由测试结果可知,端到端时延最长仅为3 s,说明所设计的网关具备良好转发与协作能力。

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专题论述

国产化RISCV芯片的健康管理工程设计及实践

王铜柱, 张宇, 罗云鹏

2023, 23(11): 25-28.

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为了实现基于国产化RISCV芯片的低成本健康管理工程,提出了一种使用两颗低成本单片机的级联方案。将健康管理工程互为备份地实现在两颗芯片上,通过芯片间交互协议同步信息,同时主控芯片也可访问到单片机上的信息。实测结果表明,基于国产化RISCV芯片的健康管理工程能够实现稳定、可靠的数据传输,满足系统设计需求。

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技术纵横

自适应选择的空间电源系统故障检测技术

南作用, 钟志刚, 陈任翔, 王亚

2023, 23(11): 29-32.

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为了提高空间电源系统故障检测准确度,将卷积神经网络(Convolutional Neural Networks,CNN)与长短期记忆(Long Short Term Memory,LSTM)相结合,提出了一种自适应选择的空间电源系统故障检测模型,从而实现空间电源系统的故障检测。通过建立数字孪生虚拟模型引入典型故障,增加故障数据种类和数量,作为训练模型的数据集;采用CNNLSTM算法对样本数据集进行机器学习和训练,从而构建故障检测模型。通过实验验证了CNNLSTM模型故障检测准确度可达98%且损失函数值较少;在对各类型故障检测上,平衡F分数最低为96%,最高可达100%,更进一步说明提出方案的有效性和可行性,具有一定的实用价值。

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技术纵横

基于结构光3D视觉的空间姿态识别系统设计

谭小兵, 李伯明, 陶文华

2023, 23(11): 33-36.

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为提高产品零件空间姿态识别的精度和收敛速度,提出基于结构光3D视觉对空间姿态识别的方法。首先,采用投影仪和相机获取产品零件图像信息,利用相移法获取深度信息,通过深度图点云重建获取3D点云数据;然后对3D点云数据进行特征处理和分类时,建立点云网络(Point Network,PointNet)模型;最后,采用改进的迭代最近点(Iterative Closest Point, ICP)算法对3D点云数据配准,从而实现产品零件姿态的识别。实验结果表明,该方法在对产品零件点云特征分类性能上,准确率能达到96%左右,召回率能稳定在92%左右;在配准精度和收敛速度上,较其他两种方法更优越,进一步验证了该方法的有效性和可行性。

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技术纵横

基于FPGA的DDR4高速存储模块设计

刘帅, 焦新泉, 李辉景

2023, 23(11): 37-40.

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设计了一种有更高传输速率和更大带宽的存储模块来满足更高的数据存储需求。该设计采用Xilinx公司的UltraScale系列高性能芯片作为FPGA主控制模块,后续基于原有模块设计并外挂了4片容量为1 GB的DDR4内存芯片,结合片上DDR4控制模块实现对内存的读/写控制,通过FPGA内部集成的DDR4 SDRAM IP核进行例化核设计。通过实验验证,DDR4在300 MHz系统时钟频率下能够进行正确的读/写操作,无数据丢失,保证了高速率、大带宽数据的正常传输,证明该机制具有良好的可靠性及适用性。

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技术纵横

基于LVDS的高速远距离传输优化设计

郭红伟, 文丰, 李辉景, 杨志文

2023, 23(11): 41-44.

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针对远距离高速LVDS信号在传输时存在抗干扰能力差、失锁、误码以及丢数等问题,在硬件和软件两方面都做出相应优化设计。在硬件设计上,发送端采用驱动器实现预加重技术,增大电压输出摆幅,增加磁隔离器,增强抗干扰能力,接收端使用均衡器补偿信号在传输中的损耗;在软件逻辑上,设计了一种新型具有自纠错的6B/10B编码方式,对有效数据增加监督码元,不仅可以均衡频谱来减少串扰,且保障了数据的正确性,满足高速传输的可靠需求。多次试验结果表明,该设计可以实现在100 m双绞线屏蔽电缆下400 Mb/s的无误码可靠传输。

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技术纵横

eMMC高速阵列双备份智能存储系统^*

王洋, 张会新, 闫文璇, 姚玉林

2023, 23(11): 45-48.

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针对传统存储器使用单份eMMC进行存储时存在的传输速率较低、可靠性较差和智能化水平较低等问题,设计了一种基于eMMC高速阵列双备份智能存储系统。通过将4片容量为64 GB、型号为KLMCG8GESDB04Q的三星eMMC芯片分成两份组成阵列,采用并行操作方式进行双备份存储。同时加入了断电续存的功能,即使出现系统偶然瞬时断电,也不会出现已存储的数据被覆盖的问题。试验测试与数据分析结果表明,该系统写入速度为152 MB/s,读出速度为83 MB/s,存储容量为118 GB。即使在有限数量eMMC失效的情况下,存储器仍能满足航天飞行记录器的各项技术指标要求。

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新器件新技术

基于ZYNQ的CLAHE图像增强算法实时加速设计^*

李晓琪, 王云峰, 吴倩楠, 洪应平

2023, 23(11): 49-53.

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在低照度环境下,CMOS传感器采集的图像整体效果偏暗,用传统的图像处理方式进行增强速度较慢,满足不了实时性要求,为此,本文设计了基于ZYNQ的CLAHE图像增强算法。CLAHE增强算法主要通过对分块后的直方图进行限幅操作,再利用双线性插值算法消除块状效应来对较暗的图像进行处理,能够提高图像的整体质量并保留局部的细节,防止在像素增强的过程中将噪声放大。在HLS设计的算法中循环使用pipeline流水线操作指令以提高计算的并发性和吞吐率。最后,将综合生成的IP核固化到ZYNQ的PL端,能够在几乎没有延迟的情况下处理多组图像并在HDMI显示器上显示,验证了图像算法增强的实时性。

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新器件新技术

STM32F407和FreeRTOS的嵌入式测试系统设计

田野

2023, 23(11): 54-58.

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针对测试设备小型化的要求,对现有主流嵌入式测试系统软硬件技术进行研究;通过分析被测试对象的常用资源需求,设计了基于STM32F407微处理器的通用硬件平台;采用最新的STM32Cube生态系统的软件工具和开发方法,着重加强软件架构的标准性和可移植性设计,实现了基于FreeRTOS实时操作系统的外设驱动和应用程序设计,并在某型便携式测试设备开展了工程应用。实践结果表明,该系统集成度高、通用型好,具有一定的实用价值。

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新器件新技术

基于双冗余CAN总线的同步系统设计^*

刘敏, 黄敏思

2023, 23(11): 59-62.

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针对当前工程机械、有轨电车中的CAN总线网络由于线路断裂导致通信中断的问题,提出一种新型的双冗余CAN总线同步系统。该系统提高了传统的双冗余CAN总线发送的同步性,同时解决了CAN总线因错误重发导致的冗余线路时间差问题。多次试验结果表明,该设计提高了CAN总线冗余线路的实时性和安全性,在单线路短路、断路等情况下无丢失数据的现象,对工程机械、有轨电车的稳定运行具有一定的应用价值。

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新器件新技术

基于改进RBF算法的蓄电池荷电状态估计研究^*

汪刘峰, 慈兆会, 李翔, 叶伟, 李剑卿

2023, 23(11): 63-67.

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针对径向基神经网络在SOC预测过程中随机产生基函数中心和宽度的不稳定性导致预测精度不佳的问题,提出一种改进RBF的蓄电池SOC估计方法,以麻雀搜索算法优化RBF网络参数以提高网络预测精度。在DST工况仿真验证SSA参数优化的有效性,在US06和FUDS工况下,分别利用改进径向基神经网络、RBF、极限学习机与BP神经网络对SOC进行预测。对比分析结果表明,SSARBF在SOC估计精度方面表现更优,将估计误差降低到2%以内,能够完成高精度的SOC估计,具有一定的理论研究意义与应用价值。

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新器件新技术

一种电力视频监控的可信智能分析装置设计^*

陈民, 张宇新, 葛红舞, 何迎利, 聂云杰, 张翔

2023, 23(11): 68-70.

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简要介绍了当前电力视频监控的现状,针对其应用的局限性,提出了一种具有人工智能分析能力的电力可信视频智能分析装置的设计方案,即基于国产化的“主控+堆叠AI单元”的分布式应用思路,具备百TOPS级算力。首先,从硬件架构与数据交换方面阐述设计方案;其次,引入可信认证启动融入装置安全防护;最后,着重优化一种智能识别算法。本方案具有灵活的扩展性,可根据现场实际情况预设安全策略与部署适宜的智能分析单元,具有一定的市场竞争力。

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应用精选

基于UWB的室内三维跟踪系统设计

吴尧帅

2023, 23(11): 71-74.

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设计了一个基于UWB的室内三维跟踪系统,通过增加一个增补矩阵解决飞行时间测距法(TOF)中无闭合解的问题,再结合卡尔曼滤波实现标签的动态跟踪。基站与标签均采用STM32系列芯片作为CPU,DW1000作为核心通信元器件。实验结果证明,本系统效果较好,不会随着室内环境的改变增加硬件开销,具有较好的鲁棒性。

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应用精选

一种电动汽车有序充电的优化方法研究

陈垠锟, 吴松泽, 吴育坚

2023, 23(11): 75-79.

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针对当前电动汽车充电过程中电网侧以及用户侧的客观需要,设计了优化电动汽车有序充电的一种方法。以最小化电网侧负荷波动和用户侧最大限度地提高电动汽车的充电电量为目标函数,建立了电动汽车的时间维度调度模型。提出了基于改进的多目标粒子群优化算法,通过个体选择、正态分布自适应突变、模糊满意度决策等策略加快搜索效率以及跳出局部极值。实验结果表明,与MOGA和MOAFSA相比,IACO具有更高的搜索效率。

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应用精选

基于全志T3处理器与SATA接口固态硬盘的大容量存储系统设计

赵群辉, 靳鹏飞, 王淇森, 张玉龙, 孙世杰

2023, 23(11): 80-82.

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分析了当前电力系统继电保护的特点,提出了一种基于全志T3处理器与SATA接口固态硬盘的大容量存储系统的设计方案。本文重点阐述了大容量存储系统的功能架构及硬件设计方案,并介绍了命令报文和文件传输的软件设计流程。该方案采用网络UDP报文和FTP数据流通信方式,方便融入现有的继电保护装置,满足了继电保护装置对大容量存储系统的需求。

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应用精选

国产化的数据采编传输系统优化设计^*

康建洲, 严帅, 张会新, 刘利生, 薛伟钊

2023, 23(11): 83-87.

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为了提高数据采编传输系统的可靠性与传输速度,创新性地设计了国产化的数据采编传输系统。整个系统以国产FPGA为控制核心,通过以太网完成上位机指令的下发与数据读取,通过高速串行通信连接至采编模块并通过以太网进行数据回读,数据读取速度可达600 Mb/s,在某监控台的数据记录器实验中通过验证。通过优化通信模式,传输速度可达1.25 Gb/s,主要是利用交换机的IP组播模式代替点对点通信模式,使多台上位机可以与数据采编传输缓存系统在不同时间、地点进行通信,提高了系统灵活性与便捷性并实现国产化。

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应用精选

基于千兆以太网的高速智能存储系统设计^*

闫文璇, 张会新, 孔祥博, 王洋, 姚玉林

2023, 23(11): 88-91.

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为了准确、完整地记录导弹在发射与飞行过程中的各种状态参数,并且对存储数据进行高速回收处理,设计了一种基于千兆以太网的高速智能存储系统。该系统以FPGA为控制中心,将PCM数据码流接收后经过编码解析存入Flash,最后通过千兆以太网、RS422多模式接口将数据快速回传至上位机显示。经试验验证,该智能存储系统具有传输速率高、抗干扰能力强、可靠性高等特点,能够满足弹载数据存储测试的要求,目前已成功应用于某弹射试验弹弹载数据测试中。

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产业技术

小芯片蕴含大能量——第11届EEVIA年度中国硬科技媒体论坛暨产业链研创趋势展望研讨会圆满举行

薛士然

2023, 23(11): 92-93.

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