集成电路与嵌入式系统

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业界论坛

夯实基础,构建安全可靠的工业操作系统——“第四届国产嵌入式操作系统技术与产业发展论坛”圆满结束

本刊编辑部

2023, 23(2): 1-3.

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业界论坛

如何简化复杂的电机控制?

Stuart Cording (Elektor), 透镜(译者)

2023, 23(2): 4-6.

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专题论述

TinyML的研究现状及展望^*

吴建邦, 邱天, 张昕, 吴佩雯, 林晓燕, 符晓, 李牧云, 宁洪龙

2023, 23(2): 7-11.

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从微型机器学习的定义、优点、当前存在问题等方面做简要介绍;从专属或通用的微型机器学习部署方式、基于ARM Cortex-M或者RISC-V的微处理器设计、基于神经架构搜索的部署算法等方面存在的问题进行讨论,并介绍研究现状。对微型机器学习的未来发展进行展望,认为未来需要功能齐全的微型机器学习部署框架、硬件研究更多是基于RISC-V与硬件神经网络加速单元组成微处理器,并探讨如何提高搜索效率、减少神经架构搜索的耗时等。最后在上述基础上针对如何完善和发展微型机器学习生态提出思考。

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专题论述

基于UVM平台实现SDHost控制器的验证

刘璐, 赵启林, 李超, 戴兆麟

2023, 23(2): 12-14.

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随着数字信息技术的发展,SDHost控制器的应用逐渐广泛。本文对SDHost控制器的相关功能进行验证,基于UVM验证方法学搭建完整的验证平台,通过直接测试和大量的随机测试案例以及Makefile脚本自动化编译,完成代码覆盖率以及功能覆盖率的统计,最终代码覆盖率和功能覆盖率均满足要求。UVM验证平台以及自动化脚本的使用提升了验证效率,对验证流程做了简化,同时保证了验证的完备性。

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专题论述

MIPS指令集的流水线CPU模型机设计

肖世伟, 李承凯, 杨美娜, 冯祥虎, 孙国萃, 杜军

2023, 23(2): 15-18.

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对MIPS指令集的流水线CPU进行了研究,提出了一种基于MIPS的流水线处理器模型机设计方案。方案设计的数据通路可以逐条添加指令,更贴近于教学实践,采用五级流水线架构,共实现52条指令,包含乘法及除法指令,对于每个流水段中的教学应用方法进行了分析。针对流水线数据与指令的相关问题,设计了专用的异常处理模块。模型机在EDA平台上进行了测试,测试结果表明,该方案符合设计要求。

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专题论述

在FPGA上实现对RS译码器的优化设计

李锦明, 张萍萍

2023, 23(2): 19-22.

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针对里德所罗门码(Reed-Solomon,RS)译码在硬件实现时存在数据量大、消耗资源多等问题,基于CCSDS标准中的RS(255,223)码,根据欧几里得核心译码算法,在FPGA上实现对RS译码器的优化设计。本文提出采用乘法器因子矩阵方法将有限域中的乘法计算转换为加法运算,用异或操作在硬件中实现,简化硬件运算数据量;在欧几里得算法核心模块实现中,采用多项式除法电路和多项式乘法电路进行硬件电路设计,降低运算复杂度,可以有效节约硬件资源。通过FPGA测试验证,优化设计的译码器可以有效译码并具有较好的译码性能,完成最多16个码元数据的纠错。

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专题论述

RCARH3硬件平台的引导程序启动过程分析

田学明, 李岩, 张晓谦, 田娇

2023, 23(2): 23-24.

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RCAR-H3平台主要用于先进安全驾驶辅助系统和车载娱乐系统,具有超高的识别运算能力,同时支持高效的图形设计,符合ISO26262标准。通过了解armv8架构和TrustZone技术,本文分析RCAR-H3从上电到uboot启动前的整个启动流程。

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技术纵横

基于探针故障检测的载波组网监测技术研究^*

尤宏亮, 刘建戈, 戴欣, 安立源

2023, 23(2): 25-28.

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电网智能化已经成为国际趋势,智能电网是一个现代化电力系统网络设施,通过自动化控制和现代通信技术提高电力和数据传输的效率、可靠性和安全性。保障输电线路的可靠性一直是智能电网领域研究的热点问题,它对于电网的安全稳定运行具有重要意义,其中,故障诊断是智能电网的重中之重。

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技术纵横

STM32的窄线宽半导体激光器驱动电路设计^*

丁少轩, 刘文耀, 潘梓文, 刘昊东, 陶煜, 唐军, 刘俊

2023, 23(2): 29-32.

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设计了一种高稳定性的激光器驱动电路。激光器驱动电路硬件主要包括温控模块、恒流驱动模块以及电流调谐模块,电路设计采用STM32微处理器作为主控芯片,ADN8443作为温度控制器件,结合PWM控制方案实现温度控制,设计恒流驱动电路以及电流调谐电路实现半导体激光器的稳定输出。经过测试,功率稳定度为0.16%,波长稳定度为0.23 ppm,电路具有可调谐、体积小、效率高、驱动能力强等优点,能够实现激光器的稳定控制。

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技术纵横

一种改进的YOLOv3嵌入式实时车辆检测算法^*

刘永鑫, 高成, 吴政, 郭超

2023, 23(2): 33-37.

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受制于嵌入式平台的性能和资源制约,基于深度学习的车辆检测算法在部署时面临网络参数量过大、模型复杂、移植困难等问题。提出一种基于MobileNetv3网络的YOLOv3改进目标检测算法,使用轻量级MobileNetv3网络替换传统主干特征提取网络Darknet53,修改FPN特征金字塔为FPN+PAN结构,同时引入注意力机制以提高算法的检测精度。在计算机平台和瑞芯微RV1126嵌入式平台上的实验结果表明,改进后的YOLOv3算法模型减小50%,检测精度提升0.85%,推理时间缩短50%。

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技术纵横

基于OneNET 的需求侧用电信息监测系统^*

尹春杰, 王光旭, 赵钦, 宋其征

2023, 23(2): 38-41.

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针对传统电力监测系统服务器维护成本高、功能不完善等问题,通过STM32微处理器采集各设备的数据,远程监测采用Modbus通信协议以及无线模块将数据发送至云服务器实现数据的传输与存储,最终基于中移动的OneNET平台设计一套用户侧用电信息监测系统。该系统可以对用电信息、负载运行等进行有效监测,便于用户更加直观地观察用电状态,制定更加合理的用电规划,提高经济效益。实验结果表明,该系统运行稳定可靠,满足国家关于电力监测电压、电流测量精度0.5级以内的指标要求。

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技术纵横

WM8978音频处理器的百度AI语音识别

牛帅, 张弛, 董振华, 何义

2023, 23(2): 42-44.

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近几年,随着国内IT技术的迅猛发展,语音识别技术已经成为最热门的应用领域之一,广泛应用于金融、教育、医疗、车载、机器人等领域。因此本设计在STM32F7单片机上通过ESP32实现了百度AI语音识别。通过WM8978音频处理器采集上传服务器解析数据,将语音结果显示在LCD屏上。

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技术纵横

基于树莓派和 YOLOv5 的 PCB 瑕疵检测^*

贺鹏飞, 刘志航, 王菲菲, 徐康, 聂荣

2023, 23(2): 45-48.

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针对PCB瑕疵检测问题,提出了基于YOLOv5s的轻量化PCB瑕疵检测算法,并基于树莓派平台搭建了一套PCB瑕疵自动检测系统。首先,在Backbone阶段使用改进的空间金字塔池化代替原有的C3网络;其次,在Backbone与Neck中引入残差结构,并在小目标检测层面加入CBAM注意力机制;最后,将所提轻量化算法部署到树莓派上,并使用NCS2套件进行辅助加速,通过摄像头进行自动检测。通过测试,所提算法检测PCB瑕疵mAP达到99.1%,与原YOLOv5s模型相比,Params为其23%,FLOPs为其21%,PCB瑕疵检测系统运行速度达到7 fps,满足自动检测要求。

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新器件新技术

基于MD5算法的无线传感网络用户身份分簇节点安全认证方法

卓蔚

2023, 23(2): 49-52.

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为防止恶意的中间节点截获、篡改和干扰信息的传输,以及反馈延迟导致认证密钥丢失等问题的出现,提出基于MD5算法的无线传感网络用户身份分簇节点安全认证方法。预处理无线传感网络用户身份分簇节点数据,将数据加密参量转换为MD5的512位标准;根据用户分簇节点对应的MD5变换参量对其认证规则加以定义,用于MD5算法优化规则制定;通过MD5算法对请求数据进行数据融合压缩,解析交互认证过程密钥,完成对应节点数据簇头信息的安全认证。实验结果表明:该方法收发成功率均在97%以上,开销率最高在50%。该方法在多种条件环境下均有效可行,其所得各项指标数据均为最佳,能够在满足相关指标要求的基础上保持连续稳定运行,具有一定的应用推广价值。

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新器件新技术

CAN总线分布式采集模块的优化设计

皇迎港, 杨洋, 任勇峰, 张凯华

2023, 23(2): 53-56.

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为了满足智能汽车对多路车载传感器的数据采集和数据可靠传输的需求,在CAN通信的标准帧中添加应用层协议,以“点名-应答”机制实现了一主多从的数据传输,并利用C8051F060内部的定时器实时监测总线上主节点下发点名指令和从节点应答的时间间隔,解决了传输链路在受到外部干扰后导致的数据包长短帧、节点延迟响应和故障节点异常离线等传输错误。采集模块采用单片机控制16选1的模拟开关ADG706和模/数转换器AD7667,实现对16路传感器数据的采集。最后经过多次测试验证和监测总线上的数据,CAN总线上传输速率达500 kb/s,可挂载32个从节点,并且每个节点可单独采集16路传感器数据,满足智能汽车对缓变信号的采集需求。

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新器件新技术

MicroPython软件开发平台的ESP32C3通信性能测试^*

董俊杰, 彭亚斌

2023, 23(2): 57-60.

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现有的ZigBee通信方法成本较高、结构复杂,而智能家居对软硬件成本比较敏感。针对此,本文基于开源开发语言MicroPython搭建了ESP32-C3 芯片网络传输性能的测试系统。该测试完成了PC与单台ESP32-C3下位机单数据包传输,PC与ESP32-C3的大数据传输,ESP32-C3AP与ESP32-C3下位机的网络传输特性测试,ESP32-C3作为AP,PC与ESP32-C3下位机网络传输特性测试。实验结果表明,ESP32-C3的单数据包传输时间主要变化范围为6~30 ms,基于ESP32-C3 AP的通信方案的传输时间最长为125 ms, 8~2 048k大数据的归一化传输时间的主要波动变化范围是3~5 ms,传输速度比较稳定。ESP32-C3单芯片网络传输系统的带宽为1.3~2.7 Mb/s,满足智能家居的开关信号及监控静态图像的传输速度要求。

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新器件新技术

雷达与视频融合的复杂环境目标检测方法^*

段涛伟, 陈平

2023, 23(2): 61-65.

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提出了一种将优化雷达点迹关联和雷达信息与相机图像信息融合决策的方法。使用微波雷达和可变焦相机,从带有噪声的原始雷达数据中提取出有效的目标信号,利用齐次坐标表示投影方程,实现雷达-视觉数据空间对齐,利用雷达点投影影响视觉ROI检测框的位置。实验结果表明,相对于传统方法,对于复杂环境中的目标融合,本文提出的方法融合检测成功率提升了1.5％～5.7％,在获取更精确目标属性的同时消除了环境杂波干扰。

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新器件新技术

一种多协议转换工业智能加密网关

李鹏, 裴丽娜, 夏凯旋, 丁子健, 樊怡

2023, 23(2): 66-69.

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为了解决工业现场不同通信规约的设备无法通信以及明文数据通信过程中的安全隐患问题,设计了一种基于嵌入式技术的多协议转换工业智能加密网关设备。从系统设计角度介绍了网关主要子系统:核心控制器模块、协议通信模块、通信加密模块和人机界面的设计原理和设计策略;从软件功能设计角度介绍了核心控制器实现协议转换的策略和方法。该网关可连接不同种通信规约设备,实现多种协议互转功能,且对数据进行加密传输,完成异构网络之间的信息交换。

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新器件新技术

UWB技术的RLSEKF室内定位算法研究

张泽鹏, 李桂林, 周海俊, 李雯

2023, 23(2): 70-72.

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针对当前UWB技术在传统厂区布站方式下室内定位误差较大,无法良好实现对象的三维显示问题,基于多传感器融合,本文提出一种将UWB数据与IMU数据进行先预处理、后融合的算法。该方法通过TOF测距后将UWB数据进行小波阈值去噪,递推最小二乘定位,并与IMU数据进行扩展卡尔曼滤波融合,从而减小标签的三维距离误差,提高定位精度,实现对厂区可移动设备的实时监控管理。仿真结果表明,基于多传感器融合的RLS-EKF室内定位能够减小标签三维定位误差,提高定位的准确性,满足厂区室内实时定位的精度要求。

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应用精选

STM32的有害气体云数据库远程检测系统设计

吴自玉, 钟安德, 谢宗效, 毛玉明, 杨留方

2023, 23(2): 73-75.

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针对传统的VOCs有害气体检测装备无法实现对气体数据的保存及远程检测功能的问题,设计了一种结合单片机、无线通信、上位机和数据库技术的有害气体检测系统。该系统采用STM32单片机,结合辅助模块MS1100气体传感器和ESP8266-01S无线模块等设备作为下位机数据采集装置,通过无线模块把数据上传至上位机,实现了对监测空间中的甲苯、甲醛等VOCs有害气体的检测及其数据上传至MySQL云端数据库进行永久保存的功能。

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应用精选

ZYNQ与NVME协议的模块化存储系统设计

殷平天, 赵福海, 吴侠义, 左臣瑞, 尹航

2023, 23(2): 76-79.

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随着技术的发展,传统的机械硬盘和SATA SSD等存储设备已经不能满足高速以及大存储容量的使用需求。本文基于Xilinx公司的ZU19EG芯片,采用模块化设计理念,提出了一种基于NVME协议的高速存储方案。该设计由ARM端获取数据块信息后构造和解析NVME协议,PL端完成底层驱动实现数据缓存以及与NVME SSD的数据交互,通过PS与PL端的配合完成NVME SSD的数据写入和读出。该设计可实现72.4 Gb/s的写入速率、50.4 Gb/s的读出速率以及最大40 TB的存储容量。

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应用精选

基于UDP的FPGA远程升级系统设计

陈某舟

2023, 23(2): 80-82.

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设计并实现了基于UDP的FPGA远程升级系统,包括完整的FPGA工程和整套计算机上位机GUI程序。FPGA运行时,通过有线网络与计算机相连,在计算机上简单地操作上位机GUI程序即可实现FPGA的在线升级烧写、热启动等功能。实际上,在没有网口只有串口的情况下,这套远程升级系统通过模式选择开关可以切换为串口模式,而计算机上位机GUI程序也相应切换为串口模式,通过串口实现FPGA远程升级等功能。

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应用精选

采用eMMC的高可靠性存储系统设计

洪明森, 洪应平, 刘欣, 张会新

2023, 23(2): 83-87.

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为了满足航空航天领域遥测系统对数据记录器大容量、高速稳定、抗高过载的需求,设计了一种采用内嵌式多媒体存储卡芯片的高可靠性存储系统。该系统以FPGA为主控芯片,通过千兆以太网接口实时解析数据流,解析后数据进行编帧处理,最后通过DDR缓存写入eMMC存储单元,存储完成后可进行回读验证数据。系统经过实际工况反复测试验证,未发现丢包和误码状况,为航空航天遥测领域高过载环境下数据高可靠性、高速大容量存储提供了解决方案。

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应用精选

HMI显示屏的以太网硬件电路设计

刘高尚, 欧阳旭阳, 苗仲海

2023, 23(2): 88-91.

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针对城市地铁通信网络发展需求,设计了基于i.MX6Q平台网络系统人机交互显示屏的硬件电路。本文重点阐述了百兆以太网硬件电路总体架构、百兆以太网硬件电路设计和以太网一致性测试。测试结果表明,硬件电路完全符合以太网一致性测试的指标,且设计的以太网硬件电路具有良好的可靠性和较高的实际应用价值。

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产业技术

可穿戴式诊断设备的设计挑战与发展机遇

安富利公司

2023, 23(2): 92-92.

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产业技术

传感器和处理器如何打造更智能、更自主的机器人？

德州仪器

2023, 23(2): 93-96.

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