集成电路与嵌入式系统

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业界论坛

嵌入式系统和人工智能的今天和明天

Robert van der Zwan(荷兰), 禾沐(译者)

2023, 23(7): 1-2.

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专题论述

RISC-V随机化过程的抗功耗分析攻击设计^*

白创, 肖鸣松, 童元满

2023, 23(7): 3-7.

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提出了一种基于随机化过程来抵御功耗分析攻击的方法。该随机化过程综合采用3种手段:在指令执行过程中,随机生成并插入与上一条真实指令相似的虚拟指令,使得插入的随机功耗与上条真实指令相近以避免被准确分析功耗;在指令执行、写回阶段插入一个随机延时来混淆指令执行时间以避免被准确定位;通过4种不同频率的时钟随机切换来对系统时钟进行扰乱以混淆瞬时功耗。基于CV32E40P处理器实现了该方法并通过相关功耗分析攻击进行实验,实验结果表明得到的最高相关性系数为0.139,比原处理器低0.641,该方法大大提高了处理器的抗功耗分析攻击能力。

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专题论述

基于无线传感器网络弹性路由的链路可靠性预测模型

文辉

2023, 23(7): 8-11.

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提出了一种基于无线传感器网络弹性路由的链路可靠性预测模型。首先,在研究了链路可靠性预测问题基础上建立链路可靠性预测映射函数。其次,设计了一种有监督的深度学习模型进行链路可靠性预测,从而提高模型泛化能力。最后,提出了一种基于当前最短路径和链路可靠性度量的弹性路由模型来消除网络攻击的影响并尽可能恢复网络连接。在实验阶段,与CN、LBCN、SRW和WL等链路可靠性预测模型相比,所提SDLM链路预测模型综合性能最优,AUC指标为0.986 4,精度为0.878 5。与FRR和SQR进行对比,所提弹性路由模型在传输延迟、系统剩余能量、平均路由长度和节点故障数量等指标方面综合性能最优。

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专题论述

基于RT-Thread Nano的LwIP以太网协议栈移植与实现^*

田青旺, 俞冠中, 靳子洋, 田钢

2023, 23(7): 12-16.

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针对现有方案自主可控性不足的弊端,提出了基于RT-Thread Nano操作系统完成LwIP以太网协议栈的移植实现以太网通信功能方案。首先,给出了RT-Thread Nano操作系统的移植方法,分析了RT-Thead Nano自动初始化机制的原理,并改进了串口控制台的数据发送方式。在操作系统的基础上完成了LwIP的移植,并测试验证了TCP通信和UDP通信。测试结果验证了基于自主RTOS的LwIP移植方案的有效性。

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专题论述

多个电控板固件的在线升级方案设计与应用

张谊

2023, 23(7): 17-20.

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为具有多个电控板的家电设备设计了一种固件在线升级方案,通过一定时间间隔轮询的方式逐个对可以升级的电控进行升级,针对空调内部不同作用的电控板,采用单分区或带有备份区域的双分区OTA升级方案,同时设计了在升级过程中防变砖的处理措施以提升整体的可靠性。该方案不仅能确保固件正确高效地升级成功,还可以确保在升级过程中出现异常情况时能自动恢复原固件,从而不影响设备的运行。方案控制逻辑简单易实现,具有较高的可靠性及良好的用户体验。

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专题论述

一种基于自主处理器硬件Trace的程序回放系统

赵纪堂, 林广栋, 房露洁

2023, 23(7): 21-24.

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为了弥补单步、断点等传统侵入式调试方式的不足,越来越多的处理器在设计中加入了硬件Trace功能。现有针对硬件Trace的应用,主要集中在程序调优方面,在基于源代码的程序执行流动态回放方面还存在明显不足。本文基于一款“魂芯”数字信号处理器的硬件Trace,针对现有Trace应用的不足,实现了一种基于源码的程序回放系统,该系统不仅可以满足程序调优的需求,而且可以更好地满足程序调试的需求。

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技术纵横

基于ConvNeXt的手势姿态估计研究^*

邹倩倩, 杨瑞峰, 郭晨霞

2023, 23(7): 25-28.

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随着优化技术的发展以及对神经网络的进一步认知,提出ConvNeXt网络并应用于视觉分类任务,其性能超越Transformer等一系列多参数量和多计算量网络。姿态估计任务是计算机视觉任务中的基本任务,也是手势识别技术的基础,有着广泛的应用前景。将ConvNeXt网络应用于手势姿态估计并进行优化,引入heatmap编码,从而增加对关键点坐标预测的准确率。使用改进的Adamw优化器对模型参数进行优化,其PCK@0.2指标达到了0.992,EPE指标也达到了3.47,超越了其他模型的实验结果。

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技术纵横

FreeRTOS和LwIP嵌入式设备的以太网通信研究

沈鑫, 侯若鹏, 毛臻, 葛成华

2023, 23(7): 29-32.

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介绍了一种基于STM32硬件平台的以太网通信技术系统设计。系统充分利用FreeRTOS实时操作系统和LwIP协议栈的特点,通过以太网控制器LAN8720A和RJ45接口连接以太网,在LwIP协议栈NETCONN接口基础上扩展实现UDP协议通信过程,上位机和客户端可以进行双向网络数据包传输。

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技术纵横

一种嵌入式脑电数据采集系统设计^*

张慕谦, 曹乐

2023, 23(7): 33-37.

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以Kintex-7系列FPGA为控制核心,通过三段式有限状态机控制方式对64通道脑电信号进行数据采集,并通过千兆以太网将脑电信号传输至电脑。仿真和实测结果表明,所设计的嵌入式脑电采集系统能够实现稳定可靠的脑电信号采集,且经过实验验证,所采集的脑电信号符合要求,为便携式脑电信号采集系统设计提供了一种参考方案。

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技术纵横

基于深度学习的目标检测研究进展^*

周科宇, 李军

2023, 23(7): 38-40.

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首先,介绍了现阶段目标检测的发展并进行分类;然后阐述了YOLO系列算法,特别是YOLO中重要的核心机制,如损失函数、网络结构、优化策略、k-means聚类和批归一化;其次,对YOLO的应用场景进行介绍,如应用于行人检测、工业以及医学方面;最后,总结YOLO系列算法的特点以及未来改进方向。本文对研究基于深度学习的目标检测系统具有一定的指导意义。

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技术纵横

可编程控制器运行时系统软件设计^*

李响, 陈宏君, 曾凯, 侯先栋, 周强, 张磊

2023, 23(7): 41-43.

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基于国产硬件和国产实时操作系统开发了可编程控制器运行时系统软件平台,该平台包括数据管理、任务调度、在线调试、热备冗余和实时总线等功能。提出了基于自适应调度器和信号量触发机制的多类型实时任务高精度调度方案,支持微秒级运算周期,满足强实时应用场景需求;提出了编译型程序在线增量更新方案,采用乒乓原理分区切换、多线程无缝配合和数据区增量分配等技术实现高效率的程序在线替换和断面恢复运行;提出了基于智能插桩的跨平台断点和单步调试方案,实现了图形程序和文本程序的单步运行功能,提高了程序诊断、问题排查效率;提出了主/从控制器实时多任务热备冗余运行方案,支持程序文件、运行数据、任务状态同步和运行状态诊断与主/从角色智能切换。

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新器件新技术

基于IBIS模型的FPGA总剂量效应建模方法

张晓鹏, 刘锦辉, 梁博, 谭雯丹, 张馨丹, 刘刚

2023, 23(7): 44-48.

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提出了一种基于输入/输出缓冲区信息规范的FPGA的TID效应建模方法。将FPGA电路结构划分为3部分:输入缓冲区、输出缓冲区、逻辑功能区。缓冲区模型基于IBIS模型使用VHDL-AMS建立,功能区模型基于特定需求采用VHDL建立。针对基于IBIS模型的建模需要,测量了FPGA在0 krad(Si)、820 krad(Si)和2.52 Mrad(Si)的IBIS模型和端口电平数据。通过对比仿真结果和试验结果,验证了所建模型能够反映FPGA受TID效应影响后的电平转换时间变长现象,结果误差在30%以内。所提建模方法为评估数字器件的TID效应提供了模型支撑,对数字系统抗辐射加固具有一定参考意义。

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新器件新技术

基于Hi3861 IoT WiFi模组的井下环境探测系统设计

刘康博, 李妍, 李中原

2023, 23(7): 49-52.

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针对矿用装备操作系统存在的没有统一协议、国有化程度较低等问题,本文采用Hi3861芯片作为主控制器,设计了集温湿度传感器、光照传感器、LED应急灯和motor应急通风模块于一体的智能井下环境探测系统,实现了环境数据采集以及应急处理功能,并且可以通过华为云平台实现实时监测和控制。实验结果表明,与同类产品比较,该系统操作简单、读数精确、安全稳定、成本较低,可以广泛应用于实际生产中。

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新器件新技术

USB接口的CDC&MSC复合设备设计与应用

蒲泽坤, 沈勇, 陈旅超

2023, 23(7): 53-56.

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在实际嵌入式项目开发过程中,需要通过一个USB接口实现虚拟串口通信和外部Flash芯片做虚拟U盘的复合功能,设计了一种基于USB的CDC类和MSC类复合设备,该设计以STM32F407系列单片机为核心,进行USB接口电路和外部Flash芯片的SPI接口电路设计,对USB设备库驱动程序中的底层驱动代码、各类描述符和初始化函数进行修改,最终完成USB复合设备的设计。USB复合设备功能测试结果表明,本设计不仅可以实现USB虚拟串口通信,还可以实现虚拟U盘功能,方便嵌入式系统的设计与开发。

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新器件新技术

机器视觉领域的FPGA非线性双边滤波系统设计^*

孟晨光, 刘跃成, 甄国涌

2023, 23(7): 57-61.

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针对机器视觉领域对图像成像质量的要求,设计了基于FPGA的非线性双边滤波系统,通过双边滤波系统对噪声图像进行去噪预处理。从双边滤波原理、双边滤波“保边性”原因、双边滤波参数取值影响3方面对双边滤波系统进行理论分析,通过查找表使用、并行流水线处理等方式在FPGA上实现双边滤波系统,通过模块化设计和参数化编程的设计思想提升了双边滤波系统的可移植性。对设计的双边滤波系统进行测试验证,经双边滤波系统降噪后图像PSNR值提高了3.284 2 dB,SSIM值提高了21.82％,所设计的双边滤波系统起到了一定的噪声抑制作用。

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新器件新技术

MATLAB环境下语音分析处理平台的设计^*

李炜

2023, 23(7): 62-65.

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本文旨在探讨如何在MATLAB环境中有效处理语音信号,并建立一个符合用户需求的语音分析处理平台,因此提出了一种基本的设计方案,并详细阐述了其设计过程。经过实验验证,MATLAB在处理语音信号方面表现出了良好的性能。

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新器件新技术

基于RISC-V和MAX2830的无线通信平台设计^*

杨园格, 翟书颖, 李茹

2023, 23(7): 66-70.

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设计了基于RISC-V和MAX2830的无线通信系统架构。采用开源RISC-V软核作为主控单元,其指令架构精简易于集成拓展;对于数字基带单元,基于FPGA平台进行通信算法移植优化研究,设计采用了开放式自有协议结构并兼容BLE通信协议。针对射频前端收发单元,设计了基于MAX2830的射频方案实现无线信号收发电路。对系统平台进行通信测试验证,性能指标满足设计需求,接收灵敏度达-88 dBm,最大发射功率达19 dBm。该软件无线平台通过FPGA可编程逻辑实现模块化设计和动态重构通信模式,适用于多种通信场景。

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应用精选

WK2114构建的UART四通道异步串口扩展器设计^*

龙顺宇, 杨伟, 赵广宇, 胥勋伟

2023, 23(7): 71-75.

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在测控类电子产品中,常需要主控制器提供多个异步串口对接外设单元,但主控制器的片上串口资源十分有限,因此产生了串口扩展器的场景需求。本文采用WK2114芯片设计了一款UART接口四通道异步串口扩展器,该扩展器利用主控制器的一个标准3线异步串口扩展得到4个增强型子串口,芯片内部自带256级FIFO,且子串口的波特率、数据位长度、校验格式均可单独设定,最高通信速率可达2 Mb/s。功能验证和样机测试结果表明,该款扩展器具有一定的实用价值。

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应用精选

基于CatBoost算法的多传感器信息融合可燃气体燃爆状态监测系统^*

周龙, 陈向东, 丁星, 刘小飞

2023, 23(7): 76-79.

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设计了基于CatBoost算法的多传感器信息融合可燃气体燃爆状态监测系统,其中甲烷采集使用响应更快的催化燃烧传感器和测量范围更大的红外甲烷传感器进行配合采集,使其能在高浓度气体环境中快速检测甲烷浓度。首先将获取的传感器数据通过梯度提升树算法筛选出最能表征燃爆状态的特征;然后使用SMOTEENN算法对特征集进行类不平衡处理;最后通过CatBoost算法对数据进行分类训练得到预测模型。该模型对可燃气体燃爆状态的分类具有较高的准确率。

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应用精选

基于百度大脑和树莓派的智能电子秤^*

张萍

2023, 23(7): 80-83.

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基于百度大脑和树莓派实现智能电子秤。分析了人工智能平台百度大脑的使用步骤、传输协议、数据接口,解析关键硬件模块HX711原理及与树莓派4B的配合使用,提出硬件模型,选用QT作为应用程序开发语言,使用OpenCV、curl、jsoncpp、wiringPi等多种函数库,实现智能称重功能。

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应用精选

基于STM32的非接触式手势识别门禁设计

张斌, 徐榕泽, 庞昊, 房峰昌, 傅桂霞, 邹国锋

2023, 23(7): 84-87.

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设计了一种非接触式手势识别门禁装置,该系统以STM32单片机为主控制器,采用Wondercam摄像头作为视觉传感器。通过手势识别系统实现手势与数字密码的转换,然后逐位对比数字密码,实现门禁锁开关,该系统弥补了常规门禁必须触摸的不足。

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应用精选

基于LoRa的机械冲压机故障检测系统设计^*

许龙铭

2023, 23(7): 88-91.

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针对机械冲压机故障定位困难问题,设计了一种低功耗机械冲压机故障检测系统。采用超低功耗STM32L051C8T6微控制器作为主控单元,基于LoRa技术完成传感器的多节点组网,采集冲压机冲头的温度和振动信号,并传输到基于安卓嵌入式平台的网关系统上进行分析、存储。采用降低时钟、低功耗外设、低功耗内部资源等多种方法降低系统功耗。实验结果表明,系统在金属设备密集分布的车间环境中,数据稳定传输距离达到300 m,丢包率低于1.2%,温度检测精度高于±0.5 ℃,振动精度高于±0.1g,平均工作电流为1.17 mA,该系统实时性强、抗干扰能力强、成本低、功耗低,能够满足冲击机实时状态监测的需求。

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产业技术

影响嵌入式处理技术未来发展的三个趋势

德州仪器 Sameer Wasson

2023, 23(7): 92-92.

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产业技术

如何利用8位MCU实现智能农场技术？

Microchip Technology Inc.8位单片机产品部 Grace San Giacomo

2023, 23(7): 93-96.

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