集成电路与嵌入式系统

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业界论坛

如何通过编程实现测试和测量的自动化？

Stuart Cording(Elektor), 禾沐(译者)

2023, 23(12): 1-3.

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专题论述

基于混合关键系统的工业机器人操作系统^*

武啸泽, 李青锋, 牛建伟

2023, 23(12): 4-7.

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探讨了基于混合关键系统的工业机器人操作系统的关键技术,以应对机器人在非结构化或半结构化智能场景中面临的技术瓶颈。当前,随着智能技术在机器人领域的快速应用,机器人操作系统需要同时满足面向控制系统的强实时任务和面向智能化应用的弱实时任务需求,因此需要一个异构的多核智能系统。本文提出了一种针对机器人的架构设计,旨在提高机器人操作系统的实时性、安全性和智能化水平,并对工业机器人操作系统的未来发展趋势进行了展望,预测了工业机器人操作系统未来的演进方向。

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专题论述

一种具有断电续写功能的存储器系统设计

文丰, 郭红伟, 李辉景, 杨志文

2023, 23(12): 8-11.

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针对弹舰载存储器在复杂环境下可能出现偶然掉电的问题,提出了一种具有断电续写功能的存储器解决方案,避免存储器在弹箭上偶发性掉电恢复之后上次存储的数据被新的数据覆盖。在边擦边写基础上实现了断电续写技术,且为了满足数据写入速率使用交叉双平面编程。通过地面测试台模拟弹上系统发送数据,大量测试结果表明,该设计实现了断电续写的功能,可以实现对数据的稳定存储,且验证了系统的可靠性。

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专题论述

一种MCU间关键数据的双向同步方法

陈良勇, 初雯雯, 邵克松

2023, 23(12): 12-14.

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在嵌入式系统应用中,在单个模块中存在多个MCU的条件下,提出MCU之间进行数据通信和交换的一般方法,并提出一种MCU之间为短距离的应用前提下通过在MCU两端划分发送缓存和接收缓存,并使用DMA和SPI相互配合进行高速、无需软件干预的数据传输方法,以满足频繁获取对方数据的应用需求。

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专题论述

RISCV架构的交叉调试系统设计

陈龙震, 徐康民, 徐天骅, 张铆

2023, 23(12): 15-18.

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为了满足自研芯片配套集成开发环境的需求,自主设计了一套主要由Eclipse、GDB、OpenOCD组成的集成开发环境方案。进一步,选定RISC-V架构的RAC102芯片作为调试目标,在驱动适配和操作系统仿真的基础上,通过对GDB和OpenOCD进行定制化编译、调试和移植,实现了基于RISC-V架构的交叉调试系统。最后,在此方案实现的交叉调试系统中进行GDB调试命令以及对应远程通信协议的分析,在验证交叉调试系统功能正确性的同时,详细说明了各个调试命令对应的远程通信协议数据包集合。

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专题论述

掉电中断的嵌入式设备高可靠存储方案

范波, 王帅

2023, 23(12): 19-22.

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嵌入式设备通常基于Flash存储器和TFFS文件系统构建数据存储方案,本文针对其存储性能和可靠性问题,提出了一种基于掉电中断的数据存储优化方案。该方案将频繁变化的数据缓存于内存中,仅在设备下电时将缓存数据写入文件,最大程度降低Flash擦写次数,避免设备掉电引起文件系统元数据不一致导致无法访问文件的可能,提高了设备存储可靠性,延长了Flash芯片使用寿命。

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专题论述

SRIO与RS422的高速数据存储系统优化设计

焦新泉, 赵文焘, 牛婉琳, 李辉景

2023, 23(12): 23-26.

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在飞行试验中,为解决高速大容量数据在存储过程中出现的SRIO协议断链不重连以及传输可靠性差的问题,提出以FPGA为控制核心的SRIO与RS422相结合的数据存储系统的优化设计。通过实时监视SRIO链路的连接状态标志位并加入了断链重连机制实现断链再恢复,极大增加了数据存储的可靠性。在利用RS422接口电路接收遥测控制信号及状态反馈时,串口增加多次采样判决设计消除受到的外界强干扰,极大提高了系统接收遥测指令的精确度。在多次试验验证下,该优化设计能够实现无误码状态数据反馈和精确接收遥测指令,提高了SRIO链路的传输可靠性,实现了高速、大容量光纤数据的可靠性存储。

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技术纵横

多标签多目标融合下国产AI芯片的行人目标检测技术^*

李强, 庄莉, 王秋琳, 张帅, 陈锴

2023, 23(12): 27-30.

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行人目标检测需要处理大量的图像或视频数据,在实时性和效率方面对AI芯片的计算能力和存储容量提出了较高要求。为此,提出多标签多目标融合下国产化AI芯片行人目标高精度检测技术。构建行人目标特征提取模型,并对特征信息跨维拼接。利用AI芯片的并行计算能力对以上特征融合计算,结合整流函数获取目标空间聚合特征。基于此,考虑多目标多融合,采用IOU阈值计算行人目标候选框的概率,由此实现行人目标的高精度检测。实验结果表明,利用所提方法检测行人目标具有较高的准确度。

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技术纵横

基于人工智能的城市家庭能源能效管理系统^*

钟达, 雷文锋, 程国松, 陆亭华

2023, 23(12): 31-34.

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提出了一种既能提供能源效率又能满足居民需求的基于人工智能的城市家庭能源能效管理系统。本文提出3种预测机制:舒适温度的推导、无设备的睡眠预测、基于入住概率的外出预测。基于这些机制,设计了4种智能加热器控制策略:外出、入住、舒适和基于睡眠的控制。最后构建了一个实验测试台并进行了测量评估,在48天的评估中,该系统的节能率约为14%,居民满意度约为91%。实验结果表明,该系统在保持高满意度的同时可以节省能源。

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技术纵横

CAN总线波特率的自适应算法设计

陈海峰, 苏永辉, 朱克佳

2023, 23(12): 35-39.

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CAN总线上各节点的波特率必须保持一致才能进行可靠通信,为了解决新增节点能够自动适配未知CAN总线波特率的问题,设计CAN总线波特率自适应算法,并在STM32F407嵌入式开发平台上进行了实验测试。实验结果表明,新增节点能够自动适配多种常见波特率,识别速度快、稳定性好,算法在较大程度上能够提高CAN通信的灵活性。

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技术纵横

量子模块的低功率开发关键技术研究

徐旭

2023, 23(12): 40-43.

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针对量子模块存在功率大、计算能力差和传输通信效率低等问题,对量子模块低功率开发关键技术进行研究。采用梯度上升脉冲工程算法对量子门进行优化,通过迭代计算寻找最优脉冲序列,可提高量子模块的计算能力并降低功耗;利用量子纠缠反馈控制对量子传输通信进行优化,通过监测和对量子系统进行反馈,可增强通信的效率和减少功率消耗。实验结果表明,采用GRAPE算法后的CZ精度能达到96%;利用QEFC模型优化后的平均保真度在振幅阻尼的干扰下能达到0.97,在退极化信道下能达到0.92,远高于优化前;在空间等离子体环境下,优化后的误码率只有0.009,远低于优化前。由此可见,优化后的量子模块计算能力和传输效率能得到很大的提高,从而降低了功率的消耗。

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技术纵横

基于正则项的能谱CT投影分解方法研究^*

李佳欣, 孔慧华, 齐子文, 邸云霞

2023, 23(12): 44-48.

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能谱CT通过探索不同X射线能量下衰减特性的差异,具有定量分析材料的能力。然而,利用光子计数探测器获得的多个投影数据在进行材料分解的过程中,会受到噪声放大的影响。本文在特定材料正则项的基础上,加入张量分解的正则项,用于降低噪声,提高分解效果。实验结果表明,本文提出的算法可以清楚地分解出不同材料的投影图,利用重建算法对材料投影图进行层析重建后,材料图像的边缘结构比较清晰,并且抑制了分解过程中的噪声,提高了图像质量。

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新器件新技术

物联网应用中使用混合加密的安全认证方法^*

张实君, 曾婧

2023, 23(12): 49-54.

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物联网在通信网络中引起了广泛关注,但安全认证成为一个重大挑战。本文设计了一种基于混合和自适应加密的安全认证框架,在IoT中进行认证。该方法利用密码操作、哈希函数和混合加密完成认证过程。通过混合加密可以有效解决安全缺陷。该方法具有高强度和低复杂性,所提出的基于HAC的安全认证方法在通信成本、计算时间和内存使用方面具有一定优势。

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新器件新技术

Vivado HLS的图像传感器FPN噪声去除算法设计^*

张锐浩, 李晓琪, 党立志, 王云峰, 洪应平

2023, 23(12): 55-58.

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由于半导体工艺的限制,图像传感器列并行读出电路的系统结构很容易出现列与列之间的失配,从而导致输出图像在垂直方向亮度不均匀,表现为明暗变化的竖条纹,即FPN噪声,其严重影响了图像质量。本设计基于矩匹配法对其进行改进,提出了一种针对图像传感器的FPN噪声去除算法。首先在系统上电时,让图像传感器采集随机不同的300帧图像,然后算出所有图像的列像素均值和累计像素均值,当前列均值减累计像素均值即为该图像传感器当前列的校正值。本设计以Zynq系列ARM+FPGA异构SoC作为实现平台,OV6946作为图像传感器,使用Vivado HLS进行输入/输出接口都为AXI-Stream的视频流处理算法IP的开发,并固化到Zynq的FPGA中。经过实验,本算法在Zynq7020平台、50 MHz的系统时钟下,处理OV6946摄像头输出的400×400@30 f/s视频流延时约为3.3 ms,保证了视频流输出的实时性,较好地实现了FPN噪声的去除效果,并且算法的应用具有普适性。

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新器件新技术

GD32E232单脉冲模式在光收发模块中的应用

罗震

2023, 23(12): 59-62.

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针对光收发模块的微控制器(MCU)片上资源紧张问题,通过对GD32E232定时器PWM模式进行研究,提出将PWM的特殊应用模式即单脉冲工作模式应用在光收发模块接收信号强度指示的触发信号处理电路上,用来替代传统的以可配置逻辑单元组成电路的方法。本文详细给出了GD32E232定时器单脉冲工作模式的配置代码,验证结果表明,输入不同宽度的触发信号都可以得到所需要的固定宽度的输出信号。

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新器件新技术

改进型MTBFT模型的电子设备可靠性评估方法

魏江英, 董义俊, 刘振祥

2023, 23(12): 63-66.

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针对相关电子设备在运行中故障率不确定导致可靠度难以识别的问题,本研究设计了一个改进型的电子设备可靠性评估系统。利用平均无故障运行时间模型对电力设备的时间特征进行监测,采用最小二乘拟合设备的MTBF-T曲线,通过对设备可靠性发展趋势分析推测设备的运行寿命和故障发生概率。利用AMSAA技术对MTBF-T模型进行融合,获取该设备处于整个周期的相应阶段。采取长短期记忆网络算法提高本研究模型对电子设备故障的判别与预测的正确度。试验结果表明,通过本算法进行数据质量核查的准确度高达90%以上,表明该系统对提升故障判别准确度具有较强的实用性。

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新器件新技术

FMQL平台多节点多协议的SRIO总线技术

孙殿杰

2023, 23(12): 67-71.

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随着航空电子领域技术的不断发展以及对内部总线速率要求的不断提升,SRIO总线在其中承担着越来越重要的角色,多种处理器(如PowerPC、DSP等)均具备实现SRIO节点的功能,但这些处理器无法满足国产化需求。上海复旦微自主研发的FMQL系列可编程融合芯片得到了广泛应用,但其不具备完备的SRIO总线实现方案。本文基于FMQL平台研究了支持多协议混合收发的SRIO总线技术,同时使得单芯片可提供16个SRIO节点,每个节点可以与32个其他节点进行通信,并搭建了硬件测试环境,验证了本技术的可靠性与稳定性。

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应用精选

一种改进型的多级菜单设计

谈广旭, 吴海青

2023, 23(12): 72-75.

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为了方便用户控制各种嵌入式设备,通常采用一种多级菜单模型配合UI设计以便进行图形化界面操作,完成参数设置和功能实现。在以往的多级菜单设计中,结构不够清晰,扩展性较差。为了方便更多人移植使用,本文采用C语言进行开发,仅需要定义一个结构体类型,用结构体数组表示父子菜单,便可实现功能,其结构简单,逻辑清晰。最后,在FPGA中成功移植本菜单模型,可满足用户各种控制需求,并可根据需求在原有菜单结构中添加新的功能,实现了高度的可扩展性和可移植性。实验结果表明,此菜单模型适合各种嵌入式设备,满足用户的控制需求和显示需求。

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应用精选

基于FPGA和千兆以太网的数据采集系统^*

倪国斌, 李永红, 李辉, 岳凤英, 薛磊

2023, 23(12): 76-79.

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针对某航空航天领域的探测装置传感器数据采集、存储和传输等需求,通过结合FPGA技术和千兆以太网接口,开发出了一种高效的数据采集系统,并对其进行了详细的分析与研究。以FPGA作为主控芯片,将采集的传感器信号通过AD7606转换器调理转换,并临时缓存到FIFO+RAM的存储结构中,经编帧处理后存储到NAND Flash中,通过千兆以太网口实时传输,测试结束后可回读出Flash中存储的实验数据。

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应用精选

基于FPGA的千兆以太网高速数据传输系统设计

焦新泉, 刘帅

2023, 23(12): 80-83.

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随着导弹飞行器等设备的逐渐发展,对弹上数据采集设备的要求越来越高,数据传输应该更加快速高效,本设计采用FPGA+千兆以太网的数据传输方式,并且在数据传输过程中增加了数据重传机制,加快了数据传输速度,提高了传输效率,降低了数据远距离传输过程中容易出现的数据丢失和误码问题发生概率。试验在Xilinx公司的FPGA板卡上进行验证,证明FPGA+千兆以太网的数据传输是可行的,且数据传输速率更高,具有良好的可维护性和稳定性,能够在实际工程中应用。

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应用精选

多通道SRIO数据传输优化设计与应用

文丰, 徐胜, 朱振麟

2023, 23(12): 84-87.

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为了满足遥测系统大容量数据高速可靠传输的需求,提出了一种基于FPGA和Serial RapidIO(SRIO)的数据传输链路优化设计,传输链路为4x模式,传输速率为2.5 Gb/s。针对测试过程中链路异常被训练成1x模式而造成数据传输异常的现象进行深入分析,采用上电复位和软件复位相结合的方法对传输链路进行优化,经测试验证,优化后的链路数据传输稳定,1路SRIO数据传输速率可达585 MB/s,且无丢帧、误码现象。该设计已成功应用于遥测系统项目,实现高速数据稳定传输。

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应用精选

基于多尺度卷积神经网络的滚动轴承故障识别^*

张志艺, 李光亚, 王子一, 李旭卿

2023, 23(12): 88-91.

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针对当前基于卷积神经网络的滚动轴承故障信号识别多采用单一尺度卷积核,对特征提取不充分、多尺度特征难提取,且超参数选取多依据人工经验等问题,提出一种多尺度卷积神经网络识别方法。首先,直接将原始时域信号作为输入,可有效保留原始信号特征且不需要人们对故障机理、信号处理专业知识的认识。其次,通过多尺度卷积神经网络对信号特征学习,并引入粒子群优化算法来寻求最优的尺度信息。最后,用滚动轴承数据集来验证模型性能,并与其他模型做对比。实验结果表明,本文模型平均识别准确率达到99.45%,高于其他模型,且抗噪声能力优于其他模型,证明所提方法具有可行性。

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产业技术

如何通过提升代码质量加速完成项目的功能安全认证?

IAR资深现场应用工程师/美国FAE团队负责人 Shawn Prestridge

2023, 23(12): 92-93.

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